设有通信分站的矿井人员定位系统设计毕业设计（论文)word格式.doc

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1、 毕业设计（论文） 设有通信分站的矿井人员定位系统设计 系 别电子信息 系 专业名称电子信息工程 班级学号5051426 学生姓名吴文欢 指导教师王凤文 2009 年 6 月 16 日 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 I 页 设有通信分站的矿井人员定位系统设计 摘 要 随着无线射频识别技术的日益成熟和广泛应用，针对我国目前煤炭行业生产安全 现状，将无线射频识别技术应用到井下进行人员跟踪定位，是解决煤矿安全问题的方 法之一，也是矿山实现全面提升安全生产信息化管理水平，加强以灾害预防、搜救为 主要目标的安全生产长效机制，是我国煤炭行业安全生产工作的必由之路。 本文设计了一种运用RFID技术

2、实现矿井人员定位的系统，整个系统利用RFID技术 进行无线数据采集，通过CAN总线将总线信息传输到地面监控主机并组成网络，以实 现对井下人员的定位。该系统的特色是设有通信分站即通信网络采用树型结构，从整 体上提高了网络的安全性和实用性。考虑系统到识别距离和应用环境，RFID采用 2.45GHZ的频段，标签设计成主动式。采用nRF2401射频芯片实现数据的发送和接收， MSP430F2101对射频芯片进行控制，完成标签和阅读器的功能。 本文重点设计了井下网络的硬件部分，包括井下主要传输途径的选择，井下通信分 站的硬件设计，井下网络与地面网络的通信接口的设计；在软件方面介绍了防碰撞算 法及其种类，

3、文中采用的是动态二进制搜索算法，给出了射频芯片接收发送的流程图 及数据库设计的原理。 关键词：矿井，人员定位，RFID，通信分站 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 II 页 A Design of RFID System Used in Mine for Personnel Orientation with Communication Base Author：Wu Wenhuan Tutor：Wang Fengweng Abstract With the mature more and using widely of the RFID technology，and according t

4、o the safety situation that exits in the coalfield，it will be one valid way to solve the colliery safety Problem with applying RFID technology to the mine for peoples tracking and orientation，it is also the way to improve the supervisory level of safe Production entirely，enhance the1ong System aimin

5、g at preventing disaster and searching and saving，it is the only way for producing safely. It recommends the design of tracking and orientation system for men under the mine according to RFID technology .The entire system adopts RFID technology to collect data, and transmits information to the super

6、vising and controlling computer on the ground by CAN bus, and computers are constituted to a network to realize the information sharing, which can implement the orientation of the men under the mine. The characteristic of this system is the communication base in the network, which improves safety ec

7、onomy utility in the whole. According to the distance that need in the system and working environment, the RFID system works at 2.45GHZ, the tag is designed of active. Data communication is implemented with nRF2401,which controls by MSP430F2101. The two make up of the tag and reader. The thesis desi

8、gns the hardware of under ground network mainly. It includes the hardware design of communication base underground，and the communication interface design between under and on ground. On the software side, it introduces the anti-collision and its variety. In the thesis it makes use of Dynamic Binary

9、Search Algorithm. It also makes the RFID receive and send information flow chart and the theory about Database. Key Words: Mine, Tracking and Orientation, RFID, Communication Base 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 III 页 目 录 1 绪论.1 1.1课题背景及意义1 1.1.1 课题的提出.1 1.1.2 选题的意义.1 1.2 国内煤矿外定位系统研究现状1 1.2.1 国外研究发展状况.1 1.2.2 国

10、内研究现状.1 1.3 本设计的内容和结构安排1 2RFID 射频识别系统1 2.1 RFID 系统的基本组成1 2.2 射频识别系统工作原理1 2.3 RFID 射频识别系统工作频率1 2.4 RFID 射频识别的系统类型1 3RFID 矿井人员定位系统的总体设计1 3.1定位系统的总体设计思想1 3.1.1 定位系统网络结构.1 3.1.2定位系统主要功能1 3.1.3 本文井下定位系统的特点.1 3.2 现场总线的选择1 3.3 RFID 射频识别防碰撞技术.1 3.3.1 射频防碰撞算法概述.1 3.3.2 井下定位系统选用的防冲撞算法.1 4 井下人员定位系统的硬件设计.1 4.1

11、射频识别系统的硬件设计1 4.1.1 射频识别系统工作频率的选择.1 4.1.2 射频收发模块芯片的选择.1 4.1.3 射频系统控制模块设计.1 4.1.4 射频收发模块电路设计.1 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 IV 页 4.1.5 射频模块电源设计 1 4.2RFID 定位系统通信分站硬件设计1 4.2.1 设有通信分站的意义.1 4.2.2 通信分站硬件设计.1 4.3 现场总线的硬件设计1 4.3.1 光纤传输接口实现方案.1 4.3.2 CAN 总线光纤传输接口设计方案1 5井下人员定位系统软件设计1 5.1 射频系统通信软件设计 1 5.1.1 CAN 总线接口的通信程

12、序设计1 5.1.2 射频系统数据的接收和发送.1 5.2 数据库设计1 5.2.1 数据库访问技术.1 5.2.2 数据库需求分析和逻辑设计.1 结 论.1 致 谢.1 参考文献.1 附 录.1 附录 A1 附录 B 1 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 1 页 1 绪论绪论 1.1 课题背景及意义 1.1.1 课题的提出 煤炭是国民经济和社会发展的基础，而我国是世界上最大的煤炭生产国，年产量达 12 亿吨，占世界煤炭总产量的 27%，出口量达 8000 万吨。同时我国也是煤炭消耗大 国，煤炭在我国一次能源生产和消费结构中始终占 70%左右，预计到 2010 年煤炭占 60%左右，20

13、50 年将占 50%左右。因此，煤炭在相当长的时期内仍将是我国的主要能 源。当前我国经济的快速增长，对煤炭工业发展提出了更高的要求。 煤矿井下开采作业相对来说是一种高危险性的生产活动。据调查近几年煤矿事故 占工矿企业一次死亡 10 人以上特大事故的 72.8%至 89.6%。我国煤炭安全生产现状与 一些发达和发展中国家相比差距还比较大，煤矿百万吨死亡率是俄罗斯的 10 倍，印度 的 12 倍。初步测算，我国安全生产事故经济损失高达 2500 多亿元，约占 GDP 的 2%。可见我国煤矿行业安全生产的形势仍十分严峻，特别是煤矿重大及特大瓦斯灾害 事故的发生，不但造成国家财产和人民生命的巨大损失，

14、增加了社会的不稳定因素， 更严重影响了我国的国际声誉。 这些事故发生的原因是多方面的，它是煤矿生产过程中存在问题的集中暴露。既 有自然因素、科技投入和研究的不足，也有人为因素以及企业体制管理不善等因素。 矿难事故发生后，对遇险的井下工作人员生命的抢救成为首要任务，决策指挥人员必 须全面分析灾情及其灾变趋势，迅速组织侦察工作，准确探明事故性质、原因、影响 范围、遇险人员数量和所在位置，以最快的速度最短的路线进入灾区，营救灾区遇险 人员。然而，目前国内煤矿正在使用的该类监控系统，并不能实时提供井下工作人员 的具体位置与分布情况等重要数据，加之井下地形复杂，国内大部分矿井救护技术装 备落后，人员素质

15、较低，这些都给侦察工作带来了极大的困难。特别是在搜寻井下遇 险人员的过程中，救护队员只能依靠反映矿井现实情况的有关图纸以及事故现场侦察 得来的各种信息展开抢救工作。在缺乏准确数据的情况下，无法迅速制定出合理、有 效的营救方案与措施，结果错失最佳的营救时机，甚至是盲目营救。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 2 页 面对我国煤矿安全生产的严峻形势，用高新技术和先进实用技术改造传统产业，增 加科技含量，促进产品更新换代，提高产品质量和经济效益，是走新型煤炭工业化道 路的必然选择。基于上述原因，本文提出了一种基于 RFID 射频技术设有通信分站的地 下矿井人员定位系统的设计，该系统具有考勤管理

16、功能、安全保障功能、生产调度功 能以及信息联网功能，满足现代化矿井的安全监控要求。 1.1.2 选题的意义 煤矿的现代化管理和煤矿的安全生产是煤炭行业举足轻重的大事，然而到前为止， 我国多数矿井还是依靠传统矿灯管理、领取工作牌等考勤方式来了解井下人员的数量 和状况。随着无线通信、自动识别和计算机网络技术在煤矿安全生产监测应用领域中 的不断发展，使如何确定灾害事故中遇险人员的具体情况和分布位置得到进一步地解 决。特别是射频识别技术在国内的引进和发展，使得对井下人员进行实时跟踪变得可 行。利用射频识别技术对井下人员进行跟踪定位不仅能方便决策人员快速准确了解井 下遇险人员的具体分布位置、赢得抢险时间

17、，还可以用于煤矿的日常考勤、生产调度 等方面。不仅加强了煤炭行业的生产与安全管理，使生产调度及时、准确，更使得煤 矿的安全生产保障能力大大提高。 本文设计的方案利用射频识别技术，开发相应的井下人员通信分站，并以 CAN 总 线网络作为主要传输途径，建立一个由井下到井上控制中心的通信网络，通过井下通 信分站的无线监测与有线传输，把数据上传到地面控制调度中心，在地面也能及时的 了解到井下各个区域的人员状况。若井下发生突发事故，可立即通过主机实时查出井 下各位置的人员状况，这样就能够做出及时的抢救决策，使事故损失降到最低。而平 时此系统可用来指挥生产做出优化决策，使生产指挥高效。因此，基于射频识别技

18、术 的矿井人员定位识别系统的研究具有非常重要的现实意义。 1.2 国内煤矿外定位系统研究现状 1.2.1 国外研究发展状况 国外煤矿监测技术是 20 世纪 60 年代开始发展起来的，至今已有四代产品，基 本上 5-10 年更新一代产品。从技术特性来看，主要是从信息传输方式的进步来划分监 测系统发展阶段的。美国以其拥有的雄厚高新技术优势，率先把计算机技术、大规模 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 3 页 集成电路技术、数据通信技术等现代高新科技用于煤矿监测系统，使煤矿监测技术跻 身于高科技之列。这就形成了以分布式微处理机为基础的第四代煤矿监测系统，其中 有代表性的是美国 MS 公司的 DA

19、N6400 系统。 RFID 技术在矿井定位方面的发展十分的迅速。英国的 Davis Derby 公司采用最新 的无线射频技术开发了专门应用于煤矿井下多标签读取系统;戴维斯德比公司在地面和 井 RFID 系统的开发、生产、销售服务等方面，已拥有十几年的丰富经验川。2005 年 9 月 RFID 技术成功应用到了南非的采矿业中，取得了很好的效果。自从测试安装了第 一个系统以来，数据读取成功率是 100%，系统能够在连续的基础上跟踪设备和矿工的 移动情况。它不但改良了矿井作业人员的安全机制，设备维护管理的成本效益更优化， 而且控制了设备丢失并且更精确地管理设备的使用情况。 1.2.2 国内研究现状

20、 我国在监测监控技术起步较晚，自 1974 年以来，仅有几种单一的瓦斯检测仪器投 入使用，为了加快实现煤炭工业现代化管理的步伐，我国先后从波，法，德，英，美 等国批量引进了安全监控系统并装备了部分煤矿。1998 年，人同矿务局在人同煤峪口 矿安装了中国第一套 PED 系统。 80 年代后期，在引进外国设备的同时，消化、吸收了制造技术，并结合我国煤矿 的实际情况，先后研制出自己的监控系统，如 KJI，KJZ，KJ4，A- 1，KJ10，KJ11，KJ22，KT，KJ95 及焦作工学院研制的 KJ93 矿井安全生产监控系统 等，并在我国煤矿大批使用，有的系统已达到国际先进水平。这些系统主要也是侧重

21、 于安全参数的检测，而没有对井下人员进行实时监控。 近几年我国在 RFID 研究方面也有了较大的发展。深圳格润特电子有限公司于 2003 年 8 月开始研究“矿井人员跟踪定位及考勤管理系统”，于 2004 年 12 月通过国家 级技术鉴定，在无线双频技术领域达到国内领先水平。2006 年 4 月，北京维深电子技 术有限公司和国家煤炭安全主管部门采用 RFID 技术，联合开发的井下人员定位系统顺 利通过我国煤炭行业安全(MA)认证。2006 年 4 月，上海派秀电子科技有限公司与国家 安全生产监督管理总局通信信息中心，结合长春东煤高技术开发公司的 KJ-19 传输平 台而研制的“井下人员安全定位

22、系统”在山西吕梁柳林矿应用。 2006 年 6 月中国发布了全国乃至全球 RFID 行业期待的中国 RFID 技术政策白 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 4 页 皮书。从此，中国的 RFID 产业发展的步伐将正式加速。该标准的下达必将为煤矿井 下人员监测、控制、跟踪以及生产统计管理等方面提供有效的科技支撑，有力推动煤 矿企业的经济发展，实现矿山的数字化、信息化。 1.3 本设计的内容和结构安排 本文设计的内容分成硬件设计和软件设计两部分，其中硬件设计是主体。在硬件 设计中主要包括了射频通讯模块、通信分站及 CAN 总线通讯；在软件部分给出了系统 中所需的流程图及数据库的基本原理。 论文

23、的结构安排如下： 第一章 绪论：介绍了课题的背景、提出意义及发展现状，提出了本文的研究内容。 第二章 射频识别（RFID）系统：介绍了 RFID 系统的基本组成、工作原理、工作频率 及系统类型。 第三章 RFID 矿井人员定位系统的总体设计：给出了系统的总体设计方案和网络架构， 介绍了所需的技术和方法。 第四章井下人员定位系统的硬件设计：从射频识别系统和现场总线两大方面阐述了系 统的硬件设计方案。 第五章 井下人员定位系统软件设计：给出了总线通讯和射频识别的软件设计，同时 阐述了数据库建立的原理。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 5 页 2 RFID 射频识别系统 2.1 RFID 系

24、统的基本组成 无线射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)是一种非接触的自动识别 技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合(电感或电磁耦合)传输特性，实现对被识 别物体的自动识别。典型的射频识别系统一般由以下各个主要部分组成，如图 2.1 所示。 数据 能量 时序 图 2.1 RFID 的基本模型图 (l)电子标签 电子标签是射频系统真正的数据载体，由模拟前端、用于存储有关应用标识信息的 存储器(一般采用 EEPROM)及微电子芯片组成。电子标签的基本组成如图 2.2 所示。模 拟前端包括射频收发天线、负责将射频信号转换成 DC 电源的电源产生电路

25、、电能存 储电路、信号调制和解调以及时钟发生电路。微控制器负责读写控制、访问控制、模 拟前端控制以及 EEPROM 控制，实现对解调信号译码，以及回送数据的编码。 图 2.2 电子标签基本组成 天 线 天 线 电子标签 阅读器 上位机 解调 调制 EEPROM 模 拟 前 端 微 调 控 制 器 MCU 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 6 页 电子标签一般分为有源电子标签和无源电子标签，无源电子标签在读出器的响应 范围之外是处于无源状态，只有在响应范围之内，这类电子标签才会从读写器的射频 场中获取能量，激活系统开始工作。这类电子标签工作所需要的能量是通过电磁耦合 单元或天线，以非接触的

26、方式传送给电子标签的。有源电子标签具有自己的供电电源， 其它电路与无源电子标签相同。有源电子标签通常有部分电路处于工作状态，有时被 称为处于“睡眠”状态。当耦合的能量超过某一值时，有源电子标签才真正开始工作。 在睡眠状态有源电子标签的功耗很小，因此一个拇指大小的钮扣电池可以保持很长的 工作时间。与有源电子标签相比，无源电子标签的寿命一般可长达几十年。 电子标签电路由以下几部分组成: 天线、模拟电路、数字电路以及存贮器等组成。 天线用于发射和接收电磁波;模拟电路主要是由检波电路和调制电路组成，用于获取直 流能量并将相关信息通过调制发送出去: 数字电路是电子标签的大脑用于控制相关协议、 指令及相关

27、处理功能、管理内部数据和外部数据以及执行数据转换功能。 (2)读写器 读写器的基本任务是启动数据载体(电子标签)与其进行数据交换来实现非接触无线 通信。读写器和电子标签之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时读写器通 过耦合给无源电子标签提供能量和时序。另外，读写器还提供相当复杂的信号状态控 制、奇偶错误校验与更正等功能。通常 RRID 系统的读写器可以简化为三大基本功能 模块:由发送器和接收器组成的高频接口模块、控制单元以及与外界其它设备通信所需 的各种标准接口 USB 接口、Rs232 接口、Rs485 接口、与 Internet 连接的网口等)。读 写器的基本组成如图 2.3 所示。

28、 接收 地址 发送 图 2.3 读写器基本电路 微 控 制 器 M C U 高 频 模 块 RAM ROM ASIC 加密 数据 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 7 页 阅读器各个模块的功能如下： 高频接口 1 读写器高频接口模块的主要功能为:产生高频发射能量，激活标签并为其提供能量; 对发射信号进行调制，用于将数据传物给标签;接收并解调来自标签的射频信号。 控制单元 2 控制单元主要功能为:与应用系统软件进行通信，并执行从应用系统软件发来的动 作指令;控制与标签的通信过程;信号的编码与解码;执行防碰撞算法;对读写器和标签之 间传送的数据进行加密和解密;进行读写器和标签之间的身份验证。

29、 标准接口 3 应用系统与读出器之间的数据交换通常是通过 RS232 或 RS485 串口进行的，其通 信协议一般是在标准协议的基础上进行自定义的协议。 在射频识别系统中，除了具有基本的以上两个组成部分外，为了能更好地完成无线 射频识别技术的识读功能，还需要用到中间件、外部计算机(上位机主系统)等附属设备。 2.2 射频识别系统工作原理 射频识别技术的基本模型如图 2.1 所示。电子标签与阅读器之间通过耦合元件实 现射频信号的空间(无接触)耦合;在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递和数 据的交换。在射频识别系统的工作过程中，始终以能量为基础，通过一定的时序方式 来实现数据的交换。因此，在

30、 RFID 工作的空间通道中存在三种事件模型:以能量提供 为基础的时间模型，以时序方式实现数据交换的实现形式事件模型，以数据交换为目 的的事件模型。 发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种。 (1)电感耦合。变压器模型，通过空间高频交变磁场实现祸合，依据的是电磁感应 定律，如图 2.4 所示。 (2)电磁反向散射耦合。雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同 时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律，如图 2.5 所示 。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 8 页 图 2.4 电感耦合 图 2.5 电磁耦合 电感藕合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别

31、系统。典型的工作频率有 125kHz，225kHz，13.56MHz。识别作用距离小于 lm，典型作用距离为 10-20cm。 电磁反向散射藕合方式一般适合高频、微波工作的远距离射频识别系统。典型的工 作频率有:43MHz，915MHz，2.45GHz 和 5.8GHz。识别作用距离大于 lm，典型作用距 离为 3-10m。 2.3 RFID 射频识别系统工作频率 射频识别系统的工作频率是射频识别技术最基本的技术参数之一。工作频率的选 择在很大程度上决定了射频标签的应用范围、技术可行性以及系统成本的高低。射频 识别系统归根到底是一种无线电传播系统，必须占据一定的空间通信信道。在空间通 信信道中

32、，射频信号只能以电磁耦合或电磁波耦合的方式表现出来，因此射频系统的 性能必定要受到电磁波空间传输特性的影响。 对于一个 RFID 系统来说，它的频段概念是指读写器通过天线发送、接收并识读的 标签信号频率范围。从应用概念上来说，射频标签的工作频率也就是射频识别系统的 工作频率，是其最重要的特点之一。它不仅决定着射频识别系统工作原理、识别距离， 还决定着射频标签及读写器实现的难易程度和设备的成本。 射频识别系统属于无线电的应用范畴，因此不能干扰到其他系统的正常工作。工业、 科学和医疗使用的频率范围(ISM)通常是局部的无线电通信频段，因此，通常情况下， 无线射频使用的频段也是 ISM 频段，可以划

33、分成几个频段，各个频段的对比如下表 2.1 所示。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 9 页 表表 2.1 射频识别使用频段对比图射频识别使用频段对比图 频率低频(LF)高频（HF）超高频（UHF）微波（WF） 载波频率135KHz13.56MHz860-930MHz2.45GHz 国家和地区所有大多数大多数大多数 数据传输速率低(8kbps)高（64kbps）高（64kbps）高（64kbps） 识别速度低（1m/s）中（5m/s）高（50m/s）中（10m/s） 标签结构线圈印刷线圈双极天线线圈 传播性能可穿透导体可穿透导体线性传输反射传输 防冲撞性能有限好好好 设别距离60cm10

34、cm-1.0m1-6m25-50cm(被动式) 1-15m(主动式) 从表 2.1 可以看出射频识别的频段主要划分成 4 个部分，根据其特性适用于不同的 射频识别系统，本论文中采用微波频段，选择原因在下文中阐述。 2.4 RFID 射频识别的系统类型 根据 RFID 系统完成的应用功能不同，可以粗略地把 RFID 应用系统分成四种类型: EAS 系统、便携式数据采集系统、网络系统、定位系统。 1、EAS 系统 ELECTRONIC ARTICLE SURVEILLANCE(EAS)是一种设置在需要控制物品出入 门口的 RFID 技术。这种技术的典型应用场合是商店、图书馆、数据中心等地方，当未

35、被授权的人从这些地方非法取走物品时，EAS 系统会发出警告。 在应用 EAS 技术时，首先在物品上粘附 EAS 标签，当物品被正常购买或者合法移 出时，在结算处通过一定的装置使 EAS 标签失活，物品就可以取走。物品经过装有 EAS 系统的门口时，EAS 装置能自动检测标签的活动性，发现活动性标签 EAS 系统会 发出警告。EAS 技术的应用可以有效防止物品的被盗，不管是大件的商品，还是很小 的物品。应用 EAS 技术，物品不用再锁在玻璃橱柜里，可以让顾客自由地观看、检查 商品，这在自选日益流行的今天有着非常重要的现实意义。 典型的 EAS 系统一般由三部分组成，(1)附着在商品上的电子标签，

36、电子传感器; (2)电子标签灭活装置，以便授权商品能正常出入;(3)监视器，在出口造成一定区域的监 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 10 页 视空间。 2.便携式数据采集系统 便携式数据采集系统是使用带有 RFID 识读器的手持式数据采集器采集 RFID 标签 上的数据。这种系统具有比较大的灵活性，适用于不宜安装固定式 RFID 系统的应用环 境。手持式阅读器(数据输入终端)可在读取数据的同时，通过无线电波数据传输方法 (RFDC)实时地向主计算机系统传输数据，也可以暂时将数据存储在阅读器中，再一批 一批地向主计算机系统传输数据。 3.物流控制系统 在物流控制系统中，固定布置的 RFI

37、D 读写器分散布置在给定的区域，并且读写器 直接与数据管理信息系统相连，射频识别标签是移动的，一般安装在移动的物体、人 上面。当物体、人流经过读写器时，读写器会自动扫描标签上的信息并把数据信息输 入数据管理信息系统进行存储、分析、处理，达到控制物流的目的。 4.定位系统 定位系统用于自动化加工系统中的定位以及对车辆、轮船等进行定位支持。在射 频识别标签上存储有唯一的识别信息，读写器收到数据后一般通过无线的方式或者有 线的方式连接主信息管理系统以实现定位功能。 由此分析可见，用 RFID 技术实现煤矿井下人员跟踪定位系统属于 RFID 应用系统 中的定位系统。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）

38、 第 11 页 3RFID 矿井人员定位系统的总体设计 3.1 定位系统的总体设计思想 本文设计的系统主要用于井下人员定位跟踪，由标签、阅读器、通信分站、数据传 输接口、CAN 总线网络、地面监控中心组成。 在井下入口、巷道、作业面的交叉道口等需要监控的主要位置安装一定数量的检 测站点，工作人员按照要求佩戴装有应答标签的腰带下井作业。当井下人员经过井下 安装阅读器发射天线的工作区时，装在腰带内的射频标签识别卡即被激活开始工作， 将卡内载有识别码的信息经卡内高频模块发射出去，基站获取人员携带的标签信息， 系统自动采集该人员经过的时间、地点信息，经 CAN 总线传输至地面的监控室计算机， 完成预设

39、的系统管理功能。 在巷道分布复杂矿井中，总线型的网络结构由于其简单的一对一通信模式不能满 足系统要求，所以在本设计中采用树形结构，即在巷道多分支地段建立通信分站，阅 读器通过通信分站与上位机进行通（有关分站的具体设计见下一章节）。地面中心站 接收来自通信分站上的编码信号，实现对井下人员跟踪定位信息的采集、分析处理、 实时显示、历史数据存储报表、查询打印等功能。使管理人员能及时准确的查询各种 信息，方便作业人员的调度和管理，提高并优化了煤矿的整体管理水平。 3.1.1 定位系统网络结构 井下人员定位系统主要分为井下网络和地面网路两部分。 地面网络主要由监控中 心(包括服务器)及共享网络终端等组成

40、；井下网络以 CAN 总线作为主传输途径，开发 相应的通信分站，配合电子标签、阅读器等与监控中心挂接，从而实现井下作业人员 的定位和安全管理。 如图 3.1 为矿井人员定位系统的网络示意图。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 12 页 光纤 地面网络 井下网络 Can 总线 图 3.1 定位系统网络结构图 3.1.2 定位系统主要功能 井下定位系统能实现以下几个主要的功能： (l)考勤管理功能 通过操作平台专用管理软件对下井人员进行下井次数、井下停留时间等信息分类统 计，便于考核，实现工作人员的考勤统计管理功能和有关报表的打印。 (2)安全保障功能 系统根据数据库中储存下来的历史数据信息

41、，可迅速知道井下人员分布情况，一 旦出现矿井灾难，可对现场被困人员进行定位和搜寻，便于有效救护。 (3)生产调度功能 通过调用数据库中的数据，可以查询井下人员分布情况并根据需要迅速进行人员 调配，实现井下有限资源的优化配置，达到事半功倍的效果。 (4)信息联网功能 作为整个煤矿的信息网的一部分，可以提供功能完善的数据库，随时调用该煤矿在 一段时间内相关人员的统计数据，以利于科学研究和人员管理。 (5)禁区报警功能 监控主机 分站 1 阅读器 2 标签 n 阅读器 n 标签 2 阅读器 m 阅读器 1 标签 1标签 m 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 13 页 对于指定的禁区，如果有人员

42、进入，实施声音报警，并显示进入禁区的人员轨迹。 3.1.3 本文井下定位系统的特点 本井下定位系统采用 RFID 自动识别技术以及 CAN 现场总线技术，可对井下人员 进行跟踪定位，在一定程度上能够保障人员生命安全、减少国家财产的损失。 本文所设计系统具有以下特点: (1)信号的穿透能力强，数据传输量小，抗干扰能力强，感应灵敏，易于维护和操作。 (2)使用 CAN 总线树型网络拓扑结构 煤矿开采是不断进行的，如果采用的网络结构不能合理的增加节点数目，会给系统 的使用造成不便。在本设计中，树型网络只需增加一段电缆和固定监控节点就可增加 一个节点，这使得井下人员定位系统可以随着煤矿的开采而不断的扩

43、充。 (3)系统有较高的可靠性 射频识别系统的读写距离是一个十分关键的参数，目前长距离射频识别系统的价格 还很贵，所以为避免过长距离导致的数据传输不稳定、不完整，本设计在采用有线传 输的前提下，固定监控节点的分布使用了树型网络拓扑结构，系统可靠性好; (4)系统有较高的识别率 系统采用了先进的防冲撞技术，有效地解决了多个标签同时识别时出现冲突的问题。 当有多个射频标签同时进入读写器检测区域时，读写器可将各标签信息依次读出。 (5)抗干扰能力强 系统工作的频率在 ISM 2.45GHz 开放频段，信号在巷道内衰减较小，非常适合在井 下各种干扰并存的环境下应用。 (6)环境适应力强 避免了因机械接

44、触而产生的各种故障，电子标签的芯片按不同的应用要求封装，适 合在恶劣环境条件(如温、湿度变化大，灰尘多，难以保持卡面清洁的井下环境)下工作。 (7)超低功耗 系统在硬件设计芯片选型时，在保证性能的前提下充分考虑了低功耗需求，以最大 限度的降低功耗，延长器件寿命。本系统的电子标签在不更换电池的情况下可正常工 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 14 页 作 2 年以上。 3.2 现场总线的选择 现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实 行双向、串行、多节点数字通信的技术。下面对现有各种总线技术进行比较，进而选 择合适的总线方式进行井下数据传输。 目前国际上有 4

45、0 多种各具特色的现场总线，没有一种能覆盖所有的应用领域。其 中有几种总线技术应用比较广泛，都具有各自的特点，也显示了较强的生命力。 (1)FF(Foundation Field Bus 现场基金会总线)由美国仪器协会(ISA)1994 年推出，代 表公司有 Honeywell Fisher-Rosemount，主要应用于石油化工、连续工业过程控制中的 仪表。FF 的特色是其通讯协议在 ISO 的 OSI 物理层、数据链路层和应用层 3 层之上附 加了用户层，同对对象字典 OD(Object Dictionary)和设备描述语言 DDL(Device Description Language)

46、实现可互操作性。 (2) Profibus (Process Field Bus)德国西门子公司 1987 年推出，主要用于 PLC。由于 Profibus 开发生产的现场总线产品开发时间早至 10 年前，限于当时计算机网络水平， 大多是建立在 IT 网络转换上的。随着应用领域的不断扩大和用户要求越来越高,现场总 线的产品只能在原有 IT 协议框架上进行局部的修改和补充，以致在控制系统内增加了 更多的转换单元，为该产品今后的进一步发展带来了一定的局限性。 (3)HART(Highway Addressable Remote Traducer 可寻址远程传感器数据通路)美国 Rosemount

47、公司 1989 年推出，主要应用于智能变送器。HART 为一过渡性标准，它通 过 4-20mA 电源信号线上叠加不同频率的正弦波(2200Hz 表示“0”，1200Hz 表示“1”)来 传送数字信号，从而保证了数字系统和模拟系统的兼容性，预计其生命周期为最近 20 年。 (4)LonWorks (LON Local Operating System 局部操作系统)美国 Echelon 公司 1991 年推出，该总线对用于控制网络的所有七层都规定了服务内容，并提供了一整套开发 技术，使得包括硅片、通讯收发机及 PC 接口软件等所有制造商处于平等地位。目前 10 多家公司提供了与 LonWorks

48、 助兼容的产品，但是其应用范围主要集中在升降机、 快餐加业、冷藏业等。 (5)RS-485 总线标准最初是由电子工业协会(EIA)于 1993 年制定并发布，后由通讯 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 15 页 工业协会(TIA)修订命名为 TIA/EIA-485-A，习惯上称之为 RS-485。建议性标准 RS-485 作为一种多点、差分数据传输的电气规范已成为业界应用最为广泛的标准通信接口之 一，这种通信接口允许在简单的一对双绞线上进行多点、双向通信，它所具有的噪声 抑制能力、数据传输速率、电缆长度及可靠性是其他标准无法比拟的。 (6)CAN 总线(Controller Area N

49、etwork)是德国 Bosch 公司于 1983 年为汽车应用而开 发的一种能有效支持分布式控制和实时控制的串行通信协议，属于现场总线(Field Bus) 的范畴。它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。最大通 讯距离可达 10Km，最大通讯波特率可达 1M。总线仲裁采用 11 位标识和非破坏性位 仲裁总线结构机制，可以确定数据块的优先级，保证在网络节点冲突时最高优先级节 点不需要冲突等待。采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行 总线以及广播通信的特点。任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息 而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信。CAN 总线协议已被国际标准化组织 认证，技术比较成熟，控制的芯片己经商品化，性价比高，特别适用于分布式测控系 统之间的数据通讯。CAN 总线通信接口中集成了 CAN 协议的物理层和数据链路层功 能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先 级判别等多项工作。 综上比较，CAN 总线在微控制器之间需要互相通信或微控制