基于rfid的井下人员定位系统研究毕业设计(编辑修改稿)

基于rfid的井下人员定位系统研究毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

公司制造的一种射频识别系统源信标。 这个系统使用顶板安装的天线，用来监控装在每个矿工帽上的小型无源信标()。 1990 年 8月，美国安菲斯公司利用超低频信号的穿透力研制开发的世界唯 一 一套可实现超低频信号穿透岩层进行传输的无线急救通讯系统 (PED，即 Personal Emergeney Device 系统 )在悉尼附近的一所煤矿投入使用。 PED 系统的先进技术工艺和优越的性能得到了矿区领导的致肯定。 该系统能够提供一些预先编制好的紧急信息，这些信息在紧急情况出现 时自动生成。 该系统可以直接连接现有的监控设备，可以监控多种输入。 这些警告信息由矿井工作人员预先指定，在紧急情况发生时，可以在最短的时间内，将替告发送给井下全部或相应的工作人员。 国内研究现状 我国监测监控技术起步较晚，自 1974 年以来，仅有几种单一的瓦斯监测仪器投入使用，如 AYJ1， AWBY ， MJC100等，实现了对瓦斯的连续监测。 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，如美国的 SCADA 系统、英国的 MINOS 系 统、德国的 TF2OO 系统、法国的 CTT63/40/u 系统、加拿大森透里昂系统，这些系统在我国煤炭行业中发挥了作用，也为我国研制矿用监控系统提供了很好的借鉴。 国内曾由中国煤炭部安全司、中国国际技术咨询公司连手与安菲斯公司确定合作关系，决定三方共同在中国煤炭领域推广PED 系统。 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。 结果证明 PED 系统信号司以穿透岩层传播并覆盖到全部生产区，发出和收到信号准确率为 100%，最远穿透距离达 公里。 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 KJ1， KJ2， KJ4， A1， KJ10， KJll， 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于安全参数的检测，而没有对下井人员进行实时监控。 随着自动识别技术在国内各行各业的发展和应用，国内一些煤炭科研机构不断推出新一代的人员自动识别系统，并成功应用于下井人员的管理。 到门前为止国内部分矿井，尤其是现代化矿一井都安装了识别系统，用以取代以前依据矿 灯管理来对下井人员进行 9 管理。 人员识别系统从最初的条形码、光电孔卡式到现在的指纹、红外线式考勤形式各不相同，这些技术装备利用不同的识别原理对下井人员进行监控、记录。 深圳世纪潮智能科技有限公司与煤炭科学研究总院重庆分院一起，于 2020 年 8 月开始研究“矿井人员跟踪定位及考勤管理系统”，经过资料收集、调研、方案论证、设计、试验室试验、样机加工、性能测试、防爆送检及井下工业性试验等阶段，历时近一年半，完成了全部研究内容。 矿井人员跟踪定位及考勤管理系统在完成了全部开发设计、样机生产加工、实验室性能测试和防爆检测检验后 ，成套产品于 2020 年 10 月在重庆松藻煤电集团公司二矿、西山焦煤集团屯兰矿、山西离柳焦煤集团有限公司朱家店煤矿第二坑口等地进行了现场安装和工业性试验。 上海秀派电子科技公司 (ShangHai Super Eleamp。 Tec )为专业致力于 RFID 产品战略研究的高科技公司。 该公司已经研制成功了井下人员定位系统。 发展趋势 RFID射频识别技术已经逐步发展成为独立跨学科的专业领域。 RFID射频识别技术将大量的来自完全不同的专业领域的技术（例如，高频技术、电磁兼容技术、半导体技术、数据保护和密码学技术 、电信技术、制造技术等）综合起来。 过去的十多年， RFID射频识别技术得到了快速发展，逐步被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多的溯源和防伪应用领域。 而随着技术进步，基于 RFID射频识别技术产品的种类将越来越丰富，应用也将越来越广泛，可预计，在今后的几年中， RFID射频识别技术将持续保持高速发展的势头。 总体而言， RFID射频识别技术当前发展趋于标准化、低成本、低差错率、高安全性、低功耗。 具体表现在，基于 RFID射频识别技术的电子标签产品将达到：芯片所需的功耗更低，无源标签、半有源标签技 术更趋成熟；作用距离更远；无线可读写性能更加完善；适合高速移动物品识别；快速多标签读／写功能；一致性更好；强场强下的自保护功能更完善；智能性更强；成本更低。 读写器性能将达到：多功能（与条码识读集成、无线数据传输、脱机工作等）；智能多天线端口；多种数据接口（ RS232， RS422／ 485， USB，红外，以太网口）；多制式兼容（兼容读写多种标签类型）；小型化、便携式和嵌入式，以及模块化；多频段兼容；成本更低。 管理系统将达到：高频近距离系统具有更高智能、安全特性；超高频远距离系统性能更完备，系统更完善。 标准化将达 到：标准化基础性研究更深入，也更成熟；标准化为更多企业所接受。 系统和模块将达到：可替换性更好，也更普及。 自 2020年起， RFID射频识别技术单品级应用是全球最大的 RFID射频识别技术应用市场。 据预测，到 2020年，全球的 RFID射频识别技术的应用市场的规模将由 2020年 3亿美元增至 28亿美元。 如果目前有关 RFID电子标签的单个条款能得到广泛接纳， RFID射频识别技术单品级的应用市场份额有可能远远超过这个数字 —— 1年中将有超过万亿的邮件使用 RFID电子标签。 这将是继零售供应链 RFID电子标签产品的应用之后， 全球使用 RFID射频识别技术产品的第 2大行业。 国际邮联目前已经做出决议，并且正在积极推进高效、低成本的 RFID射频识别技术解决方案在世界各国邮政监管中的应用。 就技术来讲目前有两大发展内容：发展智能安全技术，增强通讯安全性，即 RFID电子标签芯片增加各种加密解密算法，将在原接触卡中才能使用的各种加密解密算法移植到非接触电子标签芯片上，或者开发适合于非接触 RFID电子标签芯片应用的加密解密算法，这目前主要集中在 ，适合取代原接触加密卡领域；发展超高频低成本 单品级技术，超高频频段 RFID射频识 别系统具有识别距离远、识别速度快、多标签识别效率高和标签成本低等优点，尤其是低成本和单品级产品适合物流控制与管理领域。 存在的主要问题 近几年，国外己经成功地将无线通讯和遥测监测技术应用到事故抢险中人员搜寻、定位和急救上，但在国内因地质条件限制和技术方面的不成熟，成功开发的实例并不多。 国内也曾引进国外的先进设备，像 PED 系统。 在引进吸收国外先进技术的基础上，国产的 KT6 等多种泄漏通信设备也相继问世，但是它们大都存在不足 : （ 1）成本高、推广程度低 国内曾先后引进国外先进的人员监测设备，收效 尚好。 但这种引进方式成本非常高，很难得到推广。 像美国安菲斯公司与煤炭部安全司、中国国际技术咨询公司连手在大同矿务局的大同煤峪口矿安装了中国第一套 PED 系统后就很少在其它煤矿企业得到应用。 （ 2）不符合国内煤炭行业的实际情况 我国人口众多，现有煤矿职土超过百万，职工素质普遍较低，国外设备的引进无法满足各个煤矿的实际需要。 国内自行研制的通讯设备针对各个煤矿的具体情况，通用性不够。 （ 3）技术力量不成熟 国内对井下无线通讯、遥测监测技术的研究尚处于起步阶段，目前还只是相关理论的研究，开发研制自主产品还需时间。 目前国内大部分矿井还只能通过传统矿灯管理等考勤方式来了解下井人员的数量和情况。 从自动识别技术发展起来之后，包括科研、院校、设计院等单位自行开发研制针对各个煤矿企业的考勤系统。 通过查阅资料和现场调研，我发现存在以下主要问题 : （ 1）无法实现对作业人员的情况进行实时监测井下人员跟踪定位系统要求地面监测人员能够了解井下任一区域、任一时刻人员分布的具体情况。 而现有条形码、光电孔卡以及指纹考勤方式只能对下井人员进行考勤，无法了解井下情况。 （ 2）考勤时间长、效率低 国内一些煤炭科研机构曾利用红外线编码识别技术自行研 制了井下人员识别装置，弥补井下人员监测的不足。 但包括条形码、光电孔卡以及指纹在内的这些识别方式在人员集中的时段和地点考勤时间长，效率低，无法解决排队考勤的现状。 （ 3）维护量大，成本高 像红外线编码识别技术需要系统对矿灯进行改造和维护，工作量均比较大。 包括其它一些考勤方式在内，系统使用寿命短，投入成本高。 (4)利用 RS485 总线进行井下通信不够灵活 现有煤矿井下人员定位系统通信方式大都采用 RS485 总线，而恰恰是这种半双工通信的方式决定了该系统仅仅能够实现位置信息的上传，不能实时修改井下某监控接点信息，不 够灵活。 （ 5）故障率高、可靠性不够 井下环境恶劣，设备容易受损，故障时有发生，人员识别信息容易丢失。 11 论文的研究任务和工作 本研究的目的是利用射频识别技术来设计一个井下人员定位系统，实现人员自动化管理，并为灾难发生时提供可靠的人员位置信息。 具体来说就是把人员的主要信息写入电子标签，阅读器自动从标签中读取数据，并送往后台处理。 基于此目的，本文把整个课题的研究任务分为以下三个部分来完成 : RFID 技术研究 这个部分重点介绍了射频识别系统的原理组成、 工作方式以及射频识别技术的物理基础。 然后对射频识别 技术中的防冲突算法进行研究探讨，并对这些算法进行性能比较，最后提出一个性能更好的防冲突算法。 阅读器研究 阅读器是整个应用系统的核心，没有它，根本不能谈应用。 阅读器设计分为硬件设计和软件设计两个模块。 在硬件模块中，按照阅读器的组成对阅读器的高频接口、控制单元以及所使用的天线类型分别进行研究。 在对高频接口的研究中，根据本系统的要求，选用一种比较合适的接收机和发射机方案。 控制单元设计主要完成单片机与外围通信接口的研究。 天线分析设计的主要任务是对天线性能进行比较以选择一种适合本系统使用的天线，并由仿真软件 ADS完成天线与射频模块的匹配工作。 阅读器软件设计主要完成阅读器与电子标签的通信流程设计。 应用系统设计 在前面的理论研究和硬件设计的基础上，本部分对实际的井下人员定位系统的 PC机操作界面和数据库进行设计。 首先，制定了应用程序的整体框架并使用 MFC 中的MSC0MM 控件完成 PC 机与阅读器的通信。 接着设计数据库，最后对系统中所要完成的各个操作流程进行程序设计。 论文的结构安排 第 1 章简要介绍了 RFID 的发展历史和当前国内外的研究现状，同时对我国煤矿安全生产的现状进行了分析。 指出安全生产中的重要一环是人员 的管理与识别。 将 RFID射频识别技术应用于矿井人员定位，对提高煤矿的信息化管理水平，和灾害发生时对井下人员的准确定位以便实施有效的救援具有理论和实际意义。 第 2 章介绍了 井下 RFID 系统的总体设计方案，并详细阐述了系统的工作流程，另外还对本次设计的研究任务做了详细的安排。 第 3 章对 RFID 的技术研究做了详细的介绍，然后分别对电子标签和阅读器展开了阐述，并且详细的探讨了电子标签的选型，工作频率的选取，以及标签的成本等。 最后还对防冲突问题做了初步的研究。 第 4 章 是对井下系统的设计，主要是电子标签和阅读器的软硬件设 计。 给出了它们的原理图和程序流程图，并详细研究了电子标签的仿真。 第 5 章是 RFID 系统 井上部分的 设计，在系统分析部分给出了算法流程图和仿真结果，标签分析，阅读器与标签通信模型，系统组网分析，以及操作可行性分析。 然后还给出了 如何利用 CAN 总线实现 与 PC 机之间串口通信的方法。 在数据库部分介绍了数据库访问技术，针对井下人员定位的需要进行了数据库需求分析和逻辑设计。 第 6 章对 整个系统可能存在的干扰问题系统的进行了阐述，并提出了如何抗干扰的方法和论证。 最后对论文进行了总结和展望。 提出了文章的不足并且指出存在的诸多问 题，有待以后进一步的设计研究。 13 第二章 总体方案设计 确定总体结构方案 整个矿井目标监控与定位系统由两大部分组成，分为井上控制系统和井下数据采集系统。 在井上由中心站主机、传输接口等组成。 井下主要由采集站、 阅读器、 电子 标签 、防爆电源等组成。 两系统之间通过 CAN总线连接。 系统组成框图见图 21 图 21矿井监控与定位系统结构图 工作流程 大体工作过程为：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 ,安装在矿灯上的员工 标签 （即电子标签），定时向采集站发出具有代表身份特征的射频信号，同时在程序的控制下，阅读器也不断的将采集的瓦斯浓度及当前的温度等环境数据，通过 CAN 总线将处理后的数据发送到地面中心站，中心站接井上部分 井下采集站 1 ……… 井下部分 井下采集站 n ……… 阅读器 1 阅读器 n 标签 n 标签 1 ……… WidowsXP+VC++ SQL server。