使用远距离RFID实现煤矿井下人员定位

引言 

     近年来，在全国范围内的煤炭生产事故不断发生，加强安全生产已经成为确保煤炭企业健康发展的必要前提。利用现代信息技术对井下生产人员进行实时定位，可以使地面人员及时动态掌握井下人员的分布及作业情况，实现两者间的信息及时沟通，从而有效地实施安全管理，减少人员伤亡，所以加强这方面的研究有着重要的现实意义和理论意义。 

      在地面上的基于GPS的定位技术现在也已经非常成熟，但在地下几百米甚至上千米的矿井巷道中，无法接受到GPS信号，所以，我们必须另辟蹊径来解决井下人员定位的难题。 

      所谓RFID(Radio Frequeney Identification)技术，就是利用无线电波来进行通讯的一种自动识别技术。其基本原理是通过阅读器和标签Tag之间的电磁藕合或电感耦合来进行通讯，以达到对持有标签的人或物进行自动识别的目的。作为一项先进的自动识别技术，RFID具有可读写、穿透力强、识别距离远、速度快，环境适应性好等特点。 

      进几年来，RFID技术及其应用在国内外都得到了迅速的发展。特别是，随着成本的下降和标准化的实施，RFID技术的全面推广和应用将越来越广泛。 

      远距离的RFID可以在持标签者不需要有意识地做出刷卡动作时，就可以将标签信息读人阅读器，因而可以实现安全、戗哇、力便的人员识别。 

1系统总体结构方案 

      目前正在应用的一些人员定位系统，主要分为井上主机和井下分站两部分组成，主机和分站通过专有线路连接，如下图所示。当主机和线路出现故障时，系统将完全瘫痪，可靠性能很差。并且这种连接方式不利于硬件的维护和系统的扩充。 

       实现的系统，在结构上进行了很大的调整。在井下专门设计能独立工作的轮巡上位机，它负责采集各阅读器中的信息，并通过网络发送到井上；在井上配置有标签服务器，通过它联系了监控系统(及其它可能的应用系统)与井下各分站。井上模块与井下模块之间通过共用的工业以太网连接，无须专用连接线路。 

       系统由信息采集、标签服务器、GIS现场监控、Web查询四大模块组成。 

      标签的信息采集由若干台阅读器、两台(或以上)上位机POLLING、CAN总线、工业以太网、标签服务器组成。上位机不断的轮巡所有的阅读器，并把采集到的信息往标签服务器；标签服务器判断标签的类型，进行分析处理后，将标签信息打包发向GIS现场监控模块；GIS现场监控模块以MapXtreme为核心，实时地将标签服务器发来的信息解包，并根据标签信息得到对应的员工信息，将员工信息及其当前的位置显示在GIS地图中。并且在监控模块中，可以查询得到某地址的员工列表，某员工的行动路径等信息；Web查询模块使授权的用户可以通过Inter—net查询员工下井的实时数据和详细的历史数据，并进行各种统计分析。 

2系统的具体实现 

2．1上位机polling的实现 
      阅读器分站连接在CAN总线上，通过RS485接入上位机。上位机polling采用本安型的工控机。有两台上位机并行的工作，不断的将阅读器感应到的信息拉(PULL)上来，发送给标签服务器。并行丁作的两台上位机，协调工作，动态地分配将要通讯的阅读器的地址，当任何一台机器因为某些原因而停机时，都不会中断系统的通讯。为了通讯的安全可靠，polling与阅读器之间利用邮件通讯。定义函数SendMaiLReadMail分别表示向阅读器发送命令邮件和从阅读器中得到Tag邮件或其它设置信息。 

      为了能够同时与多台阅读器进行读取／发送操作，polling软件上采用独立线程分别来实现邮件的读取和发送，并通过发送message消息到线程，来控制线程功能的启动和暂停。当邮件读取线程接收到邮件后，通过Socket接口发往标签服务器。(见图3) 

      上位机要放置于矿井下，所以必须是本安型的丁控机。它通过工业以太网与井上的标签服务器相连。长距离的信息传输以及其它不确定的因素，会造成上位机与标签服务器的通讯中断，所以在polling中特别设计离线工作模块，这使得在通讯中断的期间，polling将数据暂存在本地，等通讯恢复后，再自动上传。 

2.2 标签服务器的实现 
      标签服务器是整个系统的核心，它连接着上位机，监视模块，DB服务器。上位机将接收到的标签信息，传递给标签服务器，标签服务对发送来的信息进行处理，存人DB或者再转发至监视模块；反过来，系统的监视模块对阅读器的控制命令的发送也是通过标签服务器的转发，发到指定的阅读器中的，进而让阅读器执行相应命令。  

      上位机、标签服务器都连接在工业以太网上。标签服务器同时也是一台Socket服务器，标签服务器与所连接来的各个上位机用独立的线程通讯，收到某邮件后，将邮件填加到输入队列中，即可进入下一次接收循环。另有专门的线程来检查输入队列，判断邮件的类型，重新将邮件打包，发向相应的处理模块。同样，当需要向下位机或通过下位机向阅读器发送指令时，先将指令填加到输出队列，然后也有专门的线程向socket客户端发送。 

       通过使用输入，输出队列的隔离，匹配了socket读写与数据处理之间的速度，不会因为有大量的socket数据涌人，而造成数据处理的滞后；反过来，也不会因为进行复杂的处理而影响下一次socket数据的读取。 

2．3 GIS监视模块的实现 
       阅读器感应到的RFID卡号信息，最终要传送到监视模块来。监视模块以GIS为核心，采用MapInfo公司的MapXtreme 2004 for．Net。GIS中有巷道图层、轨道图层、阅读器图层、人员图层。当监视模块收到标签服务器发来的邮件包后，根据阅读器的地址，用动画的效果在MAP中的响应位置进行标注。 

       监视模块提供下列的功能：显示当前井下各个位置的人数、分布及各部门人员数量；显示某个位置的当前人员列表，详细显示人员的下井时间，进人某个位置的时问；追踪某个人员下井后所走过的路线，井将路线显示在MAP中；查询某个人员的历史下井路线。在GIS监视模块中，将有关的井下GIS地图的显示，轨道的选择，路径的查找等操作封装成独立的模块，作为GIS平台，并制定了轨道、路径、人员、设备等的数据标准。这个GIS平台可以应用于日后的其它煤矿井下信息化系统中。 

3系统的推广 

       系统标记了下井口和上井口两个阅读器，就可以是—个完整的下井考勤系统，因为始终记录着人员的行走路线，这事实上要比普通的考勤系统有着更准确详细的考勤记录，并且下井的员工不需要特意做出打卡动作。 

      远距离RFID在井下的应用是很广泛的，我们在阅读器上扩展 8入8出的I／O口，就可以采用集散式控制来完成对井下设备的控制，如控制轨道的转辙机等，实现井下机车的调度。 

4结束语 

       井下人员定位系统，作为矿井安全生产的被动防御系统，将为企业在安全管理，灾害预防、事故救助等方面提供有力的信息支持，为改善了我国煤矿安全生产状况发生作用。