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基于RFID技术的煤矿安全追踪系统研究
作者：苏北并，周小波
来源：RFID世界网
日期：2011-02-12 09:03:58
摘要：介绍了基于射频识别技术的煤矿安全追踪系统。该系统可以实时追踪对携带射频识别(RFID)的井下工作人员的位置、身份识别及考勤的管理。为煤炭行业安全生产事前预防、事后处理提供了一种新的手段。
1系统工作原理
无线电技术在自动识别领域应用中更具体的技术名称为射频识别，英文为Radio Frequency Identification，简称为RFID。射频识别系统的组成一般至少包括两个部分:①电子标签，英文名称为碗;②阅读器，英文名称为Reader。电子标签中一般保存有约定格式的电子数据，在实际应用中，电子标签附着在待识别物体的表面。阅读器又称为读出装置，可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体的目的。进一步通过计算机及计算机网络实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。
煤矿井下人员跟踪定位管理系统是采用双频点长短波频率实现可靠的全双工通信。
1.1系统组成及其功能
井下人员跟踪定位管理系统系统由软件系统和硬件系统两大部分组成，软件系统包括安装于服务器上的应用软件和RFID读写器嵌人式软件两部分组成，嵌人式软件系统用于RFID卡信息采集、识别，应用软件用于井下人员的定位、管理。
硬件系统分井上计算机系统与井下RFID系统。RFID系统包括RFID卡、接收天线、阅读器和标识卡等组成，结构如图1所示。
①井下读写设备:由接收天线、发射天线、读写器、电源等设备组成，用于对RFID理机卡的跟踪。该设备通过RS485口与上位机连接。其主要功能是完成对人员识别编码输出信号的采集、处理、与地面计算机的双向通讯及供电等。
②RFID卡:由嵌人式处理器及其软件、卡内发射和接收天线、收发电路和高能电池组成，其工作在两个频点上，全双工通信。
1.2系统工作原理
井下读写设备将低频的加密数据载波信号经发射天线发送射频信号;经过此区域的RFID卡进入低频的发射天线工作区域后被激活，将加密的载有目标识别码的信息经卡内高频发射模块发射出去;接收天线接收到RFID卡发来的载波信号，经分井下读写设备提取出目标识别码，并传输处理板送至地面上位机，上位机将数据传送到服务器，通过管理软件实现对人员定位的管理。
2系统总体设计思路及设计特点
2.1设计思路
由于煤矿的特殊性，设计方案的过程中除采用RFID、软件、自动化控制、防爆等多方面技术实现其功能外，还要考虑系统的安全性、稳定性、抗干扰性等多方面的能力。
2.2系统设计特点
①高度自动化。系统能自动检测佩带RFID卡的井下人员经过该测点的时间、地点信息。
②先进的通信系统。安装在煤矿井下各通道的无线信息采集设备，实时将采集到的信息传送到井下专用处理传输分站，并通过井下RS485实时向地面的上位机传送相关人员通过的数据。
③完备的数据统计与信息查询软件。系统软件具备专用数据库管理系统，包括工人通过坑道的信息采集和统计分析系统，考勤作业的统计与管理分析系统，显示并打印各种统计报表资料，为高层管理人员的查询与管理提供全方位的服务。
④完善的异常情况(包括无效卡、失效卡、黑名单卡进入)报警呼叫系统配置。
3系统实现的主要功能及构成
3.1系统实现的主要功能
①井下人员实时跟踪监测，位置自动显示;
②实时查询、打印当前及某时间段井下人员数量、活动轨迹及分布情况;
③人井人员的考勤、统计、存储、打印;
④系统中心站及网络终端可以局域网方式联网运行，使网上所有终端在使用权限范围内都能共享监测信息和系统综合分析信息、查询各类数据报表;
⑤井下人员跟踪定位基站与地面中心站失去联系时，基站仍能独立工作，自动存储人员监测数据;
⑥RFID卡采用低功耗设计，重量轻，无须外部电源，有多种携带方式供选择。
3.2系统设计方案
本系统遵循“统一发卡、统一装备、统一管理”的原则，按准许上岗人员和班组实行“一人一卡”制，该标识卡可视为“上岗证”或“坑道准人证”。具体方案:
①煤矿生产单位在井下坑道、作业面的交叉道口安装井下分站设备。
②煤矿生产单位向下井工作人员颁发并装备标识卡。
③系统数据库记录该标识卡所对应人员的基本信息，包括姓名、年龄、性别、所属班组、所属工种、职务等基本信息。
④生产单位对该标识卡进行授权后即生效。授权范围包括:该员工可以准入的坑道或作业面。为防止无关人员和非法人员进入坑道或作业面，系统设置该卡准人坑道或作业面的时效管理模块及卡的失效、报失等。
⑤进人坑道的工作人员必须随身携带标识卡，当持卡人员经过设置识别系统的地点时被系统识别，系统将读取该卡号信息，通过系统传输网络，将持卡人通过的地点、时间等资料传输到地面监控中心进行数据管理;如果采集的卡号无效、或进人限制通道，系统将自动报警，监控中心值班人员接到报警信号，立即执行相关安全工作管理程序。
⑥坑道一旦发生安全事故，监控中心在第一时间内可以知道被困人员的基本情况，便于事故救助工作的开展。
⑦系统可自动生成考勤作业的统计与管理等方面的报表资料，提高管理效益。
3.3系统的墓本构成及组件的功能
系统设计分两大部分:井上管理系统及井下采集系统。井上管理系统采用标准的关系数据库。上位机传送数据到关系数据库。井下采集系统由井下读写设备、RFID,隔爆电源、备用电池、矿用阻燃电源电缆、矿用阻燃双绞线通信电缆、接线盒等组成。井下读写设备是完成对人员通行信息的采集、处理;井下读写设备将RS232信息转换为RS485信息和自动存储人员监测数据，传输距离lOkm，同时将重码的信息进行判定和过滤，接受上位机的轮循访问并向上位机传送所采集到的人员编码信息;矿用阻燃双绞线通信电缆主要是完成井下网络的连接，为现场RS485总线方式;其组成见图2所示。井上管理系统部分由交换机、上位机、UPS电源、服务器、管理机等设备组成。井下采集设备通过RS485信号通过转换后连接到上位机的RS232串口上;交换机用于井上设备网络连接;上位机及数据库服务期实现对人员定位的信息化管理，在计算机屏幕上直观动态显示井下人员的分布情况，使管理层一目了然;UPS电源主要为了在交流电源停电后继续维持系统设备正常运行。
基于RFID技术的煤矿安全追踪系统是以煤矿安全生产为基础，射频识别模块(RFID)为主要设备，为煤炭行业安全生产事前预防、事后处理提供了一种新的手段。该系统为综合了RFID技术、通讯技术和计算机信息技术的新型煤矿计算机监管系统。
参考文献
[1]毛献辉，郭宏，朱昊等.智能化红外感应控制系统.电子测量计术,2005(2):45.
[2]于立立，施朝健，红震民.红外遥控接收系统.电子测量计术，2005(2):51.
无线电技术在自动识别领域应用中更具体的技术名称为射频识别，英文为Radio Frequency Identification，简称为RFID。射频识别系统的组成一般至少包括两个部分:①电子标签，英文名称为碗;②阅读器，英文名称为Reader。电子标签中一般保存有约定格式的电子数据，在实际应用中，电子标签附着在待识别物体的表面。阅读器又称为读出装置，可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体的目的。进一步通过计算机及计算机网络实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。
煤矿井下人员跟踪定位管理系统是采用双频点长短波频率实现可靠的全双工通信。
1.1系统组成及其功能
井下人员跟踪定位管理系统系统由软件系统和硬件系统两大部分组成，软件系统包括安装于服务器上的应用软件和RFID读写器嵌人式软件两部分组成，嵌人式软件系统用于RFID卡信息采集、识别，应用软件用于井下人员的定位、管理。
硬件系统分井上计算机系统与井下RFID系统。RFID系统包括RFID卡、接收天线、阅读器和标识卡等组成，结构如图1所示。
①井下读写设备:由接收天线、发射天线、读写器、电源等设备组成，用于对RFID理机卡的跟踪。该设备通过RS485口与上位机连接。其主要功能是完成对人员识别编码输出信号的采集、处理、与地面计算机的双向通讯及供电等。
②RFID卡:由嵌人式处理器及其软件、卡内发射和接收天线、收发电路和高能电池组成，其工作在两个频点上，全双工通信。
1.2系统工作原理
井下读写设备将低频的加密数据载波信号经发射天线发送射频信号;经过此区域的RFID卡进入低频的发射天线工作区域后被激活，将加密的载有目标识别码的信息经卡内高频发射模块发射出去;接收天线接收到RFID卡发来的载波信号，经分井下读写设备提取出目标识别码，并传输处理板送至地面上位机，上位机将数据传送到服务器，通过管理软件实现对人员定位的管理。
2系统总体设计思路及设计特点
2.1设计思路
由于煤矿的特殊性，设计方案的过程中除采用RFID、软件、自动化控制、防爆等多方面技术实现其功能外，还要考虑系统的安全性、稳定性、抗干扰性等多方面的能力。
2.2系统设计特点
①高度自动化。系统能自动检测佩带RFID卡的井下人员经过该测点的时间、地点信息。
②先进的通信系统。安装在煤矿井下各通道的无线信息采集设备，实时将采集到的信息传送到井下专用处理传输分站，并通过井下RS485实时向地面的上位机传送相关人员通过的数据。
③完备的数据统计与信息查询软件。系统软件具备专用数据库管理系统，包括工人通过坑道的信息采集和统计分析系统，考勤作业的统计与管理分析系统，显示并打印各种统计报表资料，为高层管理人员的查询与管理提供全方位的服务。
④完善的异常情况(包括无效卡、失效卡、黑名单卡进入)报警呼叫系统配置。
3系统实现的主要功能及构成
3.1系统实现的主要功能
①井下人员实时跟踪监测，位置自动显示;
②实时查询、打印当前及某时间段井下人员数量、活动轨迹及分布情况;
③人井人员的考勤、统计、存储、打印;
④系统中心站及网络终端可以局域网方式联网运行，使网上所有终端在使用权限范围内都能共享监测信息和系统综合分析信息、查询各类数据报表;
⑤井下人员跟踪定位基站与地面中心站失去联系时，基站仍能独立工作，自动存储人员监测数据;
⑥RFID卡采用低功耗设计，重量轻，无须外部电源，有多种携带方式供选择。
3.2系统设计方案
本系统遵循“统一发卡、统一装备、统一管理”的原则，按准许上岗人员和班组实行“一人一卡”制，该标识卡可视为“上岗证”或“坑道准人证”。具体方案:
①煤矿生产单位在井下坑道、作业面的交叉道口安装井下分站设备。
②煤矿生产单位向下井工作人员颁发并装备标识卡。
③系统数据库记录该标识卡所对应人员的基本信息，包括姓名、年龄、性别、所属班组、所属工种、职务等基本信息。
④生产单位对该标识卡进行授权后即生效。授权范围包括:该员工可以准入的坑道或作业面。为防止无关人员和非法人员进入坑道或作业面，系统设置该卡准人坑道或作业面的时效管理模块及卡的失效、报失等。
⑤进人坑道的工作人员必须随身携带标识卡，当持卡人员经过设置识别系统的地点时被系统识别，系统将读取该卡号信息，通过系统传输网络，将持卡人通过的地点、时间等资料传输到地面监控中心进行数据管理;如果采集的卡号无效、或进人限制通道，系统将自动报警，监控中心值班人员接到报警信号，立即执行相关安全工作管理程序。
⑥坑道一旦发生安全事故，监控中心在第一时间内可以知道被困人员的基本情况，便于事故救助工作的开展。
⑦系统可自动生成考勤作业的统计与管理等方面的报表资料，提高管理效益。
3.3系统的墓本构成及组件的功能
系统设计分两大部分:井上管理系统及井下采集系统。井上管理系统采用标准的关系数据库。上位机传送数据到关系数据库。井下采集系统由井下读写设备、RFID,隔爆电源、备用电池、矿用阻燃电源电缆、矿用阻燃双绞线通信电缆、接线盒等组成。井下读写设备是完成对人员通行信息的采集、处理;井下读写设备将RS232信息转换为RS485信息和自动存储人员监测数据，传输距离lOkm，同时将重码的信息进行判定和过滤，接受上位机的轮循访问并向上位机传送所采集到的人员编码信息;矿用阻燃双绞线通信电缆主要是完成井下网络的连接，为现场RS485总线方式;其组成见图2所示。井上管理系统部分由交换机、上位机、UPS电源、服务器、管理机等设备组成。井下采集设备通过RS485信号通过转换后连接到上位机的RS232串口上;交换机用于井上设备网络连接;上位机及数据库服务期实现对人员定位的信息化管理，在计算机屏幕上直观动态显示井下人员的分布情况，使管理层一目了然;UPS电源主要为了在交流电源停电后继续维持系统设备正常运行。
基于RFID技术的煤矿安全追踪系统是以煤矿安全生产为基础，射频识别模块(RFID)为主要设备，为煤炭行业安全生产事前预防、事后处理提供了一种新的手段。该系统为综合了RFID技术、通讯技术和计算机信息技术的新型煤矿计算机监管系统。
参考文献
[1]毛献辉，郭宏，朱昊等.智能化红外感应控制系统.电子测量计术,2005(2):45.
[2]于立立，施朝健，红震民.红外遥控接收系统.电子测量计术，2005(2):51.
