基于RFID技术的煤矿井下定位系统设计

    1．引言

    移动处理设备的发展和无线局域网技术的进步促进了移动定位技术的突飞猛进。在进行近距离定位时，通常使用如红外线、802.11、超声波和RFID技术。RFID(Radio Frequency Identifical),射频识别技术，作为快速、实时、准确采集与处理信息的高新技术与信息标准化的基础，已经被世界公认为本世纪十大重要技术之一，在生产、销售、物流、交通等各个行业有着广阔的用前景。

    目前，随着计算机技术的发展，基于远距离微波射频识别技术的读写器开始得到应用，在矿井安全检测系统中引入井下人员定位检测系统是一种趋势。一些企业也纷纷推出了自行设计开发的基于RFID煤矿安全监控系统。基于以上背景，我们研究基于RFID的井下人员定位系统是非常具有历史和现实意义的。

    2．RFID 基本原理以及定位系统要求

    2.1 RFID 原理

    射频识别技术(Radio Frequency Identifical ,简称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(电感或电磁耦合)传输特性，实现对被识别物体的自动识别。

图 1 射频识别系统的结构框图

   射频识别系统一般由三个部分组成，即电子标签(Tag)、阅读器(Reader)和应用系统，其基本模型如图1所示。其中电子标签为数据载体，又称为应答器，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转换。

    2.2 定位系统需求分析

    图2为井下环境示意图，斜线部分为开采面，黑点覆盖区域为巷道。通过煤矿井下应用环境的分析，定位系统应具备以下方面特点：

    1、系统结构简单，成本尽可能的低；
    2、系统应该具有扩展性；
    3、系统的定位的精度要满足实际应用的需要。

图2 井下环境示意图

    整个煤矿定位监控系统应该具备以下功能：

    1、显示、查询井下情况：
    (1)任一时间井下或某个地点人数，及每个人的身份；
    (2)查询一个或多个人实时的实际位置及某个人在任一时间的活动轨迹；
    (3)查询有关人员在任一地点的到达、离开时间和总工作时间等等一系列信息，可以督促和落实重要巡查人员(如：瓦斯检测人员、安全检测人员及管理人员等)是否按照规定的时间、地点的进行各项检查工作，减少事故发生因素；
    (4)可实现网络共享，对多个用户通过权限设置，可查看权限内信息；
    (5)具备考勤功能，可查询一个或多个人每天入井次数，在井下工作时间等；
    2、随时查看井下人员在巷道内的实时动态分布，根据井下的实际情况制作相应的动态图，使井下人员分布情况一目了然；
    3、可在井下车辆和重要设备上安装射频识别标签，随时掌握它们井下的位置和运行路线，从而对车辆设备进行合理调度，最大限度地提高生产效率；
    4、遇突发事故，可随时查询事故区域的人员分布，人员身份及重要设备所在位置，能及时调动相关人员处理事故及撤离，可为抢险救灾提供准确资料；
    5、抢险时更准确快速识别遇险人员和仪器设备具体地点和位置，提高抢险效率和救护效果；
    6、有效的监控井下有害气体浓度，当浓度超过警戒阀值时，井下监测点及井上控制台同时报警，使井下施工人员可以迅速撤离，而且能准确有效的定位出事地点。

    3．基于RFID 技术的煤矿井下定位系统方案设计

    3.1 工作频段的选择

    与地面相比,井下地质和生产环境对通信频率影响较大的因素有：

    1、衰减与频率的关系。矿井巷道对电波的自由传播可视为带阻型。在甚低频段、低频、中频的低端，随频率增大衰减增大。在中频高端、高频频段，衰减达到最大,30MHz电波的衰减最大,最不利于传输；进入甚高频后,衰减随频率上升而减小。
    2、衰减与曲率的关系。衰减随着巷道曲率增大而增大。如900MHz，对于同样巷道壁、截面大小一样的巷道,平直时,传输距离可达600m左右；当巷道弯曲90°时,传输距离只有300m。又如频率为415MHz时,直线传输距离可以达380m,而遇到拐角时只能达到127m,可见有拐角的传输距离一定小于直线的传输距离。对于平直而不受阻挡的巷道而言，频率越高传输衰减越小,但当频率升高时,电波的拐弯能力变差，拐角处的损耗增大，传输距离减小。拐角损耗随着频率的升高而逐渐增大。
    3、衰减与粗糙度、倾斜率的关系。当电波在巷道中传播时,由于巷道壁的粗糙与倾斜,将引起电波损耗。根据有关文献的理论分析和实验可知,当频率较低时,粗糙所引起的损耗较大；当频率较高时,倾斜所引起的损耗较大。
    4、导体对无线传输的影响。由于纵向导体的导波作用，当巷道内存在动力电缆、通信电缆、信号电缆、电机车架空线、铁轨、绞车钢丝绳、水管等纵向导体时,矿井无线传输的衰减将减小,并且纵向导体与巷道的绝缘性能越好,越位于巷道中央传输衰减越小。在中频、低频段纵向导体的导波作用较大，中频段传输距离可达2500m ，随着频率的增高，纵向导体的作用越来越小。在特高频及其以上频段,纵向导体的作用可以忽略不计。
    5、衰减与巷道断面的关系。巷道断面大比断面小对通信更有利。
    6、井下设备对无线传输的影响。井下设备较多、较复杂而且形状不一致，无论是理论分析还是试验验证都较困难。目前较一致的结论是：机车对无线传输的不利影响较大；木制风门对无线传输的不利影响较小,钢木混合风门对无线传输的不利影响较大，而钢制风门可以阻断无线传输；临时性风墙对无线传输的不利影响小,永久性风墙对无线传输的不利影响大,并且随着频率的增高损耗增大；感应线对低频较为敏感，当频率低于10MHz时，感应传输距离比自由传播大很多；当频率大于100MHz时,两者相差已不显著。

    从上面的分析可知，在矿井内，对无线传输有利的条件是高传输频率，对无线传输影响较小的是大的巷道截面积、巷道内的纵向导体，对无线传输不利的条件是巷道的拐弯、分支、金属或混凝土制的风门、风墙、通过的电机车等。通过对矿井无线传输特点的分析可以看出，特低频段、甚低频段、甚高频段、特高频段衰减较小。如果选择特低频段和甚低频段，则要求发射机功率大，天线长度长，会给煤矿工人的工作和行走带来极大的不便，很难满足煤矿的实际需要。在甚高频段和特高频段，频率越高，衰减越小。应尽量选择甚高频和特高频频段。从前人对井下工作环境影响电磁波传输的研究成果中可以看出，1000MHz为矿井无线传输的较佳频段。但考虑到元器件的来源难易程度和器件的价格，选ISM频段(868～915 MHz)较合理,这样也利于与地面移动通信系统兼容和利用现有的技术成果。另一个使用ISM频段的原因是考虑到移动设备的体积,使用该频段天线尺寸和设备体积远小于用高、中、低频的天线尺寸和设备体积。

    3.2 系统网络结构图

    本设计采用广播发射式射频识别系统，井下所有监控点使用的RFID均采用有源工作方式。井下监控点分为两种形式：固定监控点和移动监控点。根据RFID的工作原理，固定监控点上的RFID相当于只收不发的读写器，移动监控点的RFID相当于电子标签。整个监控系统由井上部分和井下部分两个部分组成，如图3所示。

图 3 井下监控系统结构图

    3.2.1 井下部分

    井下部分是整个系统的核心，分为移动监控点和固定监控点两个部分。移动监控点包括工作人员和重要设备的RFID，可以进行实时定位。固定监控点包括传感器、A/D转换器、微监控器和RFID模块，完成对有害气体的实时检测和采集信息的传输，并对人员和设备提供实时位置检测。井下部分的固定检测点采用有线通信方式，利用串行USART接口进行连接，采用RS-232串行数据接口标准。

图 4 井下固定监控点总线型网络结构图

    井下固定监控点之间采用总线型网络连接，网络连接如图4所示。这种拓扑网络结构比较简单，成本也较低，网络各节点连接用USART接口。整个井下部分与井上部分采用RS－485串行数据接口总线标准进行通信。 

    固定监控点的结构如图5所示，传感器所采集的各类气体（主要为有害气体，也可以包括空气湿度，根据不同的煤矿选择不同的气体传感器）的数据经过A/D转换后进入MCU，RFID模块与MCU同时进行通信，MCU保存这两部分的数据，并向数据通信接口不断发送输送请求。得到允许后通过USART接口将数据送入传送网络中。MCU的数据存储区定时自动刷新。当有害气体浓度超过安全阀值时，井上工作平台及井下固定监控点同时报警。

图 5 井下固定监控点结构图

    井下移动监控点与固定监控点之间是无线传输。无论是移动还是固定，每个射频模块都有自己特殊的编号，与其它模块均不同。在与固定监控点上的射频模块进行通信时，实际上传输的就是这个特殊的编号，监控中心的软件平台已经将固定监控点位置信息进行了登记和存储。当上传的信息有与它们进行无线通信的移动监控点编号信息时，就表示佩戴和安装该移动监控点的人员及设备很接近该固定监控点，从而判断出RFID模块的位置，这些位置信息均由系统存入数据库。

    移动监控点的结构如图6所示，射频识别模块的特殊编号预存储于微控制器中，通过MCU传输至RFID中，并不断向外发送这个特殊的编号。采用预留串行接口主要是为了以后扩充系统功能。LED可以显示工作地点的射频信号的强度。另外，移动监控点还可以配有电源控制开关，下井打开开关，上井给电池供电，便于使用。

图 6 井下移动监控点结构图

    3.2.2 井上部分

    井上部分主要是软件操作平台，按照功能划分为实时监控子系统和信息管理子系统。实时监控子系统是整个智能化监控系统的基础，监管小区的PC通过RS-485接口标准与数据通信接口进行数据传输。其功能是完成监控点的信息采集、实时处理和存储。从井下上传的信息不但包括各类有害气体的浓度数据，还包括井下工作人员和设备的位置信息，这些庞大的数据经过压缩后都保存在数据库中作为信息联网的基础。信息管理子系统的主要功能是对移动监控点的信息进行录入、修改、查询和统计。

    3.3 门禁系统设计

    图7为门禁系统功能模块示意图。由图可见，矿道入口和每个开采面的入口都放有读卡器，这是为了确定井下矿工总人数和每个开采面的矿工人数，同时可以了解一些基本资料，例如，每个矿工的名字，年龄，每天的工作时间，考勤等等。

    从门禁系统的功能来讲，只需要了解每个开采面的矿工人数及一些基本资料即可，无需很大的阅读范围，理论上讲，只用低频无源标签即可。为了与定位系统采用同一电子标签，这里门禁系统采用的也是高频标签。

图 7 门禁系统设计

    3.4 定位模块

    图8为基于RFID的井下定位模块图。此模块的功能为定位井下重要仪器设备位置，运行路线，井下人员位置及井下人员在任一时间的活动轨迹。

图 8 定位系统设计

    此模块中感应器采用高频有源的工作方式，工作频率定为915MHz。有源标签可以分别被带在施工人员身上和重要的仪器设备上，便于总体调度管理和定位。标签分别记录施工人员及仪器设备的重要信息。在该频率的感应器不再需要线圈进行绕制。感应器一般通过负载调制的方式进行工作。也就是通过感应器上的负载电阻的接通和断开促使读写器天线上的电压发生变化，实现用远距离感应器对天线电压进行振幅调制。如果人们通过数据控制负载电压的接通和断开，那么这些数据就能够从感应器传输到读写器。

    在开采面及巷道上，需要详细的仪器设备位置，运行路线，矿工位置定位及任一时刻井下人员的活动轨迹，所以选择高频有源标签。而且井下环境复杂，经常会出现坍塌，水淹等状况，高频可以有效的穿透石头，水，灰尘，悬浮颗粒等物体，所以可以适应各种环境。而且高频有源标签的作用距离较长，最长可达百米左右，这样可以在用最少数量的阅读器的前提下覆盖全部井下作业面，并可以有效的读出每个矿工的信息，而且可以同时读取多个标签，通过读取的位置信息进行定位。

    3.5 系统特点

    这种智能化煤矿监控系统以煤矿安全为基础，射频识别模块（RFID）为主要设备，有线通信网络为纽带，功能齐全，稳定性好，减少了管理人员的工作量。该系统具有以下特点：

    1、使用总线型网络拓扑结构：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。本设计中，总线型网络只需要增加一段电缆和固定监控点就可增加一个节点，可以使得智能化监控系统可以随着煤矿的开采而不断地扩充。
    2、系统具有较高的识别率和可靠性：射频识别系统的读写距离是一个很关键的参数，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，设计时在有线传输的前提下，固定监控点的分布使用了总线型网络拓扑结构，系统可靠性高。移动监控点参照越区切换的概念在固定监控点之间数传输据，可以达到高的识别率。

    4．小结

    将射频识别技术应用于矿井井下人员仪器设备定位管理系统，是通过建立一个完整、灵活和实时的井下人员及仪器定位管理系统，包括井下作业工人的计划安排、工人进出巷道的权限管理、巷道人员分布及定位、作业工人资料，仪器运行轨迹，设备调度等进行管理，来实现井下管理信息化，同时提高矿井开采生产管理和作业安全的水平。整个系统采用总线型网络连接，这种拓扑结构构成简单而且成本较低。这种智能化监控系统是以矿井安全生产为基础，射频识别模块（RFID）为主要设备，有线通信网络为纽带，监管中心的PC 为中枢的新型智能化计算机管理系统，综合运用了多种通信技术，突破了传统矿井安全管理模式，是矿井安全生产管理系统的新趋势。 

    作者简介：
    牛超超，男，1986 年生，山东新泰人，硕士研究生，研究方向：机械电子；
    朱微维，女，1985 年生，江苏南通人，硕士研究生，研究方向：无线传感器网络；
    李彦玮，女，1985 年生，河北衡水人，硕士研究生，研究方向：电路与系统。