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基于RFID与CAN的煤矿井下人员定位系统分析.pdf

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致谢衷心感谢导师魏学业教授。感谢他多年来对我学业上的悉心指导和生活上的备至关怀l本论文自始至终都是在魏老师的指导下完成的,其中的每一步进展和每一个成果无不凝聚着导师的心血与汗水.魏老师以其渊博的学识、深刻的洞察力指导了我;以其严谨的治学、亲善的为人以及勤奋工作的精神陶冶了我;以其善良的心地、无私的奉献帮助了我。所有这些不仅使我感悟到了作为一名杰出学者的真正内涵,同时也为我树立了立志成为一名学者的典范,值得我尽毕生的精力去学习l在此我由衷地向导师魏学业教授表示感谢和敬意.由衷地感谢蒋大明老师、戴胜华老师、张三同老师、黄赞武老师等,他们无私地给予作者以指导和帮助。在实验室工作及撰写论文期间,在读的博士谢涛、柳燕红、张屹、蒋海峰,硕士肖硕、李超,李艳芳等同门,对我论文研究工作给予了热情帮助,在此向他们表达我的感激之情.另外也感谢家人,他宦丁的理解和支持使我鼹够在学校专心完成我的学业.特别感谢论文的评阅人,从百忙中抽出宝贵的时间对论文进行评阅。感谢所有给予我支持和帮助的老师和朋友.l绪论1.1课题背景及意义1.1.1 课题的提出目前我国的煤炭产量居世界第一位。煤矿的生产分为露天开采和地下开采,我国95%的煤矿开采是地下开采作业,而地下开采的危险性较之露天开采要大的多。我国煤层自然赋存条件复杂多交,影响煤矿安全生产的因素众多,水、火、瓦斯、煤尘、顶板等自然灾害时刻都在威胁矿井工作人员的生命安全,都可能是造成事故的客观因素,矿井重大灾害及伤亡事故随时都有可能发生。据调查煤矿事故占工矿企业一次死亡10人以上特大事故的7乞8%至89.6%20022005年。近几年,随着国民经济对能源的需求增大,煤炭行业的开始复苏,我国煤炭开采在规模和产量上都逐年扩大,但是通过以上触目惊心的数据我们却看到煤矿行业安全生产的形势非常严峻,造成的损失是极其惨重的。特别是煤矿重大及特大瓦斯煤尘灾害事故的频发,不但造成国家财产和公民生命的巨大损失,增加了社会的不稳定团素,而且严重影响了我国的国际声誉.实际上,这些事故的发生不是偶然的,它是煤矿生产过程中存在问题的集中暴露,涉及许多方面.既有自然因素,科技投入和研究的不足,也有人为因素以及国家的体制、煤矿企业管理不善等因素.更让人担忧的是,煤矿井下普遍存在入井人员管理困难,难以及时掌握井下人员的动态分布及作业情况,一旦事故发生,对井下人员的抢救缺乏可靠信息,抢险救灾、安全救护的效率低。自2000年以来,国家对煤矿企业安全生产要求的不断提高和企业自身发展的需要,我国各大,中、小煤矿的高瓦斯或瓦斯突出矿井陆续在装备矿井监测监控系统。系统的装备大大提高了矿井安全生产水平和安全生产管理效率.但是,现有的矿井监测监控系统监测对象主要有两种,一是环境安全监测监测各种有害气体及工作面的作业条件,如瓦斯浓度,一氧化碳、氧气浓度、风速、空气温度、压力、粉尘浓度等等;二是生产过程、生产工艺监测监测主要生产环节的各种生产参数和重要设备的运行状态,如煤仓料位、水仓水位、水泵、提升机、扇风机、压风机,胶带输送机、采煤机等运行状态和参数等运行状态和参数。可以看出,井下矿工并不是现有监控系统的监控对象,他们在井下的位置和运行轨迹仍然是不得而知的,一旦发生突发性灾难营救工作将无从下手。矿难事故发生后,对遇难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,营救灾区遇脸人员.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.面对我国煤矿安全生产的严竣形势,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,我们在广泛调研了国内的科研院所及现代化矿井后,提出了一种以盯ID与CM技术为基础的煤矿井下人员定位系统的设计,该系统具有考勤管理功能,安全保障功能功能、生产调度功能,信息联网功能以及禁区报警功能,满足现代化矿井的安全监控要求,对煤炭的安全生产必将起到重大的推动作用。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。在煤炭行业管理和安全方面,人的管理是一个十分关键的问题。长期以来,大部分矿井,尤其是现代化的矿井,井下都是连续生产,然而煤矿井下的员工状况如何,一直是较难查清的问题.到目前为止,即使是我国的现代化矿井的管理。也只能是依据传统矿灯管理、领取工作牌等考勤方式来了解下井人员的数量和情况。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,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。特别是在国内射频识别技术的引进和发展,使得对下井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,赢得抢救的宝贵时间,还可阱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,更得使煤矿的安全生产保障系统大大提高.本文设计的定位系统是需要深入到环境十分复杂的煤矿井下工作,在设计方案时,除了考虑其功能外,在稳定性,可靠性、抗干扰能力、容错能力及异常保2护等方面也进行了充分考虑。项目方案确定利用射频识别RFID技术,开发相应的井下人员定位监控节点,在需要定位区域内,以CAN总线作为主传输途径,建立一个由地面控制中心和井下具有固定位置的各监控节点之间的通信网络,通过井下监控节点的无线监测与有线传输,把数据上传地面控制调度中心主机。于是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,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.平时用来指挥生产做出优化决策,使生产指挥高效。因此,基于RFID与CAN的煤矿井下人员定位系统的研究具有非常重要的现实意义.随着数字化时代的深入,基于远程信息化网络管理技术的社会需求,RFID技术在煤矿井下人员定位系统中将发挥越来越重要的作用,在矿井的防灾、减灾以及提高生产效率方面发挥着重大的作用,而高性能的计算机矿井监测系统的应用前景尤为的广阔.目前RFID技术正在成为一个新的经济增长点在全球范围内蔓延开来,研究开发RFID技术有着巨大的经济效益和社会意义.此外,以美国、日本和欧洲等发达国家对瓯I曦术的研究和应甩已达刭相当高的水平,并且产生了相当的经济效益,而我国起步较晚,大多采用引进的技术成果,需要对RFID技术的研究和应用增加投入.RFID技术是一个复杂的应用技术,它不仅涵盖了微波技术与电磁学理论,而且还涉及通信原理及半导体集成电路技术,是一项多学科融合的新兴应用技术。因此,对RFID技术的深入研究具有深远的理论意义.1.2煤矿安全监测系统国内外研究现状1.2.1 国外研究状况国外研制矿并计算机监控系统始于20世纪60年代,为保证煤矿安全生产,世界主要产煤国如美国、英国、德国,波兰、前苏联等从50年代开始,陆续地把监测、监控技术应用到安全生产管理上.随着射频识别技术的兴起,国外也加快了这一领域的发展,并成功地将其应用到了井下人员定位监控系统中.英国的Davis Derby Limited该公司采用最新的无线射频技术开发了专门用于煤矿井下应用的多标签读取系统;戴维斯德比公司在地面和井下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;澳大利亚芒特艾萨矿业公司开发了一种人员探测系统,用于监测矿工进入危险地带;在南非的德里方月Driefontayne矿,安装了一种人员跟踪系统,它使用由澳大利亚IsD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3矿工帽上的小型无源信标Bendon.1995。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 Emergency Device系统在悉尼附近的一所煤矿投入使用.唧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,将警告发送给井下全部或相应的工作人员.1-2.2 国内发展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AYJ.1,A船Y-1.2,MJc.100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,荚,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scD系统、英国的舡N0s系统、德国的TF200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,人罚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2.8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KJl,KJ2,KJ4,Al,KJlO,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,有的系统己达到国际先进水平.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2003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4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2004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shang}Iai super E1e&Tec co.Ltd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.1.3存在的主要问题近几年,国外己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,但在国内因资金投入欠缺和技术方面的不成熟成功开发的实例并不多。主要原因是1性能价格比过低.雕成本高、推广程度低国内曾先后引进国外先进的人员监潮设备,收效尚好.但这种弓l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国外引进井下工作站体积、重量比较大无法满足各个中国煤矿的实际需要,监测机的系统软件在文档处理上有些不符合中国国情,有些系统的技术并非一流,技术服务上有缺憾。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。从自动识别技术发展起来之后,包括科研、院皎、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地面与井下人员的信息沟通不及时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。而现有发牌制度、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。但包括发牌制度、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,无法解决捧5队考勤的现状。3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.4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·1.4课题方案及论证根据国内外研究现状及国内煤炭行业的具体实情,本文设计的煤矿井下人员定位系统采用先进的CAN.bus与RFID技术,开发相应的煤矿井下人员监控节点与监控中心挂接,采用无线识别、有线传输方式构成二级集散式井下人员监控系统,对佩戴电子标签的工作人员进行自动跟踪定位,定时将检测到的信息上传给地面监控中心,从而使管理层实时掌握井下动态目标的身份、位置及活动轨迹,一旦遇到事故,可依此做出正确快速的营救决策,指挥抗灾,对煤矿的安全生产将有积极作用,在一定程度上减少人员伤亡,较好地解决了以前存在的问题.平时,上传的位置信息也可以用做工作人员的考勤记录。在此基础上,进一步完善井上监控中心软件平台和煤矿安全信息数据库,形成全局监控网络.62射频识别2.1射频识别RFID技术2.1.1 RFID技术概述RFIDRadio Frequency Identification技术是从八十年代起逐步走向成熟的一种非接触式自动识别技术。射频识别是利用射频方式进行非接触双向通信,以达到自动识别目标对象并获取相关数据,具有精度高、适应环境能力强、抗干扰强、操作快捷等许多优点.由于大规模集成电路技术的日益成熟,使得射频识别系统的体积大大减小,从而进入了实用化阶段.与早期或同期的接触式识别技术不同,RFID系统的电子标签与读写器之河无需接触蓑可完成识别与数据交换,因而它可在更广泛的场合中使用.射频识别的读取距离更远,距离可达几十厘米至几米;存储信息量大,且根据读写的方式,可以输入数千字节的信息,同时,还具有极高的保密性。每一个产品拥有独一无二的ID号;读写不需要光源,可以透过外部材料读取数据;使用寿命长,能在恶劣环境下工作;能够轻易嵌入或附着在不同形状、类型的产品上;能够同时处理多个标签;射频识别技术适用的领域物料,设备跟踪、运载工具和货架识别等要求非接触数据采集和交换的场合,要求频繁改变数据内容的场合尤为适用.射频技术在其它物品的识别及自动化管理方面也得到了较广泛的应用.2.1.2 RFID技术分类1根据系统的工作频率通常把读写器发送信号时使用的频率称作射频识别系统的工作频率可分为·低频系统一般工作在loo~500kHz;·中频系统工作在lO~15li掰z左右;·射频系统则工作在850.950删z,以及2.45GHz,5.8GHz的微波频段.2根据能否给射频卡写入数据可分为·可读写卡啪,如电话卡、信用卡等。·一次写入多次读出卡w0RM,是用户可以一次性写入的卡,写入后数7据不能改变,woRM卡比Rw卡要便宜。·只读卡Ro,存有一个唯一的号码,不能改写,这样提供了安全性,Ro卡最便宜. 一’3根据电源供电方式,射频卡也可分为有源与无源射频卡。·有源射频卡使用卡内电流的能量、允许卡的操作距离较远,适合动态的井下工作人员定位,是煤矿井下工作人员定位系统发展的方向,但是它的寿命有限3~10年,且价格较高;·无源电磁感应式射频卡不含电池,利用读写器辐射的电磁场能量作为自己的能量,它的重量轻、体积小,寿命可以非常长、很便宜,但由于卡面限制,天线尺寸有限,射频信号不强,因此其工作距离不远一般10cm,通信速率也低106kbps,且需要读写器的发射功率大.4根据调制方式的不同还可分为主动式和被动式。·主动式是指其上行信号的载波来自于射频卡本身的微波本振源。主动式射频卡中一定有电沤提供能量,主动式的射频卡用自身的射频能量主动地发送数据给读写器,主要用于有障碍物的应用中,距离较远可达30米;·被动式是指其上行信号的载波来自于读写器.被动式射频卡使用调制散射方式发射数据,它必须利用阅读器读写器的载波调制自己的信号,适宜在人员定位、门禁或交通的应用中使用.被动式射频卡根据工作需求可带电池也可不带电池,由于被动式省去了昂贵的微波本振源,因而降低了射频卡的成本,有利于煤矿井下人员定位系统的推广应用,而得到越来越多的重视.,5根据射频识别系统的基本工作方式,可分为;双工系统和时序系统.·在双工系统中,电子标签的应答响应信号与读写器的发射信号同时存在;·在时序系统中读写器的电磁场周期性地接通,在这些间隔中电子标签向读写器发送信号并被识别出来。2.1.3 RFID技术标准目前常用的RFID国际标准主要有用于对动物识别的IS011784和IS011785,用于非接触智能卡的ISOl0536close coupled cards,Is015693Vicinitycards、Is014443Proximity cards,用于集装箱识别的IS010374等。目前国际上制定RFID标准的组织比较著名的有三个IS0,以美国为首的EPc global8以及日本的Ubiquitous ID Center,而这三个组织对RFID技术应用规范都有各自的目标与发展规划.下面对常见的几个标准加以简介。1Is011784和IS011785技术标准ISOll784和ISOll785分别规定了动物识别的代码结构和技术准则。标准中没有对电子标签样式尺寸加以规定,因此可以设计成适合于所涉及的动物的各种形式,如玻璃管状、卫标或项圈等。代码结构为64位,其中的27至64位可由各个国家自行定义.技术准则规定了电子标签的数据传输方法和读写器规范。工作频率为134.2kHz,数据传输方式有全双工和半双工两种,读写器数据以差分双相代码表示,电子标签件采用FSK调制,NRz编码.由于存在较长的电子标签充电时间和工作频率的限制,通信速率较低.2IS010536、ISol5693和IS014443技术标准IS010536标准发展于1992年1995年问,由于这种卡的成本高,与接触式IC卡相比优点很少,因此这种卡从未在市场上销售.IS014443和IS015693标准在1995年开始操作,其完成尉是在2∞D年之后,二者旨以13.5阻k交交信号为载波频率.IS015693读写距离较远,而ISol4443读写距离携近,但应用较广泛。目前的第二代电子身份证采用的标准是IS014443 TYPE B协议.ISOl4443定义了TYPE A、TYPE B两种类型协议,通信速率为106kb“/s,它们的不同主要在于载波的调制深度及位的编码方式.TYPE A采用开关键控on_-off keying的鼬nchester编码,TYPE B采用NRZ.L的BPSK编码.僻E B与TyPE A相比,具有传输能量不中断,速率更高、抗干扰能力列强的优点.RFID的核心是防冲撞技术,这也是和接触式IC卡的主要区别.Is0144433规定了TYPE A和TYPE B的防冲撞机制.二者防冲撞机制的原理不同,前者是基于位冲撞检测协议,而TYPEB通信系列命令序列完成防冲撞.Is015693采用轮寻机制,分时查询的方式完成防冲撞机制。防冲撞机制使得同时处于读写区内的多张卡的正确操作成为可能,既方便了操作,也提高了操作的速度.3Is018000技术标准IS018000是一系列标准,此标准是目前较新的标准,原因是它可用于商品的供应链,其中的部分标准也正在形成之中。IS018000-6基本上是整合了一些现有RFID厂商的减速器规格和EANucc所提出的标签架构要求而订出的规范。IS018000只规定了空气接口协议,对数据内容和数据结构无限制,因此可用于EPC.2.1.4 常见自动识别技术对比9
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