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基于RFID的井下人员定位系统的设计与实现

作者：姚克钊

来源：《数字技术与应用》2011年第09期

摘要：本文基于无线射频识别的高可靠性、抗干扰性、信息量大以及适合于在环境恶劣的场合下使用等特点，借鉴了国内一些矿山人员设备定位跟踪系统管理的经验，具体结合金属矿山的实际情况，设计了基于RFID技术的井下人员设备定位系统。系统可作为集井下人员考勤、人员设备跟踪定位、事故监测预防、事故急救、日常管理于一体的综合性运用系统，并在金日盛矿业公司进行实际运行测试，测试结果表明系统达到了设计的要求。 关键词：金属矿山企业 无线射频识别技术（RFID） 井下人员设备 跟踪定位 中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2011)09-0139-02

1、井下人员定位与RFID技术

RFID 是一种非接触式的自动识别技术。它通过射频信号对待识别的目标对象进行识别，并对目标对象的特征信息等进行提取，整个识别过程不需要人工干预，适合于工作在各种噪声、干扰等恶劣环境中。RFID 技术可以对运动物体进行识别并可同时识别多个标签，操作方便。RFID识别系统的主要组成部分包括读写器和射频卡两部分。读写器和射频卡之间利用无线通信方式进行数据传送，因此它们都有无线收发模块及天线装置。射频卡中有存储器，可以用以存储永久性数据与非永久性数据，永久性数据可以作为射频卡的唯一标识，非永久性数据用来存储用户数据。当射频卡进入磁场，便会自动接收读写器所发出的射频信号，通过感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息。读写器读取到这一信息后进行解码操作，并将信息传送到信息系统进行分析处理。 2、井下人员定位系统方案设计

井下人员定位系统属于分布式处理系统，同时在整个矿山企业安全管理与日常综合管理系统中，井下人员定位系统也是其中的一个小的子系统。该系统包括地面监控中心、数据接口、人员设备定位分站、标示卡与读卡器等构成。系统的结构图如下图1所示：

系统采用地面集中逻辑处理、有线传输、无线检测采集的三级网络，同时选用CAN总线作为系统各部分的通信网络。

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井下人员定位管理系统作为矿山安全管理的一部分，主用用于井下人员的跟踪与定位。系统运行过程为：在巷道和作业面的交叉道口安装读写器，下井工作人员佩戴安装了RFID电子标签的安全帽。RFID读写器利用固定频率的射频载波向电子标签发送信号，一旦安装有电子标签的安全帽进入信号发送覆盖范围即被激活，同时将个人信息发送出去，读写器天线在接收到这一信号之后，将对信息进行处理分析比对，提取出个人信息，利用CAN现场总线传送到监控中心，实时记录工作人员的移动轨迹数据信息，另外还可自动生成考勤作业、安全管理等方面的资料报表进行存档备案。 3、系统的硬件实现

系统硬件设备的选择要结合矿山的具体环境，由于矿山环境的特殊性和复杂性，设备的选择要特别的注意，系统设备主要包括井下数据采集设备，数据传输设备，以及地面监控中心和各应用终端设备。数据采集设备包括主要包括电子标签，读卡器，读卡天线。

井上监控中心的监控主机是整个系统的关键部位，负责对整个系统进行管理。监控主机通过CAN网络适配器与系统监控节点通信，同时通过中继器与其他远程系统监控节点或现有的矿井监控系统进行连接，实现信息共享。

除了与系统监控节点通信之外，监控主机可以通过局域网与工厂网络系统进行数据交换，实现矿井现场的远程浏览。

因此，监控主机的工作稳定与否直接关系到整个系统功能的实现。另外，由于矿井所处的生产环境恶劣，对于监控主机的抗干扰能力要求较高，所以，本系统选用稳定性能好、工作可靠、配置高的工业控制计算机(工控机)作为监控主机。 4、系统的软件实现

基于RFID技术的铁矿井下人员定位管理系统以Windows XP平台为运行环境，采用.NET开发的综合数据采集功能与信息处理功能的综合信息管理系统。数据库采用SQL Server 2005数据库，采用Browser／Server模式，管理人员通过浏览器即可实现在网络上的信息查询与浏览，并对井下人员的其他信息进行查询打印；可实现对于井下无线数据收发机位置的实时检测，并对所采集的数据进行分析处理；可将井下各项相关数据，包括实时数据与历史数据进行存储、调用、分析与合成；图形化显示井下人员的具体位置，并可根据历史移动轨迹判断操作的规范性、设备管理的可回溯性。系统功能完善、操作便捷、界面友好、实用性强。共有系统设置、跟踪查询、图形管理、人员考勤、人员设备活动轨迹、报警处理及系统维护等模块。 系统各部分情况归纳如下：

(1)系统设置。这一部分主要实现对于下井工作人员的信息录入，集合读写器的动态采集信息与读写器的固定位置信息进行合成处理。

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(2)跟踪查询。实时显示这部分是系统的核心部分，是我们要完成的主要工作。阅读器采集到人员位置信息发送到监控主机后，由软件进行实时分析处理在电子地图上实时显示当前各道路的人员分布情况，并且对人员活动轨迹进行记录，实现对人员活动路线、滞留时间及目前所处位置的管理。这部分还提供了各种查询接口方便了用户查询和管理。

(3)图形管理。由于要实时直观的显示当前井下的人员的分布情况，就要定时把当前井下的道路信息绘制成图，图形信息也应该存储在数据库中，便于动态展现在用户面前。 (4)报警处理。如果井下工作人员进行危险区域或是某些有害物质超标时，系统自动发出警报信号，对于现场工作人员进行提醒并通知地面工作人员采取措施进行处理。

(5)报表打印。该模块用以实现对于下井人员信息，轨迹信息，警报记录等信息的报表打印输出以备存档。

(6)系统维护。主要完成对整个管理系统进行初始化操作和对各种与系统相关的重要数据进行维护的功能。此模块只能由本系统的管理员来完成，其他任何人员不能完成此模块的各项功能。

5、系统测试

从表1的各项数据可以看出，通过对读卡器进行120个小时不间断的连续测，读卡次数达到了432000次，而最大误读漏读次数为7次，误读漏读率为1.62*e-3%，误读漏读次数基本可以忽略，可见在环境恶劣的铁矿矿山井下工作场合下，在长时间的运行过程中系统的功能稳定，可以满足系统应用的要求。 表1 读卡器在矿中测试数据 参考文献

[1]游战清,李苏剑,张益强等.无线射频识别技术(RFID)理论与应用[M].北京:电子工业出版社,2004

[2]井下人员定位技术方案.山东金软科技有限公司,2009,4.