井下人员定位系统毕业设计.docx

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井下人员定位系统毕业设计

中国矿业大学

本科生毕业设计

姓名：

学号：

学院：

应用技术学院

专业：

电气工程及其自动化

设计题目：

煤矿井下人员定位系统设计

指导教师：

职称：

讲师

2009年6月江苏徐州

中国矿业大学毕业设计任务书

学院应用技术学院专业年级学生姓名

任务下达日期：

2009年3月8日

毕业设计日期：

2009年3月8日至2009年6月10日

毕业设计题目：

煤矿井下人员定位系统设计

毕业设计专题题目：

毕业设计主要内容和要求：

1、熟悉射频识别技术；

2、熟悉井下人员定位系统的组成及工作原理；

3、井下人员定位系统的整体规划设计

4、井下人员定位系统的界面设计

5、翻译专业外文文献资料3000字以上；

院长签字：

指导教师签字：

中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书

指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：

成绩：

指导教师签字：

年月日

中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书

评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；④工作量的大小；⑤取得的主要成果及创新点；⑥写作的规范程度；⑦总体评价及建议成绩；⑧存在问题；⑨是否同意答辩等）：

成绩：

评阅教师签字：

年月日

中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书

评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；④工作量的大小；⑤取得的主要成果及创新点；⑥写作的规范程度；⑦总体评价及建议成绩；⑧存在问题；⑨是否同意答辩等）：

成绩：

评阅教师签字：

年月日

中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩

答辩情况

提出问题

回答问题

正确

基本

正确

有一般性错误

有原则性错误

没有

回答

答辩委员会评语及建议成绩：

答辩委员会主任签字：

年月日

学院领导小组综合评定成绩：

学院领导小组负责人：

年月日

摘要

随着无线射频识别技术的日益成熟和广泛应用，针对我国目前煤炭行业生产安全现状，将无线射频识别技术应用到井下进行人员跟踪定位，是解决煤矿安全问题的方法之一，也是矿山实现全面提升安全生产信息化管理水平，加强以灾害预防、搜救为主要目标的安全生产长效机制，是我国煤炭行业安全生产工作的必由之路。

本文首先介绍了射频识别的概念，简述了射频识别的发展历程和工作原理。

结合我国井下人员工作现状阐述了井下人员定位系统对于现实煤矿生产的重要意义及开发井下人员定位系统的紧迫性。

其次介绍人员定位系统的组成及各部分的功能，系统的工作原理。

说明了本人的工作：

井下人员定位系统硬件电路设计（包括井下人员射频卡、井下射频识别阅读器、井下基站及其时间、存储模块等）。

此外，对硬件电路使用的模块都做了介绍。

然后简述了读写器和电子标签的安装位置。

最后介绍了基于组态软件InTouch的系统界面的简单设计。

关键词：

射频识别技术（RFID）；煤矿安全；读写器；电子标签

ABSTRACT

WiththematuremoreandusingwidelyoftheRFIDtechnology，andaccordingtothesafetysituationthatexitsinthecoalfield，itwillbeonevalidwaytosolvethecollierysafetyProblemwithapplyingRFIDtechnologytothemineforpeople’strackingandorientation，itisalsothewaytoimprovethesupervisorylevelofsafeproductionentirely，enhancethelongsystemaimingatpreventingdisasterandsearchingandsaving，itistheonlywayforproducingsafely.

Thistextfirstintroducesaradiofrequencyidentificationofconcept，briefly

saysaradiofrequencyidentificationofthedevelopmentprocessandtheworkprinciple.Thencombiningtheconditionofourcountrymineworkpresently，weexpatiatetheimportantmeaningofminepersonnelradiofrequencyidentificationorientationsystemandtheurgencytodesignit.secondly,weintroducethestructureoftheminepersonnelorientationsystemandfunctionofeverysection，Weintroducethemainworkofmyself:

minepersonneldatatoexchangethesystemhardwareelectriccircuitsystemdesign（includeradiofrequencycard，radiofrequencytoidentifyreaderreadingbaseanditstimemodule、savemodule）,workprincipleofsystem.Inaddition,introducechipofhardwarecircuit.Thirdly,weintroduceinstallationlocationofreaderandelectrictag.Atlast,wemainlyintroduceinterfaceofsystembasedonconfiguresoftwareofInTouch.

Keywords：

RFID;coalfieldsafe;readerelectrictag

1绪论

1.1课题的提出及背景

中国是煤炭生产大国，煤炭年产量已连续多年居世界第一位。

按我国现有储量和现在的开采速度，仍然可以开采一百年以上。

煤炭一直以来在我国的经济建设中占有重要的地位，约占我国能源消费的2/3。

但我国的煤炭生产安全形势不容乐观，百万吨死亡率居高不下，给社会造成不安定因素，给国家造成巨大损失。

究其原因一方面是生产管理不善，另一方面是不可预知的自然灾害。

随着科技的进步，对自然灾害有了一定的预测，从近期的事故来看，主要问题是在管理上，煤矿生产管理急需规范化、现代化。

井下人员定位系统在一定程度上可以满足这方面的需要，在平时该系统用于优化管理，当井下发生事故时，通过该系统能及时了解井下人员的分布情况，对实施救援起指导作用，以做出正确的救援决策。

随着国家对煤矿安全生产工作的重视程度日益提高，现有煤矿安全生产监控、监测设备技术上的不足和缺陷也逐渐显现出来，已经影响到煤矿安全工作的正常开展。

针对这些情况，陆续推出了针对不同用户和安全监管部门的煤矿安全解决方案，同时跟相关设备生产厂家开展深层次的合作，共同开发与之配套的监控软件平台，为煤矿以及其他行业的安全生产保驾护航。

煤矿井下人员定位管理系统就是其中之一。

所以建立一个井下人员定位系统，不仅可以提高煤矿的生产效率，更是关乎国本，尊重生命的明智之举。

不仅能在事故发生后，提供及时的人员位置情况，更能快速有效的展开营救，在安全生产中也能明确的掌握井下人员分布情况，即能合理安排和调度工作，提高煤炭生产管理水平。

1.2国内外井下定位技术发展概述

国外研制矿井计算机监控系统始于20世纪60年代，，我国起步较晚，约始于20世纪80年代后期。

随着各项技术的进步，以及产品的性能/价格比进一步提高，使得监控系统在我国的应用逐步得到推广。

为了加快实现煤炭工业现代化管理的步伐，我国先后从美国、英国、德国、法国、加拿大引进了数十套监控系统，如美国的SCADA系统、英国的MINOS系统、德国的TF200系统、法国的CTT63/40/M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。

随着技术的发展，这些系统已不能很好的满足需求，另外它们的价格昂贵，上位软件维护极不方便。

而且上述系统均是综合型监测系统，侧重于安全参数的检测和控制。

同时，这些系统还存在如下的问题:

（l）性能/价格比过低，系统价格过高，一般矿井难以承受:

（2）监控主机的系统软件在文档处理上有些不符合中国国情；

（3）由于使用的是国外技术，技术服务支持有时很会存在困难；

（4）近年来技术进步较快，部分技术已经不具备先进性。

这就迫切需要我国建立一套适合国情的人员定位系统。

自从我国引入上述系统后，相继出现了仿制国外的系统如KJ4系统等，以及我国自研的系统，如KJZ、KJ22。

焦作工学院研制的KJ93矿井安全生产监控系统等。

这些系统主要也是侧重于安全参数的检测。

井下人员定位系统是对整个监控系统的进一步完善。

目前国外己有类似产品。

像国外的英国雪普（SPR刃阿T）工业电气集团，美国安菲斯科技发展有限公司与澳大利亚矿山技术公司的MS系统。

但是这些系统功能都还不尽完善，造价太高，性能还不够可靠。

近期国内有煤矿迫于煤矿安全生产的需要，准备斥巨资引进国外的的系统。

国内的系统也只是处于研发阶段，未见有应用的纪录。

国内如北京京天威.交大威克科技发展公司，煤炭科学研究总院常州自动化研究所的KJ69型。

我们在广泛调研的基础上，提出了该系统的设计方案，其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。

1.3本课题主要内容

本课题主要研究井下人员定位系统在矿井中的应用与原理。

在系统中，确定了本系统采用射频识别技术。

每个井下人员携带一个标示卡即标签，每一标签有唯一的ID与相关人员对应，读写器安装在不同的地方有不同的地址。

当井下人员经过读写器时的读写区域时，他们随身携带的标签将向读写器发送ID信息，读写器收到地址信息后，向上位计算机传输收到的人员ID，上位机通过处理来判断井下人员的位置情况。

井下人员标签和读写器构成了井下硬件网络，上位机的软件则由操作界面和数据库系统构成。

本设计的内容主要是；

1.射频识别技术概要

2.射频设别系统的结构及原理

3.井下人员定位系统的组成及原理

4.井下人员定位系统硬件的设计、安装

5.基于组态软件InTouch的系统界面设计

1.4本章小结

本章主要讲述了当前中国煤炭生产面临的问题，尤其是井下生产的安全对整个煤炭系统有着重要的意义，建立一套有效地井下人员定位系统是非常迫切的。

对国内外井下人员定位的发展现状进行了简单介绍，以及本文所要完成的内容。

2射频识别技术

2.1井下无线通信的现状

井下无线通信是一个世界性的难题，尽管多年来世界许多国家也研究了一些许多井下通讯设备，但是效果并不太理想。

因为井下的无线通信相对地面的无线通信环境要复杂得多。

90年代中期，随着科学技术的高速发展，尤其是通信技术的发展，井下无线通信进入了实用阶段。

但是地下的通信很复杂，着实难以进行理论研究，故大多是以实验为主进行研究。

实验表明，在中短波频段，井下隧道对信号的衰减最大，传输距离最近。

在超短波频段，通信的距离随着频率的升高而增大。

这种单调的反比是由于隧道对超高频的电波呈导波作用引起因而传输距离改善，传输距离增大。

在微波段，随着频率的升高衰减很小。

上述实验表明，隧道可以认为是微波的波导型通道，所以要实现井下通信必须采用较高的频率。

目前井下的通信方式有以下几种：

（1）低频引导通信

低频引导通信是工作在几百kb的低频段，利用同轴电缆引导传输。

在每几百米的电缆上安装一个辐射器，使信号向巷道内辐射，进而实现井下的无线通信，电缆传输信号损耗小，传输距离大，系统简单，造价简单。

但是井下环境恶劣存在各种干扰信号，使低频信号不稳定，数据误码率高，数据可信度低。

（2）短波泄露通信

短波泄露通信是使用泄露同轴电缆引导信号传输，同轴泄露电缆比普通同轴电缆损耗大得多，为了实现远距离传输，频率通常选在20-150MHz之间。

未来弥补能量的损耗，通常在每隔几百米的地方安装双向中继器。

由于短波在井下的传输条件最差，损耗最大，因此受到的干扰也最小，通信的可靠性最高。

但是需要中继器，系统造价昂贵。

（3）微波频段通信

微波是一种频率极高，波长极端（通常1mm-1m）电磁波。

在微波段，由于频率极高，电波的绕射能力比较弱，所以信号的传输主要是电波在视线距内的传播，也称视距传播。

这种传播具有传输稳定，受外界干扰小的特点。

但是在传播过程中也难免会受到环境与地形的影响，被反射折射散射和吸收的影响，故会产生传输衰落与失真。

考虑到井下复杂的地理环境，所以方案采用射频识别技术，下面将介绍此技术在井下的原理与应用。

2.2射频识别技术概述

射频识别技术简称RFID，是英文“RadioFrequencyIdentification”的缩写，中文称为无线射频身份识别技术，是一种无接触自动识别技术，它的基本原理是利用射频信号及其空间藕合、传输特性，实现对静止或移动的待识别物品的自动机器识别。

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，系统的电子标签与读写器之间无需接触就可完成识别与数据交换，因而它可在更广泛的场合中使用。

它主要的核心部件是电子标签，通过相距几厘米到几米距离内读写器发射的无线电波，可以读取电子标签内储存的信息，识别电子标签代表的人，物体和器具的身份。

由于RFID标签的储存容量可以是2的96次方以上，它彻底抛弃了条形码的种种限制，使世界上的每一种商品都可以拥有独一无二的电子标签。

况且，贴上这种电子标签的商品，从它在工厂的流水线上开始，到被摆上商场的货架，再到消费者购买结帐，甚至到标签最后被回收的整个过程都能够被追踪管理。

射频识别技术具有很多突出点的优点：

RFID技术不需要人工干预，不需要直接接触、不需要光学可视即可完成信息输入和处理，可工作于各种恶劣环境，可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便，实现了无源和免接触操作，应用便利，无机械磨损，寿命长，机具无直接对最终用户开放的物理接口，能更好地保证机具的安全性；数据安全方面除标签的密码保护外，数据部分可用一些算法实现安全管理，如DES、RSA、DSA、MD5等，读写器与标签之间也可相互认证，实现安全通讯和存储；总体成本一直处于下降之中，越来越接近接触式IC卡的成本，甚至更低，为其大量应用奠定了基础。

如果RFID技术能与电子供应链紧密联系，那么它很有可能在几年之内取代条形码扫描技术。

射频识别技术以其独特的优势，逐渐地被广泛应用于生产、物流、交通、运输、医疗、防伪、跟踪、设备和资产管理等需要收集和处理数据的应用领域。

随着大规模集成电路技术的进步以及生产规模的不断扩大，射频识别产品的成本将不断降低，其应用将越来越广泛。

射频识别技术在国外发展非常迅速，射频识别产品种类繁多。

在北美、欧洲、大洋洲、亚太地区及非洲南部，射频识别技术被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域，如汽车、火车等交通监控，高速公路自动收费系统，停车场管理系统，物品管理，流水线生产自动化，安全出入检查，仓存管理，动物管理，车辆防盗等。

而在中国由于射频识别技术起步较晚，应用的领域不是很广。

目前，射频标签主要应用于公共交通、地铁、校园、社会保障等方面。

上海、深圳、北京等地陆续采用了射频公交卡。

其中我国射频标签应用最大的项目是第二代公民身份证。

总之，射频识别技术在未来的发展中结合其他高新技术，如GPS、生物识别等技术，由单一识别向多功能识别方向发展的同时，将结合现代通讯技术及计算机技术，实现跨地区、跨行业应用。

2.3射频识别系统的构成

射频识别系统通常由电子标签、读写器、计算机通讯网络三部分组成，如图2－1所示。

图2－1射频识别系统的结构框图

（1）电子标签

电子标签（又叫射频标签、射频卡）存储着需要被识别物品的相关信息，通常被放置在需要识别的物品上，它所存储的信息通常可被射频读写器通过非接触的方式读/写获取。

标签由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上表示目标对象，电子标签是射频识别系统真正的数据载体。

一般情况下，电子标签由标签天线和标签专用芯片组成。

根据电子标签供电方式不同，电子标签可以分为有源电子标签和无源电子标签。

有源电子标签内装有电池，为芯片提供电源。

根据电池供电情况的不同又可分为有源和半有源。

半有源射频标签内的电池仅对标签内要求供电维护数据的电路或者标签芯片工作所需电压的辅助支持。

标签未进入工作状态前，一直处于休眠状态，相当于无源标签，标签内部能量损耗很小。

因而电池可以维持很长时间，达几年之久。

当标签进入阅读器的工作区域时，受到阅读器发出的射频信号的激励，从而进入工作状态。

标签和阅读器之间的信息交换的能量支持以阅读器的射频能量为主（发射调制方式），标签内部的电池主要作用是弥补标签所处位置的射频磁场不足，标签内部的能量并不能转换为射频能量。

无源的射频标签内有偶和元件，通过耦合外电磁场来产生电流供系统工作。

（2）读写器

读写器是可以利用射频技术读/写电子标签信息的设备。

读写器读出的标签信息可以通过计算机以及网络系统进行管理和信息传输。

典型的读写器包含有高频模块（发送器和接收器），控制单元以及阅读器天线。

此外许多阅读器还有附加的接口（RS232、RS485、以太网接口等），以便将所获得的数据传向应用系统或从应用系统接收命令。

读写器的基本组成如图2－2所示。

图2－2读写器的基本结构

（3）计算机通讯网络

在射频识别系统中，计算机通讯网络通常用于对数据进行管理，完成通讯传输功能。

读写器可以通过标准接口与计算机通讯网络连接，以便实现通讯和数据传输功能。

射频识别系统的基本工作流程如下：

（1）读写器将无线电载波信号经过发射天线向外发射；

（2）当电子标签进入发射天线的工作区域时，电子标签被激活，将自身信息的代码经天线发射出去；

（3）系统的接收天线接收电子标签发出的载波信号，经天线的调节器传输给读写器。

读写器对接收到的信号进行解调解码，送往后台的电脑控制器；

（4）电脑控制器根据逻辑运算判断该标签的合法性，针对不同的设定作出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构的动作；

（5）执行机构按照电脑的指令动作；

（6）通过计算机通信网络将各个监控点连接起来，构成总控信息平台，可以根据不同的的软件来完成要实现的功能。

2.4射频识别卡分类

（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100～500HZ；

●中频系统工作在左右10～15MHZ左右；

●射频系统则工作在850～950MHZ，以及2.4GHZ、5.8GHZ的微波频段。

（2）根据能否给射频卡写入数据

●可读写卡（RW），如电话卡、信用卡等。

●一次写入多次读出卡（WORM），是用户可以一次性写入的卡，写入后数据不能改变，WORM比RM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。

（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，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（106），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池提供能量，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。

2.5射频技术发展与标准

FRID技术是一种直接继承了雷达的概念并由此发展起来的具有革命性的自动识别技术。

最初的射频识别技术被应用于军事领域，主要用于敌我双方的飞机识别。

到了70年代美国通过LosAlmos科学实验室将FRID技术转移到民间用于畜牧业。

到了80年代美国与欧洲的几家公司开始着手生产FRID卷标。

如今，他在工业、商业、农业、军事、日常生活领域显示着巨大的潜力和应用空间。

随着全球FRID产品的大规模生产，制定一套FRID的统一标准得到了广泛认同。

目前常用的国际标准主要有用于对动物识别的ISO11784和ISO11785，用于非接触智能卡的ISO10536（Closecoupledcards）、ISO15693（Vicinitycards）、ISO1443（Proximitycards），用于集装箱识别的等。

目前国际上制定标准的组织比较著名的有三个：

ISO，以美国为首的EPCglobal以及日本的UbiquitousIDCenter，而这三个组织对RFID的技术应用规范都有各自的目标和发展规划。

下面对常见的几个标准加以简介。

（1）ISO11784和ISO11785技术标准

ISO11784和ISO11785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。

（2）ISO10536、ISO15693和ISO1443技术标准：

ISO10536标准发展于1992年1995年间，由于这种卡的成本高，与接触式IC卡相比