电子标签rfid矿业矿井及井下人员监测及跟踪管理系统.docx

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电子标签rfid矿业矿井及井下人员监测及跟踪管理系统

电子标签（rfid）矿业矿井及井下人员监测及跟踪管理系统

近年来，煤矿高瓦斯矿井的数量不断增加，如何加强安全生产，摆到了国家各级主管部门和领导的面前。

我们在分析近期几个煤矿发生的特大事故时发现：

（1）地面与井下人员的信息沟通不及时；

（2）地面人员难以及时动态掌握井下人员的分布及作业情况；

（3）一旦发生事故，抢险救灾、安全救护的效率低，救护效果差。

为此，如何正确处理安全与生产、安全与效益的关系，如何准确、实时、快速履行煤矿安全监测职能，保证抢险救灾、安全救护的高效运作显得尤为重要和紧迫。

面对新形势、新机遇和新挑战，国家各级主管部门的领导对安全生产工作提出了很高的要求和期望。

我们认为提升安全生产信息化管理水平，加强以灾害预防、事故救助为主要目标的安全生产长效机制，是我国安全生产工作的必由之路。

“十五”期间，煤炭工业电子信息化建设在“九五”发展的基础上，围绕煤炭工业改革发展的战略任务，以信息和知识资源的开发利用为核心，结合煤炭工业实际需要，重点进行煤矿生产安全监测监控、自动控制与企业管理系统等方面的信息化建设工作，已纳入安全生产企业的经营管理日程。

为此，东莞市凌康信息技术有限公司在总结射频识别技术经验的基础上，采用动态目标识别器（电子标签），开发设计了“煤矿井下人员监测及跟踪管理系统”。

上述管理系统把尖端的远距离射频识别技术、网络通讯技术和自动控制技术有机结合，解决了该系统产品应用于煤矿井下的设备安全运行、网络数据通信、数据的远距离传输、信号转换接口和信息处理等方面的技术难题，将为煤矿井下人员监测、控制和监测、跟踪管理，以及生产统计管理等方面提供有效的科技支撑，必将有力地推动了煤矿企业的经济发展。

一、     动态目标识别器产品（电子标签）介绍

1.1概述

动态目标识别器是集计算机软硬件、信息采集处理、无线数据传输、网络数据通讯、自动控制等技术多学科综合应用为一体的自动识别信息技术产品，该产品是通过对坑道远距离移动目标进行非接触式信息采集处理，实现对人、车、物在不同状态（移动、静止）下的自动识别，从而实现目标的自动化管理。

该产品集成了技术含量很高的射频识别技术和自动化控制技术，并可采用双频点长短波频率实现可靠的全双工通信。

分站设备、控制设备和电子标签标识卡采用全新的嵌入式微处理器和嵌入式软件进行设计，具有隔爆兼本质安全型设计、系统作用距离远、可任意调整系统的识别范围、识别无“盲区”、信号穿透力强、安全保密性能高、对人体无电磁污染、环境适应性强、可同时识别多个目标、便于网络连接等性能优点，目前这种崭新的信息采集、存贮、传递和处理技术，已迅速得到国内外同行的广泛关注，它将为煤矿井下人员监测、控制和监测和跟踪管理起非常重要的作用。

该产品是东莞市凌康信息技术有限公司在总结射频识别技术（RFID）的基础上，结合煤矿井下安全生产的特点，通过自身的技术力量，在远距离射频识别技术系统产品的基础上开发成功的高新技术产品。

该系统产品已根据煤矿安全生产企业的技术要求和安全标准进行独立设计，完全可以满足煤矿井下人员监测与跟踪管理的自动化和信息化管理要求。

同时可充分利用矿井已有煤矿安全生产监控系统平台资源联网运行，有效节约投资。

1.2 系统产品组成及其功能

该产品由软件系统和硬件系统组成，其中软件系统包括应用软件和嵌入式软件两部分组成，用于完成信息采集、识别、加工及其传输，由这两部分软件共同支撑着整个系统的运行，并演绎出各种不同的应用系统。

硬件系统由发射天线、接收天线、天线调谐器、阅读器和标识卡组成，用于完成信息采集和识别，从而实现预设的系统功能和信息化管理目标。

其中硬件系统包括：

发射天线：

用于发射无线电信号以激活电子标签标识卡。

接收天线：

接收电子标签标识卡发出的无线电信号（可集成为同一天线，双功能）。

阅读器：

阅读器不断将编码电磁波信号经发射天线发射出去，用来激活进入该区域的电子标签标识卡；同时把接收天线接收来的电子标签标识卡的信号,经软件解调、解码后提取有效的数字信号通过系统传输到地面中心分站。

电子标签标识卡：

可采用有源、半有源、无源三种形式，可采用不同频率，或将两种频率的标签封装在一起。

由嵌入式处理器及其软件、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。

作用：

电子标签标识卡平时处于睡眠状态，当进入系统工作区后，被发射天线发出的无线电信号激活，发射出唯一的加密识别码无线电信号。

卡内高能电池为标识卡正常工作和发射315MHz的电磁波提供能量，卡内电池一次性可使用100万次以上（卡内电池可更换）。

矿井专用处理传输分站：

由处理传输主板及其软件、隔爆电源及备用电池组成，其主要功能是完成对阅读器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给阅读器供电等。

数传接口：

主要由电源板、信号转换板及安全栅组成，完成通讯信号的转换和本安与非本安运行环境的隔离。

人员定位管理软件：

实现对井下人员的跟踪定位信息的采集、分析处理、实时显示、数据库存储、报表打印等功能。

电子标签（rfid）系统集成简单应用模型和硬件设备：

RFID管理产品或人员数据的基本原理

1.3系统构成简图

1.4工作原理

系统产品中的阅读器将加密数据载波信号经发射天线向外发送；随身携带的电子标签标识卡进入发射天线工作区域后被激活（未进入发射天线工作区域标识卡不工作），同时将加密的载有目标识别码的信息经发射模块发射出去；接收天线接收到标识卡发来的载波信号，经阅读器接收处理后，提取出目标识别码送至专用井下处理传输分站，完成预设的系统功能，从而实现目标的自动化管理。

1.5主要技术性能指标

分站电源：

660V/380V/220V/127V

功率：

＜5W

发射频率：

132.3KHz或915MHz     

接收频率：

132.3KHz或915MHz

数据接口：

差分同步二相码

     工作温度：

-35℃—+80℃

电子标签标识卡-35℃～+80℃。

     识别区域：

≮9m（1m-10m可调）

隔爆箱尺寸：

350×350×106（KDW12）

1.6 系统产品的技术创新点

（1）可采用双频点长波（132.3KHz）和短波频率（915MHz）的方案，实现可靠的全双工无线数据通信。

（2）电子标签读写设备和电子标签标识卡可采用两套完全独立的发射与接收部件，其核心技术均由嵌入式微处理器和嵌入式软件组成，这两部分共同支撑着整个系统的运行，并演绎出各种不同的应用系统。

（3）系统产品能方便实现识别范围的调整，识别距离不小于9米（识别范围1-10m可调）。

（4）具有高能的电子标签标识卡采用高级嵌入式微处理器，在嵌入式软件的控制下，实现睡眠、唤醒、解码、编码、通信及信息碰撞处理等功能。

（5）电子标签标识卡可采用无源和有源超低能耗设计，两节7#电池或3V铝电池可使用2-3年（电池可更换）。

（6）产品能可靠识别静态或≦100KM/h的高速移动目标，对移动目标的识别速度可进行设置（从高速大范围的识别区域到低速小范围的识别区域均可设定）。

（7）瞬间可同时识别6-600张电子标签标识卡。

（8）识别区域无方向性、无盲区、无对人体伤害的电磁污染。

1.7系统产品主要特点

（1）识别距离不小于9米识别区域，1-10米可以调整。

（2）感应无“盲区”。

本产品采用了先进的信号处理技术，其最大的优点是：

载波频带窄，低频长波信号的穿透能力强（可穿透墙壁、路面、衣物、人等），感应灵敏，性能稳定可靠，产品的信号穿透力强，目标识别无方向性，无识别死角，电子标签标识卡可存放非金属屏蔽的任一地方。

（3）对人体无伤害。

本系统可采用的发射频率为132.3KHz或915MHz，接收频率为315MHz或915MHz，在公共安全频率之内的小功率信号工作，无对人体伤害的电磁污染。

（4）可靠识别移动目标，可同时识别6-600个目标。

本产品对≦100KM/h的高速移动目标能可靠识别，能同时识别6-600个目标，以满足不同应用领域的使用要求。

（5）良好的安全性和抗干扰性。

本产品已通过严格的电磁兼容、干扰、骚扰等方面的性能测试。

（6）环境适应性强。

本产品可以自由调整信号的覆盖范围以满足每个具体应用的特殊要求，控制范围在1-10米之间可以任意调节，包括从高速大范围的读卡区域到低速小范围的读卡区域，对安装环境的要求低。

（7）高保密性。

本产品每张电子标签标识卡有一个唯一的识别代码，这个代码不可能被重新编码或修改。

在工作过程中，电子标签标识卡发出的是一种唯一的复合编码的识别号，经过解码的复合信号必须含有正确的卡号加密信息，从而达到高度保密。

（8）通信简单快捷。

电子标签标识卡被信号激活后只发射自身唯一的卡号，不需要复杂的读写、反复的校验等繁琐程序，通信操作简单、快捷，便于系统的网络连接。

（9）集成度高、兼容性好。

本产品提供标准的接插件，阅读分站可以直接挂接在煤矿安全生产监控系统中。

（10）便于安装和维护。

本产品是拥有自主知识产权的研发产品，系统产品（含模块）已全部在国内生产，不需要大量的维护，安装费及维护费用低，售后服务快捷方便。

二、煤矿井下人员监测及跟踪管理系统

2.1系统设计原则

1）     实现煤矿井下作业人员进出的有效识别和监测监控，使管理系统充分体现“人性化、信息化和高度自动化”，实现数字矿山的目标。

2）     为煤矿管理人员提供人员进出限制、考勤作业、监测监控等多方面的管理信息，一旦发生安全事故，通过该系统立刻可以知道该作业面工作人员及其数量，保证抢险救灾和安全救护工作的高效运作。

3）     系统设计的安全性、可扩容性、易维护性和易操作性。

2.2系统设计依据                                                                           

1）     GB3836.1/GB3836.2/GB3836.4

2）     MT209-1990《煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术要求》

3）     Q/SJC001-2001《煤矿井下人员监测及跟踪管理系统标准》

2.3系统设计特点

1）     高度自动化。

系统能自动检测井下坑道人员经过该监测点的时间、地点信息，并自动实现对人员的考勤作业、统计及监测管理。

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，并通过井下现场总线实时向地面的网络服务器传送相关人员通过的数据，整个过程无需人为干预。

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）     系统的安全、稳定、可靠性设计。

系统产品采用坑道壁挂式设计，保证系统在恶劣的环境下能连续正常运转，并提供断电后2小时的供电电源。

5）     完善的异常情况（包括无卡非法进入、无效卡、失效卡、黑名单卡进入）报警呼叫系统配置。

2.4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，该电子标签标识卡可视为“上岗证”或“坑道准入证”。

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读写器。

2）     煤矿生产单位向下井工作人员颁发并装备电子标签标识卡（标识卡要求随身携带在腰带上或贴在矿灯帽内）。

3）     系统数据库记录该电子标签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、本人照片、有效期等基本信息。

4）     生产单位对该电子标签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，系统设置该卡准入坑道或作业面的时效管理模块及卡的失效、报失等。

5）     进入坑道的工作人员必须随身携带电子标签标识卡，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、无卡或进入限制通道，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。

2.5系统的基本构成及组件的功能

2.5.1井下采集传输设备

   井下采集传输设备由动态目标识别分站（读写器）构成的人员信息采集设备和人员信息处理软件组成。

其中：

  1）井下人员信息采集设备主要是采集人员通过的时间、地点信息，由动态目标识别分站、矿用阻燃双绞线通信电缆、矿用阻燃电源电缆组成，其组成见下面框图：

隔爆兼本安型动态目标识别器

矿用阻燃双绞线通信电缆

矿用阻燃电源电缆

接收天线

发射天线

2）煤矿井下人员信息处理传输专用分站由隔爆兼本安型电源（接入660V/380V/220V/127V电压之一种），备用电池箱（UPS）和本安型动态目标识别分站组成。

动态目标识别分站读取人员信息，同时将重码的信息进行判定和过滤，接受地面中心站轮循访问并向地面中心站传送所采集到的人员编码信息；传输距离不小于20KM。

备用电池箱（UPS）是停电后提供2小时的供电电源。

其组成见下面框图：

隔爆电源

人员信息传输处理板

不间断电源

井下人员信息处理传输分站设备

矿用阻燃电源电缆

矿用阻燃双绞线通信电缆

2.5.2地面人员监测管理部分（井上设备）

地面人员监测管理部分由KCT3数据通信接口、HUB、监控主机（含监控管理软件）、UPS电源、打印机、网络终端等组成。

其中通信接口是将井下的差分同步二相码信号转换为监控计算机RS232串口信号；HUB用于地面设备网络连接；监控计算机（含人员监测管理软件）及数据库，实现对信息的自动化管理目标，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；打印机主要用来打印机人员监测管理报表；网络终端主要是人员监测信息的网上共享。

其组成见下面框图：

监控计算机

打印机

UPS电源YUAN 

数据传输接口

网络终端

网络终端

RS232

井下差分同步二相码总线

电子标签标识卡

地面设备

网络终端

管理计算机

服务器（含管理软件）

MODEM

HUB

大屏幕显示墙

通信接口

以太网

电子标签动态目标识别器

矿用阻燃双绞线电缆

接收天线

发射天线

隔爆电源

人员信息传输处理板

矿用阻燃电源电缆

井下设备

现场总线

不间断电源

井下处理传输分站设备

2.6系统构成框图

2.7 系统网络构成示意图

矿井口监测点

1号监测点

2号监测点

3号监测点

井上监控室

矿井坑道

2.8井下人员监测示意图

2.9系统技术参数

2.9.1地面监控软件

系统容量：

按64台分站设计

通讯方式：

差分同步二相码

传输波特率：

2400bps

通讯距离：

<=20Km

巡检周期：

小于26S

处理内容：

煤矿安全生产监控、人员跟踪定位管理

网络平台：

以太网

操作系统：

WIN98/XP/2000

数据库：

SQLSERVER

2.9.2数传接口

电源电压：

井下660V/127VAC/50Hz；地面220VAC/50Hz

通讯方式：

差分同步二相码

传输波特率：

2400bps

通讯距离：

<=20Km

与计算机通讯：

RS232

隔离电压:

≤1500V

防爆型式：

矿用本质安全型

2.9.3人员跟踪定位分站

输入电压：

21VDC

发射频率：

132.3KHz或915MHz

接收频率：

315MHz或915MHz

识别区域：

≮9m（1m-10m可调）

同时识别目标个数：

6-600个

输入端口：

4个（模拟量和开关量传感器可任意互换）

通讯方式：

差分同步二相码

传输波特率：

2400bps

通讯距离：

<=20Km

传感器输入信号：

模拟量200-1000Hz；开关量1/5mA

传感器距分站距离：

2Km

断电输出：

8路无源触点

备用电源：

可连续工作2小时

防爆型式：

本安型