井下人员定位系统毕业设计Word格式.doc
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positioningofundergroundpersonnel;
RFID;
CAN;
GIS
I
目录
1绪论 1
1.1煤矿生产管理中的问题 1
1.2选题意义 2
1.3井下人员定位系统的发展现状 3
1.3.1国外研究状况 3
1.3.2国内发展现状 3
1.4井下人员定位系统设计的难点问题 4
1.5本设计所做的工作 5
2井下人员定位系统的基本原理 6
2.1定位系统概述 6
2.2井下人员定位系统的基本原理 6
3系统的功能划分 9
3.1井下无线监测子系统 9
3.2地面数据处理子系统 9
3.3井下与地面通信子系统 10
4井下无线通信子系统设计 12
4.1通信的基本知识 12
4.1.1信号的转换与编码 12
4.1.2差错控制 12
4.1.3多路复用 13
4.1.4传输模式 13
4.1.5传输协议 13
4.2井下人员定位系统无线通信解决方案及对比 14
4.2.1蓝牙（Bluetooth） 14
4.2.2HomeRF 14
4.2.3ZigBee 15
4.2.4RFID（射频识别） 15
4.2.5WIFI 16
4.2.6无线MESH网络 16
4.2.7几种无线通信方案的比较 17
4.3无线通信方案的确定 17
4.4无线通信子系统的硬件设计 17
4.4.1基站硬件电路设计 18
4.4.2射频卡硬件电路设计 37
4.5无线通信子系统的软件设计 38
4.5.1基站软件设计 38
4.5.2射频卡软件设计 45
5井下与地面通信子系统设计 47
5.1通信方案及比较 47
5.1.1RS-485 47
5.1.2现场总线 47
5.1.3工业以太网 49
5.2CAN总线 50
5.2.1CAN总线简介 50
5.2.2CAN的性能特点 50
5.2.3物理层 51
5.3CAN总线接口电路设计 51
5.3.1CAN总线与基站硬件接口电路设计 56
5.3.2CAN总线与PC端的硬件接口电路设计 58
5.4CAN总线接口电路软件设计 63
5.4.1基站部分CAN总线接口电路软件设计 63
5.4.2PC端CAN总线接口电路软件设计 64
6地面监管子系统设计 65
7结论 70
致谢 71
参考文献 72
附录A译文 73
附录B外文文献 86
附录C主电路图 98
1绪论
1.1煤矿生产管理中的问题
煤矿的生产分为露天开采和地下开采，而我国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变，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72.8%至89.6%（2002~2005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。
目前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，营救灾区遇险人员。
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。
1.2选题意义
面对我国煤矿安全生产的严峻形势，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。
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，还可以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。
在建立了井下人员定位系统后，若井下发生突发事件，可立即通过地面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。
平时可以用来指挥生产做出优化决策，使生产指挥高效。
煤矿井下人员定位系统的研究具有非常重要的现实意义。
煤矿井下人员定位系统将在矿井的防灾、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。
1.3井下人员定位系统的发展现状
1.3.1国外研究状况
国外研制矿井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DavisDerbyLimited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，用来监控装在每个矿工帽上的小型无源信标。
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PersonalEmergeneyDevice系统）在悉尼附近的一所煤矿投入使用。
PED系统的先进技术工艺和优越的性能得到了矿区领导的一致肯定。
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，将替告发送给井下全部或相应的工作人员。
1.3.2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，AWBY-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、英、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SCADA系统、英国的MINOS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，人同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系统信号可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KJ1，KJ2，KJ4，A-1，KJ10，KJ11，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，有的系统已达到国际先进水平。
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。
我国现在研发的新型人员定位系统主要以有源射频卡为基础，提高了射频卡的使用的方便性，但由于基于射频识别耦合原理的有效通信距离仍然相对较短。
普遍用于远距离射频识别的2.4G频段的信号对障碍物的穿透力很弱，信号衰减快。
而矿山的井巷往往错综复杂，环境十分恶劣，当多人同时经过井下同一射频阅读基站时，往往出现漏读率较高，系统稳定性不够等问题。
1.4井下人员定位系统设计的难点问题
井下人员定位系统的设计有以下几个难点问题：
1.矿井下环境恶劣，通信条件复杂，并且属于易燃易爆场所，因此对通信问题提出了严格的要求，而井下人员定位系统设计的关键环节正是井下的通信问题。
目前井下人员定位系统多是基于RFID（射频识别）技术，在井下建立无线监测网络，对持有射频标签的工作人员进行位置信号采集，然后送到地面进行处理、显示。
但限于发射功率和通信环境，井下的无线通信距离较短，又由于地质结构复杂，电磁波信号不能有效的穿透岩层，造成无线通信局限在狭窄的巷道中。
2.井下人员定位系统的设计还必须要考虑电源的供电问题，所有电气设计必须严格按照煤矿安全操作规程进行。
井下与地面的通信可以采用工业现场总线，增强通信抗干扰能力，同时满足通信需求。
1.5本设计所做的工作
本文结合目前定位系统的发展现状，主要完成了一下工作：
1.采取了RFID+CAN+GIS的设计方式，即：
利用RFID完成井下的无线监测任务，利用CAN总线完成井下与地面的通信任务，利用GIS完成定位系统的显示任务。
2.在处理井下无线通信的问题时采取了基站+移动站的通信形式。
基站按照其覆盖范围沿巷道分布，移动站以射频标签的形式附着于井下工作人员的身上，由于基站的安装位置是确定的，当某个基站捕获到射频卡后就可以确定相应人员的大体位置。
从应用需求的角度出发，同时为了降低成本，系统没有采用精确定位的方法，而是如前所述的粗略定位方法，定位精度取决于基站的覆盖范围。
3.系统的电源部分有基站和射频卡两个，基站由于安装在巷道中需要在井下设立电源箱（矿用防爆型）为其供电。
电源箱将井下变电所输出的高压经过变压、整流、稳压得到本安供电电源输出；
射频卡由于采取有源形式（识别距离较远），需要设计供电部分，可以采用充电电池或者直接从井下工人矿工帽的蓄电池中取电。
4.地面的显示部分采用基于GIS开发的图形显示界面，方便管理，同时易于整合其他信息资源（比如地质和水文）。
考虑到井下工作环境的变化性，采用CAN总线可以方便的扩充基站，配合煤矿井下巷道的延伸。
2井下人员定位系统的基本原理
2.1定位系统概述
井下人员定位系统的设计目的一是为了矿井正常运作时对井下工作人员进行管理，另外一个目的是一旦发生安全事故可以为救援队提供被困人员的位置和状态信息，赢取宝贵的救援时间。
因此从这两个目的出发来考虑定位系统的设计方案。
从目前的应用看，定位系统有多种形式。
1.GPS
GPS（GlobalPositioningSystem）全球定位系统具有高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便等特点，是最常见的一种定位系统，主要为船舶、汽车、飞机等运动物体进行定位导航。
GPS定位系统正常工作需要空间部分（卫星）、地面控制部分（主控站、监测站、地面控制站）和用户设备部分（GPS信号接收机）。
定位的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据按照定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在的地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。
2.短距离定位技术
短距离定位是相对于全球定位而言的，其工作原理和GPS定位原理都是基于电磁波定位技术。
短距离定位技术的应用范围一般为几十公里，其定位系统主要由分布在定位区域边缘的基站和定位区域中的移动接收站组成。
移动站通过测量到基站的距离，然后根据基站的位置信息按照定位解算方法进行计算，即可计算出移动站在定位区域中的位置。
2.2井下人员定位系统的基本原理
由上述可知，GPS定位系统技术成熟、应用广泛，但对于井下定位系统的实现有一定难度。
首先由于现有的移动通信网的无线信号不能穿透到矿井井下，因此不能直接实现井下与井上的无线通信，为了通信还要建立井下移动通信网络；
另外使用GPS定位系统的成本较高，对于我国这样一个煤矿众多，井下工作人员众多的国家不太实用。
实际上井下人员定位系统正是基于短距离无线定位技术，但由于煤矿井下环境与地面差别较大，信号在传输路径衰减严重，干扰较多，且不易穿透巷道，无线传输只能局限在巷道中。
目前，井下人员定位系统一般采用在井下巷道中建立多处无线通信基站，由井下的工作人员携带无线收发装置，以此实现井下的无线通信。
实际上井下人员定位系统的关键环节正是井下的无线通信问题，一旦建立起无线通信系统，即可实现许多附加的功能，其中包括定位功能。
图2-1为井下人员定位系统的原理图。
图中BS为无线通信基站，基站沿煤矿井下巷道分布，覆盖井下工作人员的活动范围；
MS是移动站，即井下工作人员随身携带的无线收发装置，能向基站发送自身ID以识别工作人员；
现场总线部分负责把所有的基站连接起来和地面进行通信，及时将井下的无线定位数据传送到地面进行处理和显示；
地面的处理显示中心将接收的定位数据与基站的实际物理位置进行比对，判断出对应数据的位置，再通过查询人员ID号得到人员的位置数据。
为了直观显示结果可以采用GIS以电子地图的形式对人员的位置进行显示；
远程监控部分方便各个管理层及时了解矿井的工作情况，实现多级监管。
现场总线
BS
无线通信
MS
避雷器
网关
地面处理与显示中心
远程监控部分
矿井巷道
地面
图2-1井下人员定位系统的原理框图
Fig.2-1Principlediagramofundergroundpersonnelpositioningsystem
图2-2井下人员定位系统工作示意图
Fig2-2Workingdiagramofundergroundpersonnelpositioningsystem
图2-2为系统的工作示意图，井下不同的巷道中分别安装有一些BS（基站），BS安装的物理位置是确定的，这样井下位置就可以反映到电子地图上。
Tag（电子标签）由工人携带，工人在巷道中工作时，其携带的Tag会被某个BS所识别到，由于Tag与实际的工人人员是一一对应的，因此BS就能识别出工作人员。
当BS的数据传输到地面后，参照BS的物理位置和Tag的人员对应列表就可以获得工作人员的定位信息，同时可以将监控数据实时进行显示。
3系统的功能划分
由系统的工作原理可以得出系统主要有几部分功能模块组成，为了便于对系统进行设计，根据系统各部分的工作特点，将井下人员定位系统分为三个子系统：
井下无线监测子系统、地面数据处理子系统和矿井上下的通信子系统。
在具体设计各个子系统时可以再将其进行功能划分，以方便模块化设计。
3.1井下无线监测子系统
井下无线监测子系统主要由无线监测基站和移动站两部分组成。
移动站中存储有包含工作人员个人信息的数据，基站（BS）通过与移动站（MS）通信读取存储在移动站中的人员信息。
然后基站将这些信息传送到井上的数据处理中心，井上的数据处理中心根据井下基站的位置信息，对基站传送回来的数据进行分析处理，然后得出人员的位置信息。
1.基站（BS）的功能：
a完成基站（BS）与移动站（MS）的无线通信，要求基站具有无线收发功能。
b完成基站（BS）与地面数据处理中心的通信，要求基站具有串行通信功能。
c完成对移动站的通信控制，要求基站具有一定的数据处理能力和数据存储功能。
2.移动站（MS）的功能：
a完成移动站（MS）与基站（BS）的无线通信，要求移动站具有无线收发功能。
b完成基站（BS）指令的数据操作，要求基站具有一定的数据处理和数据存储功能。
3.2地面数据处理子系统
地面数据处理子系统完成对井下采集信息的分析与处理。
地面数据处理子系统包括：
数据接收部分，数据传输部分，数据分析计算部分，数
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