近年來(lái)，礦井事故頻繁發(fā)生，由于礦井下情況的復(fù)雜性，礦工們的救援工作十分困難。如果能及時(shí)了解工人們?cè)诘V井下具體的位置，將會(huì)大幅度減少事故的傷亡率。因此，礦井下人員的定位一直都是煤炭開采中一個(gè)緊迫的任務(wù)，研究人員們提出了許多方案，但成效甚微。本設(shè)計(jì)吸收了目前國(guó)內(nèi)外的一些方案的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)它們的不足之處做了研究，提出了自己的設(shè)計(jì)方案，以求能更好地推廣應(yīng)用。 

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路 

系統(tǒng)主要使用的技術(shù)是無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Idenficafion，RFlD)，是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號(hào)和空間耦合(電感或電磁耦合)的傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別。 

本設(shè)計(jì)主要解決的是礦井下人員定位的問題。它能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)控井下員工的具體位置(誤差范圍內(nèi))；能夠進(jìn)行員工下井考勤與相應(yīng)時(shí)間、地點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)(包括何時(shí)下井，何時(shí)離井，具體位置等)。它既可以供中小型礦井作為一個(gè)功能齊全的自動(dòng)監(jiān)控考勤系統(tǒng)使用，也可以與已有的礦井綜合系統(tǒng)結(jié)合，作為一個(gè)重要的功能供大型礦井使用。 

主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大小為1 km 10km2；基站總數(shù)量約為6o 0o個(gè)；無(wú)線通信距離為5 m～10m；基站間距為80m～100m；通信器移動(dòng)速度為0m／s一5 m／s。 

在具體的井下組網(wǎng)時(shí)，由于井下信號(hào)的衰減較大，要合理地設(shè)置基站的發(fā)射功率與基站間的距離，基站設(shè)置要重點(diǎn)考慮員工密集區(qū)和信號(hào)衰減嚴(yán)重區(qū)域(如十字路口處)。 

2 人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 

2．1 人員定位系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì) 
定位系統(tǒng)主要由地面控制中心、井下基站(射頻自動(dòng)識(shí)別讀寫器)以及無(wú)源電子標(biāo)簽(Tag)組成。控制中心負(fù)責(zé)整個(gè)通信定位系統(tǒng)的管理與控制，與相應(yīng)的礦井地理信息系統(tǒng)配合可以對(duì)井下人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。它可由一臺(tái)計(jì)算機(jī)并配有相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件完成?；緸檎麄€(gè)定位系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，負(fù)責(zé)Tag周期性信號(hào)的檢測(cè)，電子標(biāo)簽由井下工作人員隨身佩戴，憑電子標(biāo)簽進(jìn)入井下，并通過(guò)讀寫器讀取標(biāo)簽中的出廠卡號(hào)(本系統(tǒng)使用只讀電子標(biāo)簽，每個(gè)標(biāo)簽的出廠卡號(hào)唯一)，卡號(hào)對(duì)應(yīng)每個(gè)人的個(gè)人信息，把時(shí)間、位置和個(gè)人情況寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，控制中心自動(dòng)生成考勤作業(yè)統(tǒng)計(jì)與報(bào)表。 

2．2 井下人員定位原理 
目前，常用的一種定位方案是信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)法，它類似于手機(jī)信號(hào)的檢測(cè)，基站的信號(hào)需要覆蓋整個(gè)礦井，當(dāng)一個(gè)Tag處于某個(gè)基站附近時(shí)，這個(gè)基站獲得的信號(hào)最強(qiáng)，我們很容易判斷它的位置，如果Tag移動(dòng)到兩個(gè)基站的重疊區(qū)時(shí)。兩個(gè)基站獲得的信號(hào)強(qiáng)度不一致，對(duì)比信號(hào)的強(qiáng)度我們也能精確地判斷出Tag的具體位置。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是定位精確，但是需要設(shè)置大量的基站，容易浪費(fèi)人力物力。而我們實(shí)際應(yīng)用時(shí)，往往只需要一個(gè)大概的方位。在此，筆者提出—個(gè)終點(diǎn)定位法，定位系統(tǒng) 原理見圖1。當(dāng)某個(gè)電子標(biāo)簽經(jīng)過(guò)基站A時(shí)，我們可以得到佩戴這個(gè)電子標(biāo)簽的人員信息(人員的編號(hào)、位置和處于此位置的時(shí)間)。如果在以后的時(shí)間里，其他的基站不再出現(xiàn)該標(biāo)簽的信息，我們便可以判斷該人員的位置范圍。如果他繼續(xù)前行，我們可以從其他的基站中讀出該人員的最終位置并可以得出他的行進(jìn)軌跡?？梢钥隙ǖ氖?，只要基站布置合理，我們便可以準(zhǔn)確地對(duì)井下每個(gè)員工定位，而且可以減少大部分不必要的基站。 

2.3 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 
硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(見圖2)由多個(gè)射頻識(shí)別設(shè)備、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器及監(jiān)控主機(jī)組成。其中，射頻識(shí)別是本系統(tǒng)的核心技術(shù)，在此，我們采用的是杰訊公司的JXO521射頻自動(dòng)識(shí)別讀寫器、UHF射頻自動(dòng)識(shí)別卡(電子標(biāo)簽)和JX—90o一12- H65天線。 

JX0521是國(guó)產(chǎn)的超長(zhǎng)距離射頻自動(dòng)識(shí)別讀寫器，工作頻率為9o2MHz一928 MHz，讀卡距離≥8 m，讀卡速度為每單字(32 b)讀取時(shí)間6ms，有防碰撞檢測(cè)功能，一次可成批讀取3O張電子標(biāo)簽，平均功率≤12w。其優(yōu)點(diǎn)是：非接觸性，無(wú)源射頻卡與讀寫設(shè)備之間沒有機(jī)械接觸，無(wú)機(jī)械損傷。與讀寫設(shè)備也沒有插口(全密封)，能適應(yīng)多塵、潮濕等惡劣環(huán)境，可靠性高，使用壽命長(zhǎng)，安全保密性好，十分合適礦井下使用。普通磁卡受到強(qiáng)磁場(chǎng)干擾會(huì)丟失信息，射頻識(shí)別卡利用存儲(chǔ)器記錄信息，不受磁場(chǎng)的干擾；體積小，方便各種封裝形式，價(jià)格比較便宜。 

為更好地保障礦井下工作人員的安全生產(chǎn)，實(shí)時(shí)地掌握礦井下的人員的分布情況是必須的，比如，某時(shí)某個(gè)礦工在哪個(gè)坑道作業(yè)。為此，在每一個(gè)坑道、工作面分岔入口處放置一個(gè)射頻讀寫器。地面控制中心為每個(gè)讀寫器設(shè)置位置序列號(hào)，該序列號(hào)對(duì)應(yīng)礦井下具體的地理位置(見圖1)。每個(gè)電子標(biāo)簽Tag設(shè)有不同的身份認(rèn)證序列號(hào)，分別對(duì)應(yīng)不同的員工信息。射頻讀寫器不問斷地發(fā)射高頻電磁波，當(dāng)遇到電子標(biāo)簽(Tag)時(shí)，耦合并反射，同時(shí)帶回電子標(biāo)簽的信息。無(wú)源電子標(biāo)簽沒有內(nèi)裝電池，在閱讀器的讀出范圍之外時(shí)，電子標(biāo)簽處于無(wú)源狀態(tài)，在閱讀器的讀出范圍之內(nèi)時(shí)，電子標(biāo)簽從閱讀器發(fā)出的射頻能量中提取其工作所需的電源。無(wú)源電子標(biāo)簽采用反射調(diào)制方式完成電子標(biāo)簽信息向閱讀器的傳送(見圖3)，最后基站采集到的信息通過(guò)Rs485發(fā)給地面控制中心的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器?？紤]到礦井的復(fù)雜環(huán)境和布線的難度，所以各分岔口通過(guò)無(wú)線的方式與交叉口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?；九c后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的距離較遠(yuǎn)，采用穩(wěn)定性好、傳輸距離遠(yuǎn)的RS485串行總線。 

2、4 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 
射頻讀寫器與數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)RS485總線連接后，我們還需要控制主機(jī)的應(yīng)用程序。本系統(tǒng)中，軟件的主要功能是：電子標(biāo)簽在射頻讀寫器的監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)被檢測(cè)，生成標(biāo)簽記錄，讀寫器將標(biāo)簽記錄以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)給主機(jī)，主機(jī)處理接收到的數(shù)據(jù)包，將處理的結(jié)果及與標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的礦井工人的個(gè)人基本信息、位置、時(shí)間儲(chǔ)存在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中。 

3 結(jié)語(yǔ) 

各行各業(yè)，保障人員的安全都是首要原則。采礦作為一個(gè)事故多發(fā)的行業(yè)，雖然國(guó)家在這方面投入了大量的人力物力，但是每年我國(guó)在這個(gè)方面的損失還是十分慘痛的。由于礦井下環(huán)境復(fù)雜，我們難以預(yù)料事故的發(fā)生，那么在事故發(fā)生后，第一時(shí)間內(nèi)了解井下情況，及時(shí)挽救工作人員的生命，也是十分必要的。本系統(tǒng)采用先進(jìn)的射頻技術(shù)，如果和已有的礦井通信系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，既節(jié)省成本：又能收到很好的效果，應(yīng)用前景十分廣闊。 

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