基于RFID技術(shù)的煤礦井下定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者：牛超超 朱微維 李彥瑋 來(lái)源：RFID世界網(wǎng) 2011-05-09 16:05:46

摘要：本文以分析RFID 工作原理為基礎(chǔ)，提出一個(gè)適用于井下環(huán)境的煤礦定位監(jiān)控系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)，準(zhǔn)確，有效的定位井下作業(yè)人員，當(dāng)發(fā)生安全事故時(shí)，安全監(jiān)控系統(tǒng)可知井下人員在井下的具體位置，保證搶險(xiǎn)救災(zāi)的高效運(yùn)作。

關(guān)鍵詞：井下定位系統(tǒng)[0篇]RFID技術(shù)[199篇]煤礦[9篇]

1．引言
　　　移動(dòng)處理設(shè)備的發(fā)展和無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了移動(dòng)定位技術(shù)的突飛猛進(jìn)。在進(jìn)行近距離定位時(shí)，通常使用如紅外線、802.11、超聲波和RFID技術(shù)。RFID(RadioFrequencyIdentifical),射頻識(shí)別技術(shù)，作為快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確采集與處理信息的高新技術(shù)與信息標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)，已經(jīng)被世界公認(rèn)為本世紀(jì)十大重要技術(shù)之一，在生產(chǎn)、銷(xiāo)售、物流、交通等各個(gè)行業(yè)有著廣闊的用前景。
　　　目前，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于遠(yuǎn)距離微波射頻識(shí)別技術(shù)的讀寫(xiě)器開(kāi)始得到應(yīng)用，在礦井安全檢測(cè)系統(tǒng)中引入井下人員定位檢測(cè)系統(tǒng)是一種趨勢(shì)。一些企業(yè)也紛紛推出了自行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的基于RFID煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)。基于以上背景，我們研究基于RFID的井下人員定位系統(tǒng)是非常具有歷史和現(xiàn)實(shí)意義的。
2．RFID基本原理以及定位系統(tǒng)要求
　　　2.1RFID原理
　　　射頻識(shí)別技術(shù)(RadioFrequencyIdentifical,簡(jiǎn)稱(chēng)RFID)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(電感或電磁耦合)傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別。

圖1射頻識(shí)別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

射頻識(shí)別系統(tǒng)一般由三個(gè)部分組成，即電子標(biāo)簽(Tag)、閱讀器(Reader)和應(yīng)用系統(tǒng)，其基本模型如圖1所示。其中電子標(biāo)簽為數(shù)據(jù)載體，又稱(chēng)為應(yīng)答器，電子標(biāo)簽與閱讀器之間通過(guò)耦合元件實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的空間(無(wú)接觸)耦合，在耦合通道內(nèi)，根據(jù)時(shí)序關(guān)系，實(shí)現(xiàn)能量的傳遞和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。
　　　2.2定位系統(tǒng)需求分析
　　　圖2為井下環(huán)境示意圖，斜線部分為開(kāi)采面，黑點(diǎn)覆蓋區(qū)域?yàn)橄锏?。通過(guò)煤礦井下應(yīng)用環(huán)境的分析，定位系統(tǒng)應(yīng)具備以下方面特點(diǎn)：
　　　1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本盡可能的低；
　　　2、系統(tǒng)應(yīng)該具有擴(kuò)展性；
　　　3、系統(tǒng)的定位的精度要滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。

圖2井下環(huán)境示意圖

整個(gè)煤礦定位監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該具備以下功能：
　　　1、顯示、查詢井下情況：
　　　(1)任一時(shí)間井下或某個(gè)地點(diǎn)人數(shù)，及每個(gè)人的身份；
　　　(2)查詢一個(gè)或多個(gè)人實(shí)時(shí)的實(shí)際位置及某個(gè)人在任一時(shí)間的活動(dòng)軌跡；
　　　(3)查詢有關(guān)人員在任一地點(diǎn)的到達(dá)、離開(kāi)時(shí)間和總工作時(shí)間等等一系列信息，可以督促和落實(shí)重要巡查人員(如：瓦斯檢測(cè)人員、安全檢測(cè)人員及管理人員等)是否按照規(guī)定的時(shí)間、地點(diǎn)的進(jìn)行各項(xiàng)檢查工作，減少事故發(fā)生因素；
　　　(4)可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享，對(duì)多個(gè)用戶通過(guò)權(quán)限設(shè)置，可查看權(quán)限內(nèi)信息；
　　　(5)具備考勤功能，可查詢一個(gè)或多個(gè)人每天入井次數(shù)，在井下工作時(shí)間等；
　　　2、隨時(shí)查看井下人員在巷道內(nèi)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分布，根據(jù)井下的實(shí)際情況制作相應(yīng)的動(dòng)態(tài)圖，使井下人員分布情況一目了然；
　　　3、可在井下車(chē)輛和重要設(shè)備上安裝射頻識(shí)別標(biāo)簽，隨時(shí)掌握它們井下的位置和運(yùn)行路線，從而對(duì)車(chē)輛設(shè)備進(jìn)行合理調(diào)度，最大限度地提高生產(chǎn)效率；
　　　4、遇突發(fā)事故，可隨時(shí)查詢事故區(qū)域的人員分布，人員身份及重要設(shè)備所在位置，能及時(shí)調(diào)動(dòng)相關(guān)人員處理事故及撤離，可為搶險(xiǎn)救災(zāi)提供準(zhǔn)確資料；
　　　5、搶險(xiǎn)時(shí)更準(zhǔn)確快速識(shí)別遇險(xiǎn)人員和儀器設(shè)備具體地點(diǎn)和位置，提高搶險(xiǎn)效率和救護(hù)效果；
　　　6、有效的監(jiān)控井下有害氣體濃度，當(dāng)濃度超過(guò)警戒閥值時(shí)，井下監(jiān)測(cè)點(diǎn)及井上控制臺(tái)同時(shí)報(bào)警，使井下施工人員可以迅速撤離，而且能準(zhǔn)確有效的定位出事地點(diǎn)。
　　　3．基于RFID技術(shù)的煤礦井下定位系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
　　　3.1工作頻段的選擇
　　　與地面相比,井下地質(zhì)和生產(chǎn)環(huán)境對(duì)通信頻率影響較大的因素有：
　　　1、衰減與頻率的關(guān)系。礦井巷道對(duì)電波的自由傳播可視為帶阻型。在甚低頻段、低頻、中頻的低端，隨頻率增大衰減增大。在中頻高端、高頻頻段，衰減達(dá)到最大,30MHz電波的衰減最大,最不利于傳輸；進(jìn)入甚高頻后,衰減隨頻率上升而減小。
　　　2、衰減與曲率的關(guān)系。衰減隨著巷道曲率增大而增大。文章來(lái)源一卡通世界。如900MHz，對(duì)于同樣巷道壁、截面大小一樣的巷道,平直時(shí),傳輸距離可達(dá)600m左右；當(dāng)巷道彎曲90°時(shí),傳輸距離只有300m。又如頻率為415MHz時(shí),直線傳輸距離可以達(dá)380m,而遇到拐角時(shí)只能達(dá)到127m,可見(jiàn)有拐角的傳輸距離一定小于直線的傳輸距離。對(duì)于平直而不受阻擋的巷道而言，頻率越高傳輸衰減越小,但當(dāng)頻率升高時(shí),電波的拐彎能力變差，拐角處的損耗增大，