智能標識卡在井礦人員定位系統(tǒng)中的應用
文章出處:http://m.compasssalessolutions.com 作者:黃緒勇,李國義,鄭月坡,石紅艷 人氣: 發(fā)表時間:2011年10月08日
近年來,我國煤礦行業(yè)事故頻發(fā),給國家和人民帶來了沉重的災難。如何加強安全生產(chǎn)和監(jiān)督工作力度、事故后如何提高搜救工作效率已成為社會關心的熱點問題。本文緊密結(jié)合煤炭工業(yè)的實際需要,設計出一種智能標識卡,將射頻識別技術、網(wǎng)絡通信技術和自動傳感技術有機結(jié)合,解決了礦井下的設備安全運行、數(shù)據(jù)的遠距離傳輸、信號轉(zhuǎn)換和信息處理等方面的技術難題,為礦井人員監(jiān)測、控制和跟蹤管理、搶險救災、安全救護的高效運作等方面提供了有效的科技支撐。
1 設備的配置
智能標識卡與基站之間的通信是借助射頻識別技術(如圖1)進行的。射頻識別技術是一種利用射頻信號通過空間耦合(交變磁場或電磁場)實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術[1]。標識卡與基站之間不存在機械運動機構(gòu)和電觸點,操作便利快捷、可靠性高、壽命長、抗干擾性強。
1.1 智能標識卡的設計
在礦井人員定位系統(tǒng)中,對標識卡的設計分為:處理器模塊、液晶顯示模塊、鍵盤操作模塊、無線發(fā)射模塊和傳感器模塊。在這幾大模塊的基礎上還可以設計實現(xiàn)自動報警功能。智能標識卡總體設計如圖2。
1.2 射頻芯片的選擇
煤礦井下人員定位的無線通信頻率通常使用我國的免費頻段433 MHz和2.4 GHz,可選用的芯片有CHIPCON公司的CC1100、CC2510,Nordic公司的nRF905(nRF9E5)、nRF2401(nRF24E1)。其中CC1100和nRF905一般選擇433 MHz頻段,而CC2510和nRF2401一般選擇2.4 GHz頻段。CHIPCON公司的芯片采用的是一般射頻技術,不能跳頻,為了能夠盡可能地提高抗干擾能力,本文選擇了Nordic公司具有跳頻功能的芯片。nRF9E5(nRF24E1)是集成C51單片機和nRF905(nRF2401)的片上系統(tǒng)[2],其功能和nRF905(nRF2401)一樣,但做實驗一般不用nRF9E5(nRF24E1),因為它需要專門的程序下載器,使用不方便。433 MHz頻段的射頻在礦井中具有較強的穿透能力,其傳輸效果要比在2.4 GHz頻段時好[3]。然而,傳輸性能好,其帶寬就會相對降低。通常,nRF905的傳輸速率可達100 kb/s,如果不傳輸視頻和語音,nRF905是較理想的選擇,因此本文采用了nRF905芯片。
1.3 nRF905芯片
nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器,工作電壓為1.9 V~3.6 V,32引腳QFN封裝(5 mm×5 mm),工作于433/868/915 MHz 3個ISM(工業(yè)、科學和醫(yī)學)頻道。nRF905由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成,不需外加聲表濾波器、自動處理字頭和CRC(循環(huán)冗余碼校驗),使用SPI接口與微控制器通信,配置非常方便。此外,其功耗非常低,內(nèi)建空閑模式與關機模式,易于實現(xiàn)節(jié)能。nRF905提供了強大的跳頻機制以及大量的頻道支持,而且即使采用無增益的PCB天線,其傳輸距離也可達200 m。如果需要傳輸更遠距離,可以采用帶增益的天線,傳輸距離即可擴大到1 km以上。
1.4 電路設計
根據(jù)MCU的特點和nRF905接口設計要求,MCU的P0.23、P0.22分別和nRF905的TRX_CE、TX_EN連接實現(xiàn)對nRF905的工作模式控制。P0.24接nRF905的CD,由此判斷nRF905是否檢測到載波;P0.25接nRF905的AM端,由此判斷發(fā)送方的發(fā)送目的地址是否與本機地址相同;MCU的外部中斷0接nRF905的DR端,由此判斷收發(fā)數(shù)據(jù)是否完成;nRF905的SPI端口接MCU的SPI0的對應端口,實現(xiàn)對nRF905的工作配置和數(shù)據(jù)傳輸;nRF905的uPCLK提供基準時鐘輸出,通過示波器觀察輸出頻率來判斷nRF905的配置是否正確。nRF905與MCU的接口電路如圖3。
2 井下人員定位系統(tǒng)的設計
2.1 定位系統(tǒng)的設計原則
(1)實現(xiàn)井下坑道作業(yè)面工作人員進出的有效識別,并對環(huán)境進行有效的監(jiān)控預警,使系統(tǒng)管理充分體現(xiàn)“人性化、信息化和高度自動化”[4]。
(2)為高級管理人員提供考勤作業(yè)、人員進出限制等多方面的信息查詢。
(3)一旦發(fā)生安全事故,通過該系統(tǒng)立刻可以知道坑道作業(yè)面工作人員的數(shù)量,保證搶險救災和安全救護工作的高效運作。
(4)安全事故發(fā)生后,通過本系統(tǒng)的移動識別裝置,可在事故現(xiàn)場10 m范圍內(nèi)探測到是否有人存在,便于救護工作的及時展開。
(5)系統(tǒng)設計具備安全性、可擴容性、易維護性和易操作性。
2.2 總體設計
系統(tǒng)總體設計如圖4。硬件系統(tǒng)主要由標識卡、識別基站、中繼站(網(wǎng)橋)、傳輸接口等組成。無線通信采用nRF905芯片,井下有線通信采用CAN總線和網(wǎng)絡技術。軟件系統(tǒng)的設計主要是上位機軟件和下位機軟件的設計。軟件的主要設計功能有:實時數(shù)據(jù)采集、實時數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、人員監(jiān)測查詢功能、超時報警功能、統(tǒng)計考勤、數(shù)據(jù)歷史保存、系統(tǒng)維護等。
2.3 系統(tǒng)的功能設計
(1)數(shù)據(jù)采集與預警
智能標識卡保存有井下人員的身份編碼,并且能檢測礦井中的瓦斯?jié)舛?,當濃度達到設定的限度時,智能卡會自動預警,提醒井下人員緊急撤出。智能標識卡上還有鍵盤和顯示屏供井下人員使用。這種智能卡由工作人員攜帶下井。
在礦井下,沿巷道走向,每隔一定距離布置一個檢測基站,另外可以在礦井巷道的進出口、交叉道口、工作面、危險場合(如盲巷等)、地面主要出入口等位置也安裝監(jiān)測基站。當攜帶有智能標識卡的人員進入監(jiān)測基站檢測范圍時,標識卡將采集到的井下數(shù)據(jù)、個人身份和操作信息發(fā)送給基站,基站接收后通過CAN總線送至井上控制中心處理。控制中心也可以向井下人員發(fā)送指示,標識卡接收到指示后,在顯示屏上顯示。
(2)人員的定位跟蹤
在井上監(jiān)控主機的數(shù)據(jù)庫中,保存著礦井下每個定位裝置的精確位置信息。當下井人員位于事先鋪設好井下定位裝置的巷道中時,在數(shù)據(jù)采集過程中,就可確定是哪個基站發(fā)來的信息,這樣就可確定人員在哪兩個固定基站之間,然后通過數(shù)據(jù)庫調(diào)出這兩個固定基站的位置信息,就可知道人員處在哪一段,并通過計算機上的電子地圖實時顯示,使管理人員能及時查詢各種信息。
(3)災后救援功能
一旦發(fā)生各類事故,監(jiān)控主機立即能顯示緊急事故地點的人員數(shù)量、人員狀態(tài)、人員位置等信息,為制定搶險救援計劃提供依據(jù),大大提高搶險效率和救援效果;對某些特殊區(qū)域進行禁入設置,當有非法進入時,監(jiān)控軟件將立刻啟動進入者攜帶標識卡的報警系統(tǒng);在緊急情況時,通過智能標識卡的按鈕向控制中心發(fā)出緊急求救信息。
(4)綜合信息管理
系統(tǒng)能夠自動準確統(tǒng)計礦工入井、升井時間,并生成相應考勤記錄、統(tǒng)計報表;實時反映井下人員的流動路線、地點,對入井人員進行有效監(jiān)督,有效提高安全生產(chǎn)防范能力[5],促進安全生產(chǎn)。在系統(tǒng)維護中,分配給操作、管理人員不同的權(quán)限,保證系統(tǒng)的安全性。
通過計算機網(wǎng)絡可實現(xiàn)礦井目標定位安全管理信息的數(shù)據(jù)共享,為礦井各部門及上下級各層領導及時提供實時監(jiān)測信息與歷史信息,為指揮決策提供重要依據(jù)。
本文提出的設計已成功應用于黑龍江某礦業(yè)集團。系統(tǒng)工作穩(wěn)定、運行良好,被證明適用于礦井下復雜的環(huán)境中。人載智能標識卡采nRF905射頻芯片。由于nRF905芯片具有跳頻機制以及大量的頻道支持,從而解決了信號傳輸易受環(huán)境及距離的限制和無線信號傳輸頻帶單一的問題;同時此卡內(nèi)置瓦斯傳感器、自動報警器、鍵盤和液晶顯示屏,有利于礦井安全急救和提高生產(chǎn)管理效率。本設計為煤礦井下人員監(jiān)測、控制和跟蹤管理、搶險救災、安全救護的高效運作提供了有效的技術支撐。