摘 要:由于煤矿作业环境的特殊性,以及矿难的不断发生,井下安全生产以及人员的管理和营救一直是困绕人们的重大难题。利用射频识别技术对井下人员定位系统进行研究,在射频识别技术基础上,设计井下人员定位系统的应用方案。介绍RFID系统的组成、特点,阐述电子标签的结构、工作原理及应用,同时介绍了井下人员定位系统设计方案和工作原理。
关键词:RFID;无源电子标签;人员定位;矿难营救
中图分类号:TN92文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)05-025-03
Application of RFID Passive Tags in Personnel Positioning System of Mines
WANG Yupeng1,2,HOU Lin2
(1.College of Electrical and Power Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan,030024,China;
2.Taiyuan Branch of China Coal Research Institute,Taiyuan,030006,China)
Abstract:Due to the unique environment and the continuous accident of the mine,there is a major problem that plagued the people about the safety production,managing and rescuing miners under the mine.To solve this problem,the text researches the personnel localization system of mine with Radio Frequency Identification(RFID) technology,based on the radio frequency identification technology,the application plan of the personnel localization system of mine is designed.The main trait and makeup of the RFID system are introduced,the structure and operating principle of passive tags are proposed,the design scheme and operating principle of the personnel localization system of mine are given.
Keywords:RFID;passive tags;personnel localization;mine rescue
近几年,矿井危险性事故时有发生,井下环境复杂给人员撤离和事故抢救带来极大困难。若能及早确定井下人员所处的位置,会给营救工作带来极大方便,将人员损失减少到最小[1]。采用目前国际上正在发展中的自动识别RFID电子技术,通过对井下人员、设备配备的无源电子标签进行跟踪定位,能够在发生事故时第一时间掌握井下人员数量、分布等信息,节省营救决策时间,在一定程度上保障人员生命安全、减少国家财产的损失。
1 射频识别技术
射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)是一种利用无线射频方式在阅读器和电子标签之间进行非接触双向数据传输,以达到目标识别和数据交换目的新的自动识别技术。因为具有非接触、工作距离长、适于恶劣环境、可识别运动目标等优点,RFID技术已被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域 。
最基本的RFID系统由以下三部分组成:
(1) 电子标签(Tag):又称智能标签或称射频卡;
(2) 读写器(Reader):有时也被称为阅读器、通讯器或称为读出装置,用以产生发射无线电射频信号并通过天线接收由电子标签反射回的无线电射频信号,经处理后获取标签数据信息,有时还可以写入标签信息的设备,可设计为手持式或固定式;
(3) 天线(Antenna):在标签和阅读器间传递射频信号。
在这三个组成部分中,电子标签是RFID系统的主要组成部分。
2 RFID电子标签
电子标签采用了 RFID射频识别技术,它是射频识别技术真正的数据载体[5]。电子标签最大的特点是非接触识别和可读写,识别时间短,可以实现多个、并且高速运动的电子标签同时被识别。它以无线方式通信,无须外露电触点,电子标签的芯片可以按不同的应用要求来封装,可以适应恶劣的工作环境。
2.1 电子标签分类
按供电方式分为有源卡和无源卡。有源是指卡内有电池提供电源,其作用距离较远,但寿命有限、体积较大、成本高,且不适合在恶劣环境下工作;无源卡内无电池,它利用波束供电技术将接收到的射频能量转化为直流电源为卡内电路供电,其作用距离相对有源卡短,但寿命长且对工作环境要求不高。
按载波频率分为低频射频卡、中频射频卡和高频射频卡。低频射频卡主要有125 kHz和1342 kHz两种,中频射频卡频率主要为13.56 MHz,高频射频卡主要为433 MHz,915 MHz,245 GHz,58 GHz等。低频系统主要用于短距离、低成本的应用中,如多数的门禁控制、校园卡、动物监管、货物跟踪等。中频系统用于门禁控制和需传送大量数据的应用系统;高频系统应用于需要较长的读写距离和高读写速度的场合,其天线波束方向较窄且价格较高,在火车监控、高速公路收费等系统中应用。
按调制方式的不同可分为主动式和被动式。主动式射频卡用自身的射频能量主动地发送数据给读写器;被动式射频卡使用调制散射方式发射数据,它必须利用读写器的载波来调制自己的信号,该类技术适合用在门禁或交通应用中,因为读写器可以确保只激活一定范围之内的射频卡。在有障碍物的情况下,用调制散射方式,读写器的能量必须来去穿过障碍物两次。而主动方式的射频卡发射的信号仅穿过障碍物一次,因此主动方式工作的射频卡主要用于有障碍物的应用中,距离更远(可达30 m)。
按作用距离可分为密耦合卡(作用距离小于1 cm)、近耦合卡(作用距离小于15 cm)、疏耦合卡(作用距离约1 m)和远距离卡(作用距离从1~10 m,甚至更远)。
2.2 无源电子标签工作原理
无源式标签一般由耦合元件(即线圈)和芯片组成[6],封装在一个密封的外壳内(见图1)。
图1 无源电子标签结构
无源标签产生电能的装置是线圈,标签内部的芯片用来存储读写信息。当标签进入系统的工作区域,接收到读写器天线发出的特定的电磁波,线圈就会产生感应电流,在经过整流并给电容充电。电容电压经过稳压后作为工作电压。无源标签等效电路图如图2所示。
当配备有电子标签的人员或设备进入读写器天线有效识别距离内时,电子标签收到读写器的查询信号后,将此信号与标签中的数据信息合成一体反射回读写器。反射回的合成信号,已携带有电子标签数据信息。读写器接收到电子标签反射回的合成信号后,经读写器内部微处理器处理后即可将电子标签贮存的识别代码等信息分离读取出来(见图3),从而实现无源电子标签非接触识别的功能。
图2 无源标签等效电路图
图3 无源标签工作原理
2.3 无源电子标签的应用范围
RFID无源电子标签适用于智能交通、矿山、物流、门禁、考勤、生产工序,以及部队、医院、公安边防、海关等诸多行业的人、车、物高速移动目标信息的自动化管理等。无源标签的应用领域十分广泛。近几年尤其在煤矿井下人员定位系统中,RFID无源电子标签技术得到了越来越广泛的应用。
3 无源标签在煤矿井下人员定位系统的应用
3.1 井下人员定位系统基本构成
定位系统由井上与井下两部分设备组成[7]。井上设备主要由监控中心(包括服务器)及共享网络终端等组成; 井下设备以RS 485信号作为主传输途径,研发相应的煤矿井下人员监控节点、即井下分站,读写器安装在井下分站内。配合天线、无源电子标签、传输介质、中继器等与监控中心挂接,从而实现井下作业人员的定位和安全管理。井下人员定位系统网络结构如图4所示。
3.2 井下定位系统工作原理
定位系统主要实现井下人员及设备安全监测工作[8]。在巷道、作业面的交叉道口安装监控节点(即分站天线),入井工作人员按照要求佩戴装有无源电子标签的胸卡,或佩戴装有无源电子标签的安全帽。RFID读写器通过固有频率的射频载波向无源电子标签传送信号,无源电子标签(工作人员随身佩戴)进入读写器的天线工作区域后被激活,并将载有个人信息的射频信号经卡内收发模块发射出去; 读写器天线接收到无源电子标签发来的射频信号,经过处理后,提取出个人信息,通过现场总线送至井上监控中心,记录井下工作人员经过地点、时间、活动轨迹等实时信息,还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。
图4 定位系统网络结构图
3.3 井下定位系统实现的功能
(1) 考勤管理功能。通过操作平台专用管理软件对下井人员进行下井次数、井下停留时间等信息分类统计,便于考核,实现工作人员的考勤统计管理功能和有关报表的打印。
(2) 安全保障功能。系统根据数据库中储存下来的历史数据信息,可迅速知道井下人员及重要设备的分布情况,一旦出现矿井灾难,可对现场被困人员进行定位和搜寻,便于有效救护。
(3) 生产调度功能。通过调用数据库中的数据,可以查询井下人员分布情况并根据需要迅速进行人员调配,实现井下有限资源的优化配置,达到事半功倍的效果[9]。
4 结 语
煤矿安全是煤矿生产永恒的主题[10],人员监控与定位是实现煤矿安全生产的重要保证之一。将射频识别技术(RFID)应用于井下人员定位系统,是通过建立一个完整、灵活和实时的井下人员管理系统,包括井下作业工人的计划安排、工人进出巷道的权限管理、巷道人员分布、作业工人资料、安全物资流动等进行管理,来实现井下管理信息化,同时提高矿井开采生产管理和作业安全的水平。这种智能化监控系统是以矿井安全生产为基础,射频识别模块(RFID)为主要设备,有线通信网络为纽带,监管中心的PC为中枢的新型智能化计算机管理系统,综合运用了多种通信技术,突破了传统矿井安全管理模式,是矿井安全生产管理系统的新趋势。
参考文献
[1]煤炭工业部安全司.矿井安全监控原理与应用[M].徐州:中国矿业大学出版社,1996.
[2]游战清.无线射频识别技术(RFID)理论与应用[M].北京:电子工业出版社,2004.
[3][德]芬肯才勒.射频识别(RFID)技术[M].陈大才,吴晓峰,译.北京:电子工业出版社,2001.
[4]游战清,刘克胜,张义强,等.无线射频识别技术(RFID)规划与实施[M].北京:电子工业出版社,2005.
[5]王晓华,周晓光.RFID技术丛书[M].北京:人民邮电出版社,2006.
[6]张成海,张铎.现代自动识别技术与应用[M].北京:清华大学出版社,2003.
[7]杨义先,李志江,钮心忻,等.智能卡安全与应用[M].北京:人民邮电出版社,2002.
[8]谭民,刘禹.RFID技术系统工程及应用指南[M].北京:机械工业出版社,2007.
[9]王显政.煤矿安全新技术[M].北京:煤炭工业出版社,2002.
[10]王捷帆,李文俊.中国煤矿事故暨专家点评集[M].北京:煤炭工业出版社,2002.