基于CAN總線和RFID的礦井定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

　　近年來(lái)，礦井安全事故頻發(fā)。在分析近期幾個(gè)煤礦特大事故時(shí)發(fā)現(xiàn)幾個(gè)共性問(wèn)題：地面與井下人員的信息溝通不及時(shí);煤礦事故發(fā)生后，搶險(xiǎn)救災(zāi)安全救護(hù)的效率低，搜救效果差。為了在礦難發(fā)生后能夠迅速確認(rèn)礦難位置和被困員工人數(shù)，以最快的速度開展?fàn)I救工作，保障礦工的生命安全，在礦井中布置基于高新技術(shù)的安全監(jiān)控管理系統(tǒng)勢(shì)在必行。

　　本文設(shè)計(jì)了1個(gè)基于CAN總線網(wǎng)絡(luò)和射頻識(shí)別技術(shù)的礦井定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)地將礦井下人員及礦車的當(dāng)前位置通過(guò)CAN總線網(wǎng)絡(luò)傳送到位于地面的上位機(jī)，不僅可以掌握井下作業(yè)情況，而且一旦發(fā)生安全事故，可以立刻確定被困人員所處的位置及人數(shù)，以便迅速展開救援工作。

1、RFID技術(shù)和CAN總線簡(jiǎn)介

　　射頻識(shí)別（RFID，RadioFrequencyIdentification）技術(shù)是利用無(wú)線電波進(jìn)行通信的一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。射頻識(shí)別系統(tǒng)由讀寫器和電子標(biāo)簽（Tag）組成，每個(gè)Tag具有1個(gè)全球唯一的ID號(hào)，可以與讀寫器進(jìn)行無(wú)接觸的信息交換。根據(jù)射頻識(shí)別系統(tǒng)的工作頻率，可分為低頻（100―500kHz）、中頻（10―15MHz）、射頻（850―950MHz）和微波（2.45―5.8GHz）系統(tǒng)，不同的工作頻段影響系統(tǒng)的讀寫距離。按Tag的供電方式，可分為有源和無(wú)源兩類。

　　有源Tag需要電源供電，讀寫距離遠(yuǎn)，但使用不方便，價(jià)格高，壽命有限;無(wú)源Tag使用讀卡器天線發(fā)射的電磁波的能量，因此無(wú)源Tag的讀寫距離有限，但壽命長(zhǎng)、體積小。基于在礦井下使用的特殊環(huán)境，將Tag嵌人到礦工的安全帽或皮帶中，因此本系統(tǒng)使用無(wú)源Tag，增加其使用壽命。低頻和中頻系統(tǒng)對(duì)Tag的讀寫距離只有10cm左右，射頻系統(tǒng)的讀寫距離可達(dá)7m左右，微波系統(tǒng)（主要使用有源Tag）可達(dá)幾十米。由于礦井下需要相對(duì)精確的定位信息，而且還要讀寫方便，本系統(tǒng)選擇工作在射頻波段，需要在礦井中每隔15m左右安裝1個(gè)讀寫器。

　　CAN（ControllerAreaNetwork）總線最早由德國(guó)BOSCH公司提出，主要用于汽車內(nèi)部測(cè)量與控制中心之間的數(shù)據(jù)通信。由于其良好的性能，廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域當(dāng)中，并逐漸成為主要通訊手段。其主要特點(diǎn)有：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)級(jí)現(xiàn)場(chǎng)總線，傳輸可靠，實(shí)時(shí)性高;傳輸距離遠(yuǎn)（無(wú)中繼最遠(yuǎn)10km），傳輸速率快（最高1bit/s）;單條總線最多可接110個(gè)節(jié)點(diǎn)，并可方便的擴(kuò)充節(jié)點(diǎn)數(shù);報(bào)文為短幀結(jié)構(gòu)并有硬件CRC校驗(yàn)，受干擾概率小，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低;出錯(cuò)的CAN節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉并切斷和總線的聯(lián)系，不影響總線的通訊;非破壞性總線仲裁技術(shù)，可多節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)數(shù)據(jù)，總線利用率高;總線上各節(jié)點(diǎn)的地位平等，不分主從，突發(fā)數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)傳輸;具有硬件地址濾波功能，可簡(jiǎn)化軟件的協(xié)議編制;CAN―bus總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性價(jià)比極高。當(dāng)?shù)V井通訊網(wǎng)絡(luò)需求達(dá)到更遠(yuǎn)的通訊距離（大于10km），或者終端數(shù)目較多（大于110個(gè)）時(shí)，安裝CANbridge網(wǎng)橋可以成倍地延長(zhǎng)通訊距離，也可以成倍地增加CAN―bus網(wǎng)絡(luò)中終端設(shè)備的數(shù)目。而且在礦井中使用CAN總線網(wǎng)絡(luò)還有利于將礦井中相互獨(dú)立的各種類型系統(tǒng)互通，進(jìn)行統(tǒng)一管理。

2、礦井定位系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)中監(jiān)控器位于地面的監(jiān)控室，通過(guò)CAN轉(zhuǎn)換卡與CAN總線相連，其上運(yùn)行由VisualC++編寫的監(jiān)控軟件，可以動(dòng)態(tài)顯示礦工當(dāng)前位于哪一基站附近，還可以向某些基站發(fā)出查詢命令，查詢某一員工當(dāng)前位置;射頻讀寫器作為基站安裝在礦井中的已知位置，通過(guò)CAN總線與其他基站和監(jiān)控器相連;礦工進(jìn)入礦井時(shí)都要佩戴安全帽或腰帶（內(nèi)嵌電子標(biāo)簽），并且電子標(biāo)簽的ID已與監(jiān)控系統(tǒng)信息相關(guān)聯(lián)。當(dāng)通信距離長(zhǎng)、基站節(jié)點(diǎn)數(shù)量多時(shí)，可以使用CANbridge延長(zhǎng)CAN總線網(wǎng)絡(luò)。

　　本系統(tǒng)使用的無(wú)源電子標(biāo)簽是TI公司的RI―UHF―STRAP一08，其符合EPCglobalTMGen2（v.1.0.9）和ISO/IEC18000―6c協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)置192bit的存儲(chǔ)器（96bit的EPC存儲(chǔ)器、32bit的操作密碼、32bit的KILL密碼、32bit的Tag―ID存儲(chǔ)器），工作在860～960MHz的頻段，但此頻段還未推出專用的讀寫器模塊，因此本系統(tǒng)的重點(diǎn)是射頻讀寫器的研制。