基于CAN總線和RFID的礦井定位系統(tǒng)設計

引言

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

　　本文設計了1個基于CAN總線網(wǎng)絡和射頻識別技術的礦井定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實時地將礦井下人員及礦車的當前位置通過CAN總線網(wǎng)絡傳送到位于地面的上位機，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技術和CAN總線簡介

　　射頻識別（RFID，RadioFrequencyIdentification）技術是利用無線電波進行通信的一種非接觸式自動識別技術。射頻識別系統(tǒng)由讀寫器和電子標簽（Tag）組成，每個Tag具有1個全球唯一的ID號，可以與讀寫器進行無接觸的信息交換。根據(jù)射頻識別系統(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，可分為有源和無源兩類。

　　有源Tag需要電源供電，讀寫距離遠，但使用不方便，價格高，壽命有限;無源Tag使用讀卡器天線發(fā)射的電磁波的能量，因此無源Tag的讀寫距離有限，但壽命長、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)使用無源Tag，增加其使用壽命。低頻和中頻系統(tǒng)對Tag的讀寫距離只有10cm左右，射頻系統(tǒng)的讀寫距離可達7m左右，微波系統(tǒng)（主要使用有源Tag）可達幾十米。由于礦井下需要相對精確的定位信息，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個讀寫器。

　　CAN（ControllerAreaNetwork）總線最早由德國BOSCH公司提出，主要用于汽車內(nèi)部測量與控制中心之間的數(shù)據(jù)通信。由于其良好的性能，廣泛應用于其他領域當中，并逐漸成為主要通訊手段。其主要特點有：國際標準的工業(yè)級現(xiàn)場總線，傳輸可靠，實時性高;傳輸距離遠（無中繼最遠10km），傳輸速率快（最高1bit/s）;單條總線最多可接110個節(jié)點，并可方便的擴充節(jié)點數(shù);報文為短幀結構并有硬件CRC校驗，受干擾概率小，數(shù)據(jù)出錯率極低;出錯的CAN節(jié)點會自動關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，可多節(jié)點同時向總線發(fā)數(shù)據(jù)，總線利用率高;總線上各節(jié)點的地位平等，不分主從，突發(fā)數(shù)據(jù)可實時傳輸;具有硬件地址濾波功能，可簡化軟件的協(xié)議編制;CAN―bus總線系統(tǒng)結構簡單，性價比極高。當?shù)V井通訊網(wǎng)絡需求達到更遠的通訊距離（大于10km），或者終端數(shù)目較多（大于110個）時，安裝CANbridge網(wǎng)橋可以成倍地延長通訊距離，也可以成倍地增加CAN―bus網(wǎng)絡中終端設備的數(shù)目。而且在礦井中使用CAN總線網(wǎng)絡還有利于將礦井中相互獨立的各種類型系統(tǒng)互通，進行統(tǒng)一管理。

2、礦井定位系統(tǒng)硬件設計

　　本系統(tǒng)中監(jiān)控器位于地面的監(jiān)控室，通過CAN轉換卡與CAN總線相連，其上運行由VisualC++編寫的監(jiān)控軟件，可以動態(tài)顯示礦工當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CAN總線與其他基站和監(jiān)控器相連;礦工進入礦井時都要佩戴安全帽或腰帶（內(nèi)嵌電子標簽），并且電子標簽的ID已與監(jiān)控系統(tǒng)信息相關聯(lián)。當通信距離長、基站節(jié)點數(shù)量多時，可以使用CANbridge延長CAN總線網(wǎng)絡。

　　本系統(tǒng)使用的無源電子標簽是TI公司的RI―UHF―STRAP一08，其符合EPCglobalTMGen2（v.1.0.9）和ISO/IEC18000―6c協(xié)議標準，內(nèi)置192bit的存儲器（96bit的EPC存儲器、32bit的操作密碼、32bit的KILL密碼、32bit的Tag―ID存儲器），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)的重點是射頻讀寫器的研制。