基于CAN总线和RFID技术的矿井定位系统设计

    引 言

    近年来，矿井安全事故频发。在分析近期几个煤矿特大事故时发现几个共性问题：地面与井下人员的信息沟通不及时；煤矿事故发生后，抢险救灾安全救护的效率低，搜救效果差 。为了在矿难发生后能够迅速确认矿难位置和被困员工人数，以最快的速度开展营救工作，保障矿工的生命安全，在矿井中布置基于高新技术的安全监控管理系统势在必行。

    本文设计了1个基于CAN总线网络和射频识别技术的矿井定位系统，该系统可以实时地将矿井
下人员及矿车的当前位置通过CAN总线网络传送到位于地面的上位机，不仅可以掌握井下作业情况，而且一旦发生安全事故，可以立刻确定被困人员所处的位置及人数，以便迅速展开救援工作。

    1 、RFID技术和CAN总线简介

    射频识别(RFID，Radio Frequency Identification)技术是利用无线电波进行通信的一种非接触式自动识别技术。射频识别系统由读写器和电子标签(Tag)组成 ，每个Tag具有1个全球唯一的ID号，可以与读写器进行无接触的信息交换。根据射频识别系统的工作频率，可分为低频(100—500 kHz)、中频(10—15 MHz)、射频(850—950 MHz)和微波(2．45—5．8 GHz)系统，不同的工作频段影响系统的读写距离。按Tag的供电方式，可分为有源和无源两类。

    有源Tag需要电源供电，读写距离远，但使用不方便，价格高，寿命有限；无源Tag使用读卡器天线发射的电磁波的能量，因此无源Tag的读写距离有限，但寿命长、体积小。基于在矿井下使用的特殊环境，将Tag嵌人到矿工的安全帽或皮带中，因此本系统使用无源Tag，增加其使用寿命。低频和中频系统对Tag的读写距离只有10 cm左右，射频系统的读写距离可达7 m 左右，微波系统(主要使用有源Tag)可达几十米。由于矿井下需要相对精确的定位信息，而且还要读写方便，本系统选择工作在射频波段，需要在矿井中每隔15m左右安装1个读写器。

    CAN(Controller Area Network)总线最早由德国BOSCH公司提出，主要用于汽车内部测量与控制中心之间的数据通信。由于其良好的性能，广泛应用于其他领域当中，并逐渐成为主要通讯手段。其主要特点有：国际标准的工业级现场总线，传输可靠，实时性高 ；传输距离远(无中继最远10 km)，传输速率快(最高1 bit／s)；单条总线最多可接1 10个节点，并可方便的扩充节点数；报文为短帧结构并有硬件CRC校验，受干扰概率小，数据出错率极低；出错的CAN节点会自动关闭并切断和总线的联系，不影响总线的通讯；非破坏性总线仲裁技术，可多节点同时向总线发数据，总线利用率高；总线上各节点的地位平等，不分主从，突发数据可实时传输；具有硬件地址滤波功能，可简化软件的协议编制；CAN—bus 总线系统结构简单，性价比极高。当矿井通讯网络需求达到更远的通讯距离(大于10 km)，或者终端数目较多(大于110个)时，安装CANbridge网桥可以成倍地延长通讯距离，也可以成倍地增加CAN—bus网络中终端设备的数目。而且在矿井中使用CAN总线网络还有利于将矿井中相互独立的各种类型系统互通，进行统一管理。

    2、 矿井定位系统硬件设计

    矿井定位系统结构如图1所示。本系统中监控器位于地面的监控室，通过CAN转换卡与CAN总线相连，其上运行由Visual C++编写的监控软件，可以动态显示矿工当前位于哪一基站附近，还可以向某些基站发出查询命令，查询某一员工当前位置；射频读写器作为基站安装在矿井中的已知位置，通过CAN总线与其他基站和监控器相连；矿工进入矿井时都要佩戴安全帽或腰带(内嵌电子标签)，并且电子标签的ID已与监控系统信息相关联。当通信距离长、基站节点数量多时，可以使用CANbridge延长CAN总线网络。 

图1 矿井定位系统结构 

   本系统使用的无源电子标签是TI公司的RI—UHF—STRAP一08，其符合EPCglobal TM Gen2(v． 1．0．9)和ISO／IEC 18000—6c协议标准，内置192bit的存储器(96bit的EPC存储器、32bit的操作密码、32bit的KILL密码、32bit的Tag—ID存储器)，工作在860～960MHz的频段，但此频段还未推出专用的读写器模块，因此本系统的重点是射频读写器的研制。读写器的结构如图2所示。

   考虑到矿井中的设备需要防爆安全认证，本系统设计中尽可能地减少外围芯片数量。MCU采用美国微芯公司的PIC1 8F4580单片机，此单片机集成了基于ECAN技术的CAN总线控制模块、lO位A／D模块、增强的通用串口模块、32KB的增强型Flash存储器等，内部资源丰富，简化了系统设计。 

图2 读写器的结构 

    射频收发模块使用AD公司的可编程射频收发芯片ADF7020，工作频率为431～478 MHz和862～956MHz波段，收发过程工作在半双工方式，支持ASK／FSK／OOK／GFsK等多种调制方式。CAN总线驱动器使用的是致远电子的通用CAN收发器芯片CTM8251A，此芯片将传统的CAN总线驱动电路的光电隔离和CAN驱动器集成到一块芯片，提高了通信的可靠性。

    2．1 PICl8F458O与CTM825lA 的接口电路

    PIC18F4580带有CAN控制模块，支持CAN1．2、CAN2．0A、CAN2．0B协议，只需外接CAN驱动器即可实现CAN模块的硬件设计，接口电路如图3所示。CAN发器芯片CTM8251A具有DC 2 500 V隔离功能，符合ISO 11898标准，数据速率最高达1Mbps，具有自动热关断保护功能，并且未上电或欠压节点不会影响CAN总线的正常工作。 

图3 CAN模块接口电路 

    2．2 PIC18F4580与ADF7020的接口电路

    图4为MCU与射频收发模块的接口电路。PIC18F4580单片机通过ADF7020的串行数据输入引脚SDATA向ADF7020发送编程控制字，控制其工作方式，并可以通过串行数据读回引脚SREAD读取ADF7020的工作状态，SLE引脚作为控制字的锁存信号。DATA I／O引脚是发送信号输入和接收信号输出分时复用引脚，收发工作在半双工方式，因此MCU工作在半双工的同步通信模式下，通过串行同步接口接收或发送数据。当ADF7020接收到一个来自天线的有效信号后，通过INT／LOCK引脚向MCU发出中断信号。 

图4 PIC18F4580与ADF7020的接口电路