智能标识卡在井矿人员定位系统中的应用

    近年来，我国煤矿行业事故频发，给国家和人民带来了沉重的灾难。如何加强安全生产和监督工作力度、事故后如何提高搜救工作效率已成为社会关心的热点问题。本文紧密结合煤炭工业的实际需要，设计出一种智能标识卡，将射频识别技术、网络通信技术和自动传感技术有机结合，解决了矿井下的设备安全运行、数据的远距离传输、信号转换和信息处理等方面的技术难题，为矿井人员监测、控制和跟踪管理、抢险救灾、安全救护的高效运作等方面提供了有效的科技支撑。 

    1 设备的配置 

    智能标识卡与基站之间的通信是借助射频识别技术(如图1)进行的。射频识别技术是一种利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术[1]。标识卡与基站之间不存在机械运动机构和电触点，操作便利快捷、可靠性高、寿命长、抗干扰性强。 

    1.1 智能标识卡的设计 

    在矿井人员定位系统中，对标识卡的设计分为：处理器模块、液晶显示模块、键盘操作模块、无线发射模块和传感器模块。在这几大模块的基础上还可以设计实现自动报警功能。智能标识卡总体设计如图2。 

    1.2 射频芯片的选择 

    煤矿井下人员定位的无线通信频率通常使用我国的免费频段433 MHz和2.4 GHz，可选用的芯片有CHIPCON公司的CC1100、CC2510，Nordic公司的nRF905(nRF9E5)、nRF2401(nRF24E1)。其中CC1100和nRF905一般选择433 MHz频段，而CC2510和nRF2401一般选择2.4 GHz频段。CHIPCON公司的芯片采用的是一般射频技术，不能跳频，为了能够尽可能地提高抗干扰能力，本文选择了Nordic公司具有跳频功能的芯片。nRF9E5(nRF24E1)是集成C51单片机和nRF905(nRF2401)的片上系统[2]，其功能和nRF905(nRF2401)一样，但做实验一般不用nRF9E5(nRF24E1)，因为它需要专门的程序下载器，使用不方便。433 MHz频段的射频在矿井中具有较强的穿透能力，其传输效果要比在2.4 GHz频段时好[3]。然而，传输性能好，其带宽就会相对降低。通常，nRF905的传输速率可达100 kb/s，如果不传输视频和语音，nRF905是较理想的选择，因此本文采用了nRF905芯片。 

    1.3 nRF905芯片 

    nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器，工作电压为1.9 V～3.6 V，32引脚QFN封装(5 mm×5 mm)，工作于433/868/915 MHz 3个ISM(工业、科学和医学)频道。nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需外加声表滤波器、自动处理字头和CRC(循环冗余码校验)，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低，内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。nRF905提供了强大的跳频机制以及大量的频道支持，而且即使采用无增益的PCB天线，其传输距离也可达200 m。如果需要传输更远距离，可以采用带增益的天线，传输距离即可扩大到1 km以上。 

    1.4 电路设计 

    根据MCU的特点和nRF905接口设计要求，MCU的P0.23、P0.22分别和nRF905的TRX_CE、TX_EN连接实现对nRF905的工作模式控制。P0.24接nRF905的CD，由此判断nRF905是否检测到载波；P0.25接nRF905的AM端，由此判断发送方的发送目的地址是否与本机地址相同；MCU的外部中断0接nRF905的DR端，由此判断收发数据是否完成；nRF905的SPI端口接MCU的SPI0的对应端口，实现对nRF905的工作配置和数据传输；nRF905的uPCLK提供基准时钟输出，通过示波器观察输出频率来判断nRF905的配置是否正确。nRF905与MCU的接口电路如图3。 

    2 井下人员定位系统的设计 

    2.1 定位系统的设计原则 

    (1)实现井下坑道作业面工作人员进出的有效识别，并对环境进行有效的监控预警,使系统管理充分体现“人性化、信息化和高度自动化”[4]。
    (2)为高级管理人员提供考勤作业、人员进出限制等多方面的信息查询。
    (3)一旦发生安全事故，通过该系统立刻可以知道坑道作业面工作人员的数量，保证抢险救灾和安全救护工作的高效运作。
    (4)安全事故发生后，通过本系统的移动识别装置，可在事故现场10 m范围内探测到是否有人存在，便于救护工作的及时展开。
    (5)系统设计具备安全性、可扩容性、易维护性和易操作性。 

    2.2 总体设计 
   系统总体设计如图4。硬件系统主要由标识卡、识别基站、中继站（网桥）、传输接口等组成。无线通信采用nRF905芯片，井下有线通信采用CAN总线和网络技术。软件系统的设计主要是上位机软件和下位机软件的设计。软件的主要设计功能有：实时数据采集、实时数据显示、历史数据查询、人员监测查询功能、超时报警功能、统计考勤、数据历史保存、系统维护等。 

    2.3 系统的功能设计 

    (1)数据采集与预警 

    智能标识卡保存有井下人员的身份编码，并且能检测矿井中的瓦斯浓度，当浓度达到设定的限度时，智能卡会自动预警，提醒井下人员紧急撤出。智能标识卡上还有键盘和显示屏供井下人员使用。这种智能卡由工作人员携带下井。 

    在矿井下，沿巷道走向，每隔一定距离布置一个检测基站，另外可以在矿井巷道的进出口、交叉道口、工作面、危险场合（如盲巷等）、地面主要出入口等位置也安装监测基站。当携带有智能标识卡的人员进入监测基站检测范围时，标识卡将采集到的井下数据、个人身份和操作信息发送给基站，基站接收后通过CAN总线送至井上控制中心处理。控制中心也可以向井下人员发送指示，标识卡接收到指示后，在显示屏上显示。 

    (2)人员的定位跟踪 

    在井上监控主机的数据库中，保存着矿井下每个定位装置的精确位置信息。当下井人员位于事先铺设好井下定位装置的巷道中时，在数据采集过程中，就可确定是哪个基站发来的信息，这样就可确定人员在哪两个固定基站之间，然后通过数据库调出这两个固定基站的位置信息，就可知道人员处在哪一段，并通过计算机上的电子地图实时显示，使管理人员能及时查询各种信息。 

    (3)灾后救援功能 

    一旦发生各类事故，监控主机立即能显示紧急事故地点的人员数量、人员状态、人员位置等信息，为制定抢险救援计划提供依据，大大提高抢险效率和救援效果；对某些特殊区域进行禁入设置，当有非法进入时，监控软件将立刻启动进入者携带标识卡的报警系统；在紧急情况时，通过智能标识卡的按钮向控制中心发出紧急求救信息。 

    (4)综合信息管理 

    系统能够自动准确统计矿工入井、升井时间，并生成相应考勤记录、统计报表；实时反映井下人员的流动路线、地点，对入井人员进行有效监督，有效提高安全生产防范能力[5]，促进安全生产。在系统维护中，分配给操作、管理人员不同的权限，保证系统的安全性。 

    通过计算机网络可实现矿井目标定位安全管理信息的数据共享，为矿井各部门及上下级各层领导及时提供实时监测信息与历史信息，为指挥决策提供重要依据。 

    本文提出的设计已成功应用于黑龙江某矿业集团。系统工作稳定、运行良好，被证明适用于矿井下复杂的环境中。人载智能标识卡采nRF905射频芯片。由于nRF905芯片具有跳频机制以及大量的频道支持，从而解决了信号传输易受环境及距离的限制和无线信号传输频带单一的问题；同时此卡内置瓦斯传感器、自动报警器、键盘和液晶显示屏，有利于矿井安全急救和提高生产管理效率。本设计为煤矿井下人员监测、控制和跟踪管理、抢险救灾、安全救护的高效运作提供了有效的技术支撑。