近年來(lái),，我國(guó)煤礦行業(yè)事故頻發(fā)，給國(guó)家和人民帶來(lái)了沉重的災(zāi)難,。如何加強(qiáng)安全生產(chǎn)和監(jiān)督工作力度,、事故后如何提高搜救工作效率已成為社會(huì)關(guān)心的熱點(diǎn)問(wèn)題。本文緊密結(jié)合煤炭工業(yè)的實(shí)際需要,，設(shè)計(jì)出一種智能標(biāo)識(shí)卡,，將射頻識(shí)別技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和自動(dòng)傳感技術(shù)有機(jī)結(jié)合,，解決了礦井下的設(shè)備安全運(yùn)行,、數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸、信號(hào)轉(zhuǎn)換和信息處理等方面的技術(shù)難題,，為礦井人員監(jiān)測(cè),、控制和跟蹤管理、搶險(xiǎn)救災(zāi),、安全救護(hù)的高效運(yùn)作等方面提供了有效的科技支撐,。
1 設(shè)備的配置
    智能標(biāo)識(shí)卡與基站之間的通信是借助射頻識(shí)別技術(shù)(如圖1)進(jìn)行的。射頻識(shí)別技術(shù)是一種利用射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的的技術(shù)[1],。標(biāo)識(shí)卡與基站之間不存在機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和電觸點(diǎn),，操作便利快捷、可靠性高,、壽命長(zhǎng),、抗干擾性強(qiáng)。

1.1 智能標(biāo)識(shí)卡的設(shè)計(jì)
    在礦井人員定位系統(tǒng)中,，對(duì)標(biāo)識(shí)卡的設(shè)計(jì)分為：處理器模塊,、液晶顯示模塊、鍵盤操作模塊,、無(wú)線發(fā)射模塊和傳感器模塊,。在這幾大模塊的基礎(chǔ)上還可以設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警功能。智能標(biāo)識(shí)卡總體設(shè)計(jì)如圖2,。

1.2 射頻芯片的選擇
    煤礦井下人員定位的無(wú)線通信頻率通常使用我國(guó)的免費(fèi)頻段433 MHz和2.4 GHz,，可選用的芯片有CHIPCON公司的CC1100,、CC2510,，Nordic公司的nRF905(nRF9E5)、nRF2401(nRF24E1)。其中CC1100和nRF905一般選擇433 MHz頻段,，而CC2510和nRF2401一般選擇2.4 GHz頻段,。CHIPCON公司的芯片采用的是一般射頻技術(shù)，不能跳頻,，為了能夠盡可能地提高抗干擾能力,，本文選擇了Nordic公司具有跳頻功能的芯片。nRF9E5(nRF24E1)是集成C51單片機(jī)和nRF905(nRF2401)的片上系統(tǒng)[2],，其功能和nRF905(nRF2401)一樣,，但做實(shí)驗(yàn)一般不用nRF9E5(nRF24E1)，因?yàn)樗枰獙ｉT的程序下載器,，使用不方便,。433 MHz頻段的射頻在礦井中具有較強(qiáng)的穿透能力，其傳輸效果要比在2.4 GHz頻段時(shí)好[3],。然而,，傳輸性能好，其帶寬就會(huì)相對(duì)降低,。通常,，nRF905的傳輸速率可達(dá)100 kb/s，如果不傳輸視頻和語(yǔ)音,，nRF905是較理想的選擇,，因此本文采用了nRF905芯片。
1.3 nRF905芯片
    nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器,，工作電壓為1.9 V～3.6 V,，32引腳QFN封裝(5 mm×5 mm)，工作于433/868/915 MHz 3個(gè)ISM(工業(yè),、科學(xué)和醫(yī)學(xué))頻道,。nRF905由頻率合成器、接收解調(diào)器,、功率放大器,、晶體振蕩器和調(diào)制器組成，不需外加聲表濾波器,、自動(dòng)處理字頭和CRC(循環(huán)冗余碼校驗(yàn)),，使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便,。此外,，其功耗非常低，內(nèi)建空閑模式與關(guān)機(jī)模式,，易于實(shí)現(xiàn)節(jié)能,。nRF905提供了強(qiáng)大的跳頻機(jī)制以及大量的頻道支持,，而且即使采用無(wú)增益的PCB天線，其傳輸距離也可達(dá)200 m,。如果需要傳輸更遠(yuǎn)距離,，可以采用帶增益的天線，傳輸距離即可擴(kuò)大到1 km以上,。
1.4 電路設(shè)計(jì)
    根據(jù)MCU的特點(diǎn)和nRF905接口設(shè)計(jì)要求,，MCU的P0.23、P0.22分別和nRF905的TRX_CE,、TX_EN連接實(shí)現(xiàn)對(duì)nRF905的工作模式控制,。P0.24接nRF905的CD，由此判斷nRF905是否檢測(cè)到載波,；P0.25接nRF905的AM端,，由此判斷發(fā)送方的發(fā)送目的地址是否與本機(jī)地址相同；MCU的外部中斷0接nRF905的DR端,，由此判斷收發(fā)數(shù)據(jù)是否完成,；nRF905的SPI端口接MCU的SPI0的對(duì)應(yīng)端口，實(shí)現(xiàn)對(duì)nRF905的工作配置和數(shù)據(jù)傳輸,；nRF905的uPCLK提供基準(zhǔn)時(shí)鐘輸出,，通過(guò)示波器觀察輸出頻率來(lái)判斷nRF905的配置是否正確。nRF905與MCU的接口電路如圖3,。

2 井下人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2.1 定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則
    (1)實(shí)現(xiàn)井下坑道作業(yè)面工作人員進(jìn)出的有效識(shí)別,，并對(duì)環(huán)境進(jìn)行有效的監(jiān)控預(yù)警,使系統(tǒng)管理充分體現(xiàn)“人性化、信息化和高度自動(dòng)化”[4],。
    (2)為高級(jí)管理人員提供考勤作業(yè),、人員進(jìn)出限制等多方面的信息查詢。
    (3)一旦發(fā)生安全事故,，通過(guò)該系統(tǒng)立刻可以知道坑道作業(yè)面工作人員的數(shù)量,，保證搶險(xiǎn)救災(zāi)和安全救護(hù)工作的高效運(yùn)作。
    (4)安全事故發(fā)生后,，通過(guò)本系統(tǒng)的移動(dòng)識(shí)別裝置,，可在事故現(xiàn)場(chǎng)10 m范圍內(nèi)探測(cè)到是否有人存在，便于救護(hù)工作的及時(shí)展開(kāi),。
    (5)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具備安全性,、可擴(kuò)容性、易維護(hù)性和易操作性,。
2.2 總體設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖4,。硬件系統(tǒng)主要由標(biāo)識(shí)卡、識(shí)別基站,、中繼站（網(wǎng)橋）,、傳輸接口等組成,。無(wú)線通信采用nRF905芯片，井下有線通信采用CAN總線和網(wǎng)絡(luò)技術(shù),。軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)。軟件的主要設(shè)計(jì)功能有：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集,、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示,、歷史數(shù)據(jù)查詢、人員監(jiān)測(cè)查詢功能,、超時(shí)報(bào)警功能,、統(tǒng)計(jì)考勤、數(shù)據(jù)歷史保存,、系統(tǒng)維護(hù)等,。

2.3 系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)
    (1)數(shù)據(jù)采集與預(yù)警
    智能標(biāo)識(shí)卡保存有井下人員的身份編碼，并且能檢測(cè)礦井中的瓦斯?jié)舛?，?dāng)濃度達(dá)到設(shè)定的限度時(shí),，智能卡會(huì)自動(dòng)預(yù)警，提醒井下人員緊急撤出,。智能標(biāo)識(shí)卡上還有鍵盤和顯示屏供井下人員使用,。這種智能卡由工作人員攜帶下井。
    在礦井下,，沿巷道走向,，每隔一定距離布置一個(gè)檢測(cè)基站，另外可以在礦井巷道的進(jìn)出口,、交叉道口,、工作面、危險(xiǎn)場(chǎng)合（如盲巷等）,、地面主要出入口等位置也安裝監(jiān)測(cè)基站,。當(dāng)攜帶有智能標(biāo)識(shí)卡的人員進(jìn)入監(jiān)測(cè)基站檢測(cè)范圍時(shí)，標(biāo)識(shí)卡將采集到的井下數(shù)據(jù),、個(gè)人身份和操作信息發(fā)送給基站,，基站接收后通過(guò)CAN總線送至井上控制中心處理?？刂浦行囊部梢韵蚓氯藛T發(fā)送指示,，標(biāo)識(shí)卡接收到指示后，在顯示屏上顯示,。
    (2)人員的定位跟蹤
    在井上監(jiān)控主機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)中,，保存著礦井下每個(gè)定位裝置的精確位置信息。當(dāng)下井人員位于事先鋪設(shè)好井下定位裝置的巷道中時(shí),，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中,，就可確定是哪個(gè)基站發(fā)來(lái)的信息,，這樣就可確定人員在哪兩個(gè)固定基站之間，然后通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)出這兩個(gè)固定基站的位置信息,，就可知道人員處在哪一段,，并通過(guò)計(jì)算機(jī)上的電子地圖實(shí)時(shí)顯示，使管理人員能及時(shí)查詢各種信息,。
    (3)災(zāi)后救援功能
    一旦發(fā)生各類事故,，監(jiān)控主機(jī)立即能顯示緊急事故地點(diǎn)的人員數(shù)量、人員狀態(tài),、人員位置等信息,，為制定搶險(xiǎn)救援計(jì)劃提供依據(jù)，大大提高搶險(xiǎn)效率和救援效果,；對(duì)某些特殊區(qū)域進(jìn)行禁入設(shè)置,，當(dāng)有非法進(jìn)入時(shí)，監(jiān)控軟件將立刻啟動(dòng)進(jìn)入者攜帶標(biāo)識(shí)卡的報(bào)警系統(tǒng),；在緊急情況時(shí),，通過(guò)智能標(biāo)識(shí)卡的按鈕向控制中心發(fā)出緊急求救信息。
    (4)綜合信息管理
    系統(tǒng)能夠自動(dòng)準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)礦工入井,、升井時(shí)間,，并生成相應(yīng)考勤記錄、統(tǒng)計(jì)報(bào)表,；實(shí)時(shí)反映井下人員的流動(dòng)路線,、地點(diǎn)，對(duì)入井人員進(jìn)行有效監(jiān)督,，有效提高安全生產(chǎn)防范能力[5],，促進(jìn)安全生產(chǎn)。在系統(tǒng)維護(hù)中,，分配給操作,、管理人員不同的權(quán)限，保證系統(tǒng)的安全性,。
    通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)礦井目標(biāo)定位安全管理信息的數(shù)據(jù)共享,，為礦井各部門及上下級(jí)各層領(lǐng)導(dǎo)及時(shí)提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息與歷史信息，為指揮決策提供重要依據(jù),。
    本文提出的設(shè)計(jì)已成功應(yīng)用于黑龍江某礦業(yè)集團(tuán),。系統(tǒng)工作穩(wěn)定、運(yùn)行良好,，被證明適用于礦井下復(fù)雜的環(huán)境中,。人載智能標(biāo)識(shí)卡采nRF905射頻芯片。由于nRF905芯片具有跳頻機(jī)制以及大量的頻道支持,，從而解決了信號(hào)傳輸易受環(huán)境及距離的限制和無(wú)線信號(hào)傳輸頻帶單一的問(wèn)題,；同時(shí)此卡內(nèi)置瓦斯傳感器,、自動(dòng)報(bào)警器、鍵盤和液晶顯示屏,，有利于礦井安全急救和提高生產(chǎn)管理效率,。本設(shè)計(jì)為煤礦井下人員監(jiān)測(cè)、控制和跟蹤管理,、搶險(xiǎn)救災(zāi),、安全救護(hù)的高效運(yùn)作提供了有效的技術(shù)支撐。
參考文獻(xiàn)
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[5] ISO/IEC15693-1：IdentificationCard-Contactless integrated circuit[S].cards-Vicinity cards-part 1：physical characteristics.2000.