引 言 

     近年來，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總線簡介

射頻識別(RFID，Radio Frequency Identification)技術(shù)是利用無線電波進(jìn)行通信的一種非接觸式自動識別技術(shù)。射頻識別系統(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，可以與讀寫器進(jìn)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—500 kHz)、中頻(10—15 MHz)、射頻(850—950 MHz)和微波(2．45—5．8 GHz)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(yuǎn)，但使用不方便，價(jià)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?；谠诘V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10 cm左右，射頻系統(tǒng)的讀寫距離可達(dá)7 m 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(Controller Area Network)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(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：國際標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)級現(xiàn)場總線，傳輸可靠，實(shí)時(shí)性高 ；傳輸距離遠(yuǎn)(無中繼最遠(yuǎn)10 km)，傳輸速率快(最高1 bit／s)；單條總線最多可接1 10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)會自動關(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，可簡化軟件的協(xié)議編制；CAN—bus 總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，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10 km)，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) 

    礦井定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)中監(jiān)控器位于地面的監(jiān)控室，通過CAN轉(zhuǎn)換卡與CAN總線相連，其上運(yùn)行由Visual C++編寫的監(jiān)控軟件，可以動態(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、基站節(jié)點(diǎn)數(shù)量多時(shí)，可以使用CANbridge延長CAN總線網(wǎng)絡(luò)。

圖1 礦井定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    本系統(tǒng)使用的無源電子標(biāo)簽是TI公司的RI—UHF—STRAP一08，其符合EPCglobal TM Gen2(v． 1．0．9)和ISO／IEC 18000—6c協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，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(diǎn)是射頻讀寫器的研制。讀寫器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
 
    考慮到礦井中的設(shè)備需要防爆安全認(rèn)證，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中盡可能地減少外圍芯片數(shù)量。MCU采用美國微芯公司的PIC1 8F4580單片機(jī)，此單片機(jī)集成了基于ECAN技術(shù)的CAN總線控制模塊、lO位A／D模塊、增強(qiáng)的通用串口模塊、32KB的增強(qiáng)型Flash存儲器等，內(nèi)部資源豐富，簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖2 讀寫器的結(jié)構(gòu) 

     射頻收發(fā)模塊使用AD公司的可編程射頻收發(fā)芯片ADF7020，工作頻率為431～478 MHz和862～956MHz波段，收發(fā)過程工作在半雙工方式，支持ASK／FSK／OOK／GFsK等多種調(diào)制方式。CAN總線驅(qū)動器使用的是致遠(yuǎn)電子的通用CAN收發(fā)器芯片CTM8251A，此芯片將傳統(tǒng)的CAN總線驅(qū)動電路的光電隔離和CAN驅(qū)動器集成到一塊芯片，提高了通信的可靠性。

2．1 PICl8F458O與CTM825lA 的接口電路PIC18F4580帶有CAN控制模塊，支持CAN1．2、CAN2．0A、CAN2．0B協(xié)議，只需外接CAN驅(qū)動器即可實(shí)現(xiàn)CAN模塊的硬件設(shè)計(jì)，接口電路如圖3所示。CAN發(fā)器芯片CTM8251A具有DC 2 500 V隔離功能，符合ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)速率最高達(dá)1Mbps，具有自動熱關(guān)斷保護(hù)功能，并且未上電或欠壓節(jié)點(diǎn)不會影響CAN總線的正常工作。

圖3 CAN模塊接口電路

2．2 PIC18F4580與ADF7020的接口電路

      圖4為MCU與射頻收發(fā)模塊的接口電路。PIC18F4580單片機(jī)通過ADF7020的串行數(shù)據(jù)輸入引腳SDATA向ADF7020發(fā)送編程控制字，控制其工作方式，并可以通過串行數(shù)據(jù)讀回引腳SREAD讀取ADF7020的工作狀態(tài)，SLE引腳作為控制字的鎖存信號。DATA I／O引腳是發(fā)送信號輸入和接收信號輸出分時(shí)復(fù)用引腳，收發(fā)工作在半雙工方式，因此MCU工作在半雙工的同步通信模式下，通過串行同步接口接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)ADF7020接收到一個(gè)來自天線的有效信號后，通過INT／LOCK引腳向MCU發(fā)出中斷信號。

圖4 PIC18F4580與ADF7020的接口電路

3 、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
 
     本設(shè)計(jì)的編程環(huán)境是MPLAB IDE軟件并內(nèi)嵌MPLAB—C18，可以支持C語言編程。系統(tǒng)的軟件主要分為PIC18F4580初始化、ADF7020初始化、CAN數(shù)據(jù)收發(fā)、讀卡器與電子標(biāo)簽間的通信算法等部分。
 
     PIC18F4580初始化主要是對片內(nèi)各個(gè)功能模塊的初始化，包括：CAN模塊初始化，USART模塊初始化，WDT初始化，設(shè)置各個(gè)端口的方向等。ADF7020初始化主要包括：設(shè)置晶振電路的接人方式，信號的調(diào)制／解調(diào)方式(ISO／IEC 18000—6c標(biāo)準(zhǔn)中使用ASK)，定義調(diào)制信號的調(diào)制輸出功率，打開VCO、PLL和輸入輸出時(shí)鐘等。在CAN數(shù)據(jù)收發(fā)程序中，讀寫器的MCU通過CAN總線向上位機(jī)實(shí)時(shí)發(fā)送讀寫器識別出的Tag的相關(guān)信息，而CPU接收來自上位機(jī)的控制命令數(shù)據(jù)，其流程圖如圖5所示。 

     本系統(tǒng)要求讀寫器能夠識別到其覆蓋范圍內(nèi)的所有Tag，但在讀寫器覆蓋范圍內(nèi)的Tag會幾乎同時(shí)響應(yīng)讀寫器的指令，這樣響應(yīng)信號就會發(fā)生碰撞，導(dǎo)致通信失敗，讀寫器無法正確識別Tag。因此，讀寫器軟件系統(tǒng)要加人防碰撞算法，保證讀寫器能夠與電子標(biāo)簽正確地交換信息。本系統(tǒng)使用支持ISO／IEC 18000—6c協(xié)議的電子標(biāo)簽，規(guī)定使用基于概率類型的時(shí)隙隨機(jī)防碰撞算法。此算法的工作過程為：電子標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器覆蓋范圍后進(jìn)人Ready狀態(tài)；讀寫器發(fā)送Select命令和Query命令信號(開始一個(gè)新的Round周期)并監(jiān)聽響應(yīng)信號；電子標(biāo)簽收到Query命令后將一個(gè)16位的隨機(jī)(或偽隨機(jī))數(shù)(數(shù)值范圍為0000H～3FFFH，即共有多達(dá)215個(gè)時(shí)隙可供使用)裝載到時(shí)隙計(jì)數(shù)器中，進(jìn)入Arbitrate狀態(tài)，當(dāng)電子標(biāo)簽每接收到一個(gè)QueryRep命令，時(shí)隙計(jì)數(shù)器就會進(jìn)行減法操作(Query命令中規(guī)定了每次減的值Q，而且可以使用QueryAdjust命令修改先前的Query命令規(guī)定的Q值)；

圖5 CAN收發(fā)程序流程圖

     當(dāng)計(jì)數(shù)器減為0時(shí)電子標(biāo)簽就進(jìn)入Reply狀態(tài)，此時(shí)向讀寫器發(fā)出一個(gè)16 bit的(偽)隨機(jī)數(shù)作為應(yīng)答信號；如果電子標(biāo)簽收到一個(gè)有效的ACK信號(正確包含自己向讀寫器發(fā)送的16 bit隨機(jī)數(shù))，那么電子標(biāo)簽就會進(jìn)入Acknowledged狀態(tài)，否則如果沒有收到正確的ACK，則表明發(fā)生碰撞，返回Arbitrate狀態(tài)；在確認(rèn)狀態(tài)中，電子標(biāo)簽向讀寫器發(fā)送包含自己的PC(Protocol Contro1)、EPC(Electronic Product Code)和16bit的CRC校驗(yàn)等字段的信息；此后讀寫器向電子標(biāo)簽發(fā)出Read命令，可以讀Tag的EPC和TID 的部分或全部內(nèi)容；讀取后Tag又回到Ready狀態(tài)。

讀卡器與電子標(biāo)簽間的通信算法流程圖如圖6所示。
      由于ISO／IEC 18000—6c協(xié)議使用基于概率類型的時(shí)隙隨機(jī)防碰撞算法，與ISO／IEC 18000—6a協(xié)議的ALOHA算法 和ISO／IEC 18000—6h協(xié)議的自適應(yīng)二進(jìn)制數(shù)算法相比，由于時(shí)隙隨機(jī)防碰撞算法在Tag中使用時(shí)隙計(jì)數(shù)器進(jìn)行防碰撞，大大簡化了讀寫器CPU的編程工作，并提高了讀寫器的工作效率。

圖6 讀卡器與電子標(biāo)簽問的通信算法流程圖

4、 結(jié)語

      本文針對煤礦安全生產(chǎn)的需要，設(shè)計(jì)了基于RFID技術(shù)的礦井定位系統(tǒng)。為了提高系統(tǒng)的可靠性，減小防爆安全認(rèn)證的難度，設(shè)計(jì)中使用高集成度芯片，以減少分立元件的數(shù)量。在讀寫器中實(shí)現(xiàn)了基于最新的ISO／IEC 18000—6c國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的軟件設(shè)計(jì)，不僅減小了沖突發(fā)生的概率，而且大大提高了讀寫器CPU的效率。讀寫器與上位機(jī)的通信使用了可靠性較高、礦井中廣泛使用的CAN總線技術(shù)，使地面監(jiān)控室可以及時(shí)了解井下的工作狀況。

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國外煤礦安全信息 

      評定和保護(hù)電路安全火花的現(xiàn)代方法在烏克蘭、德國、法國、英國、美國和其他一些國家的主要試驗(yàn)中心不允許采用微型電路作為防火花元件。但是在捷克和俄羅斯允許用微型電路作為ib水平電路的防火花元件。IEC60079—1 1標(biāo)準(zhǔn)不允許采用晶體三極管對ia水平電路作為限流器，因?yàn)椴荒苡?jì)算瞬變過程。在馬克耶夫礦業(yè)安全研究院具有試驗(yàn)設(shè)備安全火花的經(jīng)驗(yàn)和每項(xiàng)工作的實(shí)踐，能完成靜態(tài)和動態(tài)中防火花元件負(fù)荷的評定。我們認(rèn)為，在采用ia和ib水平電路條件中沒有太大的差別。在第一種情況下，不允許采用用過的晶體三極管，在第二種情況下，允許采用所有半導(dǎo)體儀器，因?yàn)閕b水平電路在能產(chǎn)生爆炸危險(xiǎn)濃度的混合氣體的條件中工作。我們根據(jù)國標(biāo)計(jì)算確定出不同歐姆電路能量的安全火花系數(shù)。我們采用最小點(diǎn)燃電流(8．3％ 的沼氣空氣混合體)，在這種情況下，按放電能量的安全火花系數(shù)小于1。文中列出了計(jì)算結(jié)果：歐姆電路電壓 ，最小點(diǎn)燃電流，，不同放電能量的安全火花系數(shù)k．m，放電最大長度Z ，放電平均電流，r。在整流最小速度0．046 m／s情況下進(jìn)行了計(jì)算。完善了評定電路安全火花的計(jì)算方法能夠進(jìn)行評定微小電流的安全火花性和用于評定更危險(xiǎn)的氫——空氣混合體。
                                                                                                                                         摘自《 yronb YKPAI4HbI 》 2007