基于RFID技术的煤矿井下定位系统设计

作者：牛超超 朱微维 李彦玮 来源：RFID世界网 2011-05-09 16:05:46

摘要：本文以分析RFID 工作原理为基础，提出一个适用于井下环境的煤矿定位监控系统的方案设计，使系统可以实时，准确，有效的定位井下作业人员，当发生安全事故时，安全监控系统可知井下人员在井下的具体位置，保证抢险救灾的高效运作。

关键词：井下定位系统[0篇]RFID技术[199篇]煤矿[9篇]

1．引言
　　　移动处理设备的发展和无线局域网技术的进步促进了移动定位技术的突飞猛进。在进行近距离定位时，通常使用如红外线、802.11、超声波和RFID技术。RFID(RadioFrequencyIdentifical),射频识别技术，作为快速、实时、准确采集与处理信息的高新技术与信息标准化的基础，已经被世界公认为本世纪十大重要技术之一，在生产、销售、物流、交通等各个行业有着广阔的用前景。
　　　目前，随着计算机技术的发展，基于远距离微波射频识别技术的读写器开始得到应用，在矿井安全检测系统中引入井下人员定位检测系统是一种趋势。一些企业也纷纷推出了自行设计开发的基于RFID煤矿安全监控系统。基于以上背景，我们研究基于RFID的井下人员定位系统是非常具有历史和现实意义的。
2．RFID基本原理以及定位系统要求
　　　2.1RFID原理
　　　射频识别技术(RadioFrequencyIdentifical,简称RFID)是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间(电感或电磁耦合)传输特性，实现对被识别物体的自动识别。

图1射频识别系统的结构框图

射频识别系统一般由三个部分组成，即电子标签(Tag)、阅读器(Reader)和应用系统，其基本模型如图1所示。其中电子标签为数据载体，又称为应答器，电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间(无接触)耦合，在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递和数据的转换。
　　　2.2定位系统需求分析
　　　图2为井下环境示意图，斜线部分为开采面，黑点覆盖区域为巷道。通过煤矿井下应用环境的分析，定位系统应具备以下方面特点：
　　　1、系统结构简单，成本尽可能的低；
　　　2、系统应该具有扩展性；
　　　3、系统的定位的精度要满足实际应用的需要。

图2井下环境示意图

整个煤矿定位监控系统应该具备以下功能：
　　　1、显示、查询井下情况：
　　　(1)任一时间井下或某个地点人数，及每个人的身份；
　　　(2)查询一个或多个人实时的实际位置及某个人在任一时间的活动轨迹；
　　　(3)查询有关人员在任一地点的到达、离开时间和总工作时间等等一系列信息，可以督促和落实重要巡查人员(如：瓦斯检测人员、安全检测人员及管理人员等)是否按照规定的时间、地点的进行各项检查工作，减少事故发生因素；
　　　(4)可实现网络共享，对多个用户通过权限设置，可查看权限内信息；
　　　(5)具备考勤功能，可查询一个或多个人每天入井次数，在井下工作时间等；
　　　2、随时查看井下人员在巷道内的实时动态分布，根据井下的实际情况制作相应的动态图，使井下人员分布情况一目了然；
　　　3、可在井下车辆和重要设备上安装射频识别标签，随时掌握它们井下的位置和运行路线，从而对车辆设备进行合理调度，最大限度地提高生产效率；
　　　4、遇突发事故，可随时查询事故区域的人员分布，人员身份及重要设备所在位置，能及时调动相关人员处理事故及撤离，可为抢险救灾提供准确资料；
　　　5、抢险时更准确快速识别遇险人员和仪器设备具体地点和位置，提高抢险效率和救护效果；
　　　6、有效的监控井下有害气体浓度，当浓度超过警戒阀值时，井下监测点及井上控制台同时报警，使井下施工人员可以迅速撤离，而且能准确有效的定位出事地点。
　　　3．基于RFID技术的煤矿井下定位系统方案设计
　　　3.1工作频段的选择
　　　与地面相比,井下地质和生产环境对通信频率影响较大的因素有：
　　　1、衰减与频率的关系。矿井巷道对电波的自由传播可视为带阻型。在甚低频段、低频、中频的低端，随频率增大衰减增大。在中频高端、高频频段，衰减达到最大,30MHz电波的衰减最大,最不利于传输；进入甚高频后,衰减随频率上升而减小。
　　　2、衰减与曲率的关系。衰减随着巷道曲率增大而增大。文章来源一卡通世界。如900MHz，对于同样巷道壁、截面大小一样的巷道,平直时,传输距离可达600m左右；当巷道弯曲90°时,传输距离只有300m。又如频率为415MHz时,直线传输距离可以达380m,而遇到拐角时只能达到127m,可见有拐角的传输距离一定小于直线的传输距离。对于平直而不受阻挡的巷道而言，频率越高传输衰减越小,但当频率升高时,电波的拐弯能力变差，拐角处的损耗增大，