井下人员及设备定位系统的开发与应用
在煤矿井下作业过程中，井下工作人员的跟踪定位对事故发生后人员的安全救助有着十分重要的意义。井下员工和重要设备携带的电子标签-识别卡通过井下监控节点-读卡分站向地面监控中心传送他们的位置信息，地面监控中心可以准确实时掌握人员的定位信息及下井设备的位置信息，这样对人员的安全救助有着重要作用的同时还可以实时了解下井重要设备的位置信息，对保障井下设备的工作效率有着重要的意义。
【关键词】井下人员及设备定位系统 矿用本安型无线收发器 识别卡 矿用本安型读卡分站
目前，在煤矿井下生产过程中，实时跟踪定位井下工作人员及设备对井下作业监控系统而言仍是一个短板问题。如果井下事故一旦发生，抢险救护人员难以掌握需救助人员在井下的具体方位，将给抢险救助带来极大的困难；设备是否到位也无法实时掌握，影响正常生产进度。为改变以上不利局面，在煤矿井下生产系统中开发引入“井下人员及设备定位系统”对安全生产及提高生产效率有着重要的意义。
1 射频识别技术的引入
“射频识别技术（RFID：Radio Frequency Identification）”是一种新型的非接触式自动识别技术。它是通过无线传输方式进行数据的双向通信，从而达到交换信息以及自动识别的目的。“条形码”在当前来说是一种应用最广泛、最廉价的自动识别技术，但条形码的不能改写以及信息量小的缺点限制了它的进一步使用；“有触点排的IC卡”同样也是当前电子数据载体最普遍的一种使用方式，而其机械触点的接通与通断的可靠性受到了研发人员的质疑。“射频识别技术（RFID）”制作的识别卡摈除了“条形码”和“有触点排的IC卡”的缺点，还具有以下优势：存储信息量巨大；每一个产品都具有一个ID号（没有重复），可以通过外部材料随意读取和写入数据而不需要任合光源即能实现动态更改；数据存取有密码保护功能，安全性高；能够轻易嵌入或附着在不同形状、类型的产品上且能在恶劣的环境下工作。故而，“射频识别技术（RFID）” 制作的识别卡引用到了“井下人员及设备定位系统”的开发过程中。
2 “井下人员及设备定位系统”的射频识别系统的组成
“井下人员及设备定位系统”的射频识别系统主要由“矿用本安型无线收发器”；“识别卡”等组成，一般还需要其他软硬件的支持。
2.1 “矿用本安型无线收发器”。
“矿用本安型无线收发器”内部包括射频通讯模块、RS485通讯模块以及电源、状态指示灯和电缆接线端子等。
“矿用本安型无线收发器”内部的射频通讯模块，通过天线接收附近标识卡发出的射频信号，并通过通信接口RS485和电缆，将收到的标识卡信息转发给矿用本安型读卡分站，再由矿用本安型读卡分站把信息发送给地面控制计算机，计算机对收到的人员信息处理和显示。当管理人员需要呼叫某一个标识卡时，计算机将呼叫信息发给分站，再由分站转发给无线收发器，无线收发器把信息转化为射频信号发给标识卡。
2.2 “标识卡”
“标识卡”内部包括中央处理模块和射频收发模块，以及天线、电源等部分。
“标识卡”在中央处理模块的控制下，通过射频收发模块向外发送携带有身份信息的射频信号。当其进入“矿用本安型读卡分站”的识别距离内时，其信号被分站接收并上传给地面控制计算机。当其进入“矿用本安型无线收发器”的识别距离内时，其信号被无线收发器接收并转发给对应的“矿用本安型读卡分站”，由对应的“矿用本安型读卡分站”处理并上传给地面控制中心的计算机。
“标识卡”可以通过射频收发模块接收由“矿用本安型读卡分站”发出的呼叫信息。“标识卡”收到呼叫信息后，根据呼叫信息的内容，可以通过指示灯、蜂鸣器和振动器对携带者进行相应的声光震动报警提示。
“标识卡”可以通过射频收发模块接收射频定位器发出的位置信息，并将其收到的位置信息转发给对应的“矿用本安型读卡分站”以及对应的“矿用本安型无线收发器”。
3 “煤矿井下人员及设备定位系统”设计
3.1 “煤矿井下人员及设备定位系统”的基本构成
“煤矿井下人员及设备定位系统”由井上部分和井下部分两个部分的设备组成如图1所示，井上设备主要由地面监控中心（包括服务器）以及共享的网络终端等组成，井下设备以CAN-Bus总线连接相应的“矿用本质安全型读卡分站”，配合“井下人员及设备定位系统”的射频识别系统（包括“识别卡”、“矿用本质安全型无线收发器”）、传输介质等与地面监控中心联接，从而实现井下作业人员及设备的定位和安全管理。
3.2 “煤矿井下人员及设备定位系统”的工作原理
在煤矿井下各个巷道以及各个工作面的交叉道口安装有“矿用本质安全型读卡分站”，井下工作人员按照要求佩戴安装有唯一ID号的“识别卡”的安全帽。“矿用本安型无线收发器”通过固定频率的射频载波向“识别卡”传送信号，“识别卡”（附着在工作人员随身佩戴的安全帽）进入“矿用本质安全型读卡分站”天线工作区域后被激活，并将载有个人信息的射频信号经卡内收发模块发射出去，“矿用本质安全型读卡分站”天线接收到识别卡发来的射频信号，经过处理后，提取出个人信息，通过现场总线传至井上监控中心，记录井下工作人员经过地点、时间、活动轨迹等实时信息。
3.3 矿用本质安全型读卡分站（即井下监控节点）
“矿用本安型读卡分站”如图2所示，是矿用人员管理系统的主要设备。
“矿用本安型读卡分站”不断采集附近的标识卡信息（包括标识卡标识信息和定位器信息以及其它信息）；并将来自地面控制中心计算机的提示信息转发给周围的标识卡。
“矿用本安型读卡分站”与“矿用本安型无线收发器”进行半双工通信。一方面接收“矿用本安型无线收发器”采集到的“标识卡”信息；一方面将来自地面监控中心发来的各种信息指令转发给“矿用本安型无线收发器”。
“矿用本安型读卡分站”与地面监控中心进行半双工通信。“矿用本安型读卡分站”对“标识卡”信息处理后，通过RS485或光纤发送给地面监控中心。同时“矿用本安型读卡分站”接收地面监控中心发来的各种指令如提示指令等，并做出相应操作。
“矿用本安型读卡分站”支持数据存储，存储数据时间不小于2h。
“矿用本安型读卡分站”内置温度传感器，可以采集周围的温度，并将温度值发送给地面监控中心。
“矿用本安型读卡分站”内部包括射频通讯模块、RS485通讯模块、光纤通讯模块和数据转发模块，以及电源和电缆接线端子等。
“矿用本安型读卡分站”内部的射频通讯模块，通过天线接收附近“标识卡”（ 附着在工作人员随身佩戴的安全帽）发出的射频信号，经RS485通信接口以及或光纤，将收到的“标识卡”信息转发给地面监控中心，监控中心的计算机将跟踪显示收到“标识卡”信息的人员及设备的定位情况。
“矿用本安型读卡分站”内部的数据转发模块，通过RS485接收“矿用本安型无线收发器”上传的“标识卡”信号，整合后发送给地面控制计算机；并将来自计算机的提示信息转发给矿用本安型无线收发器。
3.4 “煤矿井下人员及设备定位系统”的软件设计
“煤矿井下人员及设备定位系统”的软件设计在“矿用本质安全型读卡分站”的内部。单片机软件设计是使用C51和汇编语言混合编程，包括复位模块、防冲突模块、读写模块、通信模块。当Tag被验证为合法时，分站才正式读写Tag数据，经过信息处理之后，由CAN总线上传到地面监控中心。当Tag被验证为非法时，分站转到直接复位应答状态，等待下次读写操作开始。
4 系统实现的主要功能
4.1 安全保障功能
系统可以根据数据库中存储下来的历史数据信息，可以迅速得知井下工作人员及重要设备的位置信息、分布情况，一旦有意外发生，可以迅速准确的展开救援行动，最大程度的减少人员及重要设备的损失。
4.2 重要设备追踪功能
对井下重要的设备通过安装电子标签，可以实现对重要设备的下井位置追踪，对物资管理有重要作用。
4.3 考勤管理功能
通过操作平台专用管理软件对下井人员进行次数、下井时间、下井去向等信息经行分类统计。
作者单位
1.河北能源职业技术学院 河北省唐山市 063004
2.开滦能源化工股份有限公司范各庄矿业分公司 河北省唐山市 063108
