大学毕业设计-基于rfid的井下人员定位系统

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1、 - 1 -本科毕业设计本科毕业设计( (论文论文) )题目：基于题目：基于 RFID 的井下人员定位系统研究的井下人员定位系统研究课课 题题 类类 型：型： 设计设计 实验研究实验研究 论文论文 开开 题题 时时 间：间： 2011 年年 3 月月 15 日日2011 年年 3 月月 18 日日摘要摘要安全生产、保障矿工的生命安全是煤炭行业永恒的主题，研制新型的煤矿井下人员 定位系统是保证井下工作人员安全、实现快速救援的重要手段。现有的矿井安全监测 监控系统是灾前预警系统，监测对象主要是环境安全参数、生产过程及生产工艺监测， 不能实现井下工作人员的定位。矿井下员工的具体位置与分布情况等重要数

2、据不能及 时传到井上监制中心，这些都是矿难事故频发而营救效率十分低下的症结所在。因此， 建立一套完善的煤矿井下人员定位系统具有重大现实意义。 论文首先分析了目前我国矿井生产中的安全管理现状，根据矿井特殊的生产环境结 合射频识别技术原理提出了系统的功能要求、技术参数和整体结构，确定了本设计的 总体方案:然后重点论述了系统中数据采集站与标签的硬件设计，给出了系统的管理软件和应用程序的流程图;最后讨论了系统的调试及抗干扰措施。另外，论文还对频识别 技术的工作原理、防冲突策略以及其在井下人员定位系统中的可靠应用展开深入的研 究，并与其他多项自动识别技术(如条码、磁卡、IC 卡)进行了对比分析。RFID

3、 技术具 有无接触、距离远、同时可识别多个电子标签、抗恶劣环境工作能力强等特点，符合 矿井下工作环境的要求。 针对人员定位系统通信网络的选择上，论文对现有工业现场常见技术，包括 RS-485 总线、工业以太网、CAN 现场总线、基金会现场总线(FF，FUNDATIONFIELDBUS)和 PROFIBUS 现场总线进行了对比，认为 CAN 现场总线在性能、协议、抗干扰以及成本上 都具有一定的优势。根据该系统实时性、可靠性等要求，并且数据量较小的特点，提 出应用 CAN 总线技术构建人员定位系统的数据传输网络。在以上基础上，论文提出了 一套基于 RFID 与 CAN 总线技术的煤矿井人员定位系统

4、解决方案，对方案的系统构架、 设计框图、硬件原理以及软件实现进行了详尽的描述。最终并完成了监控节点硬件、 电子标签软件、监控节点软件等设计。 本文主要完成井下网络部分的硬件设计，主要包括井下主要传输途径的选择，井下 监测分站的硬件设计，井下网络与地面网络的通信接口的设计，经实验测试证明，本 系统完全可以应用到煤矿满足井下人员跟踪定位的要求。 这套系统的创新在于综合应用了射频识别技术、计算机通信以及 CAN 总线技术等多 项先进的技术，来实现对矿井的自动监控与定位。而且系统可扩展性强，使用灵活。 例如根据实际需要对处理器中的程序做不同的修改;也可以添加更多的功能模块对系统 做不同的扩充，实现语音

5、、短信等功能。可以说在该系统的基础上设计其它 RFID 系统 完全没有问题。例如高速公路收费的车载 RFID 系统，电子门锁防盗装置等需要信息识 别的场合。关键词：RFID 阅读器 电子标签 CAN 总线 防冲突- 3 -目录目录摘要.- 2 - 引言.- 5 - 第一章 绪论.- 6 - 1.1课题的提出.- 6 - 1.2选题的意义.- 7 - 1.3国内外研究现状.- 8 - 1.3.1 国外研究现状.- 8 - 1.3.2 国内研究现状.- 8 - 1.4 发展趋势- 9 - 1.5 存在的主要问题.- 10 - 1.6 目前研究热点.- 11 - 1.7 论文的研究任务和工作.- 1

6、2 - 1.8 论文的结构安排.- 13 - 第二章 总体方案设计.- 14 - 2.1 确定总体结构方案- 14 - 2.2 工作流程- 14 - 2.3 主要研究任务- 16 - 第三章 RFID 技术研究- 17 - 31 概述.- 17 - 3.3 RFID 系统的组成- 19 - 34 阅读器.- 19 - 3.5 电子标签.- 20 - 3.5.1 技术标准- 20 - 3.5.2 标签成本- 21 - 3.5.3 有源与无源标签的选取- 21 - 3.5.4 工作频率的选择- 22 - 3.55 电子标签的选型- 23 - 3.6 RFID 天线研究- 24 - 3.7 防冲突技

7、术研究- 24 - 3.8 安全与隐私问题- 26 - 第四章 井下部分设计.- 27 - 4.1 电子标签的设计- 27 - 4.1.1 电子标签基本参数的确定- 27 - 4.1.2 标签的硬件设计- 28 - 4.1. 3 电子标签软件设计.- 34 - 4.1. 4 电子标签软件程序调试.- 35 - 4.2 阅读器的设计- 35 - 4.2.1 阅读器的硬件设计.- 36 - 4.2.2 阅读器的软件设计.- 36 - 第五章 井上部分设计.- 38 - 5.1 管理系统软件的设计- 38 - 5.2 通信协议- 39 -第六章 系统的抗干扰.- 41 - 6.1 干扰源- 41 -

8、 6.1.1 应用系统自身干扰源- 41 - 6.1.2 电磁干扰源- 41 - 6.1.3 供电系统干扰源- 41 - 6.2 抗干扰的硬件措施- 41 - 6.2.1 电磁干扰的抑制措施- 42 - 6.2.2 过程通道干扰的抑制- 42 - 6.2.3 印制电路板的抗干扰- 42 - 6.3 抗干扰的软件措施- 43 - 6.3.1 插入空操作指令- 43 - 6.4“看门狗”技术.- 43 - 结论与展望.- 45 - 6.1 总结.- 45 - 6.2 展望- 45 - 致谢.- 47 - 参考文献.- 48 - 附录.- 49 - 5 -引言引言我国矿井地质情况复杂，危险性事故频频

9、发生，直接威胁着矿工的人身安全，因 此煤矿安全生产管理是一个迫在眉睫急需解决的重大问题。用什么方法、什么手段来 实现煤矿安全生产管理，一直是煤炭生产领域中技术人员和管理者追寻的目标，特别 是矿工在井下的动态情况更是关注的重点。在正常的日常生产活动中，有效的管理系 统能够带来较高的劳动效率，在灾害发生时，管理系统所记录的人员最后的位置，将 对及时的营救起到至关重要的作用。人们希望能有一种更新，更完善的技术来解决煤 矿安全生产管理中人员定位的难题。射频识别技术 (RadioFrequencyID，简称 RFID)通 过射频信号自动识别目标，并获取相关数据，己在煤矿安全管理中崭露头角。RFID 技

10、术不仅可以识别高速运动物体，并可同时识别多个标签，实现对下井人员进行考勤记 录、定位记录、追踪记录，实时掌握井下每个工作人员的动态信息及工作人员在井下 的位置分布情况，并可对历史记录进行统计打印等。那就能在事故救援时，及时准确 地了解井下的人员分布情况和比较准确的位置，使救援工作做到目标定位准确、速度 快、针对性强。 目前，射频识别技术在国内外发展很快，各种 RFID 产品也趋于成熟，已被广泛应 用于工业自动化，商业自动化，交通运输控制管理等众多领域。然而该技术在煤炭行 业中的应用才刚刚开始，应用前景广阔。基于此，本文研究了 RFID 技术及其在井下人 员定位中的应用。第一章第一章 绪论绪论1

11、.1 课题的提出目前我国的煤炭产量居世界第一位。煤矿的生产分为露天开采和地下开采，我国 95%的煤矿开采是地下开采作业，而地下开采的危险性较之露天开采要大的多。我国 煤层自然赋存条件复杂多变，影响煤矿安全生产的因素众多，水、火、瓦斯、煤尘、 顶板等自然灾害时刻都在威胁矿井工作人员的生命安全，都可能是造成事故的客观因 素，矿井重大灾害及伤亡事故随时都有可能发生。据调查煤矿事故占工矿企业一次死 亡 10 人以上特大事故的 72.8%至 89.6%(2002 一 2005 年)。近几年，随着国民经济对 能源的需求增大，煤炭行业的开始复苏，我国煤炭开采在规模和产量上都逐年扩大， 但是通过以上触目惊心的

12、数据我们却看到煤矿行业安全生产的形势非常严峻，造成的 损失是极其惨重的。特别是煤矿重大及特大瓦 斯(煤尘)灾害事故的频发，不但造成国家财产和公民生命的巨大损失，增加了社会的不 稳定团素，而且严重影响了我国的国际声誉。 实际上，这些事故的发生不是偶然的，它是煤矿生产过程中存在问题的集中暴露， 涉及许多方面。既有自然因素、科技投入和研究的不足，也有人为因素以及国家的体 制、煤矿企业管理不善等因素。更让人担忧的是，煤矿井下普遍存在入井人员管理困 难，难以及时掌握井下人员的动态分布及作业情况，一旦事故发生，对井下人员的抢 救缺乏可靠信息，抢险救灾、安全救护的效率低。 自 2000 年以来，国家对煤矿企

13、业安全生产要求的不断提高和企业自身发展的需要， 我国各大、中、小煤矿的高瓦斯或瓦斯突出矿井陆续在装备矿井监测监控系统。系统 的装备大大提高了矿井安全生产水平和安全生产管理效率。但是，现有的矿井监测监 控系统监测对象主要有两种，一是环境安全监测:监测各种有害气体及工作面的作业条 件，如瓦斯浓度、一氧化碳、氧气浓度、风速、空气温度、压力、粉尘浓度等等;二是 生产过程、生产工艺监测:监测主要生产环节的各种生产参数和重要设备的运行状态， 如煤仓料位、水仓水位、水泵、提升机、扇风机、压风机、胶带输送机、采煤机等运 行状态和参数等运行状态和参数。可以看出，井下矿工并不是现有监控系统的监控对 象，他们在井下

14、的位置和运行轨迹仍然是不得而知的，一旦发生突发性灾难营救工作 将无从下手。 矿难事故发生后，对遇难的井下工作人员生命的抢救成为首要任务，决策指挥人 员必须全面分析灾情及其灾变趋势，迅速组织侦察工作，准确探明事故性质、原因、 影响范围、遇险人员数量和所在位置，以最快的速度、最短的路线进入灾区，营救灾 区遇险人员。然而，目前国内煤矿正在使用的该类监控系统，并不能实时提供井下工 作人员的具体位置与分布情况等重要数据，加之井下地形复杂，国内大部分矿井救护 技术装备落后，人员素质较低，这些都给侦察工作带来了极大的困难。特别是在搜寻 井下遇险人员的过程中，救护队员只能依靠反映矿井现实情况的有关图纸以及事故

15、现 场侦察得来的各种信息展开抢救工作。在缺乏准确数据的情况下，无法迅速制定出合 理、有效的营救方案与措施，结果错失最佳的 营救时机，甚至是盲目营救。面对我国煤矿安全生产的严峻形势，用高新技术和先进 实用技术改造传统产业，增加科技含量，促进产品更新换代，提高产品质量和经济效- 7 -益，是走新型煤炭工业化道路的必然选择。基于上述原因，我们在广泛调研了国内的 科研院所及现代化矿井后，提出了一种以 RFID 与 CAN 技术为基础的煤矿井下人员定 位系统的设计，该系统具有考勤管理功能、安全保障功能功能、生产调度功能、信息 联网功能以及禁区报警功能，满足现代化矿井的安全监控要求，对煤炭的安全生产必 将

16、起到重大的推动作用。1.2 选题的意义煤矿的现代化管理和煤矿的安全生产是煤炭行业举足轻重的大事。在煤炭行业管 理和安全方面，人的管理是一个十分关键的问题。长期以来，大部分矿井，尤其是现 代化的矿井，井下都是连续生产，然而煤矿井下的员工状况如何，一直是较难查清的 问题。到目前为止，即使是我国的现代化矿井的管理，也只能是依据传统矿灯管理、 领取工作牌等考勤方式来了解下井人员的数量和情况。 随着无线通信、自动识别和计算机网络技术在煤矿安全生产监测应用领域中的不断 发展，如何确定灾害事故中遇险人员的具体情况和分布位置得到进一步地解决。特别 是在国内射频识别技术的引进和发展，使得对下井人员进行实时跟踪变得可行。利用 射频识别技术对井下人员进行跟踪定位不仅能方便决策人员快速准确了解井下遇险人 员的具体分布位置、赢得抢救的宝贵时间，还可以用于煤矿的日常考勤、生产调度等 方面。不仅加强了煤炭行业的生产与安全管理，使生产调度及时、准确，更得使煤矿 的安全生产保障系统大大提高。 本文设计的定位系统是需要深入到环境十分复杂的煤矿井下工作，在设计方案时， 除了考虑