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1、摘 要井下人员定位系统是为了提高煤矿人员管理效率和加强井下与地面信息沟通而设计的，该系统能够动态显示井下工作人员的实时位置，并能够对工人的工作时间和工作区域进行统计。本报告首先分析了国内外井下人员定位技术的发展现状，并比较了其中的优缺点。分析了系统的工作原理，并进行了功能划分。系统在设计过程中采用了模块化思想，从三个子系统分别对系统进行设计。报告中重点研究了井下的无线通信问题，并选择了RFID（射频识别）为井下无线通信方案；在井下与地面的通信方式中选择了技术先进、性能可靠的CAN总线技术；在地面监控端结合当前的新技术采用了GIS（地理信息系统）进行井下监控情况的实时显示。关键字：井下人员定位；
2、RFID；CAN；GIS目录1 绪论61.1 煤矿生产管理中的问题61.2 本项目研究的意义71.3 井下人员定位系统的发展现状81.3.1 国外研究状况81.3.2 国内发展现状81.4 井下人员定位系统设计的难点问题91.5 本项目所做的工作102 井下人员定位系统的基本原理112.1 定位系统概述112.2 井下人员定位系统的基本原理113 系统的功能划分143.1 井下无线监测子系统143.2 地面数据处理子系统143.3 井下与地面通信子系统154 井下无线通信子系统设计174.1 通信的基本知识174.1.1 信号的转换与编码174.1.2 差错控制174.1.3 多路复用184.
3、1.4 传输模式184.1.5 传输协议184.2 井下人员定位系统无线通信解决方案及对比194.2.1 蓝牙(Bluetooth)194.2.2 HomeRF194.2.3 ZigBee204.2.4 RFID（射频识别）204.2.5 WIFI214.2.6 无线MESH网络214.2.7 几种无线通信方案的比较224.3 无线通信方案的确定224.4 无线通信子系统的硬件设计224.4.1 基站硬件电路设计234.4.2 射频卡硬件电路设计424.5 无线通信子系统的软件设计434.5.1基站软件设计434.5.2 射频卡软件设计505 井下与地面通信子系统设计525.1 通信方案及比较
4、525.1.1 RS-485525.1.2 现场总线525.1.3 工业以太网545.2 CAN总线555.2.1 CAN总线简介555.2.2 CAN的性能特点555.2.3 物理层565.3 CAN总线接口电路设计565.3.1 CAN总线与基站硬件接口电路设计615.3.2 CAN总线与PC端的硬件接口电路设计635.4 CAN总线接口电路软件设计685.4.1 基站部分CAN总线接口电路软件设计685.4.2 PC端CAN总线接口电路软件设计696 地面监管子系统设计717 总结77附录A781 绪论1.1 煤矿生产管理中的问题煤矿的生产分为露天开采和地下开采，而我国95%的煤矿开采是
5、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%(20022005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
6、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。目前国家对煤矿企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
7、。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
8、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。1.2 本项目研究的意义面对我国煤矿安全生产的严峻形势，用高
9、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益，是走新型煤炭工业化道路的必然选择。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
10、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。在建立了井下人员定位系统后，若井下发生突发事件，可立即通过地面主机实时查出井下各位置的人员状况，这样就能够做出及时的抢救决策，使事故损失降到最低。平时可以用来指挥生产做出优化决策，使生产指挥高效。煤矿井下人员定位系统的研究具有非常重要的现实意义。煤矿井下人员定位系统
11、将在矿井的防灾、减灾以及提高生产效率方面发挥着重大的作用，而高性能的计算机矿井监测系统的应用前景尤为的广阔。1.3 井下人员定位系统的发展现状1.3.1 国外研究状况国外研制矿井计算机监控系统始于20世纪60年代，为保证煤矿安全生产，世界主要产煤国（如美国、英国、德国、波兰、前苏联等）从50年代开始，陆续地把监测、监控技术应用到安全生产管理上。随着射频识别技术的兴起，国外也加快了这一领域的发展，并成功地将其应用到了井下人员定位监控系统中。英国的Davis Derby Limited公司采用最新的无线射频技术开发了专门用于煤矿井下应用的多标签读取系统；戴维斯德比公司在地面和井下RFID系统的开发
12、、生产、销售服务等方面，已拥有十几年的丰富经验；澳大利亚芒特艾萨矿业公司开发了一种人员探测系统，用于监测矿工进入危险地带；在南非的德里方月(Driefontayne)矿，安装了一种人员跟踪系统，它使用由澳大利亚ISD公司制造的一种射频识别系统源信标；这个系统使用顶板安装的天线，用来监控装在每个矿工帽上的小型无源信标。1990年8月，美国安菲斯公司利用超低频信号的穿透力研制开发的世界唯一套可实现超低频信号穿透岩层进行传输的无线急救通讯系统(PED，即Personal Emergeney Device系统)在悉尼附近的一所煤矿投入使用。PED系统的先进技术工艺和优越的性能得到了矿区领导的一致肯定。
13、该系统能够提供一些预先编制好的紧急信息，这些信息在紧急情况出现时自动生成。该系统可以直接连接现有的监控设备，可以监控多种输入。这些警告信息由矿井工作人员预先指定，在紧急情况发生时，可以在最短的时间内，将替告发送给井下全部或相应的工作人员。1.3.2 国内发展现状我国监测监控技术起步较晚，自1974年以来，仅有几种单一的瓦斯监测仪器投入使用，如AYJ-1，AWBY-1.2，MJC-100等，实现了对瓦斯的连续监测。为了加快实现煤炭工业现代化管理的步伐，我国先后从波、法、德、英、美等国批量引进了安全监控系统并装备了部分煤矿，如美国的SCADA系统、英国的MINOS系统、德国的TF200系统、法国的
14、CTT63/40/u系统、加拿大森透里昂系统，这些系统在我国煤炭行业中发挥了作用，也为我国研制矿用监控系统提供了很好的借鉴。国内曾由中国煤炭部安全司、中国国际技术咨询公司连手与安菲斯公司确定合作关系，决定三方共同在中国煤炭领域推广PED系统。1998年，人同矿务局在人同煤峪口矿安装了中国第一套PED系统。结果证明PED系统信号可以穿透岩层传播并覆盖到全部生产区，发出和收到信号准确率为100%，最远穿透距离达2.8公里。80年代后期，在引进外国设备的同时，消化、吸收了制造技术，并结合我国煤矿的实际情况，先后研制出自己的监控系统，如KJ1，KJ2，KJ4，A-1，KJ10，KJ11，KJ22，KT
15、，KJ95及焦作工学院研制的KJ93矿井安全生产监控系统等，并在我国煤矿大批使用，有的系统已达到国际先进水平。这些系统主要也是侧重于安全参数的检测，而没有对下井人员进行实时监控。随着自动识别技术在国内各行各业的发展和应用，国内一些煤炭科研机构不断推出新一代的人员自动识别系统，并成功应用于下井人员的管理。到门前为止国内部分矿井，尤其是现代化矿一井都安装了识别系统，用以取代以前依据矿灯管理来对下井人员进行管理。人员识别系统从最初的条形码、光电孔卡式到现在的指纹、红外线式考勤形式各不相同，这些技术装备利用不同的识别原理对下井人员进行监控、记录。深圳世纪潮智能科技有限公司与煤炭科学研究总院重庆分院一起，于2003年8月开始研究“矿井人员跟踪定位及考勤管理系统”，经过资料收集、调研、方案论证、设计、试验室试验、样机加工、性能测试、防爆送检及井下工业性试验等阶段，历时近一年半，完成了全部研究内容。矿井人员跟踪定位及考勤管理系统在完成了全部开发设计、样机生产加工、实验室性能测试和防爆检测检验后，成套产品于2004
