基于低频射频识别技术的矿井人员定位系统(技术研究报告).doc

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；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184.1.4 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。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、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。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，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年10月在重庆松藻煤电集团公司二矿、西山焦煤集团屯兰矿、山西离柳焦煤集团有限公司朱家店煤矿第二坑口等地进行了现场安装和工业性试验。我国现在研发的新型人员定位系统主要以有源射频卡为基础，提高了射频卡的使用的方便性，但由于基于射频识别耦合原理的有效通信距离仍然相对较短。普遍用于远距离射频识别的2.4G频段的信号对障碍物的穿透力很弱，信号衰减快。而矿山的井巷往往错综复杂，环境十分恶劣，当多人同时经过井下同一射频阅读基站时，往往出现漏读率较高，系统稳定性不够等问题。1.4 井下人员定位系统设计的难点问题井下人员定位系统的设计有以下几个难点问题：1. 矿井下环境恶劣，通信条件复杂，并且属于易燃易爆场所，因此对通信问题提出了严格的要求，而井下人员定位系统设计的关键环节正是井下的通信问题。目前井下人员定位系统多是基于RFID（射频识别）技术，在井下建立无线监测网络，对持有射频标签的工作人员进行位置信号采集，然后送到地面进行处理、显示。但限于发射功率和通信环境，井下的无线通信距离较短，又由于地质结构复杂，电磁波信号不能有效的穿透岩层，造成无线通信局限在狭窄的巷道中。2. 井下人员定位系统的设计还必须要考虑电源的供电问题，所有电气设计必须严格按照煤矿安全操作规程进行。井下与地面的通信可以采用工业现场总线，增强通信抗干扰能力，同时满足通信需求。1.5 本项目所做的工作本项目结合目前定位系统的发展现状，主要完成了一下工作：1. 采取了低频射频RFID+CAN+GIS的设计方式，即：利用低频射频RFID完成井下的无线监测任务，利用CAN总线完成井下与地面的通信任务，利用GIS完成定位系统的显示任务。2. 在处理井下无线通信的问题时采取了基站+移动站的通信形式。基站按照其覆盖范围沿巷道分布，移动站以射频标签的形式附着于井下工作人员的身上，由于基站的安装位置是确定的，当某个基站捕获到射频卡后就可以确定相应人员的大体位置。从应用需求的角度出发，同时为了降低成本，系统没有采用精确定位的方法，而是如前所述的粗略定位方法，定位精度取决于基站的覆盖范围。3. 系统的电源部分有基站和射频卡两个，基站由于安装在巷道中需要在井下设立电源箱（矿用防爆型）为其供电。电源箱将井下变电所输出的高压经过变压、整流、稳压得到本安供电电源输出；射频卡由于采取有源形式（识别距离较远），需要设计供电部分，可以采用充电电池或者直接从井下工人矿工帽的蓄电池中取电。4. 地面的显示部分采用基于GIS开发的图形显示界面，方便管理，同时易于整合其他信息资源（比如地质和水文）。考虑到井下工作环境的变化性，采用CAN总线可以方便的扩充基站，配合煤矿井下巷道的延伸。2 井下人员定位系统的基本原理2.1 定位系统概述井下人员定位系统的设计目的一是为了矿井正常运作时对井下工作人员进行管理，另外一个目的是一旦发生安全事故可以为救援队提供被困人员的位置和状态信息，赢取宝贵的救援时间。因此从这两个目的出发来考虑定位系统的设计方案。从目前的应用看，定位系统有多种形式。1. GPSGPS（Global Positioning System）全球定位系统具有高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便等特点，是最常见的一种定位系统，主要为船舶、汽车、飞机等运动物体进行定位导航。GPS定位系统正常工作需要空间部分（卫星）、地面控制部分（主控站、监测站、地面控制站）和用户设备部分（GPS信号接收机）。定位的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据按照定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在的地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。2. 短距离定位技术短距离定位是相对于全球定位而言的，其工作原理和GPS定位原理都是基于电磁波定位技术。短距离定位技术的应用范围一般为几十公里，其定位系统主要由分布在定位区域边缘的基站和定位区域中的移动接收站组成。移动站通过测量到基站的距离，然后根据基站的位置信息按照定位解算方法进行计算，即可计算出移动站在定位区域中的位置。2.2 井下人员定位系统的基本原理由上述可知，GPS定位系统技术成熟、应用广泛，但对于井下定位系统的实现有一定难度。首先由于现有的移动通信网的无线信号不能穿透到矿井井下，因此不能直接实现井下与井上的无线通信，为了通信还要建立井下移动通信网络；另外使用GPS定位系统的成本较高，对于我国这样一个煤矿众多，井下工作人员众多的国家不太实用。实际上井下人员定位系统正是基于短距离无线定位技术，但由于煤矿井下环境与地面差别较大，信号在传输路径衰减严重，干扰较多，且不易穿透巷道，无线传输只能局限在巷道中。目前，井下人员定位系统一般采用在井下巷道中建立多处无线通信基站，由井下的工作人员携带无线收发装置，以此实现井下的无线通信。实际上井下人员定位系统的关键环节正是井下的无线通信问题，一旦建立起无线通信系统，即可实现许多附加的功能，其中包括定位功能。图2-1为井下人员定位系统的原理图。图中BS为无线通信基站，基站沿煤矿井下巷道分布，覆盖井下工作人员的活动范围；MS是移动站，即井下工作人员随身携带的无线收发装置，能向基站发送自身ID以识别工作人员；现场总线部分负责把所有的基站连接起来和地面进行通信，及时将井下的无线定位数据传送到地面进行处理和显示；地面的处理显示中心将接收的定位数据与基站的实际物理位置进行比对，判断出对应数据的位置，再通过查询人员ID号得到人员的位置数据。为了直观显示结果可以采用GIS以电子地图的形式对人员的位置进行显示；远程监控部分方便各个管理层及时了解矿井的工作情况，实现多级监管。现场总线BSBSBS无线通信MSMSMS避雷器网关地面处理与显示中心远程监控部分矿井巷道地面图2-1 井下人员定位系统的原理框图图2-2 井下人员定位系统工作示意图图2-2为系统的工作示意图，井下不同的巷道中分别安装有一些BS（基站），BS安装的物理位置是确定的，这样井下位置就可以反映到电子地图上。Tag（电子标签）由工人携带，工人在巷道中工作时，其携带的Tag会被某个BS所识别到，由于Tag与实际的工人人员是一一对应的，因此BS就能识别出工作人员。当BS的数据传输到地面后，参照BS的物理位置和Tag的人员对应列表就可以获得工作人员的定位信息，同时可以将监控数据实时进行显示。3 系统的功能划分由系统的工作原理可以得出系统主要有几部分功能模块组成，为了便于对系统进行设计，根据系统各部分的工作特点，将井下人员定位系统分为三个子系统：井下无线监测子系统、地面数据处理子系统和矿井上下的通信子系统。在具体设计各个子系统时可以再将其进行功能划分，以方便模块化设计。3.1 井下无线监测子系统井下无线监测子系统主要由无线监测基站和移动站两部分组成。移动站中存储有包含工作人员个人信息的数据，基站（BS）通过与移动站（MS）通信读取存储在移动站中的人员信息。然后基站将这些信息传送到井上的数据处理中心，井上的数据处理中心根据井下基站的位置信息，对基站传送回来的数据进行分析处理，然后得出人员的位置信息。1. 基站（BS）的功能：a 完成基站（BS）与移动站（MS）的无线通信，要求基站具有无线收发功能。b 完成基站（BS）与地面数据处理中心的通信，要求基站具有串行通信功能。c 完成对移动站的通信控制，要求基站具有一定的数据处理能力和数据存储功能。2. 移动站（MS）的功能：a 完成移动站（MS）与基站（BS）的无线通信，要求移动站具有无线收发功能。b 完成基站（BS）指令的数据操作，要求基站具有一定的数据处理和数据存储功能。3.2 地面数据处理子系统地面数据处理子系统完成对井下采集信息的分析与处理。地面数据处理子系统包括：数据接收部分，数据传输部分，数据分析计算部分，数据存储部分，数据显示部分。1. 数据接收部分数据接收部分完成地面数据处理子系统与井下监测子系统通信的接口，主要是将井下传送来的串行数据暂存入计算机，完成数据校验等预处理，同时还能接受上层的管理命令，对井下监测子系统进行控制。2. 数据传输部分为了方便对数据进行处理，并为监管部门提供监测数据需要对监测数据共享。数据传输部分主要负责数据在各个部门之间的共享传输，并控制数据的实时更新与同步。3. 数据分析计算部分考虑到井下无线监测部分的数量很多，若使用数据处理功能较强的装置则系统成本必然很高，因此采用井下无线监测加地面数据处理的模式。井下部分只完成数据的采集任务，减轻井下的数据处理负担。数据传送到地面后，由地面上计算功能强大的计算机完成数据的计算分析与处理。地面数据处理子系统事先把基站的位置信息存入计算，当接收到井下的监测数据后，计算机根据已存入基站的位置信息计算人员的位置，并可对人员进行位置跟踪，工作时间统计等。数据的分析具体包括：位置信息计算，人数统计，时间计算，轨迹计算等。4. 数据存储部分井下人员定位系统一方面要实时反映井下人员的位置信息，另一方面还要对人员的出勤情况，工作内容等进行记录和统计，以方便对人员的管理。同时数据存储部分还要为显示部分提供数据源，方便通过直观的显示画面查看相关信息。5. 数据显示部分数据显示部分完成人机接口，方便人员查看信息。数据显示部分要能够实时显示井下人员的位置状况，能够提供历史信息的查询服务，能够接收命令的输入与执行以完成对系统的管理。3.3 井下与地面通信子系统该通信子系统负责完成井下与地面的数据传输，主要有三个功能模块：基站接口、传输线路和地面端接口。通信可以用RS-485或现场总线等工业控制中的远程传输技术来实现。对该子系统的要求是：系统的容量大、传输可靠、协议简单、安装与维护成本低。1. 基站接口接口主要完成基站数据到传输线路的通信，由于基站主控芯片功能有限，若没有集成接口则需要设计接口电路。2. 传输线路根据选定的通信方案来确定传输线缆的类型，如果有可能的话可以和井下其它监测系统共用传输线路，节省成本。3. 地面端接口与计算机的通信可以采用标准串口（RS-232），但传输线路却不能使用RS-232这种计算机的标准接口，因为这种通信的距离太短（小于等于15m）。因此与基站部分相同，可以设计接口将传输线路转换为RS-232与PC机进行通信。4 井下无线通信子系统设计4.1 通信的基本知识本报告中涉及较多的通信内容，下面简单介绍下通信中要考虑的几个问题。4.1.1 信号的转换与编码通常信号有模拟信号和数字信号之分，模拟信号是在幅值和时间上都连续的信号，数字信号则是在幅值和时间上都离散的信号。模拟信号和数字信号都可以用于数据通信，但由于二者之间有明显的差异，其用途也不相同。比如电话网络传送的是模拟信号，而计算机总线上传送的是数字信号。一般不同的传输线路只能传输特定的信号，模拟和数字信号不能同时传输。当需要是就要对信号进行变换。比如计算机的数字信号要通过电话网络传输，就要先将数字信号转换为模拟信号，然后再进行传输。在数字信号的传送中，为了使二进制“1”和“0”的特性有利于传输，需要对信号进行编码几种比较常见的编码方法有：不归零编码（Non Return to Zero，NRZ）、伪三元码（Pseudoternary）、曼彻斯特（Manchester）编码、差分曼彻斯特编码（Differential Manchester Encoding）等。4.1.2 差错控制在数据的通信过程中，数据传输的各个环节都可能产生差错，为了保证通信的正常进行需要对差错进行控制。所谓差错控制是指对于数据传输设备、数据通信线路和通信控制器等产生的差错进行控制。实际系统中数据传输设备和通信控制器本身所产生的误差很小，因此数据通信中的差错主要来自于数据通信线路。差错控制方式基本上有两类：一类是接收端检测到接收的数据有错时，接收端自动纠正错误；另一类是接收端检测出错误后不自动纠错，而是通过反馈信道发送一个表示错误的应答信号，要求重发，直到正确接收为止。目前通信系统中的差错控制方式有：反馈纠错、前向纠错、混合纠错。为了控制差错必须先检测出错误，这就是差错的检测。常用的差错检测方法是对数据进行校验。常用的校验码有：奇偶校验码、恒比码、汉明码、循环码。其中循环码是一种使用较多的冗余校验技术。4.1.3 多路复用在通信过程中，传输媒体的带宽往往超过传输单一信号的需要，为了提高传输媒介的利用率，降低成本，希望在一个信道上可以同时传输多路信号，也即是多路复用问题。多路复用技术是指在数据传输系统中，允许两个或两个以上的数据源共享一个公共传输介质，把多个信号组合起来再一条物理信道上进行传输。这样就好像每个数据源都有自己的信道一样，因此采用多路复用可以将若干个无关的信号合并为一个能在一条共享信道上传输的复合信号。多路复用通常可以分为：频分复用（FDM）、时分复用（TDM）、波分复用（WDM）和码分复用（CMD）等。另外码分多址（Code Division Multiple Access，CMDA）是移动通信中的一种信号处理方式，每个用户在通信期间占用所有的频率和所有时间，但不同的用户具有不同的正交码，可以区分不同用户的信息，避免相互干扰。4.1.4 传输模式数据传输模式是指数据在信道上传输所采取的方式。在计算机内部各部件之间，计算机与各种外设之间，计算机与计算机之间，都以通信的方式传递数据信息。数据传输模式可以分为不同的类型，按数据代码传输的顺序可以分为并行传输和串行传输；按数据传输的同步方式可以分为同步传输和异步传输；按数据传输的流向和时间的关系可以分为单工、半双工和全双工；按传输的数据信号特点可分为基带传输、频带传输和数字数据传输。4.1.5 传输协议在通信过程中，为了控制通信的双方进行信息的发送和接收，需要有一个通信双方都要遵守的“规则库”，或者说通信的双方需要使用一种共同的“语言”来进行信息的交流。这个“规则库”或者说“语言”就是通信的传输协议。传输协议定义了什么是通信，如何进行通信以及何时进行通信等问题。4.2 井下人员定位系统无线通信解决方案及对比经过前面的分析，不难发现问题的难点集中在井下的无线通信上。由于井下环境恶劣，噪声、干扰严重，给无线通信带来的很大的不便。此外从安全角度来说也不允许无线设备的发射功率过大，另外还要按照矿用标准进行严格设计。从技术角度看，目前短距离无线通信的解决方案有多种，下面简要介绍一下几种不同的短距离无线通信方案。4.2.1 蓝牙(Bluetooth)蓝牙技术最初是由Ericsson、Nokia、IBM、Intel、Toshiba等公司联合于1998年提出的，主要面向短距离，低功率，低成本的应用环境，以解决手机、PDA、笔记本电脑等移动设备间的通信问题。蓝牙技术是一种能够实现语音和数据无线传输的开放性方案，蓝牙技术产品是采用低能耗无线电通信技术来实现语音、数据和视频传输的，其传输速率最高为每秒1 Mb/s，以时分方式进行全双工通信，传输距离在10 m以内，增加天线后可达到100 m。蓝牙产品采用的是跳频技术，能够抗信号衰落；采用快跳频和短分组技术，能够有效地减少同频干扰，提高通信的安全性；采用前向纠错编码技术，以便在远距离通信时减少随机噪声的干扰；采用24GHz的ISM频段，以省去申请专用许可证的麻烦；采用FM调制方式，使设备变得更为简单可靠。总之，蓝牙技术产品与因特网Internet之间的通信，使得家庭和办公室的设备不需要电缆也能够实现互通互联，大大提高办公和通信效率。由于蓝牙协议及相关堆栈都很复杂，对某些简单应用就是多余的。另外蓝牙的功耗也较大。4.2.2 HomeRFHomeRF(家庭射频)是ITU(国际电信联盟)内部的一个组，成立于1998年3月，主要为家庭网络设计，其主要工作是开发低成本射频语音、数据通信标准。HomeRF技术是DECT(Digital Enhanced Cordless Telephone：数字增强型无绳电话)和WLAN(Wireless Local Area Network：无线局域网)技术相互融合发展的产物。HomeRF工作组开发了共享无线应用协议SWAP(Shared Wireless AccessProtocol)，它融合了无线局域网IEEE80211采用的CSMA/CA(Carrier SenseMultiple Access with Collision Avoidance：载波侦听多路访问/冲突避免)方式和DECT使用的TDMA(Time-division Multiple Access：时分多路复用)方式，适合于话音和数据业务，并且特地为家庭小型网络进行了优化。目前使用的家庭射频芯片工作在2.4GHz频段，采用数字跳频扩频技术，速率为50 W秒，共有75个带宽为1MHz跳频信道。调制方式为恒定包络的FSK(Frequency Shift Keying：频移键控)调制，分为2FSK与4FSK两种。采用跳频调制可以有效地抑制无线环境下的干扰和衰落。2FSK方式下，最大数据的传输速率为1 Mb/s，4FSK方式下，速率可达2Mb/s。在HomeRF2x中，数据峰值高达610Mb/s，接近IEEE802l1b标准的11Mb/s，能满足未来的家庭宽带通信。HomeRF最早由Proxim公司开发，已经被美国联邦通讯委员会接纳为标准。HomeRF的不足在于在功能上过于局限家庭应用。4.2.3 ZigBeeZigBee联盟成立于2002年8月，由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司组成，如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商的加入。ZigBee使用24GHz波段，采用跳频技术，它具有下述特点：传输速率低：10kbps-250kbps；功耗低：两节普通5号干电池可使用半年到两年；成本低：由于ZigBee数据传输速率低、协议简单，所以大大降低了成本；网络容量大：每个ZigBee网络最多可支持255个设备，也即每个ZigBee设备可与另外254台设备相连接；有效范围小：有效覆盖范围为10m75m；工作频段灵活：使用24GHz，868MHz(欧洲)及915MHZ(美国)免执照频段。4.2.4 RFID（射频识别）射频识别技术(RFID，即Radio Frequency Identification)是从20世纪80年代起走向成熟的一项自动识别技术。它利用射频方式进行非接触双向通信，实现人们对各类物体或设备(人员、物品)在不同状态(移动或静止)下的识别和数据交换。与同期或早期的接触式识别技术不同的是RFID系统的射频识别卡和读卡器之间不用接触就可完成识别。它具有以下特点：(1)操作方便，工作距离长，可以实现对移动目标的识别；(2)无硬件接触，避免了因机械接触而产生的各种故障，使用寿命长；(3)射频识别卡无外露金属触点，整个卡片完全密封，具有良好的防水、防尘、防污损、防磁、防静电性能，适合在恶劣环境条件下工作；(4)对无线传输的数据都经过随机序列的加密，并有完善、保密的通信协议。卡内序列号是唯一的，制造商在卡出厂前已将此序号固化，安全性高；(5)卡内具有防碰撞机制，可同时对多个移动目标进行识别；(6)信号的穿透能力强(可穿透墙壁、路面、衣物、人等)，数据传输量小，抗干扰能力强，感应灵敏，易于维护和操作。4.2.5 WIFIWIFI全称Wireless Fidelity，采用802.11a/b/g标准，它的最大优点就是传输速度较高，可以达到54Mbps，另外它的有效距离也很长，同时也与已有的多种设备兼容。其优点主要体现在以下方面：(1)无线电波的覆盖范围广，基于蓝牙技术的电波覆盖范围非常小，半径大约只有50英尺左右(约合15m)，而WIFI的半径则可达100m。(2) WIFI手机的无线通信质量非常好，就是在嘈杂的环境下，也能有很好的过滤功能。(3) WIFI技术传输速度非常快，可以达到11Mbps，符合个人和社会信息化的需求。(4) WIFI手机通过TCP/IP协议进行数据交换，在网络上的工作效率更高。4.2.6 无线MESH网络(无线网状网络)也称为“多跳(mult-hop)”网络，它是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术。在传统的无线局域网(WLAN)中，每个客户端均通过一条与AP相连的无线链路来访问网络，用户如果要进行相互通信的话，必须首先访问一个固定的接入点(AP)，这种网络结构被称为单跳网络。而在无线MESH网络中，任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器，网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。这种结构的最大好处在于：(1)无论固定组网还是移动组网，都能够迅速按需形成任意拓扑；(2)拓扑遭遇节点高速、高频变换时，无线网状网能够自动调整拓扑并维持连接；(3)能够采用灵活的多跳传输，可随需扩展，非常适合有线不方便或成本很高的场合；基于无线MESH网络结构的以上优点和煤矿井下环境恶劣、组网复杂等特殊条件，无线MESH网络很适合在煤矿井下应用。4.2.7 几种无线通信方案的比较表4-1 无线通信方案参数比较Tab.4-1 Camparison of parameters of several communication program无线通信方式功耗速率距离频率容量成本蓝牙大中短ISM小高HomeRF中中中ISM小低ZigBee小低中ISM大中RFID中低中低、中、高大中WIFI小高远ISM大高4.3 无线通信方案的确定经过上述比较，得出以下结论：1 蓝牙技术功耗大，通信距离短，协议复杂，不适合井下通信。2 HomeRF技术中等，但由于是针对家庭应用设计，因此有局限性。3 WIFI技术先进，通信距离远，传输速率高，但用在定位系统上有点“大材小用”，且成本较高。4 ZigBee技术也具有较多优点，适合于组建无线通信网络。但考虑到井下环境复杂，若采用无线组网的方式配置起来较为复杂，没有采用有线通信方式可靠。因此也不予采用。5 RFID技术各项指标较为中等，功耗较低，通信距离较远，技术成熟，已在多种领域有成功的应用。采用RFID技术对井下人员携带的射频标签进行识别，再通过有线方式将基站信息传送到地面，即可完成井下人员定位的任务。由于系统的工作频率与通信距离有较大关系，考虑到低频和高频信号的传输特点，采用RFID中的UHF频段，这也是目前远距离RFID系统的工作频段，关于发射功率问题要参考有关的无线管制规定和矿井的安全操作规程。4.4 无线通信子系统的硬件设计无线通信子系统由两部分组成：基站（BS）和移动站（MS）。根据功能划分部分所述，基站（BS）部分需具有无线收发功能、串行数据传输功能和数据存储、处理功能。移动站（MS）部分需具有无线收发功能、数据存储和处理功能。4.4.1 基站硬件电路设计考虑到基站的功能要求将基站的硬件电路分为五个功能模块，如图4-1所示，这五个模块是：通信模块、时钟模块、无线收发模块、主控单元和电源模块。这些的模块的功能如下：通信模块：负责基站（BS）与地面的通信，完成现场总线与主控单元的接口功能；时钟模块：负责提供日期与时间数据，方便记录井下的监测数据，当基站向地面传送定位数据时同时传送定位