基于rfid的井下人员定位系统研究.doc

本科毕业设计(论文)

题目：基于RFID的井下人员定位系统研究

课 题 类 型： 设计√ 实验研究□ 论文□
开 题 时 间： 2011年3月15日·

2011 年 3 月 18 日

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、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

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 - 12 -
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 -
3．1 概述 - 17 -
3.3 RFID系统的组成 - 19 -
3．4 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 -
3.5．5电子标签的选型 - 23 -
3.6 RFID天线研究 - 24 -
3.7防冲突技术研究 - 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 -
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 -

引言
我国矿井地质情况复杂，危险性事故频频发生，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 绪论
1.1 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。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。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，除了考虑其功能外，在稳定性、可靠性、抗干扰能力、容错能力及异常保护等方面也进行了充分考虑。项目方案确定利用射频识别(RFID)技术，开发相应的井下人员定位监控节点，在需要定位区域内，以以N总线作为主传输途径，建立一个由地面控制中心和井下具有固定位置的各监控节点之间的通信网络，通过井下监控节点的无线监测与有线传输，把数据上传地面控制调度中心主机。于是在地面也能及时的了解到井下各个区域的人员状况。若井下发生突发事，可立即通过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。平时用来指挥生产做出优化决策，使生产指挥高效。因此，基于RFID与CAN的煤矿井下人员定位系统的研究具有非常重要的现实意义。
随着数字化时代的深入，基于远程信息化网络管理技术的社会需求，RFID技术在煤矿井下人员定位系统中将发挥越来越重要的作用，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。目前RFID技术正在成为一个新的经济增长点在全球范围内蔓延开来，研究开发RFID技术有着巨大的经济效益和社会意义。
此外，以美国、日本和欧洲等发达国家对RFID技术的研究和应用已达到相当高的水平，并且产生了相当的经济效益，而我国起步较晚，大多采用引进的技术成果，需要对RFID技术的研究和应用增加投入。RFID技术是一个复杂的应用技术，它不仅涵盖了微波技术与电磁学理论，而且还涉及通信原理及半导体集成电路技术，是一项多学科融合的新兴应用技术。因此，对RF功技术的深入研究具有深远的理论意义。
1.3 国内外研究现状
1.3.1 国外研究现状
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该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(Bendon.1995)。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 国内研究现状
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TF2OO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系统信号司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，
KJll，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。上海秀派电子科技公司(ShangHai Super Ele&Tec Co.Ltd)为专业致力于RFID产品战略研究的高科技公司。该公司已经研制成功了井下人员定位系统。
1.4发展趋势
RFID射频识别技术已经逐步发展成为独立跨学科的专业领域。RFID射频识别技术将大量的来自完全不同的专业领域的技术（例如，高频技术、电磁兼容技术、半导体技术、数据保护和密码学技术、电信技术、制造技术等）综合起来。过去的十多年，RFID射频识别技术得到了快速发展，逐步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的溯源和防伪应用领域。而随着技术进步，基于RFID射频识别技术产品的种类将越来越丰富，应用也将越来越广泛，可预计，在今后的几年中，RFID射频识别技术将持续保持高速发展的势头。
　总体而言，RFID射频识别技术当前发展趋于标准化、低成本、低差错率、高安全性、低功耗。具体表现在，基于RFID射频识别技术的电子标签产品将达到：芯片所需的功耗更低，无源标签、半有源标签技术更趋成熟；作用距离更远；无线可读写性能更加完善；适合高速移动物品识别；快速多标签读／写功能；一致性更好；强场强下的自保护功能更完善；智能性更强；成本更低。读写器性能将达到：多功能（与条码识读集成、无线数据传输、脱机工作等）；智能多天线端口；多种数据接口（RS232，RS422／485，USB，红外，以太网口）；多制式兼容（兼容读写多种标签类型）；小型化、便携式和嵌入式，以及模块化；多频段兼容；成本更低。管理系统将达到：高频近距离系统具有更高智能、安全特性；超高频远距离系统性能更完备，系统更完善。标准化将达到：标准化基础性研究更深入，也更成熟；标准化为更多企业所接受。系统和模块将达到：可替换性更好，也更普及。自2007年起，RFID射频识别技术单品级应用是全球最大的RFID射频识别技术应用市场。
据预测，到2009年，全球的RFID射频识别技术的应用市场的规模将由2004年3亿美元增至28亿美元。如果目前有关RFID电子标签的单个条款能得到广泛接纳，RFID射频识别技术单品级的应用市场份额有可能远远超过这个数字——1年中将有超过万亿的邮件使用RFID电子标签。这将是继零售供应链RFID电子标签产品的应用之后，全球使用RFID射频识别技术产品的第2大行业。国际邮联目前已经做出决议，并且正在积极推进高效、低成本的RFID射频识别技术解决方案在世界各国邮政监管中的应用。
就技术来讲目前有两大发展内容：发展智能安全技术，增强通讯安全性，即RFID电子标签芯片增加各种加密解密算法，将在原接触卡中才能使用的各种加密解密算法移植到非接触电子标签芯片上，或者开发适合于非接触RFID电子标签芯片应用的加密解密算法，这目前主要集中在13.56MHz频段，适合取代原接触加密卡领域；发展超高频低成本单品级技术，超高频频段RFID射频识别系统具有识别距离远、识别速度快、多标签识别效率高和标签成本低等优点，尤其是低成本和单品级产品适合物流控制与管理领域。
1.5 存在的主要问题
近几年，国外己经成功地将无线通讯和遥测监测技术应用到事故抢险中人员搜寻、定位和急救上，但在国内因地质条件限制和技术方面的不成熟，成功开发的实例并不多。国内也曾引进国外的先进设备，像 PED 系统。在引进吸收国外先进技术的基础上，国产的 KT-6 等多种泄漏通信设备也相继问世，但是它们大都存在不足:
（1）成本高、推广程度低
国内曾先后引进国外先进的人员监测设备，收效尚好。但这种引进方式成本非常高，很难得到推广。像美国安菲斯公司与煤炭部安全司、中国国际技术咨询公司连手在大同矿务局的大同煤峪口矿安装了中国第一套 PED 系统后就很少在其它煤矿企业得到应用。
（2）不符合国内煤炭行业的实际情况
我国人口众多，现有煤矿职土超过百万，职工素质普遍较低，国外设备的引进无法满足各个煤矿的实际需要。国内自行研制的通讯设备针对各个煤矿的具体情况，通用性不够。
（3）技术力量不成熟
国内对井下无线通讯、遥测监测技术的研究尚处于起步阶段，目前还只是相关理论的研究，开发研制自主产品还需时间。
目前国内大部分矿井还只能通过传统矿灯管理等考勤方式来了解下井人员的数量和情况。从自动识别技术发展起来之后，包括科研、院校、设计院等单位自行开发研制针对各个煤矿企业的考勤系统。通过查阅资料和现场调研，我发现存在以下主要问题:
（1）无法实现对作业人员的情况进行实时监测井下人员跟踪定位系统要求地面监测人员能够了解井下任一区域、任一时刻人员分布的具体情况。而现有条形码、光电孔卡以及指纹考勤方式只能对下井人员进行考勤，无法了解井下情况。
（2）考勤时间长、效率低
国内一些煤炭科研机构曾利用红外线编码识别技术自行研制了井下人员识别装置，弥补井下人员监测的不足。但包括条形码、光电孔卡以及指纹在内的这些识别方式在人员集中的时段和地点考勤时间长，效率低，无法解决排队考勤的现状。
（3）维护量大，成本高
像红外线编码识别技术需要系统对矿灯进行改造和维护，工作量均比较大。包括其它一些考勤方式在内，系统使用寿命短，投入成本高。
(4)利用RS485总线进行井下通信不够灵活
现有煤矿井下人员定位系统通信方式大都采用RS485总线，而恰恰是这种半双工通信的方式决定了该系统仅仅能够实现位置信息的上传，不能实时修改井下某监控接点信息，不够灵活。
（5）故障率高、可靠性不够
井下环境恶劣，设备容易受损，故障时有发生，人员识别信息容易丢失。
1.6 论文的研究任务和工作
本研究的目的是利用射频识别技术来设计一个井下人员定位系统，实现人员自动化管理，并为灾难发生时提供可靠的人员位置信息。具体来说就是把人员的主要信息写入电子标签，阅读器自动从标签中读取数据，并送往后台处理。基于此目的，本文把整个课题的研究任务分为以下三个部分来完成:
1、RFID技术研究
这个部分重点介绍了射频识别系统的原理组成、工作方式以及射频识别技术的物理基础;然后对射频识别技术中的防冲突算法进行研究探讨，并对这些算法进行性能比较，最后提出一个性能更好的防冲突算法。
2、阅读器研究
阅读器是整个应用系统的核心，没有它，根本不能谈应用。阅读器设计分为硬件设计和软件设计两个模块。在硬件模块中，按照阅读器的组成对阅读器的高频接口、控制单元以及所使用的天线类型分别进行研究。在对高频接口的研究中，根据本系统的要求，选用一种比较合适的接收机和发射机方案;控制单元设计主要完成单片机与外围通信接口的研究;天线分析设计的主要任务是对天线性能进行比较以选择一种适合本系统使用的天线，并由仿真软件ADS完成天线与射频模块的匹配工作。阅读器软件设计主要完成阅读器与电子标签的通信流程设计。
3、应用系统设计
在前面的理论研究和硬件设计的基础上，本部分对实际的井下人员定位系统的PC机操作界面和数据库进行设计。首先，制定了应用程序的整体框架并使用MFC中的MSC0MM控件完成PC机与阅读器的通信;接着设计数据库，最后对系统中所要完成的各个操作流程进行程序设计。
1.7 论文的结构安排
第1章简要介绍了RFID的发展历史和当前国内外的研究现状，同时对我国煤矿安全生产的现状进行了分析。指出安全生产中的重要一环是人员的管理与识别。将RFID射频识别技术应用于矿井人员定位，对提高煤矿的信息化管理水平，和灾害发生时对井下人员的准确定位以便实施有效的救援具有理论和实际意义。
第2章介绍了井下RFID系统的总体设计方案，并详细阐述了系统的工作流程，另外还对本次设计的研究任务做了详细的安排。
第3章对RFID的技术研究做了详细的介绍，然后分别对电子标签和阅读器展开了阐述，并且详细的探讨了电子标签的选型，工作频率的选取，以及标签的成本等。最后还对防冲突问题做了初步的研究。
第4章是对井下系统的设计，主要是电子标签和阅读器的软硬件设计。给出了它们的原理图和程序流程图，并详细研究了电子标签的仿真。
第5章是RFID系统井上部分的设计，在系统分析部分给出了算法流程图和仿真结果，标签分析，阅读器与标签通信模型，系统组网分析，以及操作可行性分析。然后还给出了如何利用CAN总线实现与PC机之间串口通信的方法。在数据库部分介绍了数据库访问技术，针对井下人员定位的需要进行了数据库需求分析和逻辑设计。
第6章对整个系统可能存在的干扰问题系统的进行了阐述，并提出了如何抗干扰的方法和论证。
最后对论文进行了总结和展望。提出了文章的不足并且指出存在的诸多问题，有待以后进一步的设计研究。

第二章 总体方案设计
2.1确定总体结构方案
整个矿井目标监控与定位系统由两大部分组成，分为井上控制系统和井下数据采集系统。在井上由中心站主机、传输接口等组成;井下主要由采集站、阅读器、电子标签、防爆电源等组成。两系统之间通过CAN总线连接。系统组成框图见图2-1
井上部分
井下采集站1
………
井下部分
井下采集站n
………
阅读器1
阅读器n
标签n
标签1
………
WidowsXP+VC++
SQL server数据库
信息传输接口

图2-1矿井监控与定位系统结构图
2.2工作流程
大体工作过程为：在井下入口、巷道、作业面的交叉道口等需要监控的主要位置安装一定数量的检测站点,安装在矿灯上的员工标签（即电子标签），定时向采集站发出具有代表身份特征的射频信号，同时在程序的控制下，阅读器也不断的将采集的瓦斯浓度及当前的温度等环境数据，通过CAN总线将处理后的数据发送到地面中心站，中心站接收到来自采集分站上的时间、位置和动目标特征的数据编码信号后，作进一步地分析处理，形成各种文件和图表，并发布到网上，使管理人员能及时准确地查询各种信息。实现了下井作业人员和井下运输车辆矿井目标定位、人员考勤、环境监控等功能，保障了煤矿安全生产的能力，提高了生产效率。
整个系统又可分为井上部分和井下部分两个部分来介绍。井下部分主要的作用是信息的采集，而井上部分则是对信息的处理。
井上部分
由中心站主机与传输接口组成的井上部分，主要是软件操作平台，按照功能划分为实时监控子系统与信息管理子系统，具体将在下面的软件设计中介绍。传输接口由CAN总线驱动器、光隔离电路、信号自收抑制电路、RS一232接口电路和防爆电源组成，传输方式为异步时分半双工通信，传输与主机通讯采用RS232信号制，与采集传输接口通信采用CAN总线实现通信，到中心站的最大传输距离为10km。
(1)系统客户端
系统客户端是整个井下人员定位系统的软件系统操作平台，客户端从数据库中提取有效 信息，在操作界面上显示井下人员信息，包括实时定位信息、各类查询信息和统计信息，并对一些基本信息进行有效操作。本课题的系统客户端使VisualC++6.0开发平台，基于windowsXP操作系统，采用C++语言进行系统开发，开发软件系统所需实现的功能。
(2)数据库服务器
后台数据库使SQL Server2000 ，这是一种关系数据库管理系统，数据库服务器中存储着系统所需要的各种有效信息，包括人员及阅读器基本信息、人员井下实时定位信息、井下标签的信息等。系统客户端向数据库服务器发SQL请求，数据库对发送的SQL请求进行处理后反馈数据及结果。
(3)数据通信服务器
数据通信服务器负责收集与发送井下信息，它是整个井下人员定位系统数据的来源。本课题的数据通信是由CAN总线模块来实现的，将阅读器读取到的射频标签信息负责发送至地面 。
井下部分
井下部分是整个系统的核心，主要由阅读器和电子标签组成，阅读器固定安装在巷道的进出口、交叉道口、工作面、重要酮室、危险场合(如盲巷)、地面主要出入口等位置，不断地进行数据巡检和信号采集;电子标签分为员工电子标签和车辆电子标签，标签上分别装有标识员工和矿车身份的数据，按照一定的时间间隔向阅读器发送自身的数据。电子标签采用
无线射频NRF24EI芯片，负责对员工编号的发送。电子标签设计过程中，考虑了数据的碰撞问题以及如何用载波侦听算法实现数据的防碰撞;阅读器由无线射频接收模块，CPU处理模块，外扩SRAM模块，显示模块和数据传输模块组成，负责实时监测电子标签的存在，并将检测到的电子标签的编号和时间数据存储到外扩SRAM中，然后将数据通过RS232总线上传给数据采集分站，同时显示电子标签编号:在阅读器器的设计过程中，考虑了如何判别电子标签的移动方向问题;数据采集分站由CPU处理模块，外扩SRAM模块，数据传输模块和实时时钟模块组成，完成信息的采集、储存、处理和双向通讯的功能。数据采集分站的设计主要考虑了它与各个阅读器的传输距离和通信方式问题。软件设计借鉴面向对象的思想，采用模块化设计方法，将整个软件按照功能划分为初始化、射频信号的发射与接收、数据采集和处理、实时时钟和RS232通信等几个相对独立的模块，论文针对部分模块，给出其详细软件设计思想及设计流程。
2.3主要研究任务
这篇论文的目的就是利用射频识别技术来设计一个矿井信息采集与定位系统。作为实现矿井目标的自动化识别与智能化管理的信息采集平台，其功能是把矿工、车辆及设备的主要信息写入电子识别标签中，实现矿用安全监测。基于此目的，文中把整个课题的研究任务分为以下四个部分来完成:
(l)总体方案设计
这个部分首先介绍射频识别系统的原理、工作方式以及射频识别技术的物理基础及相关技术，然后对射频识别系统中的读写器与应答器进行简单的介绍，最后确定整个系统的总体方案。这一部分上面已经完成。
（2）RFID技术的研究
这个部分集中研究了RFID技术的技术标准、标签成本、标签选取、工作频率的技术研究和应用等几方面;然后对射频识别技术中的防冲突算法进行研究探讨，并对这些算法进行性能比较，最后提出一个性能更好的防冲突算法。
(3)数据采集站(阅读器)与标签(电子标签)的设计
阅读器与电子标签的设计分为硬件设计和控制程序两个模块来完成。在硬件设计中，按照二者的组成分别对其工作原理、控制单元以及所使用的各种芯片进行研究，选用一种比较合适的接收和发射方案，并给出其具体的实现电路。因本项目规模较大，在该项目的进行中，便携式电子标签卡的相关设计将是本人研究的重点。
(4)应用系统软件设计
在前面的理论研究和硬件设计的基础上，本部分对实际的矿井目标信息采集系统的PC机操作界面和数据库进行设计。首先，制定了应用程序的整体框架完成PC机与阅读器的通信，然后对系统中所要完成的各个操作流程进行设计，给出流程图。
另外，系统还给出了抗干扰技术等其他可扩展性的内容。

第三章 RFID技术研究
3．1 概述
射频识别技术(RFID即 RadiorrequeneyIdentification的缩写)，是自动识别技术的一种，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，对目标加以识别并获取相关数据。电子识别标签和阅读器是射频识别技术的主要核心部件。通过相距几米到几百米距离内阅读器发射的无线电波，可以读取识别标签内储存的信息，识别电子标签代表人、物品或者器具的身份。由于RFID标签的存储容量是2的96次方以上，因此它可以弥补条形码的存储容量不足等种种限制，甚至可以为世界上的每一种物品配备一个独一无二的电子识别标签。当某个商品贴上一个电子识别标签后，从它在工厂的流水线上开始，到被摆上商场的货架，再到消费者购买后结账，甚至到标签最后被回收的整个生产、运输和销售过程都能够被追踪管理。
射频识别技术具有很多突出的优点:不需要直接接触、不需要人工干预、不需要光学可视即可完成信息输入和处理，可在各种特殊环境下工作;射频阅读器可以同时识别多个标签甚至可识别高速运动物体，操作快捷方便，实现了无源和免接触操作，应用便利，无机械磨损，寿命长;在数据安全方面，除标签的密码保护外，数据部分可用一些算法实现安全管理，识别标签和射频阅读器之间也可相互认证，实现安全通信和存储;另外，射频识别技术总体成本一直处于下降之中，可以预计在未来的几年之内射频识别技术将取代条形码扫描技术以及IC卡识别技术。
由于射频识别技术的独特优势，逐渐地被广泛应用于物流、交通、生产、运输、防伪、医疗、设备跟踪、设备和资产管理等需要采集、处理数据和行踪管理等应用领域。随着迅速发展的大规模集成电路技术和不断扩大的生产规模，射频识别设备的成本将不断降低，其应用领域将越来越广泛。
射频识别技术在国外发展非常迅速，其产品种类繁多。在欧洲、北美、大洋洲、非洲南部及亚太地区，射频识别技术被广泛应用于很多行业，如汽车、火车等交通监控系统，高速公路自动收费系统，停车场管理系统，流水线生产自动化系统，物品追踪识别管理，人员及行李安全出入境检查，仓储管理，车辆防盗，动物管理等。目前，射频识别技术在中国主要应用于校园、公共交通、地铁、社会保障等方面，大部分城市己广泛采用了射频公交卡来代替自动投币。其中，我国的第二代公民身份证是射频识别技术应用最大的一个项目。
总之，在未来的发展中，射频技术将广泛结合其它高新技术1171，如GPS、生物识别技术等，由单一识别向多功能识别方向发展;同时，与现代通信及计算机技术相结合，可以实现跨行业、跨地区的应用。
尽管RFID技术在很多领域都具有良好的应用前景，并且已经逐渐在一些领域开始广泛应用，但是还是有许多因素在制约着RFID技术的快速发展。当前，RFID系统在各项应用中的研究热点主要集中在技术标准、标签成本、技术研究和应用等几方面。
3.2 RFID的物理原理
要理解射频识别(RF工D)系统的工作原理，弄清阅读器与标签之间的能量和数据传输实质，深入研究磁现象的物理本质和波在远距离磁场中的传播原理是非常必要的。
电子标签和阅读器通过各自的天线构建起二者之间非接触的信息传输通道，这种空间传输通道的性能完全由天线的周围场区特性所决定。根据观测点到天线距离的不同，天线周围的场呈现出的性质也不同。通常可以根据观测点到天线的距离将天线周围的场划分为三个区域。
一无功近场区
无功近场区又