0引言
目前我国大中型煤矿及广大乡镇小煤矿已大量装备了煤矿安全生产监控系统，这些安全装备的推广应用大大改善了我国煤矿安全生产状况。矿难的不断发生和抢险救灾的不力，暴露出目前监控系统的弊端:监控系统对入井人员管理困难，井上人员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，效果不理想。
本文提出的基于RFID的新型矿井人员定位跟踪管理系统，可对煤矿入井人员进行实时跟踪监测和定位，可为工作人员提供矿井巷道网络、人员位置、危险区域及相应提示的动态信息。如果发生灾变，还可立即从监控计算机上查询事故现场的人员位置分布情况、被困人员数量、遇险人员撤退线路等信息，为事故抢险提供科学依据。同时，也可利用系统的日常功能，对矿井人员进行考勤管理。

1RFID简介
RFID是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，可工作于各种恶劣环境，识别高速运动物体并同时识别多个标签，操作快捷方便。
RFID应用系统由4部分组成:
(1)RFID电子标签。RFID电子标签能够贮存有关物体的数据信息(约1kbits)。在自动识别管理系统中，每个RFID标签中保存着一个物体的属性、状态、编号等信息。标签通常安装在物体表面，具有一定的无金属遮挡的视角。
(2)读写器，用于识读及写入标签数据，其主要功能是:查阅RFID电子标签中当前贮存的数据信息;向空白RFID电子标签中写入预贮存的数据信息;修改(重新写入)RFID电子标签中的数据信息;与后台管理计算机进行信息交互。
(3)发送接收信号的天线。天线是标签与阅读器之间传输数据的发射、接收装置。在实际应用中，除了系统功率，天线的形状和相对位置也会影响数据的发射和接收，需要专业人员对系统的天线进行
设计、安装。
(4)通信网络系统。包括数据库服务器和其他信息系统。数据库服务器负责处理读写器传送过来的信息，并进行信息处理。将重要信息存储在数据库中。其他信息系统根据需要向读写器发送指令，对标签进行相应操作。

2可行性分析
(1)频率的选择。井下无线频带资源丰富，没有频带利用的限制，Tag和Reade:的可供选择的资源丰富。但是矿井巷道内情况十分复杂，巷道中有钢轨、支架、风门、照明线和动力电缆等，巷道壁凹凸不平，巷道纵横交错、拐弯抹角。对平直隧道中，频率越高，越有利电磁波的传输，在弯曲隧道中，频率越高，越不利电磁波的传输。因此对于巷道中的无线通信，最佳频率在550~950MHz，对于不同的传输距离，不同的巷道情况，最佳工作频率是不一样的。在生产实践中，要根据实际情况确定最佳工作频率。
RFID从频率上可分为低频(125KHz)、高频(13.56MHz)、超高频(868-954MHz，北美915MHz)以及微波(2.45GHz)4种频率。
低频标签比超高频标签便宜，节省能量，穿透废金属物体力强，工作频率不受无线电频率管制约束，最适合用于含水成分较高的物体，但是识别距离小于1m，虽然具有良好的个体定位功能，如果要做到整个矿井的良好定位，就需要在井下布置大量的基站，投资很大，同时标签的防冲撞功能不好。
高频标签属于中短距识别。2.45GHz微波，识别开阔场所达200m，井下为100m左右。但是距离太大就会失去定位的功能了，同时标签的防冲撞功能不好。
所以本系统采用915MHz的频段上RFID技术，井下人员跟踪定位基站有效接收范围10m，允许被测目标最大移动速度6m，能够很好的实现定位;同时识别目标个数20个，防冲撞功能好;通讯方式采用RS485，传输波特率为2400bps，能够实现矿井监控的目标。
对于双频系统，由于价格较高，考虑到成本问题，本系统没有采用。
(2)安全性分析。煤矿井下具有甲烷等可燃性气体和煤尘，无线通信设备必须是防爆型电气设备，并宜采用安全性能好、体积小、质量轻、成本低的本质安全型防爆措施，矿井的辐射电磁场环境应按2级中等电磁辐射环境考虑。并且矿井的瓦斯浓度在不同的位置和不同的时间会发生的变化。
RFID采用射频识别技术，理论上不会对井下作业产生危险。在系统中Tag采用无缘芯片，Reader设计和封装时采取本质安全型防爆措施。
(3)设置可行性分析。矿井一般深度都在地下500m以下。煤矿开采是不断进行的，如果采用的网络结构不能方便的增加节点，会给系统的使用带来不便。因此Reade:与后台操作可采用现场总线方式连接，同时信息可利用现有的监控系统的线路进行传输。总线型网络结构，只需增加一段电缆和一个Reade:就可以增加一个节点，这使系统可以随着煤矿的开采不断的扩充。
(4)操作可行性分析。RFID的Tag携带方便、操作简单，Reade:可在10m以内的距离实现对卡片的自动识别，符合井下作业设备力求简单、方便的要求。

3系统介绍
3.1系统总体设计思路
井下人员实时管理系统是利用现有煤矿监控系统作为主传输平台，开发相应的井下人员跟踪定位分站、射频识别卡等设备与系统挂接。
系统主要用于井下人员和机车定位跟踪，由安装在安全帽上的Tag、矿井专用处理传输基站(包括天线和目标识别器)、数据传输接口、地面中心站软件组成。当人员经过井下巷道安装的发射天线工作区时，基站获取人员携带的标签信息，系统自动采集该人员经过的时间、地点信息，并传送到地面的管理数据库。地面中心站接收来自井下专用处理传输分站上的编码信号，实现对井下人员和机车跟踪定位信息的采集、分析处理、实时显示、历史数据存储报表、查询打印等功能。使管理人员能及时准确的查询各种信息，方便作业人员和设备的调度和管理提高和优化煤矿的整体管理水平。
3.2系统设计方案
系统包括硬件系统和软件系统。软件系统包括应用软件和嵌入式软件两部分组成，用于完成信息采集、识别、加工及其传输，由这两部分软件共同支撑着整个系统的运行;硬件系统由井下分站设备、天线、Tag、数据传输接口和地面设备组成，用于完成信息采集和识别，从而实现预设的系统功能和信息化管理目标。
(1)井下分站设备。井下分站设备由信息采集处理板、信息传输处理板、隔爆电源、备用电池、汉字液晶显示模块、嵌入式软件，以及矿用阻燃电源电缆、矿用阻燃双绞线通信电缆、接线盒等组成。信息处理采集主板是完成对分站区域内的Tag信息的采集、处理;信息传输处理板是将RS232信号转换为RS485信号和自动存储监测数据，传输距离10km,同时将重码的信息进行判定和过滤，接受上位机的轮循访问并向上位机传送所采集到的人员编码信息;不间断电源是停电后提供2h的供电电源;矿用阻燃电源电缆是为分站提供工作电源;矿用阻燃双绞线通信电缆主要是完成井下网络的连接，为现场RS485总线方式;汉字液晶显示模块主要显示人员编码和时钟功能，可用遥控器查询记录。
(2)天线。实现与Tag之间的数据通信。
(3)Tag.Tag镶嵌在安全帽上，安全帽是半球形。一般的，当RFIDTag天线结构发生弯曲时，天线的方向系数与输入阻抗都会改变，相应地，RFID系统的工作距离必定产生变化。经过仿真处理和实验证明，镶嵌在安全帽上的Tag天线发生的弯曲对系统的性能影响可以忽略不计。
Tag平时处于睡眠状态，当Tag进入系统工作区时，天线能接收到特定的电磁波，线圈就会产生感应电流。再经过整流电路，就会激活电路上的微型开关，给Tag供电。从而Tag发送出的自身的信息被Reade:读取并解码后送至数据交换、管理系统处理。
(4)数传接口。主要由电源板、信号转换板及安全栓组成，完成通讯信号的转换和本安与非本安运行环境的隔离。
(5)地面设备。地面人员监测管理部分由数据通信接口、HUB、监控计算机、管理计算机、服务器、UPS电源、打印机、网络终端、防雷设备等组成。
监控计算机(含人员监测管理软件)及数据库，实现对信息的自动化管理目标，在计算机屏幕上直观动态显示井下人员的分布情况，使管理层一目了然;UPS电源主要为了在交流电源停电后继续维持系统设备正常运行;打印机主要用来打印人员监测管理报表;网络终端主要是人员监测信息的网上共享。
管理计算机主要是完成人员和机车信息资料的录入，分类存入计算机以备随时检索使用;对原始数据进行统计并输出各种文字和文字报表;通过对原始数据及图像进行多条件复合查询并汇总;进行标识卡的发行、回收、挂失、恢复操作;对系统进行各种初始设置等功能门
网络服务器完成整个管理系统局域网络的管理及作为数据库服务器进行原始数据及图像的存储、备份工作。
网络服务器、管理计算机、监控计算机、巷道各分站通过星形及总线形的混合网络拓扑结构连接而成，是一个具有实时数据监视及采集、图像监视及采集、数据统计、信息检索等多项功能的计算机综合管理系统。其中包括由采用星型结构连接在一起的井下分站为主而构成的井下管理系统;由通过集线器连接的服务器、管理计算机、报表打印机组成的上端管理系统;由通过数据通道与图像信息通道与网络连接在一起的以监控计算机为主，视频采集设备为辅的多媒体信息系统。
3.3系统的网络结构图

4人员定位管理软件
人员定位管理软件实现对井下人员的跟踪定位信息的采集、分析处理、实时显示、数据库存储、报表打印等功能。软件是采用Microsoft的VisualC++6.0开发的集数据采集与信息处理的综合管理系统。本系统是以SQLServer2000数据库为主的CS模式开发而成的，共有操作员登录、实时显示、数据查询、数据统计、个人编码器管理、人员活动轨迹、系统维护7个模块，如图3所示。

(1)登录模块。登录模块主要完成开机后操作员的密码及权限输入，人员权限情况的校验等功能，操作方法采用手工输入。
(2)实时显示模块。矿井人员位置信息通过井下人员跟踪定位基站发送到地面监控主机后，由软件进行实时分析处理在电子地图上实时显示当前井下各巷道人员分布情况和机车分布情况，并且对人员井下活动轨迹进行纪录，实现对井下人员活动路线、滞留时间及目前所处位置的管理。
(3)数据查询模块。数据查询模块主要完成通过各种条件对原始数据进行检索并汇总的功能。主要实现:查询井下人员的动态分布情况和数量;查询任一井下人员当前位置和指定时间所处的位置;查询任一指定位置的人员情况，并进行实时跟踪显示;查询人员考勤记录查询;全矿数据查询。
(4)数据统计模块。数据统计模块主要是根据巷道各基站的交换信息进行统计汇总，并按照指定的格式进行报表的输出。
(5)个人信息管理模块。个人信息管理模块主要是对职工个人信息进行统计汇总，并按照一定的规则进行编码分配。包括:全体职工数据管理、职工资料管理、职工信息。
(6)系统维护模块。系统维护模块主要是完成对整个管理系统进行初始化操作和对各种与系统相关的重要数据进行维护的功能。此模块只能由本系统的超级用户来完成，其他任何人员不能完成此模块的各项功能。维护项目包括:①基本信息维护;②操作人员维护;③巷道各基站维护;④数据库维护。

5结论
井下人员实时管理系统是集计算机软硬件、信息采集处理、无线数据传输、网络数据通讯、自动控制等技术多学科综合应用为一体的自动识别信息技术产品，该系统是通过对坑道远距离移动目标进行非接触式信息采集处理，实现对人在不同状态(移动、静止)下的自动识别，从而实现目标的自动化管理。
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