基于低功耗标识卡的井下人员定位系统的设计.pdf

第 3期 2 0 0 9年 3月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a n d M i n e Aut o ma t i o n NO ． 3 M a r ．2 0 0 9 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 9 0 3 0 0 4 3 --0 3 基于低功耗标识卡的井下人员定位系统的设计 颜 丙磊 ， 徐 钊 ， 李凡 甲， 刘景 超 中国矿业大学信电学院， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘要 文章介绍了一种基于射频通信的煤矿井下人 员 工作原理 以及低功耗标识卡的设计 。试运行结果表 明， 该 前煤矿的安全生产管理有 着重要 的现实意义。 定位 跟 踪 系统 的 设计 ， 详 细分 析 了该 系统 的构 成 、 系统性 能稳 定 ， 效果 良好 。该 系统 的设计 对 改善 目 关 键 词 煤矿 井下 ； 人 员定位 系统 ； 射 频识 别技 术 ；低功 耗标 识 卡 ； P I C1 8 F 2 5 8 0 ； C C 2 4 2 0 中 图分 类号 T D 6 5 文献标 识码 B De s i g n o f Un de r g r o u n d Pe r s o n ne l Po s i t i o n S ys t e m Ba s e d o n Lo w- p o we r I d e nt i f i c a t i o n Ca r d YAN B i n g l e i ， XU Z h a o ， LI F a n j i a ， L I U J i n g c h a o S c h o o l o f I n f o r ma t i o n a n d El e c t r i c a l En g i n e e r i n g o f C UMT． ，Xu z h o u 2 2 1 0 0 8，Ch i n a Ab s t r a c t Th e pa p e r i nt r o du c e d d e s i gn of a ki n d o f pe r s o nn e l po s i t i o n s ys t e m o f c oa l m i n e un de r g r o und b a s e d on r a di o f r e qu e nc y c o m mu ni c a t i o n a n d a n a l y z e d s t r u c t u r e， wor k i ng p r i nc i pl e of t h e s y s t e m a nd de s i g n o f l o w po we r i d e nt i f i c a t i on c a r d i n de t a i l s ．The r e s ul t o f t r i a l o p e r a t i o n s ho we d t ha t t he s ys t e m ha d s t e a d y pe r f o r m a n c e a nd g o od e f f e c t ． The d e s i gn of t he s y s t e m h a d i m p o r t a nt p r a c t i c a l s i g ni f i c a nc e f or i mpr o v i ng s a f e t y p r od uc t i o n a nd m a n a g e me nt o f c oa l m i n e ． Ke y wo r d s c o a l mi ne u nde r gr o und， p e r s o n ne l po s i t i o n s y s t e m ， r a d i o f r e qu e nc y i d e n t i f i c a t i o n t e c hn ol o g y，l o w- p owe r i d e n t i f i c a t i o n c a r d，PI C1 8F2 58 0，CC2 42 0 0 引 言 射 频 识 别 RF I D Ra d i o F r e q u e n c y I d e n t i f i - c a t i o n 技术 是 2 O 世 纪 9 O年代 开始 兴起 的一 种非 接 触式的 自动识别技术 ， 可通过射频信号 自动识别 目 标对 象并 获取 相关数 据 ， 识别工 作无 需人 工 干预 ， 反 应速度快 ， 抗干扰能力强 ， 可识别高速运动物体 ， 并 可 同时识 别多个 标签 。 本文介 绍一 种基 于 R F I D低 功耗 有 源标 签 的井 下人 员定位 系统 。虽 然有 源射频 标 签需要 内装 寿命 有限的电池 ， 但相对无源系统却有着较远 的识别距 离， 可很好地对多个移动人员及物体进行快速定位 和跟踪 。将其用于煤矿井下 的人员跟踪定位 ， 能够 对保障井下人员生命安全 、 减少 国家财产损失起到 收稿 日期 2 0 O 8 一l 1 一O 7 作者简介 颜丙磊 1 9 8 5 一 ， 男 ， 中国矿业大 学信 电学院在读硕 士研究生 ， 主要研究方 向为 通信与信息系统 。E - ma i l y a n h a n 8 5 0 6 2 3 1 6 3 ． c o rn 重 要 的作用 。 1整体 设计 方 案 井 下 人员 定 位 系 统 主要 由井上 地 面 监 控 主机 、 井下分站、 读卡器 以及人载标识卡 即射频标签 组 成 ， 如 图 1 所 示 。 I l I 上 上 一I I c ⋯‘ N l rJ q I i 。 c I 1 I ’ l 一 一l I I I l I l I I 读 网 珥 翮 ⋯- - 读 幕1 ． ． _⋯I 1 砬 翮 l ， 读卡器l 图 1 井下人员定位系统结构框 图 地 面监 控主 机是 一 台多 功 能 计 算 机 ， 配有 相 应 的数据管理软件 ， 负责整个人员定位系统的管理与 4 4 工矿 自动化 2 0 0 9年 3月 控制任务 ， 可以对井下人员进行定位和跟踪显示 ， 通 过查询可以了解井下人员的具体位置分布情况。分 站起到中继的作用， 是系统的重要组成部分 ， 主要完 成 2个任务 1 将各个读卡器传送来 的数据进行 整理 加工 ， 组合成 地 面 监 控 主机 需 要 的有 效 信 息 帧 并存储 ； 2 适 时 与地面 监控 主机 “ 对话 ” ， 将数 据传 送至地面监控主机。人载标识卡由井下工作人员随 身佩戴， 自动定时发送报文 。读卡器用于采集井下 巷道 内工 作人员 信 息即人 载标识 卡所 发报文 。 读 卡器 悬 挂 于矿 井巷 道 内壁 ， 分 布 于整 个 地 下 矿井 中， 负责 采集 人员位 置信息 。各读 卡器通 过 C AN 总线 与分站 相连 ， 各 分 站 又经 过 C AN 总 线 和 通信 网关与地面监控主机进行通信。 2系统 工作原 理 人载标识卡内配置对应每个员工 的唯一身份认 证序列号 。读卡器也配置一个互不相 同的唯一读卡 器号， 该读 卡号对应 着矿井下某个具体地理位 置。 人载标识卡 自动周期性地发送包含 自己序列号的报 文 。当某 个人 载标 识卡进 入读 卡器能 够感应 的范 围 内时， 读卡器实时地接收来 自标识卡的报文 ， 并提取 报文中的标识卡序列号 ， 同时读 卡器将 自身 的读卡 器 号与 提取 的标识 卡 号 打 包并 向对 应 的分 站 发 送 。 分 站将 接收 的数据 包 再 次 进行 处 理 ， 如 提取 必 要 的 数据、 添加实时时间等相关有用信息 ， 最终发送至地 面监控 主机 。地 面监控 主机 通过管 理软件 的处 理 即 可根据 读卡 器号 、 人 载标 识 卡 序 列 号及 时 间 等相 关 信息确定某个工作人员某时所在 的地理位置 ， 从而 准确地掌握井下人员的位置分布情况。 3 低 功耗 人载标 识 卡设计 本系统除人载标识卡外其它设备都 由工业 电源 供电， 由于人载标识卡由工作人员随身携带 ， 电源只 能使用化学电池。因此 ， 如何 高效 、 方便地使 用电 池 ， 延长电池使用寿命就成为人载标识卡设计面临 的首要 问题 。 人载标识卡由微控制器模块 、 射频收发模块和 电源模 块构成 ， 如 图 2所示。电源模块采 用 1节 5 0 0 mA h 、 3 ． 3 V 的钮扣 电池 。 图 2 人载标识卡结构框图 3 ． 1硬 件 设 计 与 实现 为降低功耗 ， 微控制器模块及射频收发模块必 须选用 低 功耗器 件 。 Mi c r o c h i p公司的 P I C系列单片机为设计高性 能、 低价格 、 低功耗的单片机系统提供了很好的解决 方案。该人载标识卡 即选择 了 P I C1 8 F 2 5 8 0单片机 作为主控制器。它采用纳瓦技术 ， 具有在工作 时显 著降低功耗的功能； 提供 7种工作模式 、 3种类别 的 功耗 管理模 式 ， 可 以更 有 效 地 进 行 功 耗 管理 。7种 工作模式提供了多种选择 ， 可在资源受限的应用 即 电池供 电的设备 中节省功耗， 其中空闲模式时电流 可降至 2 ． 5肛 A， 休眠模式时电流可降至 i 0 0 n A。 射频 收发模 块则选 择 由 C h i p c o n公 司推 出的首 款符 合 2 ． 4 GHz I E E E 8 0 2 ． 1 5 ． 4标 准 的射 频 收发 芯 片 C C 2 4 2 o 。它基 于 C h i p c o n公 司 的 S ma r t R F 0 3 技术 ， 以 0 ． 1 8 m C MOS工 艺 制成 ， 只需 极 少 的外 部元 器 件 ， 性 能 稳 定 且 功 耗 极 低 。C C 2 4 2 0的选 择 性 和敏 感 性 指数 超 过 了 I E E E 8 0 2 ． 1 5 ． 4标 准 的要 求 ， 可确保 短距离 通信 的有效性 和可靠 性。利用 C C 2 4 2 O开发的无线通信设备支持数据传输率高达 2 5 0 k b p s ， 可 以 实 现 多 点 对 多 点 的 Z i g B e e快 速 组 网， 也为将来煤矿井下组网提供了可扩展性 。 C C 2 4 2 0 只 需 很 少 的 外 围 元 件 就 可 与 P I C 1 8 F 2 5 8 0 构 成 一 个 无 线 通 信 系 统 。C C 2 4 2 o为 信息包处理提供广泛的硬件支持， 如数据缓冲器、 数 据加密 、 数据证 明、 空 闲信道评估 、 链路质量指示和 信息包实时资料等， 减少 了 P I C 1 8 F 2 5 8 0的工作量 ， 降 低 了 P I C 1 8 F 2 5 8 0 的 功 耗 ，也 使 C C 2 4 2 0 与 P I C 1 8 F 2 5 8 0连 接 简 便 。 C C 2 4 2 0 通 过 S P I接 口 C S n 、 S O、 S I 、 S C L K 就 可与 P I C I 8 F 2 5 8 0进 行数 据 交换 ， 接 收来 自处理 器 的命令 ， 使用 S F D、 F I F O、 F I F OP 、C C A 等 引 脚 标 识 收 发 数 据 的 状 态 。 C C 2 4 2 0与 P I C 1 8 F 2 5 8 0的接 口连接 如 图 3所示 。 CC24 20 PI Cl 8 F25 80 F I F O 1 d 5 CCA RB S F D ⋯ 1 1 1 5 2 FI FOP RB3 CS n RC0 S I S D0 S O n SCLK 图 3 C C 2 4 2 O与 P I C I 8 F 2 5 8 0的接 口连接 图 为了降低功耗 ， 需要避免 由 P I C I 8 F 2 5 8 0悬空 的输入引脚引起的转换电流 ， 因此 ， 在硬件电路设计 时， 应将所有不用的 i ／ o引脚置为高电平 。 2 0 0 9年 第 3期 颜 丙磊 等 基 于低 功耗 标识 卡 的井 下人 员定位 系统 的设 计 4 5 3 ． 2 软 件设 计 与 实现 通 过软件 程 序 对 P I C 1 8 F 2 5 8 0和 C C 2 4 2 0进 行 如下一些必要设置 ， 优化程序的执行 ， 使人载标识卡 在发 送数 据时 的执 行 时 间 最短 ， 也能 够 达 到 减 少 功 耗 的 目的 。 3 ． 2 ． 1 减少数据通信量 人载标识卡发送数据时 ， 应尽量提 高数据的发 送效率 ， 减少数据冗余 。该人载标识卡使用 自定义 的数据帧结构， 只需发送 2 B的 自身短地址和 2 B 的 F C S ， 相 比 I E E E 8 0 2 ． 1 5 ． 4的数据帧结构 如表 1 所示 ， 减少了数据发送量 ， 从而减少了发送时 间和 功耗 。 表 1 I E E E 8 0 2 ． 1 5 ． 4的数据 帧结 构表 C C 2 4 2 O硬件支 持载波侦 听多路 访 问／ 冲突 检 测 C S MA／ C A 功能 。当多 个人 载标 识 卡 同时发 送 数据 时容易 引发 数据 冲 突 ， 需 要 重 新 发 送 而造 成 了 能量 浪 费 。在 发 送 数 据 前 可 以 利用 C S MA／ C A 功 能监听信道是否空闲， 若信道忙 ， 可以通过软件设置 一 定的回退时间再次监听信道， 当信道空闲时再将 数据发送出去 ， 减少了冲突， 有效地节约 了能量 。 3 ． 2 ． 2 减少休眠时功耗 C C 2 4 2 O 存在发送 、 接收 、 空闲和掉电 4种状态 。 C C 2 4 2 O在发 送 和接收状 态下 的工作 电流分 别 为 1 7 ． 4 mA和 1 9 ． 7 mA； 在空 闲状态时 ， 其发射机 和 接收机关闭， 内部 电压调节器关 闭， 但 晶振 仍在运 行 ， 此 时 的工 作 电流 为 4 2 6 A； 掉 电状 态 较 之 空 闲 状态其晶振也处于关 闭状态 ， 工作电流仅为 2 O A。 从 上 述 数 据 可 看 到 ， C C 2 4 2 0应 减 少 发 送 和 接 收 时 间 ， 增长 掉 电状 态 时间 ， 以达 到节能 目的 。 人载标识卡完成数据发送任务后 ， 尽快进入休 眠 状 态 是 降 低 功 耗 的 根 本。 该 标 识 卡 使 P I C 1 8 F 2 5 8 0工作在休眠一唤醒～休 眠的工作模式 下， 在被唤醒时控制 C C 2 4 2 0发送数据 ， 在进入休眠 状态之 前 将 C C 2 4 2 0的 VR E G E N 引 脚 置 为 低 电 平， 使 C C 2 4 2 O处于掉电状态 ， 就这样能够最大 限度 地降低功耗。人载标识卡工作流程如图 4所示。 由于系统大部分 的时间处 于休眠状态， 为 了减 小 P I C I 8 F 2 5 8 0休眠时的耗 电量 ， 应 在休眠时将所 有用到的 I ／ O引脚接至 D D 或 S s ， 以确保没有外部 电路从 Uo引脚上 引出电流 ， 同时关闭 A／ D转换 ， 禁止外部 时钟 ， 且 T O C K1输入端接 到 VD D 或 V ， P O RT B端口引脚使能片内上拉。 P I C 1 8 F 2 5 8 0、 C C 2 4 2 0 初始化 。叶 人载标识卡发送数据 t J C C 2 4 2 0 掉电 I l P C 8 F 2 5 8 0 进 入 休 眠 模 式l P ] c l s r 2 s s o N lW J ● C C 2 4 2 0稳定工作 图 4人 功 标识 卡 工 作 流 程 图 人 载标 识 卡采用 使能 监视 定 时器 的方 式使 P I C 1 8 F 2 5 8 0每 4 S 从休眠状态中被唤醒 1 次 ， 唤醒 后数据发送时间仅 为 2 ． 5 ms 。完成各种省 电设置 后， 测得人载标识卡发送数据时 电流和休 眠时 电流 分 别 为 2 0 mA 和 5 0 A。此 时 1节 5 0 0 mA h的 电池 可工作 3 3 3 d 。 C C 2 4 2 0的发射功率是可编程的， 共有 8 个档位 可供选择， 且发射电流在 8 ． 5 ～1 7 ． 4 mA 范围内可 控 。在保证通信质量的同时进行适当的发射功率和 发射电流的调节也能够降低人载标识卡的功耗 。 4结语 该人员定位系统基于射频通信技术 ， 通过有线 与无线相结合的方式 ， 实现 了简单高效 的人员定位 与跟踪功能。人载标识卡采用低功耗设计 ， 可保证 工作寿命在3 0 0 d 以上 ， 解决 了人载标识卡功耗大 、 需要经常更换电池的瓶颈 。该人员定位系统具有利 于矿山安全急救和提高生产效率的优点 ， 是 一种实 用 的井下 人员 跟 踪 定 位 系 统 。 目前 ， 该 人员 定 位 系 统 已经处 于调 试 和试运 行 阶段 ， 运 行 效果 良好 。 参考文献 E l i 王坤 ， 林 明星． 一种 基于 人员 定位 的矿井 综 合通 信 系统I- J ] ． 计算机应用研究 ， 2 0 0 5 8 2 1 7 2 1 9 ． [ 2 ] 刘和平 ， 刘 林 ， 余 红欣 ， 等． P I C 1 8 F X X X单 片机原 理 及接 口程序 设 计 [ M3 ．北京 北 京航 空航 天 大 学 出版社 ， 2 0 0 4 ． I- 3 ] 代忠， 樊晓光 ， 万 明， 等． 基于射频 芯片 C C 2 4 2 0的 Z i g B e e 无 线通信节点 设计 E J ] ． 传感 器世界 ， 2 0 0 6 5 41 ～ 4 4． [ 4 ] 任凯 ， 华钢． 井下人员定位系统微功率标识 卡设计 [ J ] ． 矿山机械 ， 2 0 0 8 2 3 7 4 0 ．