煤礦井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)工作原理及應(yīng)用探討

1、煤礦井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)工作原理及應(yīng)用探討煤礦井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)工作原理及應(yīng)用探討摘要：介紹了井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)的工作原理和其在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用情況，指出并分析了系統(tǒng)目前存在的缺陷，提出了一種簡(jiǎn)單易行的解決方案。實(shí)踐表明，這種方案能很好地彌補(bǔ)之前系統(tǒng)中存在的不足。提高人員定位系統(tǒng)在人員定位和災(zāi)難期間的救護(hù)能力。關(guān)鍵詞：煤礦；井下；人員管理在近幾年發(fā)生的多起煤礦重大安全責(zé)任事故中，反映出了一個(gè)共性問(wèn)題：即部分煤礦生產(chǎn)企業(yè)勞動(dòng)組織管理混亂，表現(xiàn)為職工考勤制度執(zhí)行不嚴(yán)，提前升井現(xiàn)象十分普遍，下井登記、檢身管理混亂，煤礦井下人員的數(shù)量、實(shí)時(shí)分布情況難于掌控。1煤礦井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)工作原理煤礦井

2、下作業(yè)人員管理系統(tǒng)由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)組成，其中，軟件系統(tǒng)包括應(yīng)用軟件和嵌入式軟件兩部分，主要完成信息的采集、識(shí)別、加工及其傳輸，構(gòu)建不同的應(yīng)用系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)包括地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)、傳輸適配器、射頻讀寫(xiě)器、射頻識(shí)別卡和天線(xiàn)等組成，見(jiàn)圖 1。主要完成信息采集和識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)人員識(shí)別、人員定位的功能。1.1 井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)硬件設(shè)備工作原理1.1.1 射頻識(shí)別卡和讀寫(xiě)器工作原理(1)射頻識(shí)別卡：每個(gè)射頻識(shí)別卡具有唯一的電子編碼，其內(nèi)部?jī)?chǔ)存著特殊信息，用來(lái)標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象。識(shí)別卡平時(shí)處于睡眠狀態(tài)，當(dāng)進(jìn)入系統(tǒng)工作區(qū)后，射頻卡被激活工作，進(jìn)行射頻數(shù)據(jù)的收發(fā)。識(shí)別卡通常隨身攜帶。射頻識(shí)別卡通常集成有射頻前端、

3、邏輯控制、存儲(chǔ)器等電路，有的甚至將天線(xiàn)一起集成在同一芯片上。當(dāng)射頻識(shí)別卡進(jìn)入讀寫(xiě)器的射頻場(chǎng)后，由其天線(xiàn)獲得的感應(yīng)電流通過(guò)射頻前端電路檢得數(shù)字信號(hào)送入邏輯控制電路進(jìn)行信息處理；所需回復(fù)的信息則從存儲(chǔ)器中獲取經(jīng)由邏輯控制電路送回射頻前端電路，最后通過(guò)天線(xiàn)發(fā)回給讀寫(xiě)器。(2)射頻讀寫(xiě)器：每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝一個(gè)射頻讀寫(xiě)器，射頻讀寫(xiě)器將低頻的加密數(shù)據(jù)載波信號(hào)經(jīng)發(fā)射天線(xiàn)向外發(fā)送，用來(lái)激活進(jìn)入該區(qū)域的識(shí)別卡；同時(shí)把接收天線(xiàn)接收來(lái)的識(shí)別卡的高頻載波信號(hào)進(jìn)行放大、解調(diào)。提取有效的數(shù)字信號(hào)通過(guò) RS485 等總線(xiàn)傳給地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)。RHD 讀寫(xiě)器，讀寫(xiě)模塊的核心部分包括一個(gè)控制用微處理器和一個(gè) RFID 基站芯片。它

4、能獨(dú)立完成對(duì)符合 ISO15693 標(biāo)準(zhǔn)卡片的所有操作，它還具有與用戶(hù)主系統(tǒng)的串行通信能力，可根據(jù)用戶(hù)系統(tǒng)的命令完成對(duì) RHD 卡的讀寫(xiě)操作。并將所得數(shù)據(jù)返回給用戶(hù)系統(tǒng)，這個(gè)用戶(hù)系統(tǒng)可以是一個(gè)主控板或 PC 機(jī)。RFID 讀寫(xiě)模塊提供多種通信方式與用戶(hù)系統(tǒng)進(jìn)行通信，極大地方便了用戶(hù)的連接。RHD 讀寫(xiě)器，讀寫(xiě)模塊硬件主要由中央微處理器(89C52)、RFID 基站芯片、高頻電路、模塊天線(xiàn)、RS232 通信電路、復(fù)位電路、LED 狀態(tài)顯示和喇叭驅(qū)動(dòng)電路等組成。其硬件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 2。1.1.2 天線(xiàn)設(shè)計(jì)原理射頻天線(xiàn)含發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)，與井下射頻讀寫(xiě)器連接，形成監(jiān)測(cè)點(diǎn)，完成與識(shí)別卡的通訊。發(fā)射天線(xiàn)用

5、于發(fā)射天線(xiàn)電信號(hào)以激活識(shí)別卡，接收天線(xiàn)接收識(shí)別卡發(fā)出的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)。射頻天線(xiàn)固定在巷道頂部，采用同軸電纜與監(jiān)測(cè)點(diǎn)連接，連接距離不大于 10m 為佳。RFID 的天線(xiàn)主要有線(xiàn)圈型、微帶貼片型、偶極子型 3 種基本形式的天線(xiàn)。其中，小于 1m 的近距離應(yīng)用系統(tǒng)的 RFID 天線(xiàn)一般采用工藝簡(jiǎn)單、成本低的線(xiàn)圈型天線(xiàn)，它們主要工作在中低頻段。而 1m 以上遠(yuǎn)距離的應(yīng)用系統(tǒng)需要采用微帶貼片型或偶極子型的 RFID 天線(xiàn)，它們工作在高頻及微波頻段。在遠(yuǎn)距離耦合的 RHD 應(yīng)用系統(tǒng)中，最常用的是偶極子天線(xiàn)(又稱(chēng)對(duì)稱(chēng)振子天線(xiàn))。偶極子天線(xiàn)及其演化形式見(jiàn)圖 3，其中，偶極子天線(xiàn)由兩段同樣粗細(xì)和等長(zhǎng)的直導(dǎo)線(xiàn)排成一條

6、直線(xiàn)構(gòu)成，信號(hào)從中間的兩個(gè)端點(diǎn)饋入，在偶極子的兩臂上將產(chǎn)生一定的電流分布，這種電流分布就在天線(xiàn)周?chē)臻g激發(fā)電磁場(chǎng)，利用麥克斯韋方程就可以求出其輻射場(chǎng)強(qiáng)。當(dāng)單個(gè)振子臂的長(zhǎng)度為4 時(shí)，輸入阻抗的電抗分量為零，天線(xiàn)輸入阻抗可視為一個(gè)純電阻。在忽略天線(xiàn)粗細(xì)的橫向影響下，簡(jiǎn)單的偶極子天線(xiàn)設(shè)計(jì)可以取振子的長(zhǎng)度為4 的整數(shù)倍。如工作頻率為 2.45GHz 的半波偶極子天線(xiàn)，其長(zhǎng)度約為 6cm。當(dāng)要求偶極子天線(xiàn)有較大的輸入阻抗時(shí)，可采用圖 3(b)的折合振子。1.1.3 地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過(guò)對(duì)讀寫(xiě)器傳送來(lái)的編碼信號(hào)進(jìn)行分析，識(shí)別出人員的身份、位置，并將相關(guān)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)，可直觀動(dòng)態(tài)顯示井下人員的分布情況

7、。1.1.4 傳輸適配器傳輸適配器安裝在監(jiān)控計(jì)算機(jī)旁邊，作為數(shù)據(jù)傳輸接口，適配器帶有RS232RS485 接口，可以連接多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn) 20km 以?xún)?nèi)的遠(yuǎn)距離信息傳輸。根據(jù)巷道分布圖布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)通過(guò)礦用通訊電纜或光纜組網(wǎng)，與傳輸適配器連接，傳輸適配器通過(guò) RS232 與監(jiān)控計(jì)算機(jī)連接。1.2 井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)工作原理煤礦井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為嵌入式軟件和應(yīng)用軟件，嵌入式軟件主要針對(duì)井下硬件設(shè)備開(kāi)發(fā)，完成井下實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、傳輸及處理，形成井上數(shù)據(jù)庫(kù)；應(yīng)用軟件以數(shù)據(jù)庫(kù)為核心完成井下人員定位系統(tǒng)的員工管理和考核統(tǒng)計(jì)等功能。嵌入式軟件設(shè)計(jì)主要包括讀寫(xiě)器軟件設(shè)計(jì)和射頻識(shí)

8、別卡軟件設(shè)計(jì)。1.2.1 讀寫(xiě)器軟件設(shè)計(jì)讀寫(xiě)器上電，電源指示燈亮，經(jīng)初始化后，首先從撥碼開(kāi)關(guān)上讀取相應(yīng)的信息，然后確定本機(jī)的地址、要采取哪種無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，采用多大的通信速率進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。按照確定無(wú)線(xiàn)通訊協(xié)議接收射頻識(shí)別卡信息，接收到，同時(shí)進(jìn)行聲光提示。如果協(xié)議需要校驗(yàn)，則對(duì)接收到的射頻識(shí)別卡進(jìn)行相應(yīng)的校驗(yàn)，校驗(yàn)合格后，識(shí)別卡信息加上進(jìn)入標(biāo)志一起存入上傳通信緩存區(qū)，同時(shí)，也把識(shí)別卡信息寫(xiě)入無(wú)線(xiàn)接收存儲(chǔ)區(qū)，該識(shí)別卡進(jìn)入時(shí)間計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。在一段時(shí)間內(nèi)，若這張標(biāo)識(shí)卡信息再次被接收到，則計(jì)數(shù)器清零，重新計(jì)數(shù)；否則，把標(biāo)識(shí)卡加上出去標(biāo)志一起存人上傳通信緩存區(qū)，清除該標(biāo)識(shí)卡在無(wú)線(xiàn)接收存儲(chǔ)區(qū)的信息。在此期間

9、，接收到上傳數(shù)據(jù)的命令，經(jīng)驗(yàn)證命令準(zhǔn)確，則按協(xié)議上傳數(shù)據(jù)，同時(shí)通信指示燈閃爍，待接收到下一幀數(shù)據(jù)，同時(shí)把前一幀數(shù)據(jù)從上傳通信緩存區(qū)清除。1.2.2 射頻識(shí)別卡軟件設(shè)計(jì)識(shí)別卡軟件主要有以下 3 部分組成：主程序模塊、電源低電壓檢測(cè)程序模塊、組織發(fā)送數(shù)據(jù)程序模塊。主程序模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)微處理器 MCU 和發(fā)射芯片的初始化配置，然后進(jìn)入掉電模式，以節(jié)省電能；電源低電壓檢測(cè)程序模塊負(fù)責(zé)對(duì)電池電壓的定時(shí)監(jiān)測(cè)，在識(shí)別卡上完成欠壓指示功能的同時(shí)，把欠壓信息送人發(fā)射緩沖區(qū)，作為識(shí)別卡發(fā)送數(shù)據(jù)包的一部分進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸；組織發(fā)送數(shù)據(jù)程序模塊完成接收地址、識(shí)別卡號(hào)、校驗(yàn)碼及電池狀態(tài)等有效信息由微處理器到發(fā)射模塊的低速傳遞。

10、其中，電源低電壓檢測(cè)程序和組織發(fā)送數(shù)據(jù)程序共同構(gòu)成識(shí)別卡的中斷程序。1.2.3 上位機(jī)應(yīng)用軟件界面設(shè)計(jì)為了達(dá)到直觀、形象、動(dòng)態(tài)地顯示井下巷道布置情況，準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)人員定位的目的，大多數(shù)系統(tǒng)會(huì)引入第三方圖形控件，將井下巷道布置圖引入到上位機(jī)軟件中，可以在圖形上實(shí)時(shí)觀察各個(gè)站點(diǎn)的人員信息，當(dāng)發(fā)生異常時(shí)候還可以監(jiān)測(cè)到實(shí)時(shí)報(bào)警信息。在上位機(jī)軟件主界面上可實(shí)現(xiàn)如下功能：(1)定位：在圖形上標(biāo)注不同的區(qū)域，通過(guò)上位機(jī)軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將各個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)信息顯示在圖上對(duì)應(yīng)的位置，并可查看當(dāng)前該區(qū)域有哪些人員。(2)實(shí)時(shí)顯示：可在界面上查看各個(gè)區(qū)域人員的流動(dòng)情況。包括進(jìn)出限制區(qū)域、中點(diǎn)區(qū)域時(shí)間，超員報(bào)警、超時(shí)報(bào)警、工作異常報(bào)警等。(3)報(bào)