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，提出了一種簡單易行的解決方案。實踐表明，這種方案能很好地彌補之前系統(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任事故中，反映出了一個共性問題：即部分煤礦生產(chǎn)企業(yè)勞動組織管理混亂，表現(xiàn)為職工考勤制度執(zhí)行不嚴，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、實時分布情況難于掌控。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)控計算機、傳輸適配器、射頻讀寫器、射頻識別卡和天線等組成，見圖 1。主要完成信息采集和識別，從而實現(xiàn)人員識別、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 射頻識別卡和讀寫器工作原理(1)射頻識別卡：每個射頻識別卡具有唯一的電子編碼，其內(nèi)部儲存著特殊信息，用來標識目標對象。識別卡平時處于睡眠狀態(tài)，當進入系統(tǒng)工作區(qū)后，射頻卡被激活工作，進行射頻數(shù)據(jù)的收發(fā)。識別卡通常隨身攜帶。射頻識別卡通常集成有射頻前端、

3、邏輯控制、存儲器等電路，有的甚至將天線一起集成在同一芯片上。當射頻識別卡進入讀寫器的射頻場后，由其天線獲得的感應(yīng)電流通過射頻前端電路檢得數(shù)字信號送入邏輯控制電路進行信息處理；所需回復(fù)的信息則從存儲器中獲取經(jīng)由邏輯控制電路送回射頻前端電路，最后通過天線發(fā)回給讀寫器。(2)射頻讀寫器：每個監(jiān)測點安裝一個射頻讀寫器，射頻讀寫器將低頻的加密數(shù)據(jù)載波信號經(jīng)發(fā)射天線向外發(fā)送，用來激活進入該區(qū)域的識別卡；同時把接收天線接收來的識別卡的高頻載波信號進行放大、解調(diào)。提取有效的數(shù)字信號通過 RS485 等總線傳給地面監(jiān)控計算機。RHD 讀寫器，讀寫模塊的核心部分包括一個控制用微處理器和一個 RFID 基站芯片。它

4、能獨立完成對符合 ISO15693 標準卡片的所有操作，它還具有與用戶主系統(tǒng)的串行通信能力，可根據(jù)用戶系統(tǒng)的命令完成對 RHD 卡的讀寫操作。并將所得數(shù)據(jù)返回給用戶系統(tǒng)，這個用戶系統(tǒng)可以是一個主控板或 PC 機。RFID 讀寫模塊提供多種通信方式與用戶系統(tǒng)進行通信，極大地方便了用戶的連接。RHD 讀寫器，讀寫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、RS232 通信電路、復(fù)位電路、LED 狀態(tài)顯示和喇叭驅(qū)動電路等組成。其硬件結(jié)構(gòu)見圖 2。1.1.2 天線設(shè)計原理射頻天線含發(fā)射天線和接收天線，與井下射頻讀寫器連接，形成監(jiān)測點，完成與識別卡的通訊。發(fā)射天線用

5、于發(fā)射天線電信號以激活識別卡，接收天線接收識別卡發(fā)出的無線電信號。射頻天線固定在巷道頂部，采用同軸電纜與監(jiān)測點連接，連接距離不大于 10m 為佳。RFID 的天線主要有線圈型、微帶貼片型、偶極子型 3 種基本形式的天線。其中，小于 1m 的近距離應(yīng)用系統(tǒng)的 RFID 天線一般采用工藝簡單、成本低的線圈型天線，它們主要工作在中低頻段。而 1m 以上遠距離的應(yīng)用系統(tǒng)需要采用微帶貼片型或偶極子型的 RFID 天線，它們工作在高頻及微波頻段。在遠距離耦合的 RHD 應(yīng)用系統(tǒng)中，最常用的是偶極子天線(又稱對稱振子天線)。偶極子天線及其演化形式見圖 3，其中，偶極子天線由兩段同樣粗細和等長的直導線排成一條

6、直線構(gòu)成，信號從中間的兩個端點饋入，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周圍空間激發(fā)電磁場，利用麥克斯韋方程就可以求出其輻射場強。當單個振子臂的長度為4 時，輸入阻抗的電抗分量為零，天線輸入阻抗可視為一個純電阻。在忽略天線粗細的橫向影響下，簡單的偶極子天線設(shè)計可以取振子的長度為4 的整數(shù)倍。如工作頻率為 2.45GHz 的半波偶極子天線，其長度約為 6cm。當要求偶極子天線有較大的輸入阻抗時，可采用圖 3(b)的折合振子。1.1.3 地面監(jiān)控計算機通過對讀寫器傳送來的編碼信號進行分析，識別出人員的身份、位置，并將相關(guān)信息進行實時顯示、存儲，可直觀動態(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)控計算機旁邊，作為數(shù)據(jù)傳輸接口，適配器帶有RS232RS485 接口，可以連接多個監(jiān)測點，實現(xiàn) 20km 以內(nèi)的遠距離信息傳輸。根據(jù)巷道分布圖布置監(jiān)測點，各監(jiān)測點通過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 RS232 與監(jiān)控計算機連接。1.2 井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)軟件設(shè)計工作原理煤礦井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)軟件設(shè)計分為嵌入式軟件和應(yīng)用軟件，嵌入式軟件主要針對井下硬件設(shè)備開發(fā)，完成井下實時數(shù)據(jù)的采集、傳輸及處理，形成井上數(shù)據(jù)庫；應(yīng)用軟件以數(shù)據(jù)庫為核心完成井下人員定位系統(tǒng)的員工管理和考核統(tǒng)計等功能。嵌入式軟件設(shè)計主要包括讀寫器軟件設(shè)計和射頻識

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

9、，接收到上傳數(shù)據(jù)的命令，經(jīng)驗證命令準確，則按協(xié)議上傳數(shù)據(jù)，同時通信指示燈閃爍，待接收到下一幀數(shù)據(jù)，同時把前一幀數(shù)據(jù)從上傳通信緩存區(qū)清除。1.2.2 射頻識別卡軟件設(shè)計識別卡軟件主要有以下 3 部分組成：主程序模塊、電源低電壓檢測程序模塊、組織發(fā)送數(shù)據(jù)程序模塊。主程序模塊實現(xiàn)對微處理器 MCU 和發(fā)射芯片的初始化配置，然后進入掉電模式，以節(jié)省電能；電源低電壓檢測程序模塊負責對電池電壓的定時監(jiān)測，在識別卡上完成欠壓指示功能的同時，把欠壓信息送人發(fā)射緩沖區(qū)，作為識別卡發(fā)送數(shù)據(jù)包的一部分進行無線傳輸；組織發(fā)送數(shù)據(jù)程序模塊完成接收地址、識別卡號、校驗碼及電池狀態(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，電源低電壓檢測程序和組織發(fā)送數(shù)據(jù)程序共同構(gòu)成識別卡的中斷程序。1.2.3 上位機應(yīng)用軟件界面設(shè)計為了達到直觀、形象、動態(tài)地顯示井下巷道布置情況，準確地實現(xiàn)人員定位的目的，大多數(shù)系統(tǒng)會引入第三方圖形控件，將井下巷道布置圖引入到上位機軟件中，可以在圖形上實時觀察各個站點的人員信息，當發(fā)生異常時候還可以監(jiān)測到實時報警信息。在上位機軟件主界面上可實現(xiàn)如下功能：(1)定位：在圖形上標注不同的區(qū)域，通過上位機軟件對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，將各個區(qū)域的數(shù)據(jù)信息顯示在圖上對應(yīng)的位置，并可查看當前該區(qū)域有哪些人員。(2)實時顯示：可在界面上查看各個區(qū)域人員的流動情況。包括進出限制區(qū)域、中點區(qū)域時間，超員報警、超時報警、工作異常報警等。(3)報