井下人员定位系统毕业设计(5)

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对各系统的相关资料进行收集、分析和处理，同时根据历史的和现有的资料，对矿井的整体安全性进行预测，实现煤矿安全管理由事后管理到事前管理的跨越。

3.2系统功能与特点

将读写器安装在井下一些重要的恫室、危险场合(如盲巷)等需要监控的地方，分布区域的大小可视井下具体环境而定。电子标签内嵌在井下工人的矿灯、安全帽和腰带等任何随身必备物品中，无需附加携带装备。在井下，员工只要穿过感应区域，读写器就将接收到的数据经传输电缆传送到地面中心站，处理后保存到数据库服务器中。可实现的功能包括:

(l)考勤管理功能

通过操作平台专用管理软件对下井人员进行下井次数、井下停留时间等信息分类统计，便于考核，实现工作人员的考勤统计管理功能和有关报表的打印。

(2)安全保障功能

系统根据数据库中储存下来的历史数据信息，可迅速知道井下人员及重要设 备的分布情况，一旦出现矿井灾难，可对现场被困人员进行定位和搜寻，便于有效救护。

(3)生产调度功能

通过调用数据库中的数据，可以查询井下人员分布情况并根据需要迅速进行人员调配，实现井下有限资源的优化配置，达到事半功倍的效果。

(4)信息联网功能

作为整个煤矿的信息网的一部分，可以提供功能完善的数据库，随时调用该煤矿在一段时间内相关人员以及设备的统计数据，以利于科学研究和对人员设备等进行管理。

（5）禁区报警功能:对于指定的禁区，如果有人员进入，实时声音报警，显示进入禁区的人员人员轨迹查询。 系统具有以下特点:

(1)信号的穿透能力强，数据传输量小，抗干扰能力强，感应灵敏，易于维护和操作。

（2）使用CAN总线型网络拓扑结构

煤矿开采是不断进行的，如果采用的网络结构不能合理的增加节点数目，会给系统的使用造成不便。在本设计中，总线型网络只需增加一段电缆和固定监控节点就可增加一个节点，这使得井下人员定位系统可以随着煤矿的开采而不断的扩充。

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(3)系统有较高的可靠性

射频识别系统的读写距离是一个十分关键的参数，目前长距离射频识别系统的价格还很贵，所以为避免过长距离导致的数据传输不稳定、不完整。

(4)系统有较高的识别率

系统采用了先进的防冲突通讯技术，有效地解决了多标签同时识别的问题。当有多个射频标签同时进入读写器检测区域时，读写器可将各标签信息依次读出。

(5)抗干扰能力强：系统工作在860-930MHz开放频段。有多个工作频率可供使用，可以有效避免与其他设备的相互干扰。别处，高频信号在巷道内衰减较小，非常适合井下应用。

(6)无硬件接触，阅读距离远

避免了因机械接触而产生的各种故障，电子标签的芯片按不同的应用要求封装，适合恶劣环境条件(如温、湿变化大，灰尘多，难以保持卡面清洁的井下环境)下工作。并且调频或微波读写器识别距离可达0—10米。

(7)超低功耗

电子标签在不更换电池的情况下可正常工作2年以上。

3.3定位系统组成

定位系统主要由井上网络与井下网络两部分设备组成，如图3—1所示。井上网络设备主要由监控中心(包括服务器)及共享网络终端等组成:井下网络设备井监控基站、通信网络组成。以CAN总线作为主传输途径，开发相应的煤矿井下人员监控基站，配合天线、读写器、电子标签、传输介质等与监控中心挂接，从而实现井下作业人员的定位和安全管理。

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图3-1系统结构组成

3.3.1井上监控中心

井上监控中心的监控主机是整个系统的关键部位，负责对整个系统进行管理。监控主机通过CAN网络适配器与系统监控节点（基站）通信，同时由基站通过RS-485总线与其他远程系统监控节点（读写器）或现有的矿井监控系统进行连接，实现信息共享。具体来说，监控主机具有以下功能:

1)组态功能

监控主机可以设定整个系统的规模，并且对每个系统监控节点的属性进行配置;

2)数据采集

监控主机通过CAN总线与系统各监控节点进行通信，由系统监控节点上传其采集到的实时位置信息以及历史位置信息，以实现对煤矿井生产现场的工作人员定位;

3)运行轨迹显示

监控主机将人员位置在界面上进行显示，同时通过曲线来模拟矿井现场的员工运行轨迹;

4）数据存储

监控主机能够按一定的格式保存有限时间段内的历史数据;

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5)报表打印 6)通信

除了与系统监控节点通信之外，监控主机可以通过局域网与工厂网络系统进行数据交换，实现矿井现场的远程浏览。因此，监控主机的工作稳定与否直接关系到整个系统功能的实现。另外，由于矿井所处的生产环境恶劣，到处充满着，对于监控主机的抗干扰能力要求较高，所以，本系统选用稳定性能好、工作可靠、配置高的工业控制计算机(工控机)作为监控主机，这是因为:

首先，工控机比较适用于工业生产现场，操作系统与PC机相同，容易操作，方便工作人员尽快上手。而且，从工业控制到自动化再到行业的应用，只要客户有需求，厂商就可针对不同的行业进行定制的开发。

其次，由于生产工艺、技术的不断提高，工控机的稳定性能也在不断提高，每个月只会“死”一次机，且价格适中。

第三，工控机具有在粉尘、烟雾、高低温、潮湿、震动、腐蚀的快速诊断和可维护性。

第四，工控机的主板上预留有多条各种类型的扩展槽，为定位系统以后的功能扩展提供了条件，并且可以方便地利用局域网通信，使本监控系统与企业相关的生产管理部门联网，以便于统一调度和管理。

总之，选用工控机作为系统的监控主机，既具有良好的抗干扰能力，又具有一定的通用性和可扩展性。 3.3.2通信网络

(l)通信网络

在人员定位系统中，选择什么样的通信网络对整个系统起着举足轻重的作用对整个定位系统而言，数据通信的实时性是系统正常工作的前提，系统稳定可是系统工作的基础。所以，必须选择一个合适的通信网络以使整个系统的工作协调起来。

目前现场总线的种类非常多，且各具特色。经过充分的论证，本系统决定选用CAN总线与RS-485总线组成的混合组网作为系统的通信网络。

主要是从以下几个方面来考虑的:

首先，CAN总线具有实时性强和可靠性高的特点。CAN是由ISO定义的一种多主方式的串行通讯总线，它的基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。一个由CAN总线构成的单一网络中，理论上可以挂接无数个节点。实际应用中，节点数目受网络硬件的电气特性所限制。例如，当使用Philips P82C250作为CAN收发器时，同一网络中允许挂接110个节点。CAN可提供高达1Mbit/s的数据传输速率，这使实时控制变得非常容易。当

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信号传输距离达到10km时，CAN总线仍可提供高达5kbps的数据传输速率。另外，硬件的错误检定特性也增强了CAN的抗电磁干扰能力。

CAN控制器工作于多主方式，网络中的各节点都可根据总线访问优先权(取决于报文标识符)采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，且CAN协议废除了站地址编码，而代之以对通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到相同的数据，这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，容易构成冗余结构。并且CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性，提高系统的可靠性和系统的灵活性。

其次，CAN总线通过CAN控制器接口芯片82C250的两个输出端CANesH和CAN--L与物理总线相连，而Cannes端的状态只能是高电平或悬浮状态，CAN_L端只能是低电平或悬浮状态。这就保证不会出现象在RS485网络中，当系统有错误，出现多节点同时向总线发送数据时，导致总线呈现短路，从而损坏某些节点的现象。而且CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，从而保证不会出现象在网络中，因个别节点出现问题，使得总线处于“死锁”状态。

另外，与其它现场总线比较而言，CAN总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线。这些也是目前CAN总线应用于众多领域，具有强劲的市场竞争力的重要原因。

(2)网络拓扑结构

网络拓扑结构是指网络中各个节点相互连接的方式。数据通信的网络拓扑结构有星型、环型、总线型、树型以及几种类型的混合。每种拓扑结构各有优缺点和适应范围。网络拓扑结构的选择往往和传输介质的选择、介质访问控制方法的确定等紧密相关。下面就选择拓扑结构时，应该考虑的主要因素进行讨论并给出系统选择的网络拓扑结构:

l)灵活性

在设计网络时，考虑到设备和用户需求的变迁，拓扑结构必须只有一定的灵活性，能轻松地重新配置。此外，还要考虑原有节点的删除，新节点的加入等问题。从系统结构图中，可以知道系统各部分具有在地理分布上扩展的特点，特别是考虑到在矿井下，随着掘进面的推进，网络将随着进行扩展，总线形的网络结构具有良好的扩展性，因此采用总线型的拓扑结构网。

2)可靠性

网络中有两类故障:一类是网中个别节点损坏，这只影响局部;另一类是网络本身无法运行。拓扑结构的选择要使故障的检测和隔离较为方便。在环形网中可靠性就不够高，因为只要其中任何一个节点出现故障，整个网络就无法运行，而

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