井下人员定位系统毕业设计(6)

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总线型的拓扑结构，当个别节点出现故障的时候，并不会影响整个网络。同时,我们采用的网络结构是双网冗余结构，因此，可靠性得到了进一步的保证。

3)实时性

在以往的对实时性要求较高的网络中多采用环形令牌网，因为令牌传递时间以及拥有令牌的节点占用网络控制权的时间都是预先规定好的，在网络节点数量一定的情况下，每个网络节点的信息发送的时间是可以预先估计出来的，因此，令牌网又称为“确定性”网络。

CAN优越性虽然很突出，但是一个井下人员定位系统有很多的读写器，如果都直接接到CAN总线网络上，其网络节点容量有限，不能满足要求。

RS-485总线的特点：

RS-485总线利用差分方式来传输数据，有效地抑制了共模干扰，提高了可靠性与通信距离。RS-485的通信速率可达10Mb/s(距离上限为10m)，通信距离可达1.2km（速率上限为l00kb/s)。RS-485的拓扑结构为总线型，但是仅实现了物理层协议，对于链路层没有定义，缺乏总线仲裁、出错校验、可靠性措施等诸多网络功能。采用RS-485连成的设备网络中，只能有一个主节点，其余均为从节点。这种主从结构的网络无法构成多主结构或冗余结构的系统，一旦主节点出现故障，整个系统将处于瘫痪状态，因而对主节点的可靠性要求很高。

另外，网络中数据通信方式为命令响应型，任何一次数据传输都是主节点首先发出命令，从节点接到命令后，以相应的方式传给主节点。这使得网络上的数据传输速率降低很多，并且使主节点控制器非常繁忙。因此只利用RS-485只能构成主从式结构系统，通信方式也只能以主站轮询的方式进行，系统的实时性、可靠性较差。

为了实现精确地人员定位，就必须设置较多的读写器来划分井下的路径，有上述可知，使用任何一种总线网络都难以满足要求，故本设计才选择使用混合组网的方式。基本方法就是将一定区域内一定数量的读写器通过RS-485总线接到一个基站，再将所有基站通过CAN总线连接到控制中心的主机上。 3.3.3检测基站

基站有读写器和CAN节点组成，是一个信息暂存设备。它的作用就是将读写器送来的人员位置信息，经过CAN总线传输给井上监控主机。 3.3.4读写器

人员定位系统读写器的任务是控制射频模块向标签发射读取信号，并接收标签的应答，对标签的对象标识信息进行解码，将对象标识信息连带标签上其他相关信息传输到主机以供处理。

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另外，读写器还提供相当复杂的信号状态控制、奇偶错误校验与更正功能等。通常， RFID系统的读写器可以简化为三大基本功能模块:由发送器和接收器组成的高频接口模块、控制单元以及与外界其它设备通信用的各种标准接口USB接口、RS232接口、RS485接口、与Internet连接的网口等

l.高频接口

读写器的高频接口模块的主要功能为:产生高频发射能量，激活标签并为其提供能量;对发射信号进行调制，用于将数据传物给标签;接收并解调来自标签的射频信号。

在高频接口中有两个分割开来的信号通道，分别用于上下行两个方向的数据流传输。发送给电子标签的数据通过发送分支，而接受到电子标签的数据通过接受分支传过来。

2.控制单元

控制单元主要功能为:与应用系统软件进行通信，并执行从应用系统软件发来的动作指令;控制与标签的通信过程;信号的编码与解码;执行防碰撞算法;对读写器和标签之间传送的数据进行加密和解密;进行读写器和标签之间的身份验证。

当然，为了完成这些复杂的任务，在绝大多数情况下控制单元都拥有微处理器作为核心部件。而且如加密过程及信号编码常常由附加的ASIC专用集成电路)组件来完成，以减轻微处理器计算密集型过程的负担。出于性能上的考虑，对ASIC的访问是通过处理器总线实现的。

3.标准接口

应用系统与读出器之间的数据交换通常是通过RS232或RS485串口进行的，其通信协议一般是在标准协议的基础上进行自定义的协议。 读写器的性能指标： (1)基站电源:AC127V

(2)功耗:<5W

(3)系统容量:完全满足矿用要求，基本不用考虑(<1000个) (4)通讯方式:CAN总线为主，兼容RS485，Ethernet等 (5)传输波特率:1200bps—19200bps，推荐4500bps (6)阅读器间最大距离:<=10Km(理论值) (7)系统覆盖范围:无限制(<10000km)

(8)扫描方式:阅读器被动接收，升级后能主动发送查询 (9)行人最大速度:(推荐)<6米/秒 最大可达733米/秒 (10)车辆最快速度:(推荐)<21.6km/h最大可到264km/h (11)工作温度:-10C0—+60C0 (12)操作系统:WIN98/2000/XP

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(13)数据库:Microsoft Access 3.3.5电子标签

射频电子标签就是含有唯一标识体系编码的标签。标签中储存的数据是由系统的应用和相应的标准决定的。例如，标签能够提供产品生产、运输、存储情况，也可以辨别机器、动物和个体的身份。这些类似于条形码中存储的信息。标签还可以连接到数据库，存储员工ID编号、姓名、所在部门、上下井时间以及工作地点等信息。

电子标签的性能指标： (1)电源:DC3.0-7.0VDC

(2)功率:<0.5W

(3)发送距离:<20(lm-20m可调)，与工作电压有关，推荐10米左右 (4)使用寿命:取决于矿灯的使用寿命，内置电池的射频卡一般只有3-5年 (5)收发特性:可收可发，应用时只用了发射特性，接收特性留扩充升级 (6)最大使用量:65535个(oxO000码做结束标志) (7)码元频率:4.8Kbps-19.2Kbps，推荐9.6Kbps

(8)通信频率:915MHz。 (10)通信方式:防冲突FSK调制 (11)使用对象:人员、车辆 (12)工作温度:-100C—+600C。 3.3.6射频天线

1.天线的作用与地位

无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，有天线接收下来（仅仅接收很小的一部分），并通过馈线送到无线电接收机。可见，天线好似发射和接收电磁波的一个重要的无线设备，没有天线也就没有无线电通信。

电磁波的辐射：导线上有交变电流流动时，就可以发生电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长度和形状有关。若两道导线的距离太近，电场被束缚在两导线之间，因而，辐射很微弱；将两导线张开，电场就能散播在空间周围，因而辐射强。另外，当导线的长度L远小于波长λ时，辐射很微弱；导线的长度L增大到可与波长相比拟时，导线上的电流将大大增加，因而就能形成较强的辐射。

2.对称振子

对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子独立使用，或作为抛物面天线的馈源，也可以采用多个斑驳对称振子组成天线阵，两臂长度相等的振子叫做对称振子。每个臂长为四分之一波长，全长为二分之一

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波长的振子，称半波对称振子。还有一种异型半波对称振子，可以看成是将全波对称振子折合成一个狭窄矩形框，不那个吧全波对称振子的两个端点相叠，此窄长的矩形框成为折合振子。注意：折合振子的长度也是波长的二分之一。

3.天线的方向性

发射天线的基本功能是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把大部分能量超所需的方向辐射。垂直放置的半波对称振子具有平放的“面包圈”形的立体方向图。立体方向图虽然立体感强，但绘制困难。

4.增益

增益是指输入功率相等的条件下实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比，它是定量的描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。可以这样来理解增益的物理含义---为在一定距离上的某点出产生一定大小的信号，如果用力想的无方向性电源作为发射天线，需要100W的输入功率，而用增益为G=13dB=20的某定向天线作为发射天线时，输入功率只需100/20=5W。 在设计标签天线时需要考虑到标签的体积因素。为了有效的标签体积，该系统标签PCB板式天线。为了增大阅读器的有效读取范围，就必须增大阅读器的无线信号的发射功率，为此我们选取方向性强，增益大的柱状天线。射频天线类型的选择还必须使它的阻抗与自由空间和ASIC匹配。方向性天线具有更少的辐射模式和返回损耗的干扰。 3.3.7传输介质

监控系统的传输介质选用双绞线来承担，这主要是因为双绞线的价格便宜，虽然双绞线不适合传输频率太高的信号，它的最大可用频率约为1MHz，用双绞线传输信号时，双绞线上信号的衰减值会随着传输信号频率的增加而迅速上升，使信号严重失真与此同时，导线间的串扰也会相应增多。但是，本系统的CAN总线数据通信采用500kbps以下的传输速率，属于较低频率，这种情况下利用双绞线进行数据传输根本不受影响。所以，系统选用双绞线作为传输介质具有良好的性能价格比。

3.4系统的工作原理

定位系统主要实现井下人员及设备安全监测工作。在坑道、作业面的交叉道口安装监控节点和读写器，具体数量和位置根据现场实际工况和要实现的功能要求而定，并且将它们通过网络布线和地面的监控计算机联网。入井工作人员按照要求佩戴安装电子标签的腰带，或佩戴装有电子标签的安全帽。RFID读写器通过固定频率的射频载波向电子标签传送信号，电子标签(工作人员随身佩戴)进入读写器的天线工作区域后被激活，并将载有个人信息的射频信号经卡内收发模块发射

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出去；读写器天线接收到电子标签发来的射频信号，经过处理后，提取出个人信息，通过现场总线送至井上监控中心，记录井下工作人员经过地点、时间、活动轨迹等实时信息，还可自动生成考勤作业的统计与管理等方面的报表资料，。同时把它显示在显示屏上，管理人员也可以根据显示屏上的分布示意图点击井下某一位置，计算机即会把这一区域的人员情况统计并显示出来。另外，一旦井下发生事故，可根据计算机中的人员分布信息马上查出事故地点的人员情况，然后再用特殊的探测器在事故处进一步确定人员位置，以便帮助营救人员准确快速的营救被困人员。其原理流程如图3-2所示：

开始按键按下系统初始化Y按键处理装载密码N上位机命令N有卡进入YN卡合法驱动显示Y读写器操作时基生成数据存储Y数据包发送N

图3-2系统工作的流程图

3.5本章小结

本章重点对井下人员定位系统的性能特点、结构组成进行了阐述，对其各部分功能也做了详细介绍，井下人员的定位原理是整个系统的核心所在，读写器和电子标签是系统的重要组成，读写器通过天线读取电子标签的数据，然后上传到基站再传到井上监控中心。

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