引言 　　近年來，礦井安全事故頻發(fā)。在分析近期幾個(gè)煤礦特大事故時(shí)發(fā)現(xiàn)幾個(gè)共性問題：地面與井下人員的信息溝通不及時(shí);煤礦事故發(fā)生后，搶險(xiǎn)救災(zāi)安全救護(hù)的效率低，搜救效果差。為了在礦難發(fā)生后能夠迅速確認(rèn)礦難位置和被困員工人數(shù)，以最快的速度開展?fàn)I救工作，保障礦工的生命安全，在礦井中布置基于高新技術(shù)的安全監(jiān)控管理系統(tǒng)勢(shì)在必行。 　　本文設(shè)計(jì)了1個(gè)基于CAN總線網(wǎng)絡(luò)和射頻識(shí)別技術(shù)的礦井定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)地將礦井下人員及礦車的當(dāng)前位置通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)傳送到位于地面的上位機(jī)，不僅可以掌握井下作業(yè)情況，而且一旦發(fā)生安全事故，可以立刻確定被困人員所處的位置及人數(shù)，以便迅速展開救援工作。 1、RFID技術(shù)和CAN總線簡介 　　射頻識(shí)別（RFID，RadioFrequencyIdentification）技術(shù)是利用無線電波進(jìn)行通信的一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。射頻識(shí)別系統(tǒng)由讀寫器和電子標(biāo)簽（Tag）組成，每個(gè)Tag具有1個(gè)全球唯一的ID號(hào)，可以與讀寫器進(jìn)行無接觸的信息交換。根據(jù)射頻識(shí)別系統(tǒng)的工作頻率，可分為低頻（100—500kHz）、中頻（10—15MHz）、射頻（850—950MHz）和微波（2.45—5.8GHz）系統(tǒng)，不同的工作頻段影響系統(tǒng)的讀寫距離。按Tag的供電方式，可分為有源和無源兩類。 　　有源Tag需要電源供電，讀寫距離遠(yuǎn)，但使用不方便，價(jià)格高，壽命有限;無源Tag使用讀卡器天線發(fā)射的電磁波的能量，因此無源Tag的讀寫距離有限，但壽命長、體積小?；谠诘V井下使用的特殊環(huán)境，將Tag嵌人到礦工的安全帽或皮帶中，因此本系統(tǒng)使用無源Tag，增加其使用壽命。低頻和中頻系統(tǒng)對(duì)Tag的讀寫距離只有10cm左右，射頻系統(tǒng)的讀寫距離可達(dá)7m左右，微波系統(tǒng)（主要使用有源Tag）可達(dá)幾十米。由于礦井下需要相對(duì)精確的定位信息，而且還要讀寫方便，本系統(tǒng)選擇工作在射頻波段，需要在礦井中每隔15m左右安裝1個(gè)讀寫器。 　　CAN（ControllerAreaNetwork）總線最早由德國BOSCH公司提出，主要用于汽車內(nèi)部測(cè)量與控制中心之間的數(shù)據(jù)通信。由于其良好的性能，廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域當(dāng)中，并逐漸成為主要通訊手段。其主要特點(diǎn)有：國際標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)級(jí)現(xiàn)場(chǎng)總線，傳輸可靠，實(shí)時(shí)性高;傳輸距離遠(yuǎn)（無中繼最遠(yuǎn)10km），傳輸速率快（最高1bit/s）;單條總線最多可接110個(gè)節(jié)點(diǎn)，并可方便的擴(kuò)充節(jié)點(diǎn)數(shù);報(bào)文為短幀結(jié)構(gòu)并有硬件CRC校驗(yàn)，受干擾概率小，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低;出錯(cuò)的CAN節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉并切斷和總線的聯(lián)系，不影響總線的通訊;非破壞性總線仲裁技術(shù)，可多節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)數(shù)據(jù)，總線利用率高;總線上各節(jié)點(diǎn)的地位平等，不分主從，突發(fā)數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)傳輸;具有硬件地址濾波功能，可簡化軟件的協(xié)議編制;CAN—bus總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，性價(jià)比極高。當(dāng)?shù)V井通訊網(wǎng)絡(luò)需求達(dá)到更遠(yuǎn)的通訊距離（大于10km），或者終端數(shù)目較多（大于110個(gè)）時(shí)，安裝CANbridge網(wǎng)橋可以成倍地延長通訊距離，也可以成倍地增加CAN—bus網(wǎng)絡(luò)中終端設(shè)備的數(shù)目。而且在礦井中使用CAN總線網(wǎng)絡(luò)還有利于將礦井中相互獨(dú)立的各種類型系統(tǒng)互通，進(jìn)行統(tǒng)一管理。 2、礦井定位系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 　　本系統(tǒng)中監(jiān)控器位于地面的監(jiān)控室，通過CAN轉(zhuǎn)換卡與CAN總線相連，其上運(yùn)行由VisualC++編寫的監(jiān)控軟件，可以動(dòng)態(tài)顯示礦工當(dāng)前位于哪一基站附近，還可以向某些基站發(fā)出查詢命令，查詢某一員工當(dāng)前位置;射頻讀寫器作為基站安裝在礦井中的已知位置，通過CAN總線與其他基站和監(jiān)控器相連;礦工進(jìn)入礦井時(shí)都要佩戴安全帽或腰帶（內(nèi)嵌電子標(biāo)簽），并且電子標(biāo)簽的ID已與監(jiān)控系統(tǒng)信息相關(guān)聯(lián)。當(dāng)通信距離長、基站節(jié)點(diǎn)數(shù)量多時(shí)，可以使用CANbridge延長CAN總線網(wǎng)絡(luò)。 　　本系統(tǒng)使用的無源電子標(biāo)簽是TI公司的RI—UHF—STRAP一08，其符合EPCglobalTMGen2（v.1.0.9）和ISO/IEC18000—6c協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)置192bit的存儲(chǔ)器（96bit的EPC存儲(chǔ)器、32bit的操作密碼、32bit的KILL密碼、32bit的Tag—ID存儲(chǔ)器），工作在860～960MHz的頻段，但此頻段還未推出專用的讀寫器模塊，因此本系統(tǒng)的重點(diǎn)是射頻讀寫器的研制。 　　考慮到礦井中的設(shè)備需要防爆安全認(rèn)證，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中盡可能地減少外圍芯片數(shù)量。MCU采用美國微芯公司的PIC18F4580單片機(jī)，此單片機(jī)集成了基于ECAN技術(shù)的CAN總線控制模塊、lO位A/D模塊、增強(qiáng)的通用串口模塊、32KB的增強(qiáng)型Flash存儲(chǔ)器等，內(nèi)部資源豐富，簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 　　射頻收發(fā)模塊使用AD公司的可編程射頻收發(fā)芯片ADF7020，工作頻率為431～478MHz和862～956MHz波段，收發(fā)過程工作在半雙工方式，支持ASK/FSK/OOK/GFsK等多種調(diào)制方式。CAN總線驅(qū)動(dòng)器使用的是致遠(yuǎn)電子的通用CAN收發(fā)器芯片CTM8251A，此芯片將傳統(tǒng)的CAN總線驅(qū)動(dòng)電路的光電隔離和CAN驅(qū)動(dòng)器集成到一塊芯片，提高了通信的可靠性。 　　2.1PICl8F458O與CTM825lA的接口電路PIC18F4580帶有CAN控制模塊，支持CAN1.2、CAN2.0A、CAN2.0B協(xié)議，只需外接CAN驅(qū)動(dòng)器即可實(shí)現(xiàn)CAN模塊的硬件設(shè)計(jì)，接口電路如圖3所示。CAN發(fā)器芯片CTM8251A具有DC2500V隔離功能，符合ISO11898標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)速率最高達(dá)1Mbps，具有自動(dòng)熱關(guān)斷保護(hù)功能，并且未上電或欠壓節(jié)點(diǎn)不會(huì)影響CAN總線的正常工作。 　　2.2PIC18F4580與ADF7020的接口電路 　　PIC18F4580單片機(jī)通過ADF7020的串行數(shù)據(jù)輸入引腳SDATA向ADF7020發(fā)送編程控制字，控制其工作方式，并可以通過串行數(shù)據(jù)讀回引腳SREAD讀取ADF7020的工作狀態(tài)，SLE引腳作為控制字的鎖存信號(hào)。DATAI/O引腳是發(fā)送信號(hào)輸入和接收信號(hào)輸出分時(shí)復(fù)用引腳，收發(fā)工作在半雙工方式，因此MCU工作在半雙工的同步通信模式下，通過串行同步接口接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)ADF7020接收到一個(gè)來自天線的有效信號(hào)后，通過INT/LOCK引腳向MCU發(fā)出中斷信號(hào)。 3、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 　　本設(shè)計(jì)的編程環(huán)境是MPLABIDE軟件并內(nèi)嵌MPLAB—C18，可以支持C語言編程。系統(tǒng)的軟件主要分為PIC18F4580初始化、ADF7020初始化、CAN數(shù)據(jù)收發(fā)、讀卡器與電子標(biāo)簽間的通信算法等部分。 　　PIC18F4580初始化主要是對(duì)片內(nèi)各個(gè)功能模塊的初始化，包括：CAN模塊初始化，USART模塊初始化，WDT初始化，設(shè)置各個(gè)端口的方向等。 　　ADF7020初始化主要包括：設(shè)置晶振電路的接人方式，信號(hào)的調(diào)制/解調(diào)方式（ISO/IEC18000—6c標(biāo)準(zhǔn)中使用ASK），定義調(diào)制信號(hào)的調(diào)制輸出功率，打開VCO、PLL和輸入輸出時(shí)鐘等。在CAN數(shù)據(jù)收發(fā)程序中，讀寫器的MCU通過CAN總線向上位機(jī)實(shí)時(shí)發(fā)送讀寫器識(shí)別出的Tag的相關(guān)信息，而CPU接收來自上位機(jī)的控制命令數(shù)據(jù)。 　　本系統(tǒng)要求讀寫器能夠識(shí)別到其覆蓋范圍內(nèi)的所有Tag，但在讀寫器覆蓋范圍內(nèi)的Tag會(huì)幾乎同時(shí)響應(yīng)讀寫器的指令，這樣響應(yīng)信號(hào)就會(huì)發(fā)生碰撞，導(dǎo)致通信失敗，讀寫器無法正確識(shí)別Tag。因此，讀寫器軟件系統(tǒng)要加人防碰撞算法，保證讀寫器能夠與電子標(biāo)簽正確地交換信息。本系統(tǒng)使用支持ISO/IEC18000—6c協(xié)議的電子標(biāo)簽，規(guī)定使用基于概率類型的時(shí)隙隨機(jī)防碰撞算法。此算法的工作過程為：電子標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器覆蓋范圍后進(jìn)人Ready狀態(tài);讀寫器發(fā)送Select命令和Query命令信號(hào)（開始一個(gè)新的Round周期）并監(jiān)聽響應(yīng)信號(hào);電子標(biāo)簽收到Query命令后將一個(gè)16位的隨機(jī)（或偽隨機(jī)）數(shù)（數(shù)值范圍為0000H～3FFFH，即共有多達(dá)215個(gè)時(shí)隙可供使用）裝載到時(shí)隙計(jì)數(shù)器中，進(jìn)入Arbitrate狀態(tài)，當(dāng)電子標(biāo)簽每接收到一個(gè)QueryRep命令，時(shí)隙計(jì)數(shù)器就會(huì)進(jìn)行減法操作（Query命令中規(guī)定了每次減的值Q，而且可以使用QueryAdjust命令修改先前的Query命令規(guī)定的Q值）; 　　當(dāng)計(jì)數(shù)器減為0時(shí)電子標(biāo)簽就進(jìn)入Reply狀態(tài)，此時(shí)向讀寫器發(fā)出一個(gè)16bit的（偽）隨機(jī)數(shù)作為應(yīng)答信號(hào);如果電子標(biāo)簽收到一個(gè)有效的ACK信號(hào)（正確包含自己向讀寫器發(fā)送的16bit隨機(jī)數(shù)），那么電子標(biāo)簽就會(huì)進(jìn)入Acknowledged狀態(tài)，否則如果沒有收到正確的ACK，則表明發(fā)生碰撞，返回Arbitrate狀態(tài);在確認(rèn)狀態(tài)中，電子標(biāo)簽向讀寫器發(fā)送包含自己的PC（ProtocolContro1）、EPC（ElectronicProductCode）和16bit的CRC校驗(yàn)等字段的信息;此后讀寫器向電子標(biāo)簽發(fā)出Read命令，可以讀Tag的EPC和TID的部分或全部內(nèi)容;讀取后Tag又回到Ready狀態(tài)。 　　由于ISO/IEC18000—6c協(xié)議使用基于概率類型的時(shí)隙隨機(jī)防碰撞算法，與ISO/IEC18000—6a協(xié)議的ALOHA算法和ISO/IEC18000—6h協(xié)議的自適應(yīng)二進(jìn)制數(shù)算法相比，由于時(shí)隙隨機(jī)防碰撞算法在Tag中使用時(shí)隙計(jì)數(shù)器進(jìn)行防碰撞，大大簡化了讀寫器CPU的編程工作，并提高了讀寫器的工作效率。 4、結(jié)語 　　本文針對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的需要，設(shè)計(jì)了基于RFID技術(shù)的礦井定位系統(tǒng)。為了提高系統(tǒng)的可靠性，減小防爆安全認(rèn)證的難度，設(shè)計(jì)中使用高集成度芯片，以減少分立元件的數(shù)量。在讀寫器中實(shí)現(xiàn)了基于最新的ISO/IEC18000—6c國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的軟件設(shè)計(jì)，不僅減小了沖突發(fā)生的概率，而且大大提高了讀寫器CPU的效率。讀寫器與上位機(jī)的通信使用了可靠性較高、礦井中廣泛使用的CAN總線技術(shù)，使地面監(jiān)控室可以及時(shí)了解井下的工作狀況。