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基于CAN总线和RFID的矿井定位系统设计

来源:    作者:    发布时间:2016-04-23 06:10:57    浏览量:

引言

  近年来,矿井安全事故频发。在分析近期几个煤矿特大事故时发现几个共性问题:地面与井下人员的信息沟通不及时;煤矿事故发生后,抢险救灾安全救护的效率低,搜救效果差。为了在矿难发生后能够迅速确认矿难位置和被困员工人数,以最快的速度开展营救工作,保障矿工的生命安全,在矿井中布置基于高新技术的安全监控管理系统势在必行。

  本文设计了1个基于CAN总线网络和射频识别技术的矿井定位系统,该系统可以实时地将矿井下人员及矿车的当前位置通过CAN总线网络传送到位于地面的上位机,不仅可以掌握井下作业情况,而且一旦发生安全事故,可以立刻确定被困人员所处的位置及人数,塑封电感以便迅速展开救援工作。

1、RFID技术和CAN总线简介

  射频识别(RFID,RadioFrequencyIdentification)技术是利用无线电波进行通信的一种非接触式自动识别技术。射频识别系统由读写器和电子标签(Tag)组成,每个Tag具有1个全球唯一的ID号,可以与读写器进行无接触的信息交换。根据射频识别系统的工作频率,可分为低频(100—500kHz)、中频(10—15MHz)、射频(850—950MHz)和微波(2.45—共模电感5.8GHz)系统,不同的工作频段影响系统的读写距离。按Tag的供电方式,可分为有源和无源两类。

  有源Tag需要电源供电,读写距离远,但使用不方便,价格高,寿命有限;无源Tag使用读卡器天线发射的电磁波的能量,因此无源Tag的读写距离有限,但寿命长、体积小。基于在矿井下使用的特殊环境,将Tag嵌人到矿工的安全帽或皮带中,因此本系统使用无源Tag,增加其使用寿命。低频和中频系统对Tag的读写距离只有10cm电感生产厂家左右,射频系统的读写距离可达7m左右,微波系统(主要使用有源Tag)可达几十米。由于矿井下需要相对精确的定位信息,而且还要读写方便,本系统选择工作在射频波段,需要在矿井中每隔15m左右安装1个读写器。

  CAN(ControllerAreaNetwork)总线最早由德国BOSCH公司提出,主要用于汽车内部测量与控制中心之间的数据通信。由于其良好的性能,广泛应用于其他领域当中,并逐渐成为主要通讯手段。其主要特点有:国际标准的工业级现场总线,传输可靠,实时性高;传输距离远(无中继最远10km),传输速率快(最高1bit/s);单条总线最多可接110个节点,并可方便的扩充节点数;报文为短帧结构并有硬件CRC校验,受干扰概率小,数据出错率极低;出错的CAN节点会自动关闭并切断和总线的联系,不影响总线的通讯;非破坏性总线仲裁技术,可多节点同时向总线发数据,总线利用率高;总线上各节点的地位平等,不分主从,突发数据可实时传输;具有硬件地址滤波功能,可简化软件的协议编制;CAN—bus总线系统结构简单,性价比极高。当矿井通讯网络需求达到更远的通讯距离(大于10km),或者终端数目较多(大于110个)时,安装CANbridge网桥可以成倍地延长通讯距离,也可以成倍地增加CAN—bus网络中终端设备的数目。而且在矿井中使用CAN总线网络还有利于将矿井中相互独立的各种类型系统互通,进行统一管理。

2、矿井定位系统硬件设计

  本系统中监控器位于地面的监控室,通过CAN转换卡与CAN总线相连,其上运行由VisualC++编写的监控软件,可以动态显示矿工当前位于哪一基站附近,还可以向某些基站发出查询命令,查询某一员工当前位置;射频读写器作为基站安装在矿井中的已知位置,通过CAN总线与其他基站和监控器相连;矿工进入矿井时都要佩戴安全帽或腰带(内嵌电子标签),并且电子标签的ID已与监控系统信息相关联。当通信距离长、基站节点数量多时,可以使用CANbridge延长CAN总线网络。

  本系统使用的无源电子标签是TI公司的RI—UHF—STRAP一08,其符合EPCglobalTMGen2(v.1.0.9)和ISO/IEC18000—6c协议标准,内置192bit的存储器(96bit的EPC存储器、32bit的操作密码、32bit的KILL密码、32bit的Tag—ID存储器),工作在860~960MHz的频段,但此频段还未推出专用的读写器模块,因此本系统的重点是射频读写器的研制。

 一体电感 考虑到矿井中的设备需要防爆安全认证,本系统设计中尽可能地减少外围芯片数量。MCU采用美国微芯公司的PIC18F4580单片机,此单片机集成了基于ECAN技术的CAN总线控制模块、lO位A/D模块、增强的通用串口模块、32KB的增强型Flash存储器等,内部资源丰富,简化了系统设计。

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