RFID技术的井下人员安全定位系统

1、目录摘要1第一章 引言21.1 课题研究的背景和意义21.2 国内外研究现状21.2.1 国外研究现状21.2.2 国内技术的发展31.3 目前存在的主要问题31.4 RFID的技术优势41.4.1 RFID技术的特点41.4.2 对比井下现存的几种定位方案5第二章 系统设计72.1 系统需求分析72.2 系统可行性分析72.2.1 频率选择可行性分析72.2.2 安全性分析82.2.3 设置可行性分析82.2.4 操作可行性分析82.3 系统总体设计思路以及其功能82.4 系统的硬件结构设计102.5 硬件参数选择112.5.1系统频率选择112.5.2 射频标签的选型112.5.3 传输总

2、线方式的选则122.5.4 分站位置号及分站间距的设置122.6 系统软件结构设计以及功能132.7 系统数据库分析与设计15第三章 总结与展望183.1 总结183.2 展望18参考文献19摘要本文介绍了一种用RFID技术实现井下人员定位系统的设计。系统包括硬件系统与软件系统两个部分。硬件网络系统利用RFID技术进行无线数据采集，通过CAN总线将信息传输到地面监控主机并组成网络实现信息共享。在井下入口、巷道、作业面的交叉道口等需要监控的主要位置安装一定数量的监测分站，下井人员按照要求佩戴装有射频标签的固定的安全帽下井作业。当井下人员经过井下安装的发射天线工作区时，装在安全帽内的射频标签识别卡

3、进入高频发射天线工作区域后即被激活开始工作，将卡内载有识别码的信息经卡内高频模块发射出去，分站获取人员携带的标签信息，系统自动采集该人员经过的时间、地点信息，经CAN总线传输至地面的监控室计算机，完成预设的系统功能。软件系统则采用C/S模式，即客户机/服务器模式。客户端是管理人员进行各种系统功能操作的平台，客户端向服务器发送各种请求，服务器端根据发送的请求经过一系列的数据分析、处理后，向客户端反馈有用的信息，并在客户端以图形或文字的方式显示出来。在基于Windows XP操作系统的中央计算机上通过采用由Visual C+和SQL Server 2000设计开发的管理软件系统，利用地面监控服务器

4、分析、处理过的标签位置信息并通过计算机显示，同时利用这些分析处理过的数据还可以通过管理软件实现人员管理功能，信息管理功能，考勤管理功能，人员实时定位功能，告警功能。关键词：RFID；射频标签；监测分站；实时定位第一章 引言1.1 课题研究的背景和意义在我国能源生产和消费构成中，煤炭一直居于主导地位，在国民经济中，工业、农业、交通运输的发展都离不开煤炭。随着近代科学技术的发展和新工艺、新方法的应用，煤炭的用途和综合利用价值将会越来越大。但煤炭行业也是我国当前安全生产事故多发的重点行业，安全生产形势十分严峻。据国家安全生产监督管理总局发布的全国煤矿生产数据，中国煤矿百万吨死亡率最高时为2.041。

5、目前，根据安监总局通报，2012年全国煤矿百万吨死亡率为0.374。不过，与国际水平相比，各项相对指标仍然比较落后。亿元GDP事故死亡率、煤矿百万吨死亡率等，仍然是发达国家的数倍甚至十数倍。目前，发达国家的产煤百万吨死亡率大致在0.02-0.03，美国2009年煤矿百万吨死亡率为0.03，2011年美国这一数字仅0.019。澳大利亚、美国等国家煤炭安全生产形势比较稳定，有些年份甚至是零死亡。煤矿局面若不能得到有效控制，势必影响我国经济的可持续健康发展和全面建设和谐社会宏伟目标的实现。因此，从管理和技术两方面分析导致我国煤矿尤其是中小型乡镇煤矿安全状况难以好转的原因，提出解决问题的有效途径，对改

6、善乡镇煤矿安全状态，促进其健康、有序的发展，将具有积极的指导意义。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状近年来随着各国对矿山安全的重视，井下人员监督、定位、通信系统的研究有了较大的进展，研制出的各类系统繁多，已基本能满足当前各类矿井的生产需要。因超低频在井下巷道狭窄空间，煤层、岩层对电磁波的吸收和多径效应引起的锐利衰落方面具有极大的优势，所以国外各大企业对开发研究的井下监督、定位、通讯系统多采用超低频。1991年3月，在悉尼附近的一所煤矿投入使用无线急救通讯系统(PED)是美国安菲斯克公司研制的，该系统采用超低频信号传输，具有极佳的岩层穿透力，可实现信号穿透岩层进行传输。PED系统可以

7、与现有的监控设备直接连接，可以对多种输入进行监测。该系统提供一套预先编制的紧急求救信息，矿井工作人员预先指定这些警告信息，紧急情况发生时系统自动播放这些预存信息，可以在最短的时间内，将警告发送给井下全部或相应的工作人员，同时井下任意人员可以通过PED系统与其他工作人员进行通讯。但随着射频识别技术的兴起，射频识别技术也快速融入这一领域，目前国外的系统提供商已成功地将其应用到了井下安全生产监控系统中。澳大利亚芒特艾萨矿业公司利用该技术开发了一种人员监测系统，可用于实时监测井下矿工位置。澳大利亚ISD公司研制的一种射频识别系统在南非的德里方丹矿使用。该系统在每个矿工帽子上的安装小型无源信标，在矿井顶

8、板上安装的天线，用来实现监控、监测矿工的实时位置及其他相关信息，该系统使用状况良好。1.2.2 国内技术的发展而在我国，对于井下人员定位系统技术的研究相对起步较晚，从21世纪才渐渐从国外引入，到如今已经经历了三个大的技术代的更新。第一代：我国第一时代的井下人员定位系统基本上是从国外直接引进现成的系统构建成品，在软件、硬件及通信方式的选择上都是完全照搬，但因为从国外进口的产品成本十分高，且系统故障时需请国外相关技术人员进行维修，维修的费用也很昂贵，所以此代系统只在山西的几个大型重要矿井中使用，并没有造成全国范围内的普及。第二代：我国第二时代的井下人员定位系统就开始有自主研发的技术了，此代定位系统

9、中主要使用的还是无源RFID技术，井下的工作人员每人有一张无源的射频卡，每次都需要工作人员自己拿到井下设立的阅读器基站进行身份识别。和第一时代直接引入的系统相比，此代系统的成本低，系统结构也较简单。但在该系统的测试阶段，发现在井下人员下矿或离矿的高峰期，容易造成堵塞，会影响生产效率和安全性能保障。第三代：我国第三时代的井下人员定位系统，在第二时代定位系统的基础上，将无源RFID技术，升级到有源RFID技术。该定位系统给井下工作人员配备有源射频识别卡，可以增大井下人员身份码与井下阅读器基站之间的数据交换范围（最远可达到20米），解决了第二时代中出现井下人员堵塞和数据冲突问题，从而大大提高了定位系

10、统的实用性，但是其成本也大幅提高了。1.3 目前存在的主要问题目前国外在事故抢险中的人员搜索、定位和急救上已大量应用无线通讯和遥测监测技术，但在国内因资金欠缺和技术落后等原因，成功的案例并不多见，主要原因如下：（1）性价比过低：国内曾引进国外的人员监测设备，并取得了较好的使用效果。但因成本高，推广难度大。（2）不符合国情：国外引进井下工作站重量、体积比较大，与国内煤矿的实情不符，软件系统不符合中国国情。系统维修维护困难、备件昂贵。随着自动识别技术在中国的深入发展，各科研单位相继为各煤矿企业研制了独立考勤系统，其主要问题如下：（1）无法实现井上与井下人员的信息实时沟通：通过井下人员跟踪定位系统井

11、上监测人员要实时监测井下任一时刻、任一区域内人员分布的具体情况。而现有管理系统如条形码识别、指纹考勤等方式只能对下井人员进行统计，无法了解井下人员的实时情况。（2）效率低、操作时间长：国内的科研机构曾采用多种编码识别技术研制了井下人员监测系统，如红外编码识别、发牌制度、条形码识别、光电孔卡及指纹识别等在内的这些察方式在人员集中的时效率低，无法解决排队考勤的现状。（3）可靠性低：井下自然条件恶劣，设备容易受损，同时井下干扰源众多设备易受干扰，因而已发生故障造成识别信息丢失。（4）技术不成熟：我国在井下无线人员、设备监督检测方面起步较晚，在该方面的研究尚处于起步阶段，目前尚处于理论研究及试验阶段，

12、产品定型化、商品化还需很长时间。（5）成本高、维修维护困难：由于现在该方面研究尚处于试验阶段，无法实现规模化生产，所以该类系统只能以样机形式生产，这样就造成了设备制造成本高、设备不稳定、维修维护配件无法保证。1.4 RFID的技术优势1.4.1 RFID技术的特点RFID技术主要有以下几个方面特点：（1）读取方便快捷：数据的读取无需光源，甚至可以透过外包装来进行。有效识别距离更大，采用自带电池的主动标签时，有效识别距离可达到30米以上；（2）识别速度快：标签一进入磁场，阅读器就可以即时读取其中的信息，而且能够同时处理多个标签，实现批量识别；（3）数据容量大：数据容量最大的二维条形码PDF417

13、最多也只能存储2725个数字，若包含字母，存储量则会更少；RFID标签则可以根据用户的需要扩充到数十K；（4）使用寿命长，应用范围广：其无线电通信方式，使其可以应用于粉尘、油污等高污染环境和放射性环境；（5）标签数据可动态更改：利用编程器可以向写入数据，从而赋予RFID标签交互式便携数据文件的功能；（6）更好的安全性：不仅可以嵌入或附着在不同形状、类型的产品上，而且可以为标签数据的读写设置密码保护，从而具有更高的安全性；（7）动态实时通信：标签以与每秒50100次的频率与阅读器进行通信，所以只要RFID标签所附着的物体出现在阅读器的有效识别范围内，就可以对其位置进行动态的追踪和监控。1.4.2

14、 对比井下现存的几种定位方案（1）小灵通系统该系统是把“中国电信”在全国各大中小城市中应用的公众通信系统PHS系统无线市话亦称小灵通按“煤安标办”标准做了安全技术处理，移植延伸到煤矿井下，从而作为煤矿井下无线信息网络服务平台（即能够能同时服务地面、井下的个人无线移动通讯或生产调度系统）。该系统在实现井下通信的同时，可以实现人员定位。但利用该系统实现定位，必须在每个矿工身上配备PHS设备，这种投入的成本将很高。同时定位技术方法的精度不是很高，井下人员的定位只能确定在一个工作平面或某一工作巷道，这样的定位精度并不能达到井下定位的需求，地面上并不能够准确知道人员的具体方位。（2）RFID系统利用矿工

15、身上的识别卡来确定人员相应的位置，对判断的井下异常情况提示报警，并可实时查看井下人员分布情况，方便查询历史轨迹，从而预防安全问题发生，实现基于跟踪定位技术的煤矿井下安全管理的自动化。（3）PED个人寻呼系统PED系统是有传输系统、PED软件、PED接收机三部分组成。当事故发生时，被困人员按下接收机上紧急呼叫按钮，固化在模块内的紧急呼叫信息通过其中内置天线向外发出超低频信号，环形天线感应后，反馈至发射机，经放大、调制解调生成特定信号至系统平台的监控系统，为判断被困人员生存提供信息。PED系统本省不能知道人员的位置，因此发送信息知识广播，而且能发送的信息相当有限，当收到人员的紧急呼救时，只能知道有

16、人员发生紧急情况，并不能知道发生险情的人员在哪，这种方式并不适合高效搜救工作。它本身不带有定位功能，只能够完成远程通讯功能，需要借助于专门的定位系统进行协助工作。而且PED系统本身成本非常高，需要装设几千米长的大型天线。对比井下现存的几种方案，可以看出，使用RFID进行定位是比较切合实际，具有成本低、效率高等优点。第二章 系统设计2.1 系统需求分析为了满足煤矿井下安全生产的需要，井下人员定位及管理系统在正常情况下应能为煤矿管理人员提供瓦斯检测、瓦斯越限报警、人员实时监控、进出限制、考勤作业等多方面的管理信息。一旦发生安全事故，通过监控系统应可以知道该被困人员的具体位置，保证抢险救灾和安全救护

17、工作的高效运作。因此，井下人员定位及管理系统应具备以下基本功能：（1）人员定位检测功能：实时检测井下人员所处的区域信息，实现对井下员工的人员定位和跟踪管理功能。（2）井下环境参数监测功能：实时监控井下与安全相关的敏感数据信息，能够检测井下瓦斯浓度、温度、湿度等物理信息。（3）自动报警功能：当井下定位基站、相关传感器设备或通信电缆及传输接口出现故障时，井上监控主机有相应的显示和报警功能；当检测到井下某处的瓦斯浓度超标时，定位基站和井上监控主机均能发出报警；当有矿工误入井下禁区时，定位基站报警。（4）安全保障功能：根据数据库中储存的历史数据信息，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

18、灾难，可对现场被困人员进行定位和搜寻。（5）考勤管理功能：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。（6）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。2.2 系统可行性分析2.2.1 频率选择可行性分析井下无线频带资源丰富，没有频带利用的限制，Tag和Reader的可供选择的资源丰富。但是矿井巷道内情况十分复杂，巷道中有钢轨、支架、风门、照明线和动力电缆等，巷道壁凹凸不平，巷道纵横交错、拐弯抹角。所以在生产实践中，要根据实际情况确定最

19、佳工作频率。2.2.2 安全性分析煤矿井下具有甲烷等可燃性气体和煤尘，而且矿井的瓦斯浓度在不同的位置和不同的时间会发生的变化。所以无线通信设备必须是防爆型电气设备，并宜采用安全性能好、体积小、质量轻、成本低的本质安全型防爆措施。RFID采用射频识别技术，理论上不会对井下作业产生危险。在系统中Tag采用无源芯片，Reader设计和封装时采取本质安全型防爆措施。2.2.3 设置可行性分析矿井一般深度都在地下500m以下。煤矿开采是不断进行的，如果采用的网络结构不能方便的增加节点，会给系统的使用带来不便。因此Reader与后台操作可采用现场总线方式连接，同时信息可利用现有的监控系统的线路进行传输。总

20、线型网络结构，只需增加一段电缆和一个Reader就可以增加一个节点，这使系统可以随着煤矿的开采不断的扩充。2.2.4 操作可行性分析RFID的Tag携带方便、操作简单，Reader可在10m以内的距离实现对卡片的自动识别，符合井下作业设备力求简单、方便的要求。2.3 系统总体设计思路以及其功能井下人员定位系统是利用现有煤矿监控系统作为主传输平台，开发相应的井下人员跟踪定位分站、射频识别卡等设备与系统挂接。系统主要用于井下人员定位跟踪，由安装在安全帽上的Tag、矿井专用处理传输基站（包括天线和目标识别器）、数据传输接口、地面中心软件组成。在井下入口、巷道、作业面的交叉道口等需要监控的主要位置安装

21、一定数量的检测站点，工作人员按照要求佩戴装有应答标签的固定的安全帽下井作业。当井下人员经过井下安装的发射天线工作区时，装在安全帽内的射频标签识别卡进入高频发射天线工作区域后即被激活开始工作，将卡内载有识别码的信息经卡内高频模块发射出去，基站获取人员携带的标签信息，系统自动采集该人员经过的时间、地点信息，经CAN总线传输至地面的监控室计算机，完成预设的系统功能。地面中心站接收来自井下专用处理传输分站上的编码信号，实现对井下人员跟踪定位信息的采集、分析处理、实时显示、历史数据存储报表、查询打印等功能。使管理人员能及时准确的查询各种信息，方便作业人员和设备的调度和管理提高和优化煤矿的整体管理水平。如

22、图2.1所示井下人员定位系统示意图。监控室显示屏人员分布图入口监测点1号监测点3号监测点4号监测点2号监测点监控室巷道图2.1 井下人员定位系统示意图系统的主要功能是：（1）以图形的方式显示井下巷道的开拓方式与基本布局。（2）按站点位置检测各处人员的分布、数量、人员身份的各种信息及动态变化规律。（3）长期保存和查询实时定位信息与人员的活动路线、时刻及逗留时间等。（4）可以按图形和表格等不同方式，以工种、单位、编码、姓名、设备名称等不同属性灵活显示和打印。（5）实时数据库和原始资料库相结合，可随机修改各种资料库，以满足不同企业生产现场的不同要求。（6）具有一个丰富的图形库和实时编辑站点分布的功能

23、，可以随时挂起和激活某一监测站点，以增加系统的可维护性和运行灵活性。（7）完成人数统计与附加完善的考勤功能，无需单独设立考勤机系统。（8）当工人误入有瓦斯集聚的死巷道时可及时报警。2.4 系统的硬件结构设计井下人员定位系统主要包括井下网络和地面网络两大部分。如图2.2所示，为井下人员定位系统网络组成图。地面网络部分由数据传输接口、HUB、监控主机（含监控管理软件）、UPS电源、打印机、网络终端、防雷设备等组成。其中，通信接口是将井下CAN总线所传输的信号转换为监控计算机的串口信号；HUB用于地面设备网路连接；监控计算机（含人员监测管理软件）及数据库，实现对信息的自动化管理目标，在计算机屏幕上直

24、观动态显示井下人员的分布情况，使管理层一目了然；UPS电源主要为了在交流电源停电后继续维持系统设备正常运行；打印机主要用来打印机人员监测管理报表；网络交换机，是一个扩大网络的器材，能为子网络中提供更多的连接端口，以便连接更多的计算机。井下网络由井下分站设备、发射天线、接收天线、阅读器和标识卡组成，用于完成信息采集和识别，从而实现预设的系统功能和信息化管理目标。井下设备以CAN总线作为主传输途径，开发相应的井下人员监控分站，配合天线、电子标签等与监控中心挂接，从而实现井下作业人员的定位和安全管理。图2.2 为井下人员定位系统网络组成图2.5 硬件参数选择2.5.1系统频率选择RFID从频率上可分

25、为低频（125KHz）、高频（13.56MHz）、超高频（868-954MHz）以及微波（2.45GHz）4种频率。低频标签比超高频便宜，节省能量，穿透废金属物体力强，工作频率不受无线电频率管制约束，最适合用于含水分较高的物体，但是识别距离小于1m，虽然具有良好的个体定位功能，如果要做到整个矿井的良好定位，需要在井下布置大量的基站，投资大，同时标签的防冲撞功能不好。2.45GHz微波，识别开阔场所达200m，井下100m左右。但是距离太大就会失去定位的功能了，同时标签的防碰撞功能不好。高频标签属于中短距识别，识别距离通常也小于1m。所以我们可以确定本系统的设计应选择在860MHz到960MHz

26、之间的超高频段的某一最适合频率，井下人员跟踪定位基站有效接收范围10m，允许被测目标最大移动速度6m/s，能够很好的实现定位；同时识别目标个数20个，防冲撞功能也好。下面就巷道中电磁波的传输特性做一下分析。表2.1 平直巷道中频率对衰减率的影响频率/MHz6015047090017004000衰减/dB2171139.821.60.7表2.2 弯曲巷道中频率对衰减率的影响频率/MHz200415100020004000衰减/dB47.357.767.674.180.2通过以上两个表的结果可以看出，对平直巷道，频率越高越有利于电磁波的传输；在弯曲巷道中，频率越高，越不利于电磁波的传输，采用868

27、954MHz超高频段900MHz左右的频率作为井下通信的频率应为最适合频率。2.5.2 射频标签的选型根据上文对井下最佳频率的选择分析，确定了在本系统设计中采用900 MHz的射频标签。在满足系统设计的要求下，最终选用意法半导体（ST）公司推出的超高频RFID存储芯片XR400作为系统中使用的射频标签。XRA00是一个工作在超高频的用于射频识别的应答器或者称标签集成电路。XRA00为超长射频器件类芯片，从阅读器到芯片的操作距离长达10米。该芯片具有以下特点：（1）完全符合EPCglobal1.0规范；（2）采用868MHzISM频带和15MHzISM频带超高频载波频率；（3）接收信号是异步脉宽

28、调制（PWM）脉冲编码的50%到100%幅度（ASK）调制信号，应答为双空间编码信号；（4）内含带锁存的128位EEPROM和96位EPC；（5）具有库存、读取、编程和擦除功能；（6）提供删除命令；（7）采用标准30ms编程时间；（8）可循环擦写10000次以上；（9）数据可保存40年以上。2.5.3 传输总线方式的选则CAN总线在微控制器之间需要互相通信或微控制器和远程的外围器件要互相通信的情况下是一个理想的解决办法，在各种控制系统中得到了广泛应用。CAN采用了新技术和独特的设计，与RS485相比具有突出的可靠性、实时性和灵活性。CAN具有多主节点的网络特性，总线利用率高，数据传输速度快，可

29、扩充性好，通信距离长，具有可靠的错误处理和检错机制，个别节点失效并不影响整个通讯网络的运行，实时性好等优点。RS-485网络除了硬件成本、开发难度比CAN bus网络稍具优势外，其他性能方面都没有可比性。CAN总线应用井下网络是一种比较彻底的方案。2.5.4 分站位置号及分站间距的设置为了确定井下人员的准确位置，阅读器在发送射频标签内的序列号时必须同时发送本分站的位置号，这样才能确定人员的位置，所以必须对井下分站进行编号。在ROM存储器中开辟一个字节单元，可以设置0-255的分站位置号，开辟两个字节单元，可以设置65536个分站位置号。如果有需要的话，还可以再增加。井下分站的安装要考虑分站的安

30、装位置及分站间间距的设置，如图2.3所示为井下分站分布示意图。图2.3 井下分站分布示意图（1）主巷道的入口要安装分站，可以作为考勤系统，每个分巷道的入口要安装一个分站，这样可以确定人员分流情况及人员流动的方向性；（2）在靠近危险巷道区，安装分站，当检测到有人员靠近时，发出警报；（3）在没有岔道的巷道中，分站的间隔距离设置要适中。如果间隔太近，硬件成本将会大大增加；如果间隔太远，井下人员动态监控的实时性会大大降低。如图2.4所示为井下分站间距示意图。分站X分站Y标签X标签Y150mMAX=10m图2.4所示为井下分站间距示意图本系统选用的是超高频段的射频标签，典型识别距离在46米，最大距离可达

31、10米，识别速度为6m/s，完全符合井下人员跟踪定位系统的设计需求。以井下人员步行速度是0.5m/s计算，如果系统要求5分钟能够检测到人员的下一个位置，两分站间隔为150米。2.6 系统软件结构设计以及功能本课题研究的基于RFID的井下人员定位系统的软件系统采用C/S模式，即客户机/服务器模式。这里的服务器分为数据库服务器和读卡器上的数据通信服务器。客户端是管理人员进行各种系统功能操作的平台，客户端向服务器发送各种请求，服务器端根据发送的请求经过一系列的数据分析、处理后，向客户端反馈有用的信息，并在客户端以图形或文字的方式显示出来。系统的软件结构如图2.5所示。图2.5 系统的软件结构图系统客

32、户端是整个井下人员定位系统的软件系统操作平台，客户端从数据库中提取有效信息，在操作界面上显示井下人员信息，包括实时定位信息、各类查询信息和统计信息，并对一些基本信息进行有效操作。系统客户端选用Visual C+ 6.0开发平台，基于Windows XP操作系统，采用C+语言进行系统开发，开发软件系统所需实现的功能。数据库使用SQL Server 2000，这是一种关系数据库管理系统，数据库服务器中存储着系统所需要的各种有效信息，包括人员及读卡器基本信息、人员井下实时定位信息、井下标签的信息等。系统客户端向数据库服务器发送SQL请求，数据库对发送的SQL请求进行处理后反馈数据及结果。在基于Win

33、dows XP操作系统的中央计算机上通过采用由Visual C+和SQL Server 2000设计开发的管理软件系统，利用地面监控服务器分析、处理过的标签位置信息并通过计算机显示，同时利用这些分析处理过的数据还可以通过管理软件实现人员管理功能，信息管理功能，考勤管理功能，人员定位跟踪功能，告警功能，如图2.6所示。图2.6 井下人员定位系统软件系统具体功能（1）用户信息功能：对用户信息进行操作，包括对用户密码的修改和新用户注册。（2）信息管理功能：分别对员工信息、井下标签信息、部门信息进行管理，对信息可以进行查询、添加、删除、修改操作。（3）考勤管理功能：统计下井员工的出勤情况，对加班、请假

34、、出差等情况可以通过考勤修改功能，利用人工输入的方法进行详细记录。（4）人员定位跟踪功能：可以实时查询井下作业人员的位置信息，实现对井下人员的实时定位。并且对人员的历史位置信息都有记录，可以通过查询历史位置信息获得人员的历史轨迹。当矿难发生后，由于进行井下救援工作最大的阻碍就是难以确定井下受困人员的分布情况，因此对井下人员的实时定位变得非常重要。实时定位功能可以根据井下员工身上所佩戴的读卡器获取位置信息并发送至井上。利用这些信息可以确定下井人员的详细信息，包括人员身份信息和人员井下位置信息，根据这些信息可以实时掌握下井员工在井下的工作区域。发生矿难时，用于查询人员被困时所在的区域，可以快速、有

35、效地实施井下搜救活动。当矿难发生时，还可以依据人员历史轨迹功能查询出受灾人员在井下的活动轨迹，通过正确掌握遇难人员在受灾前一时刻的活动轨迹，来快速判断出井下遇难人员的下一个可能的活动方向，对于掌握受灾人员所处位置，更快实施救援活动具有重要的意义。（5）告警管理功能：对超时未上井的员工和进入禁区的员工进行报警，并记录报警信息。在井下的危险禁区放置有射频标签，当井下作业人员误入到禁区时会产生报警并上报报警信息，包括人员编号，时间和禁区处标签编号，系统则记录上报的报警信息，操作人员可以通过此功能查看禁区报警记录。2.7 系统数据库分析与设计数据库是统一管理的相关数据的集合。数据库设计是根据用户的需求

36、，在某一具体的数据库管理系统上，设计数据库的结构和建立数据库的过程。数据库设计是任意一个管理信息系统设计中最重要的一部分，数据库设计的好坏直接影响到系统客户端功能的开发与实现。这个系统采用SQL Server 2000进行数据库的开发。SQL Server 2000具有高效的可靠性，灵活的可伸缩性，简单的管理等特性。目前国内外在系统概念设计阶段中，实体联系模型(ERM)是最广泛使用的设计工具。ERM（Entity Relationship Model）是一种语义数据模型，也是一种方法。ER方法对概念模型的描述结构严谨、形式直观。用此方法设计得到的概念模型是实体联系模型，或叫ER图。ER设计方法

37、的实质，是将现实世界抽象为具有某种属性的实体，而实体间相互有联系。画出一张ER图，就得到了一个对系统信息的初步描述，进而形成数据库的概念模型。井下人员定位系统有6个主要实体，包括：员工、部门、监测站、射频卡、实时数据和报警数据。员工实体型属性有编号、姓名、出生日期、性别、民族、学历、身份证号、籍贯、政治面貌等。部门实体型属性有部门编号，名称。监测站实体型属性有地址、串口号、中继器编号、名称、是否使用、安装地点、屏幕位置横坐标、屏幕位置纵坐标。射频卡实体型属性有卡编号、卡内硬件号、状态、有效期。实时数据实体型属性有射频卡号、温度值、湿度值、瓦斯浓度值、记录时间。报警数据实体型属性有中继器编号、报

38、警类型、报警值。员工实体型和部门实体型之间存在着属于的关系，一个员工只能属于一个部门，但一个部门可以有多个员工，他们之间存在着一对多的关系（1:n）。员工实体型和射频卡实体型存在着对应关系，一个员工只能佩带一个射频卡，且必须佩带。一个射频卡只能对应于一个员工，人员定位即由监测站检测到射频卡的编号来确定员工位置，所以存在一对一的关系（1:1）。监测站实体型与实时数据实体型存着这采集关系，一个监测站只能采集其周围的一组环境值，以及该监测站识别范围内的射频卡，每组测量值也只能对应从一个监测站采集，所以他们之间存在着一对一的关系（1:1）。监测站实体型和报警数据实体型存在着采集关系，一个监测站只能产生

39、该监测站所检测环境数据的报警信息，每一个报警信息只能来源于那个与之相对应的监测站，因此他们之间存在这一对一的关系（1:1）。实时数据实体型和射频卡实体型存在这包含关系，一个监测站一个时刻采集到的实时数据可以包含多个射频卡的编号信息，而同一个射频卡编号也有可能同时被多个监测站采集到，所以他们之间存在着多对多的关系（m:n）。因此最终确定的优化全局ER图为图2.7所示。员工姓名出生日期性别民族学历身份证号籍贯政治面貌属于对应部门射频卡编号名称状态卡内号有效期安装地点地址码串口号名称是否使用监测站屏幕坐标采集采集实时数据报警数据包含射频卡内号温度记录时间瓦斯浓度湿度报警类型报警值1111111nnm图2.7 全局ER图第三章 总结与展望3.1 总结近年来，由于煤矿事故的多发性以及井下环境的复杂性、特殊性，使得事故发生后，难以准确、快速地采取抢险救援措施。本文基于无线射频识别技术设计了井下人员定位系统，旨在解决煤矿事故发生后，无法快速准确的获得受灾人员的精确位置，无法进行实时有效的 救援抢险任务的问题。系统具有考勤、实时定位等功能于一体的特点，对抢险救援活动以及平时的生产管理都能提供有利的帮助。3.2 展望本文完成了基于RFID技术的井下人员定位系统的设计，但是由于研究设计时间仓促，系统从功能设计到具体实现上都还有一些可以改进的地方。同时，随着计算机技术、电子信息技术以及