煤矿井下人员定位系统课件

第六章煤矿井下人员定位系统1/212022/11/17第一节概述一、煤矿井下人员定位系统的装备必要性及意义1、必要性

有利于日常井下人员管理和矿井事故发生后的井下救援工作。

《国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知（国发[2010]23号）》要求煤矿和非煤矿山要安装：监测监控系统井下人员定位系统紧急避险系统压风自救系统供水施救系统通信联络系统等技术装备要求于3年之内完成。逾期未安装的，依法暂扣安全生产许可证、生产许可证。第六章煤矿井下人员定位系统1/212022/11/11第一第六章煤矿井下人员定位系统2/212022/11/172、意义煤矿井下人员定位系统又称煤矿井下人员位置监测系统或煤矿井下作业人员管理系统，是由地面监控中心主计算机在系统软件支持下，通过数据传输接口和沿巷道铺设的通讯光缆或电缆，无间断、即时地对井下安装的无线数据采集器进行数据信息采集，无线数据采集器将自动采集有效识别距离内的标识卡的信息，并通过传输网络将相关数据传送至地面中心站。该系统能够实现对矿井人员位置、携卡人员出入井时刻、重点区域出入时刻、限制区域出入时刻、工作时间、井下和重点区域人员数量、井下人员活动路线等监测、显示、打印、存储、查询、异常报警、路径跟踪、管理等功能。充分利用矿井安全监测监控系统平台，无须重复布线，仅需增加相应的人员跟踪定位无线数据采集基站、无线编码发射器、人员跟踪定位处理软件即可实现。能够清楚掌握每个人员在煤矿井下的位置及活动轨迹，为事故抢险提供科学依据。第六章煤矿井下人员定位系统2/212022/11/11第六章煤矿井下人员定位系统3/212022/11/17

煤矿井下人员位置监测系统在遏制超定员生产、事故应急救援、领导下井带班管理、特种作业人员管理、井下作业人员考勤等方面发挥着重要作用。（1）遏制超定员生产；（2）防止人员进入危险区域；（3）及时发现未按时升井人员；（4）加强特种作业人员管理；（5）加强干部带班管理；（6）煤矿井下作业人员考勤管理；（7）应急救援与事故调查技术支持（系统有2h备用电源、标识卡电池7D）；（8）持证上岗管理；（9）具有紧急呼叫功能的系统；（10）减少工作量、提高工作效率；（11）加强企业内部之间信息共享。

第六章煤矿井下人员定位系统3/212022/11/11第六章煤矿井下人员定位系统4/212022/11/17二、煤矿井下人员定位系统组成及工作原理1、组成：煤矿井下人员位置监测系统一般由标识卡、位置监测分站、电源箱（可与分站一体化）、传输接口、主机（含显示器）、系统软件、服务器、打印机、大屏幕、UPS电源、远程终端、网络接口、电缆和接线盒等组成。

煤矿井下人员位置监测系统组成

煤矿井下人员位置监测系统示意图第六章煤矿井下人员定位系统4/212022/11/11二、第六章煤矿井下人员定位系统5/212022/11/172、煤矿井下人员定位系统工作原理在井下需要进行人员跟踪的区域和巷道中根据现场具体需要放置一定数量的多功能分站，系统的分站是采集信号的关键部件，形成系统后，它将不断地通过发射天线发出载波信号（寻找信号）。当带有标识卡的职工通过分站附近时，它发出的固定频率的电磁场将同标识卡芯片里的谐振电路产生共振，这时，标识卡芯片即被唤醒，原本处于“体眠状态”的芯片被激活并将含有自身种类识别码标志（姓名、年龄、所属单位、工种、通过时间等）的信息代码调制到载波上经卡内天线发射出。安装在分站里的读卡模块是采集射频标识卡的第一门户通道，也是读卡器中最重要的个功能部件。读卡模块内部集成了无线接收电路及发生基波信号的功率输出电路。它将接受到标识卡发来的识别码信息在其内部经读卡模块的解调、带通滤波整形后由输出电路输出序列串行信号

第六章煤矿井下人员定位系统5/212022/11/11第六章煤矿井下人员定位系统6/212022/11/17三、煤矿井下人员定位系统分类及装备要求1、煤矿井下人员定位系统分类2、煤矿井下人员定位系统装备要求1）按工作原理分：场强式、射频标签式、其他。2）按信号传输方向分：单向、半双工、全双工。3）按标识卡结构分：与矿灯一体、与手机一体、与BP机一体、帽卡、胸卡、腰卡、其他。4）按系统结构分类：独立式、与煤矿安全监控系统一体、与煤矿井下移动通信系统一体、其他。5）按标识卡供电方式分：有源卡、无源卡。6）按标识卡的工作频率分：特高频（300MHz~3GHz）、超高频（3GHz~30GHz）、其他。7）按功能分：非连续监测式、连续监测式、其他。（1）各个人员出入井口、采掘工作面等重点区域出/入口、盲巷等限制区域等地点应设置分站，并能满足相关要求。（2）巷道分支处应设置分站，并能满足监测携卡人员出/入方向的要求。（3）下井人员应携带标识卡。标识卡严禁擅自拆开。（4）工作不正常的标识卡严禁使用。两个多10%。（5）矿调度室应设置显示设备，显示井下人员位置等。（6）设正常和唯一性检测的装置，可采用虹膜、人脸等自动检测方法。煤矿井下人员位置监测系统标识卡正常工作和下井人员每人一张卡，且仅携带表明自己身份的卡，是遏制超能力生产、加强煤矿井下作业人员管理、为应急救援提供技术支持的必要条件。第六章煤矿井下人员定位系统6/212022/11/11三、第六章煤矿井下人员定位系统7/212022/11/17第二节矿井下无线通讯及射频识别技术一、煤矿井下无线通讯技术1、目前常用的无线通信方式1）蓝牙技术2）红外技术3）超宽频技术（UWB）4）Wi-Fi技术5）Zigbee技术

蓝牙技术是一种全球通用的小范围无线通信技术，是针对目前近距离便携式器件之间的红外线链路（IrDA）而提出的，是低成本、短距离无线个人网络传输应用，其主要目标是提供一个全世界通行的无线传输环境，通过无线电波来实现所有移动设备之间的信息传输服务。

优点：蓝牙技术应用红外线收发器连接虽然能免去电线或电缆的连接；

缺点：距离只限于1~2m，而且必须在视线上直接对准，中间不能有任何阻挡，同时直限于在两个设备之间进行连接，不能同时连接更多的设备。

红外技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术。

优点：是无须申请频率使用权，因而红外通信成本低廉；体积小，功耗低，连接方便，简单易用的特点；由于数据传输率较高，因而适于传输大容量的文件和多媒体数据；红外线发射角度较小，传输安全性高。

不足：它是一种视距传输，两个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其他物体阻隔，因而该技术只能用于两台设备之间的连接。

超宽频技术（UltraWideBand，UWB）是一种独特的、很有前景的无线通信技术。

优点：该技术在时域中以纳秒级的非正旋波窄脉冲信号为载波，因而在领域中具有扁平的很宽的频谱，目前建议标准的带宽为55Mb/s，通过调频避免与其他无线信号的冲突；由于结构简单，且成本低，在家用方面很有市场。

缺点：可能会成为潜在的干扰源，同时由于功率限制，传输距离短，只有10m左右的距离。Wi-Fi（wirelessfidelity，无线保真）即802.11b/g标准工作在2.4GHz的频带，采用CCK调制技术，传输速率最高分别可达到11Mbit/s和54Mbit/s。Wi-Fi是由AP（AccessPoint，无线访问节点）和无线网卡组成的无线网络。

优点：速度快，可靠性高，在开放性区域，通讯距离可达305m，在封闭性区域，通讯距离为76m到122m，方便与现有的有线以太网络整合；可移动性、价格低廉。

基于IEEE802.15.4协议规定的ZigBee技术是一种新兴的无线通信技术：蜜蜂（bee）+“嗡嗡”（zig）优点：近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率（工作速率大约为20~250kb/s）、低成本（不到蓝牙的1/10）、安全（提供了三级安全模式）以及自动动态组网与自主路由。主要适合用于自动控制和远程控制领域，支持地理定位功能，它是一种介于无线标记技术和蓝牙技术之间的技术方案，可以嵌入许多其它的设备。第六章煤矿井下人员定位系统7/212022/11/11第二第六章煤矿井下人员定位系统8/212022/11/172、影响煤矿井下定位的主要因素（1）多径传播（2）多址干扰（3）信号同步误差

无线信号的多径传播现象会使得基于角度和时间的定位方法产生较大的误差，主要原因是多径传播会对测量代表收发双方实际距离和方位的直射路径（LOS）信号的角度和时延产生较大的干扰。

多址干扰是影响系统性能和容量的主要因素，当对定位信号进行测量时，多址干扰的存在仍然会对测量结果产生较大的干扰。但是目前大多数效果较好的多用户检测算法当用户数量较多时，其运算量非常大，实现较为困难。

在进行TOA估计的过程中，信号时间延迟的估计精度与估计过程中参考信号和接收信号之间的同步程度有关，即检测到的信号峰值是否为真正的峰值点，特别是对于多径传播环境下，如何在相关波形中获取较好的相关峰值点很重要。当接收信号和参考信号的同步较差时，会展宽相关波形，同时会出现较为严重的旁瓣，这些对TOA估计的影响很大。因此，在设计人员定位系统之前必须对巷道内无线通讯环境进行分析。第六章煤矿井下人员定位系统8/212022/11/112、第六章煤矿井下人员定位系统9/212022/11/173、煤矿井下无线通讯特点（1）衰减与频率的关系（2）衰减与曲率的关系（3）巷道半径对无线传输的影响（4）衰减与粗糙度、倾斜度的关系（5）接收点有用信号十分微弱（6）井下环境机电噪声干扰严重

矿井巷道对电波的自由传播可视为带阻型。在甚低频段以及低频、中频的低端，衰减随频率增加而增大；在中频高端和高频段，衰减达到最大，30MHZ的电波的衰减最大，最不利于传输；进入高频后，衰减随频率上升而减小。频率越高，传输衰减越小，但当频率升高时，电波的拐弯能力变差，拐角处的损耗增大，传输距离减小。

衰减随着巷道曲率增加而增大。通过对矿井无线传输特点的分析，可以看出，特低频、甚低频、特高频频段衰减最小，拐角损耗随着频率的升高而逐渐增大。中频段借助于感应体传输距离也可以达到1000m以上，但由于工作频率较低时，易受工频电磁干扰，且信道容量小，要求发射机功率大，无线体积大。特别是中频感应通信，当感应线发生故障或无纵向导体时，通信距离大大减小。因此，矿井移动通信系统不适合选用频率较低的工作频率。

矿井无线传输受巷道截面等效半径与波长的比值影响，比值越大，传输衰减越小，巷道断面大对通信有利。巷道截面对无线传输影响程度与波长有关，当巷道截面等效半径与波长相差不大于10倍时（大于或小于），巷道截面尺寸对无线传输的影响最大，当巷道截面等效半径远远大于或远远小于波长时，巷道截面对无线传输的影响较小。巷道截面一般在几平方米至十几平方米之间，因此，巷道截面对中频及其以下频率的无线传输影响较小，对高频、甚高频和特高频的无线传输影响较大。

首先，在井下移动通信中，天线的发射效率低；其次，无线电波在井下巷道这样一个特定的非自由空间传播，决定电磁波传播速度的煤岩层介电常数和磁导率变化很大，因而传播速度也不断发生变化；再次，由于巷道壁、井下障碍物等反射，形成反射波。因此，到达基站接收天线的信号不止一个，由于它们有着不同的幅度、相位和时延量，使到达基站接收的信号时大时小，造成多径效应的现象，使接收点的有用信号十分微弱。

当电波在巷道中传播时，由于巷道壁的粗糙与倾斜，将引起电波损耗。当频率较低时，粗糙所引起的损耗较大；当频率较高时，倾斜所引起的损耗较大。

煤矿井下空间窄小，机电设备相对集中、功率大。因此，电磁干扰严重，特别是大型机电设备启停，架线电机车电火花等对通信设备干扰大。第六章煤矿井下人员定位系统9/212022/11/113、第六章煤矿井下人员定位系统10/212022/11/17名称甚低频低频中频高频甚高频超高频特高频极高频符号VLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF频率3-30KHz30-300KHz0.3-3MHz3-30MHz30-300MHz0.3-3GHz3-30GHz30-300GHz波段超长波长波中波短波米波分米波厘米波毫米波波长1KKm-100Km10Km-1Km1Km-100m100m-10m10m-1m1m-0.1m10cm-1cm10mm-1mm传播特性空间波为主地波为主地波与天波天波与地波空间波空间波空间波空间波主要用途海岸潜艇通信；远距离通信；超远距离导航越洋通信；中距离通信；地下岩层通信；远距离导航船用通信；业余无线电通信；移动通信；中距离导航远距离短波通信；国际定点通信电离层散射；流星余迹通信；人造电离层通信；对空间飞行体通信；移动通信小容量微波中继通信；对流层散射通信；中容量微波通信大容量微波中继通信；数字通信；卫星通信；国际海事卫星通信再入大气层时的通信；波导通信中国无线电频率划分及主要用途

第六章煤矿井下人员定位系统10/212022/11/11名第六章煤矿井下人员定位系统11/212022/11/17二、射频识别技术简介1、射频识别技术概念

1）射频识别技术

2）射频的定义2、射频识别系统原理及特点

1）射频识别系统组成和工作原理：信号发射机、接收机、天线

2）射频识别技术的基本工作原理

3）射频识别技术特点RFID（RadioFrequencyIdentification，射频识别）技术是从20世纪90年代兴起的一项自动识别技术，利用无线射频方式进行非接触通信，以达到自动识别目标对象的目的并获得相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣的环境。最早应用于通讯控制、高速公路、桥梁的自动收费以及安全领域。以前由于成本过高，影响了其向更广的领域拓展。近十年来，随着大规模集成电路制造工艺的不断提高，芯片集成度越来越高，功能越来越强，元器件封装不断减小，使得射频识别系统的成本大大降低，体积也大大减小，真正进入到实用化阶段，成为一种成熟的自动识别技术。

射频就是射频电流，它是一种高频交流变化电磁波的简称，每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流，大于10000次的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流。在电子学理论中，电流流过导体，导体周围会形成磁场；交变电流通过导体，导体周围会形成交变的电磁场，被称为电磁波。在电磁波频率低于100kHz时，电磁波会被地表吸收，不会形成有效的传输，但电磁波频率高于100kHz时，电磁波可以在空气中传播，并经大气层外缘的电离层反射，形成远距离传输能力，把远距离传输能力的高频电流称为射频。

射频识别系统一般都由信号发射机、信号接收机、发射接收天线几部分组成，在射频识别系统工作过程中，始终以能量作为基础，通过一定的时序方式来实现数据交换。（1）读卡器将无线电载波信号经过发射天线向外发射。（2）当标签进入发射天线的工作区后，激活、发射自身信息。（3）系统的接收天线接收标签发出的载波信号，经天线的调节器传输给读卡器、读取信息并解码后，送计算机控制器。（4）计算机控制器根据逻辑运算判断该标签的合法性，并做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构的动作。（5）执行机构按照计算机的指令动作。

读取方便快捷、识别速度快、数据容量大、使用寿命长，应用范围广、标签数据可动态更改、更好的安全性、动态实时通信。

RFID是一种突破性的技术：第一：可以识别单个的非常具体的物体，而不是像条形码那样只能识别一类物体；第二：其采用无线电射频，可以透过外部材料读取数据，而条形码必须靠激光来读取信息；第三：可以同时对多个物体进行识读，而条形码只能一个一个地读。第六章煤矿井下人员定位系统11/212022/11/11二第六章煤矿井下人员定位系统12/212022/11/17三、射频识别系统的设计1、RFID读卡器

1）读卡器的基本功能

2）读卡器的分类

3）读卡器的工作方式

读卡器一般由天线、射频模块、读写模块组成。

天线是发射和接收射频载波信号的设备；

射频模块由射频振荡器、射频处理器、射频接收器以及前置放大器等组成，该模块可接收和发射射频载波；

读写模块由放大器、解码及纠错电路、微处理器、时钟电路、标准接口以及电源组成，它可以接收射频模块传输的信号，解码后获得标签内信息，可将要定稿标签的信息编码后传递给射频模块，完成写标签操作。

根据使用用途，可将读卡器划分为工业读卡器、固定式读卡器、OEM读卡器、便携式读卡器等。读卡器的基本构成

读卡器主要有两种工作方式，一种是TTF（TagTalksFirst，标签先发言），另一种是RTF（ReaderTalksFirst，读卡器先发言），这是读卡器的防冲突协议方式。一般标签处于“等待”或称为“休眠”的工作状态。当标签进入读卡器的作用范围时，检测到一定特征的射频信号，便从“休眠”状态转到“接收”状态，接收读卡器发出的命令，进行相应的处理，并将结果返回给读卡器。这类只有接收到读卡器特殊命令才发送数据的标签被称为RTF方式；与此相反，进入读卡器的能量场即主动发送自身系列号的标签被称为TTF方式。TTF和RTF协议相比，TTF方式的标签具有识别速度快等特点，适用于需要高速应用的场合；另外，它在噪声环境中更稳健，在处理标签数量动态变化的场合也更为实用。因此，更适于工业环境的跟踪和定位应用。第六章煤矿井下人员定位系统12/212022/11/11三第六章煤矿井下人员定位系统13/212022/11/172、RFID标签(又叫电子标签或智能标签，持久性、大容量）

1）标签的基本组成

2）标签的分类

3）RFID标签的封装

一般标签由天线、调制器、编码发生器、时钟以及存储器等组成，时钟把所有电路功能时序化，以使存储器中的数据在精确的时间内被传送到读卡器；存储器中的数据是应用系统规定的唯一性编码，在标签被安装在识别对象上以前已被定入，数据读出时，编码发生器把存储器中的数据编码，调制器接收由编码器编码后的信息，通过天线电路将此信息发射或反射到读卡器。数据写入时，由控制器控制将天线收到的信号解码后写入存储器。（1）按供电方式：有源标签和无源标签；（2）按工作方式：主动式和被动式标签；（3）按读写方式：只读型和读写型标签；（4）按工作频率：分为低频（30~300kHz）、中高频（3~30MHz）、超高频以及微波标签，其典型工作频率为433.92MHz、862（902）~928MHz、1.45GHz、5.8GHz；（5）按作用距离：密耦合（＜1cm）、近耦合（约15cm）、疏耦合（约1m）及远距离（1m~10m，甚至更远）标签。标签的基本构成

（1）封装材质：RFID标签的封装材质主要有纸标签、塑料标签和玻璃标签。（2）封装形式根据标签不同的应用场合，可将标签封装成不同的形状，使其满足不同需要。主要形式有：信用卡和半信用卡标签，线形标签，盘形标签，自粘标签，片上线圈，其它如钥匙扣形标签、手表形标签等。第六章煤矿井下人员定位系统13/212022/11/112第六章煤矿井下人员定位系统14/212022/11/173、RFID天线

1）选择天线的主要参数

2）读卡器天线

（1）电感式系统的天线（2）微波系统的天线

3）标签天线

（1）天线的工作频率范围（频带宽度）（2）天线的增益（3）天线的极化（4）天线的波瓣宽度（5）天线的输入阻抗Zin

（6）有效长度①电感式系统的天线的选择原则。在读卡器天线的设计或选择必须满足的条件有：一是天线线圈的电流电大，以用于产生最大的磁通量；二是功率匹配，以便最大程度地利用磁通量的可用通量；三是足够的带宽，保证载波信号的传输。②电感式系统的天线的连接方法。一是利用电流匹配来进行连接，对于135kHz以下频率范围内的典型的低成本读卡器，高频接口和天线线圈是相邻安装在一起的，甚至常常是在同一块电路板上。二是通过同轴电缆馈接，对于超过1MHz以上的频率或是135kHz频率范围内较长的导线长度，通常都是使用屏蔽电缆，即同轴电缆。③品质因数的影晌。电感读卡器天线的品质因数可通过线圈电阻与线圈电阻的欧姆损耗和/或串联电阻的比值计算出来。读卡器的基本构成

微波系统所使用的天线类型是基于带状线技术的天线，即所谓的平面天线。这种天线的特点是建造高度较低并且结构坚固，能方便地使用光刻技术制造出来，有很高的可复制性，辐射器的基本元件是直角微带导线组成的。为了得到不同的定向和极化效应，可以用不同的方式把辐射器元件组合在一起。

（1）标签天线应具有的性能主要包括：一是体积足够小；二是有全向或半球覆盖的方向性；三是给标签提供能量；四是天线的极化能与读卡器的查询信号相匹配；五是价格便宜。（2）标签天线的形式考虑到天线的阻抗、辐射模式、局部结构、作用距离等因素的影响，为了以最大功率传输，在标签中不应该使用全向天线，而应该使用方向性天线。因为它具有更少的辐射模式和更少的返回损耗干扰。第六章煤矿井下人员定位系统14/212022/11/113第六章煤矿井下人员定位系统15/212022/11/174、RFID防冲突方法

1）RFID冲突产生的原因

对于读卡器来说，信号冲突常可分为两种：（1）读卡器与读卡器之间的干扰（2）多读卡器到标签间的干扰

2）防冲突的方法

3）校验方式

射频读卡器通过多种方式和标签传送信息，通常读卡器利用天线在周围形成磁场，被动标签从磁场中接收到能量然后将其信号发送给读卡器，读卡器将信息转化成电子信息。有时信号太微弱，让彼此传递的一方无法收到或辨识；有时信号太相近，造成接受端信号的混乱，一般RFID的读卡器一次只能与一个标签进行沟通，因而会有所谓冲突的问题。

RFID的信号碰撞一般可分为标签信号碰撞以及读卡器信号碰撞两大类，前者是指一个读卡器同时收到多个标签所返回的信号，造成读卡器无法准确判读或造成误读，后者则是一个标签同时收到多个读卡器所发出的命令以至于造成冲突。

当一个读卡器发射较强的信号与射频标签反射回的微弱信号相干扰时，就引起了读卡器与读卡器之间的干扰。读卡器R1位于读卡器R2干扰区。从射频标签T1反射回的信号到达读卡器R1，很容易被读卡器R2发射的信号干扰。这种干扰即使两个读卡器阅读范围没有重叠也有可能产生。读卡器与读卡器间的干扰

当多个读卡器同时阅读同一个标签时引起了多读卡器到标签间的干扰，如图6.8所示，两个读卡器阅读范围重叠。从读卡器R1和R2发射的信号可能在射频标签T1处产生干扰。在这种情况下，标签T1不能正常传递信号并且读卡器R1和R2都不能阅读T1。因为读卡器冲突，读卡器R能阅读标签T2和T3，但是不能阅读标签T1。

（1）分址多任务（SDMA：SpaceDivisionMultipleAccess）：利用空间分割的方式来避免信号的冲突，多用以处理读卡器的信号碰撞。（2）分频多任务（FDMA：FrequencyDivisionMultipleAccess）：利用信号传输所使用的频道进行区分来避免信号碰撞的一种方法。（3）分时多任务（TDMA：TimeDivisionMultipleAccess）：是防信号碰撞中最常使用，也最成熟的一项技术，其原理是利用时间的差异，将可使用的通信时序分配给不同的标签进行数据传输，排定先后顺序后依序与读卡器进行沟通。读卡器到标签间的干扰

为了防止数据在传输的过程中，因干扰而产生误码，通讯协议中均对传输数据校验。读卡器和标签之间的信号无线传输可采用LRC（LongitudinalRedundancyCheck，纵向冗余校验）检验方式，避免读卡器从空中拾取错误的信号；读卡器与分站之间采用CRC（CyclicRedundancyCheck，循环冗余校验）校验，保证传输数据的有效性。第六章煤矿井下人员定位系统15/212022/11/114第六章煤矿井下人员定位系统16/212022/11/17第三节煤矿井下人员定位系统设计要求一、系统设计条件1、目前常用的无线通信方式1）一般条件2）环境条件3）供电电源

煤矿井下人员定位系统一般由主机、传输接口、分站、标识卡、电源箱、电缆、接线盒、避雷器和其他必要设备组成。（1）系统应符合MT209、MT/T1004、MT/T1005、MT/T1007、MT/T1008、AQ6201、AQ1048等标准的有关规定，符合《国家安全生产监督管理总局国家煤矿安全监察局关于建设完善煤矿井下安全避险“六大系统”的通知（安监总煤装[2010]146号）》要求，系统中的其他设备应符合有关国家及行业标准的规定，并按照经规定程序批准的图样及文件制造和成套。（2）中心站及入井电缆的入井口处应具有防雷措施。（3）帽卡式标识卡应通过国家有关部门的检测，并出具对人身健康无害的报告。条件机房、调度室的设备煤矿井下的设备环境温度15℃~30℃0℃~40℃相对湿度40%~70%≤95%（25℃）大气压力80kPa~106kPa80kPa~106kPa环境条件GB/T2887规定的尘埃、照明、噪声、电磁场干扰和接地条件有爆炸性气体混合物，但无显著振动和冲击、无破坏绝缘的腐蚀性气体。温度变化率小于10℃/h，且不得结露项目地面设备交流电源井下设备交流电源额定电压380V/220V，允许偏差－10%~＋10%127V/380V/660V/1140V，允许偏差：－20%（－25%）~＋10%谐波≤5%≤10%频率50Hz，允许偏差±5%50Hz，允许偏差±5%第六章煤矿井下人员定位系统16/212022/11/11第第六章煤矿井下人员定位系统17/212022/11/17二、系统要达到的主要功能1、监测功能2、管理功能3、存储和查询功能4、显示及打印功能5、人机对话及自诊断功能6、其他功能（1）具有携卡人员出/入井时刻、出/入重点区域时刻、出/入限制区域时刻等监测功能。（2）具有识别携卡人员出/入巷道分支方向等功能。（3）能对乘坐电机车等各种运输工具的携卡人员进行准确识别。（4）能识别多个同时进入识别区域的标识卡。（5）具有标识卡工作是否正常和每位下井人员携带1张卡唯一性检测功能。（1）系统应具有汉字显示和提示功能；（2）系统应具有列表显示功能；（3）系统应具有模拟动画显示功能；（4）系统应具有系统设备布置图显示功能；（5）系统应具有汉字报表、初始化参数召唤打印功能（定时打印功能可选）。

（1）具有携卡人员下井总数及人员、出/入井时刻、下井工作时间等，出/入重点区域总数及人员、出/入重点区域时刻、工作时间等，出/入限制区域总数及人员、出/入限制区域时刻、滞留时间等，特种作业人员等下井、进入重点区域总数及人员、出/入时刻、工作时间等显示、打印、查询等功能，并具有超时人员总数及人员、超员人员总数及人员报警、显示、打印、查询等功能。（2）具有携卡人员下井活动路线显示、打印、查询、异常报警等功能。（3）具有携卡人员卡号、姓名、身份证号、年龄、职务或工种、所在区队班组、主要工作地点、每月下井次数、下井时间、每天下井情况等显示、打印、查询等功能。（4）有按部门、地域、时间、分站、人员等分类查询、显示、打印等功能。（1）具有上述信息的存储功能；（2）具有查询功能，查询类别如下：按人员查询；按时间查询；按地域查询；按识别区查询；按超时报警查询；按超员报警查询；按限制区域报警查询；按工作异常报警查询；按人员分类查询；按部门查询；按工种查询等。（3）具有防止修改实时数据和历史数据等存储内容（参数设置及页面编辑除外）功能。（4）系统应具有数据备份功能。（5）分站应具有数据存储功能。当系统通信中断时，分站存储标识卡卡号和时刻；系统通信正常时，上传至中心站。（1）具有人机对话功能，以便于系统生成、参数修改、功能调用、图形编辑等。（2）具有操作权限管理功能，对参数设置等必须使用密码操作，并具有操作记录。（3）在任何显示模式下，均可直接进入所选的列表显示、模拟图显示、打印、参数设置、页面编辑、查询等方式。（4）具有自诊断功能。当系统中分站、传输接口等设备发生故障时，报警并记录故障时间和故障设备，以供查询及打印。（1）主机应具有双机切换功能，及备用电源。（2）具有网络接口、将有关信息上传至各级主管部门。（3）具有软件自监视及容错功能。（4）具有实时多任务功能，对参数传输、处理、存储和显示等能周期循环运行而不中断。第六章煤矿井下人员定位系统17/212022/11/11二第六章煤矿井下人员定位系统18/212022/11/17三、系统要达到的主要技术指标1）最大位移速度：≥5m/s；2）并发识别数量：≥80；3）漏读率：≤10-4；4）最大传输距离：标识卡与分站≥10m，分站至传输接口≥10km；5）最大监控容量：分站数量8、16、32、64、128，标识卡≥8000个；6）最大巡检周期：≤30s；7）误码率：≤10-8；8）存储时间：≥1a，主机故障时，丢失信息≤5min，分站数据≥2h；9）画面响应时间：调出整幅画面85%的响应时间≤2s，其余画面≤5s；10）双机切换时间：从工作主机故障到备用主机正常工作≤5min;11）标识卡电池寿命：电池不可更换的标识卡寿命≥2年，可更换的≥6个月12）标识卡电池工作时间：每次充电应能保证标识卡连续工作时间≥7d13）备用电源工作时间：在电网停电后，备用电源≥2h；14）远程本安供电距离：≥2km。第六章煤矿井下人员定位系统18/212022/11/11三第六章煤矿井下人员定位系统19/212022/11/17第四节常见的煤矿井下人员定位系统简介一、KJ251煤矿井下人员定位系统1、系统的工作原理2、系统主要功能特点（有特色的几点，其他见书本）3、系统主要技术指标（见书本）二、KJ101N煤矿井下人员定位系统三、KT23煤矿井下人员定位系统四、KJ-241煤矿井下人员定位系统

人员随身携带的标识卡进入读卡器工作区域被激活后（未进入读卡器工作区域标识卡不工作，即处于休眠状态），将人员编码加密信息发射出去；读卡器接收到标识卡发来的无线信号，经分站接收处理后，提取出人员编码相关信息，经数据传输接口送至地面监控计算机，完成矿井人员自动跟踪定位管理和考勤。分站工作原理

KJ251人员定位管理系统界面

（1）对井下人员可实时跟踪监测；（8）单台目标读卡器可瞬间同时识别200个以上的人员标识卡。乘车出入的工作人员无需下车，在车辆进入监测区域后，就可自动完成人员定位及考勤功能。（9）识别区域无方向性、无盲区，对人体没有伤害。（13）门禁功能。根据需要在煤矿井下限制员工进入特殊区域。（14）报警功能。可以对下井人员限制出入时间及地点，如果超过授权时间或进入未经授权的地点都会触发报警设备发出警示，以便控制人员迅速做出反映，采取安全措施。（15）系统可自动生成人员信息数据库，实现考勤作业的统计与管理等方面的报表资料，提高管理效益。（17）系统具有人员活动轨迹再现功能。KJ101N人员定位系统由软件系统和硬件系统组成，其中软件系统包括应用软件和嵌入式软件两部分组成，用于完成信息采集、识别、加工及其传输，由这两部分软件共同支撑着整个系统的运行。硬件系统由井下分站设备、发射天线、人员标识卡组成。井下分站设备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。

本系统是采用基于902-928MHz无源射频卡基础上实现的煤矿井下人员定位，可以有效消除有源射频卡存在的安全隐患，是煤矿安全生产动目标定位系统的高性价比综合解决方案。整个井下人员定位系统无线系统由矿用读卡器（KJF38）、双向中继放大器（KLT10）、无源射频卡、数据采集机、定位服务器、管理中心软件等单元组成。KJ-241井下人员及设备定位系统设备主要包括：中心站主机、KJJ-1200型数据通讯箱、BFDZ-2型多功能分站、KWB-10型煤矿用无线标识传感器以及JHWK型煤矿用无线标识卡。第六章煤矿井下人员定位系统19/212022/11/11第第六章煤矿井下人员定位系统20/212022/11/17习题1、简述煤矿井下人员定位系统的装备意义。2、简述煤矿井下人员定位系统组成及工作原理。3、简述煤矿井下人员定位系统分类及装备要求。4、煤矿井下无线通讯的主要特点有哪些？5、简述射频识别系统RFID原理。6、简述射频识别系统RFID读卡器及标签的分类。7、简述选择射频识别系统RFID天线的主要参数有哪些？8、简述煤矿井下人员定位系统设计的主要要求。第六章煤矿井下人员定位系统20/212022/11/11习第六章煤矿井下人员定位系统21/212022/11/17第一节概述一、煤矿井下人员定位系统的装备必要性及意义1、必要性

有利于日常井下人员管理和矿井事故发生后的井下救援工作。

《国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知（国发[2010]23号）》要求煤矿和非煤矿山要安装：监测监控系统井下人员定位系统紧急避险系统压风自救系统供水施救系统通信联络系统等技术装备要求于3年之内完成。逾期未安装的，依法暂扣安全生产许可证、生产许可证。第六章煤矿井下人员定位系统1/212022/11/11第一第六章煤矿井下人员定位系统22/212022/11/172、意义煤矿井下人员定位系统又称煤矿井下人员位置监测系统或煤矿井下作业人员管理系统，是由地面监控中心主计算机在系统软件支持下，通过数据传输接口和沿巷道铺设的通讯光缆或电缆，无间断、即时地对井下安装的无线数据采集器进行数据信息采集，无线数据采集器将自动采集有效识别距离内的标识卡的信息，并通过传输网络将相关数据传送至地面中心站。该系统能够实现对矿井人员位置、携卡人员出入井时刻、重点区域出入时刻、限制区域出入时刻、工作时间、井下和重点区域人员数量、井下人员活动路线等监测、显示、打印、存储、查询、异常报警、路径跟踪、管理等功能。充分利用矿井安全监测监控系统平台，无须重复布线，仅需增加相应的人员跟踪定位无线数据采集基站、无线编码发射器、人员跟踪定位处理软件即可实现。能够清楚掌握每个人员在煤矿井下的位置及活动轨迹，为事故抢险提供科学依据。第六章煤矿井下人员定位系统2/212022/11/11第六章煤矿井下人员定位系统23/212022/11/17

煤矿井下人员位置监测系统在遏制超定员生产、事故应急救援、领导下井带班管理、特种作业人员管理、井下作业人员考勤等方面发挥着重要作用。（1）遏制超定员生产；（2）防止人员进入危险区域；（3）及时发现未按时升井人员；（4）加强特种作业人员管理；（5）加强干部带班管理；（6）煤矿井下作业人员考勤管理；（7）应急救援与事故调查技术支持（系统有2h备用电源、标识卡电池7D）；（8）持证上岗管理；（9）具有紧急呼叫功能的系统；（10）减少工作量、提高工作效率；（11）加强企业内部之间信息共享。

第六章煤矿井下人员定位系统3/212022/11/11第六章煤矿井下人员定位系统24/212022/11/17二、煤矿井下人员定位系统组成及工作原理1、组成：煤矿井下人员位置监测系统一般由标识卡、位置监测分站、电源箱（可与分站一体化）、传输接口、主机（含显示器）、系统软件、服务器、打印机、大屏幕、UPS电源、远程终端、网络接口、电缆和接线盒等组成。

煤矿井下人员位置监测系统组成

煤矿井下人员位置监测系统示意图第六章煤矿井下人员定位系统4/212022/11/11二、第六章煤矿井下人员定位系统25/212022/11/172、煤矿井下人员定位系统工作原理在井下需要进行人员跟踪的区域和巷道中根据现场具体需要放置一定数量的多功能分站，系统的分站是采集信号的关键部件，形成系统后，它将不断地通过发射天线发出载波信号（寻找信号）。当带有标识卡的职工通过分站附近时，它发出的固定频率的电磁场将同标识卡芯片里的谐振电路产生共振，这时，标识卡芯片即被唤醒，原本处于“体眠状态”的芯片被激活并将含有自身种类识别码标志（姓名、年龄、所属单位、工种、通过时间等）的信息代码调制到载波上经卡内天线发射出。安装在分站里的读卡模块是采集射频标识卡的第一门户通道，也是读卡器中最重要的个功能部件。读卡模块内部集成了无线接收电路及发生基波信号的功率输出电路。它将接受到标识卡发来的识别码信息在其内部经读卡模块的解调、带通滤波整形后由输出电路输出序列串行信号

第六章煤矿井下人员定位系统5/212022/11/11第六章煤矿井下人员定位系统26/212022/11/17三、煤矿井下人员定位系统分类及装备要求1、煤矿井下人员定位系统分类2、煤矿井下人员定位系统装备要求1）按工作原理分：场强式、射频标签式、其他。2）按信号传输方向分：单向、半双工、全双工。3）按标识卡结构分：与矿灯一体、与手机一体、与BP机一体、帽卡、胸卡、腰卡、其他。4）按系统结构分类：独立式、与煤矿安全监控系统一体、与煤矿井下移动通信系统一体、其他。5）按标识卡供电方式分：有源卡、无源卡。6）按标识卡的工作频率分：特高频（300MHz~3GHz）、超高频（3GHz~30GHz）、其他。7）按功能分：非连续监测式、连续监测式、其他。（1）各个人员出入井口、采掘工作面等重点区域出/入口、盲巷等限制区域等地点应设置分站，并能满足相关要求。（2）巷道分支处应设置分站，并能满足监测携卡人员出/入方向的要求。（3）下井人员应携带标识卡。标识卡严禁擅自拆开。（4）工作不正常的标识卡严禁使用。两个多10%。（5）矿调度室应设置显示设备，显示井下人员位置等。（6）设正常和唯一性检测的装置，可采用虹膜、人脸等自动检测方法。煤矿井下人员位置监测系统标识卡正常工作和下井人员每人一张卡，且仅携带表明自己身份的卡，是遏制超能力生产、加强煤矿井下作业人员管理、为应急救援提供技术支持的必要条件。第六章煤矿井下人员定位系统6/212022/11/11三、第六章煤矿井下人员定位系统27/212022/11/17第二节矿井下无线通讯及射频识别技术一、煤矿井下无线通讯技术1、目前常用的无线通信方式1）蓝牙技术2）红外技术3）超宽频技术（UWB）4）Wi-Fi技术5）Zigbee技术

蓝牙技术是一种全球通用的小范围无线通信技术，是针对目前近距离便携式器件之间的红外线链路（IrDA）而提出的，是低成本、短距离无线个人网络传输应用，其主要目标是提供一个全世界通行的无线传输环境，通过无线电波来实现所有移动设备之间的信息传输服务。

优点：蓝牙技术应用红外线收发器连接虽然能免去电线或电缆的连接；

缺点：距离只限于1~2m，而且必须在视线上直接对准，中间不能有任何阻挡，同时直限于在两个设备之间进行连接，不能同时连接更多的设备。

红外技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术。

优点：是无须申请频率使用权，因而红外通信成本低廉；体积小，功耗低，连接方便，简单易用的特点；由于数据传输率较高，因而适于传输大容量的文件和多媒体数据；红外线发射角度较小，传输安全性高。

不足：它是一种视距传输，两个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其他物体阻隔，因而该技术只能用于两台设备之间的连接。

超宽频技术（UltraWideBand，UWB）是一种独特的、很有前景的无线通信技术。

优点：该技术在时域中以纳秒级的非正旋波窄脉冲信号为载波，因而在领域中具有扁平的很宽的频谱，目前建议标准的带宽为55Mb/s，通过调频避免与其他无线信号的冲突；由于结构简单，且成本低，在家用方面很有市场。

缺点：可能会成为潜在的干扰源，同时由于功率限制，传输距离短，只有10m左右的距离。Wi-Fi（wirelessfidelity，无线保真）即802.11b/g标准工作在2.4GHz的频带，采用CCK调制技术，传输速率最高分别可达到11Mbit/s和54Mbit/s。Wi-Fi是由AP（AccessPoint，无线访问节点）和无线网卡组成的无线网络。

优点：速度快，可靠性高，在开放性区域，通讯距离可达305m，在封闭性区域，通讯距离为76m到122m，方便与现有的有线以太网络整合；可移动性、价格低廉。

基于IEEE802.15.4协议规定的ZigBee技术是一种新兴的无线通信技术：蜜蜂（bee）+“嗡嗡”（zig）优点：近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率（工作速率大约为20~250kb/s）、低成本（不到蓝牙的1/10）、安全（提供了三级安全模式）以及自动动态组网与自主路由。主要适合用于自动控制和远程控制领域，支持地理定位功能，它是一种介于无线标记技术和蓝牙技术之间的技术方案，可以嵌入许多其它的设备。第六章煤矿井下人员定位系统7/212022/11/11第二第六章煤矿井下人员定位系统28/212022/11/172、影响煤矿井下定位的主要因素（1）多径传播（2）多址干扰（3）信号同步误差

无线信号的多径传播现象会使得基于角度和时间的定位方法产生较大的误差，主要原因是多径传播会对测量代表收发双方实际距离和方位的直射路径（LOS）信号的角度和时延产生较大的干扰。

多址干扰是影响系统性能和容量的主要因素，当对定位信号进行测量时，多址干扰的存在仍然会对测量结果产生较大的干扰。但是目前大多数效果较好的多用户检测算法当用户数量较多时，其运算量非常大，实现较为困难。

在进行TOA估计的过程中，信号时间延迟的估计精度与估计过程中参考信号和接收信号之间的同步程度有关，即检测到的信号峰值是否为真正的峰值点，特别是对于多径传播环境下，如何在相关波形中获取较好的相关峰值点很重要。当接收信号和参考信号的同步较差时，会展宽相关波形，同时会出现较为严重的旁瓣，这些对TOA估计的影响很大。因此，在设计人员定位系统之前必须对巷道内无线通讯环境进行分析。第六章煤矿井下人员定位系统8/212022/11/112、第六章煤矿井下人员定位系统29/212022/11/173、煤矿井下无线通讯特点（1）衰减与频率的关系（2）衰减与曲率的关系（3）巷道半径对无线传输的影响（4）衰减与粗糙度、倾斜度的关系（5）接收点有用信号十分微弱（6）井下环境机电噪声干扰严重

矿井巷道对电波的自由传播可视为带阻型。在甚低频段以及低频、中频的低端，衰减随频率增加而增大；在中频高端和高频段，衰减达到最大，30MHZ的电波的衰减最大，最不利于传输；进入高频后，衰减随频率上升而减小。频率越高，传输衰减越小，但当频率升高时，电波的拐弯能力变差，拐角处的损耗增大，传输距离减小。

衰减随着巷道曲率增加而增大。通过对矿井无线传输特点的分析，可以看出，特低频、甚低频、特高频频段衰减最小，拐角损耗随着频率的升高而逐渐增大。中频段借助于感应体传输距离也可以达到1000m以上，但由于工作频率较低时，易受工频电磁干扰，且信道容量小，要求发射机功率大，无线体积大。特别是中频感应通信，当感应线发生故障或无纵向导体时，通信距离大大减小。因此，矿井移动通信系统不适合选用频率较低的工作频率。

矿井无线传输受巷道截面等效半径与波长的比值影响，比值越大，传输衰减越小，巷道断面大对通信有利。巷道截面对无线传输影响程度与波长有关，当巷道截面等效半径与波长相差不大于10倍时（大于或小于），巷道截面尺寸对无线传输的影响最大，当巷道截面等效半径远远大于或远远小于波长时，巷道截面对无线传输的影响较小。巷道截面一般在几平方米至十几平方米之间，因此，巷道截面对中频及其以下频率的无线传输影响较小，对高频、甚高频和特高频的无线传输影响较大。

首先，在井下移动通信中，天线的发射效率低；其次，无线电波在井下巷道这样一个特定的非自由空间传播，决定电磁波传播速度的煤岩层介电常数和磁导率变化很大，因而传播速度也不断发生变化；再次，由于巷道壁、井下障碍物等反射，形成反射波。因此，到达基站接收天线的信号不止一个，由于它们有着不同的幅度、相位和时延量，使到达基站接收的信号时大时小，造成多径效应的现象，使接收点的有用信号十分微弱。

当电波在巷道中传播时，由于巷道壁的粗糙与倾斜，将引起电波损耗。当频率较低时，粗糙所引起的损耗较大；当频率较高时，倾斜所引起的损耗较大。

煤矿井下空间窄小，机电设备相对集中、功率大。因此，电磁干扰严重，特别是大型机电设备启停，架线电机车电火花等对通信设备干扰大。第六章煤矿井下人员定位系统9/212022/11/113、第六章煤矿井下人员定位系统30/212022/11/17名称甚低频低频中频高频甚高频超高频特高频极高频符号VLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF频率3-30KHz30-300KHz0.3-3MHz3-30MHz30-300MHz0.3-3GHz3-30GHz30-300GHz波段超长波长波中波短波米波分米波厘米波毫米波波长1KKm-100Km10Km-1Km1Km-100m100m-10m10m-1m1m-0.1m10cm-1cm10mm-1mm传播特性空间波为主地波为主地波与天波天波与地波空间波空间波空间波空间波主要用途海岸潜艇通信；远距离通信；超远距离导航越洋通信；中距离通信；地下岩层通信；远距离导航船用通信；业余无线电通信；移动通信；中距离导航远距离短波通信；国际定点通信电离层散射；流星余迹通信；人造电离层通信；对空间飞行体通信；移动通信小容量微波中继通信；对流层散射通信；中容量微波通信大容量微波中继通信；数字通信；卫星通信；国际海事卫星通信再入大气层时的通信；波导通信中国无线电频率划分及主要用途

第六章煤矿井下人员定位系统10/212022/11/11名第六章煤矿井下人员定位系统31/212022/11/17二、射频识别技术简介1、射频识别技术概念

1）射频识别技术

2）射频的定义2、射频识别系统原理及特点

1）射频识别系统组成和工作原理：信号发射机、接收机、天线

2）射频识别技术的基本工作原理

3）射频识别技术特点RFID（RadioFrequencyIdentification，射频识别）技术是从20世纪90年代兴起的一项自动识别技术，利用无线射频方式进行非接触通信，以达到自动识别目标对象的目的并获得相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣的环境。最早应用于通讯控制、高速公路、桥梁的自动收费以及安全领域。以前由于成本过高，影响了其向更广的领域拓展。近十年来，随着大规模集成电路制造工艺的不断提高，芯片集成度越来越高，功能越来越强，元器件封装不断减小，使得射频识别系统的成本大大降低，体积也大大减小，真正进入到实用化阶段，成为一种成熟的自动识别技术。

射频就是射频电流，它是一种高频交流变化电磁波的简称，每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流，大于10000次的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流。在电子学理论中，电流流过导体，导体周围会形成磁场；交变电流通过导体，导体周围会形成交变的电磁场，被称为电磁波。在电磁波频率低于100kHz时，电磁波会被地表吸收，不会形成有效的传输，但电磁波频率高于100kHz时，电磁波可以在空气中传播，并经大气层外缘的电离层反射，形成远距离传输能力，把远距离传输能力的高频电流称为射频。

射频识别系统一般都由信号发射机、信号接收机、发射接收天线几部分组成，在射频识别系统工作过程中，始终以能量作为基础，通过一定的时序方式来实现数据交换。（1）读卡器将无线电载波信号经过发射天线向外发射。（2）当标签进入发射天线的工作区后，激活、发射自身信息。（3）系统的接收天线接收标签发出的载波信号，经天线的调节器传输给读卡器、读取信息并解码后，送计算机控制器。（4）计算机控制器根据逻辑运算判断该标签的合法性，并做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构的动作。（5）执行机构按照计算机的指令动作。

读取方便快捷、识别速度快、数据容量大、使用寿命长，应用范围广、标签数据可动态更改、更好的安全性、动态实时通信。

RFID是一种突破性的技术：第一：可以识别单个的非常具体的物体，而不是像条形码那样只能识别一类物体；第二：其采用无线电射频，可以透过外部材料读取数据，而条形码必须靠激光来读取信息；第三：可以同时对多个物体进行识读，而条形码只能一个一个地读。第六章煤矿井下人员定位系统11/212022/11/11二第六章煤矿井下人员定位系统32/212022/11/17三、射频识别系统的设计1、RFID读卡器

1）读卡器的基本功能

2）读卡器的分类

3）读卡器的工作方式

读卡器一般由天线、射频模块、读写模块组成。

天线是发射和接收射频载波信号的设备；

射频模块由射频振荡器、射频处理器、射频接收器以及前置放大器等组成，该模块可接收和发射射频载波；

读写模块由放大器、解码及纠错电路、微处理器、时钟电路、标准接口以及电源组成，它可以接收射频模块传输的信号，解码后获得标签内信息，可将要定稿标签的信息编码后传递给射频模块，完成写标签操作。

根据使用用途，可将读卡器划分为工业读卡器、固定式读卡器、OEM读卡器、便携式读卡器等。读卡器的基本构成

读卡器主要有两种工作方式，一种是TTF（TagTalksFirst，标签先发言），另一种是RTF（ReaderTalksFirst，读卡器先发言），这是读卡器的防冲突协议方式。一般标签处于“等待”或称为“休眠”的工作状态。当标签进入读卡器的作用范围时，检测到一定特征的射频信号，便从“休眠”状态转到“接收”状态，接收读卡器发出的命令，进行相应的处理，并将结果返回给读卡器。这类只有接收到读卡器特殊命令才发送数据的标签被称为RTF方式；与此相反，进入读卡器的能量场即主动发送自身系列号的标签被称为TTF方式。TTF和RTF协议相比，TTF方式的标签具有识别速度快等特点，适用于需要高速应用的场合；另外，它在噪声环境中更稳健，在处理标签数量动态变化的场合也更为实用。因此，更适于工业环境的跟踪和定位应用。第六章煤矿井下人员定位系统12/212022/11/11三第六章煤矿井下人员定位系统33/212022/11/172、RFID标签(又叫电子标签或智能标签，持久性、大容量）

1）标签的基本组成

2）标签的分类

3）RFID标签的封装

一般标签由天线、调制器、编码发生器、时钟以及存储器等组成，时钟把所有电路功能时序化，以使存储器中的数据在精确的时间内被传送到读卡器；存储器中的数据是应用系统规定的唯一性编码，在标签被安装在识别对象上以前已被定入，数据读出时，编码发生器把存储器中的数据编码，调制器接收由编码器编码后的信息，通过天线电路将此信息发射或反射到读卡器。数据写入时，由控制器控制将天线收到的信号解码后写入存储器。（1）按供电方式：有源标签和无源标签；（2）按工作方式：主动式和被动式标签；（3）按读写方式：只读型和读写型标签；（4）按工作频率：分为低频（30~300kHz）、中高频（3~30MHz）、超高频以及微波标签，其典型工作频率为433.92MHz、862（902）~928MHz、1.45GHz、5.8GHz；（5）按作用距离：密耦合（＜1cm）、近耦合（约15cm）、疏耦合（约1m）及远距离（1m~10m，甚至更远）标签。标签的基本构成

（1）封装材质：RFID标签的封装材质主要有纸标签、塑料标签和玻璃标签。（2）封装形式根据标签不同的应用场合，可将标签封装成不同的形状，使其满足不同需要。主要形式有：信用卡和半信用卡标签，线形标签，盘形标签，自粘标签，片上线圈，其它如钥匙扣形标签、手表形标签等。第六章煤矿井下人员定位系统13/212022/11/112第六章煤矿井下人员定位系统34/212022/11/173、RFID天线

1）选择天线的主要参数

2）读卡器天线

（1）电感式系统的天线（2）微波系统的天线

3）标签天线

（1）天线的工作频率范围（频带宽度）（2）天线的增益（3）天线的极化（4）天线的波瓣宽度（5）天线的输入阻抗Zin

（6）有效长度①电感式系统的天线的选择原则。在读卡器天线的设计或选择必须满足的条件有：一是天线线圈的电流电大，以用于产生最大的磁通量；二是功率匹配，以便最大程度地利用磁通量的可用通量；三是足够的带宽，保证载波信号的传输。②电感式系统的天线的连接方法。一是利用电流匹配来进行连接，对于135kHz以下频率范围内的典型的低成本读卡器，高频接口和天线线圈是相邻安装在一起的，甚至常常是在同一块电路板上。二是通过同轴电缆馈接，对于超过1MHz以上的频率或是135kHz频率范围内较长的导线长度，通常都是使用屏蔽电缆，即同轴电缆。③品质因数的影晌。电感读卡器天线的品质因数可通过线圈电阻与线圈电阻的欧姆损耗和/或串联电阻的比值计算出来。读卡器的基本构成

微波系统所使用的天线类型是基于带状线技术的天线，即所谓的平面天线。这种天线的特点是建造高度较低并且结构坚固，能方便地使用光刻技术制造出来，有很高的可复制性，辐射器的基本元件是直角微带导线组成的。为了得到不同的定向和极化效应，可以用不同的方式把辐射器元件组合在一起。

（1）标签天线应具有的性能主要包括：一是体积足够小；二是有全向或半球覆盖的方向性；三是给标签提供能量；四是天线的极化能与读卡器的查询信号相匹配；五是价格便宜。（2）标签天线的形式考虑到天线的阻抗、辐射模式、局部结构、作用距离等因素的影响，为了以最大功率传输，在标签中不应该使用全向天线，而应该使用方向性天线。因为它具有更少的辐射模式和更少的返回损耗干扰。第六章煤矿井下人员定位系统14/212022/11/113第六章煤矿井下人员定位系统35/212022/11/174、RFID防冲突方法

1）RFID冲突产生的原因

对于读卡器来说，信号冲突常可分为两种：（1）读卡器与读卡器之间的干扰（2）多读卡器到标签间的干扰

2）防冲突的方法

3）校验方式

射频读卡器通过多种方式和标签传送信息，通常读卡器利用天线在周围形成磁场，被动标签从磁场中接收到能量然后将其信号发送给读卡器，读卡器将信息转化成电子信息。有时信号太微弱，让彼此传递的一方无法收到或辨识；有时信号太相近，造成接受端信号的混乱，一般RFID的读卡器一次只能与一个标签进行沟通，因而会有所谓冲突的问题。

RFID的信号碰撞一般可分为标签信号碰撞以及读卡器信号碰撞两大类，前者是指一个读卡器同时收到多个标签所返回的信号，造成读卡器无法准确判读或造成误读，后者则是一个标签同时收到多个读卡器所发出的命令以至于造成冲突。

当一个读卡器发射较强的信号与射频标签反射回的微弱信号相干扰时，就引起了读卡器与读卡器之间的干扰。读卡器R1位于读卡器R2干扰区。从射频标签T1反射回的信号到达读卡器R1，很容易被读卡器R2发射的信号干扰。这种干扰即使两个读卡器阅读范围没有重叠也有可能产生。读卡器与读卡器间的干扰

当多个读卡器同时阅读同一个标签时引起了多读卡器到标签间的干扰，如图6.8所示，两个读卡器阅读范围重叠。从读卡器R1和R2发射的信号可能在射频标签T1处产生干扰。在这种情况下，标签T1不能正常传递信号并且读卡器R1和R2都不能阅读T1。因为读卡器冲突，读卡器R能阅读标签T2和T3，但是不能阅读标签T1。

（1）分址多任务（SDMA：SpaceDivisionMultipleAccess）：利用空间分割的方式来避免信号的冲突，多用以处理读卡器的信号碰撞。（2）分频多任务（FDMA：FrequencyDivisionMultipleAccess）：利用信号传输所使用的频道进行区分来避免信号碰撞的一种方法。（3）分时多任务（TDMA：TimeDivisionMultipleAccess）：是防信号碰撞中最常使用，也最成熟的一项技术，其原理是利用时间的差异，将可使用的通信时序分配给不同的标签进行数据传输，排定先后顺序后依序与读卡器进行沟通。读卡器到标签间的干扰

为了防止数据在传输的过程中，因干扰而产生误码，通讯协议中均对传输数据校验。读卡器和标签之间的信号无线传输可采用LRC（LongitudinalRedundancyCheck，纵向冗余校验）检验方式，避免读卡器从空中拾取错误的信号；读卡器与分站之间采用CRC（CyclicRedundancyCheck，循环冗余校验）校验，保证传输数据的有效性。第六章煤矿井下人员定位系统15/212022/11/114第六章煤矿井下人员定位系统36/212022/11/17第三节煤矿井下人员定位系统设计要求一、系统设计条件1、目前常用的无线通信方式1）一般条件2）环境条件3）供电电源

煤矿井下人员定位系统一般由主机、传输接口、分站、标识卡、电源箱、电缆、接线盒、避雷器和其他必要设备组成。（1）系统应符合MT209、MT/T1004、MT/T1005、MT/T1007、MT/T1008、AQ620