基于射頻通訊的井下人員跟蹤定位系統(tǒng)技術(shù)研究

基于射頻通訊的井下人員跟蹤定位系統(tǒng)技術(shù)研究
摘要：基于射頻通訊的井下人員跟蹤定位系統(tǒng)是依靠井下現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了無線與有線通訊相結(jié)合的簡(jiǎn)單高效的人員跟蹤與定位。可實(shí)現(xiàn)井下人員的定位與跟蹤、生產(chǎn)調(diào)度指揮的直觀化、考勤與管理的遠(yuǎn)程自動(dòng)化和數(shù)字化以及突發(fā)情況的報(bào)警。
關(guān)鍵詞：射頻通訊人員跟蹤定位高頻無線收發(fā)模塊

井下人員在巷道的位置大多是動(dòng)態(tài)的，有些巷道長(zhǎng)達(dá)幾十公里，因此對(duì)人員的定位是很重要的。尤其在突發(fā)事件時(shí)迅速判斷險(xiǎn)區(qū)人員的數(shù)量拉置、身份，就能采取措施及時(shí)救助，把事故的損失和影響降到最低限度。人員定位跟蹤系統(tǒng)就具有這種功能，而且還可以提供監(jiān)視區(qū)域內(nèi)的人數(shù)、工作區(qū)間歷史記錄和實(shí)時(shí)記錄的統(tǒng)計(jì)報(bào)表。

1技術(shù)要求
井下人員跟蹤定位系統(tǒng)技術(shù)為井下采煤作業(yè)的實(shí)際環(huán)境所限。目前我國(guó)煤礦井下照明條件使得視頻信號(hào)對(duì)人員身份的界定方案不可行，而且視頻監(jiān)視限于主巷道、工作面等區(qū)域，對(duì)于幾十公里的全礦區(qū)檢測(cè)必須采用人員身份電子化的信號(hào)檢測(cè)。具體要求以下幾個(gè)方面:
(1)系統(tǒng)能根據(jù)實(shí)際需要覆蓋井下巷道;
(2)系統(tǒng)依靠現(xiàn)有井下網(wǎng)絡(luò)，無需重新布線;
(3)及時(shí)反映井下人員的實(shí)際位置，實(shí)現(xiàn)人員跟蹤;
(4)實(shí)現(xiàn)人員身份界定，為礦井管理考勤提供信息;
(5)人員信息數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)管理與檢測(cè)的無人值守;
(6)突發(fā)事件時(shí)能夠通知所有井下人員及時(shí)撤離。

2硬件實(shí)現(xiàn)
基于射頻通訊的井下人員跟蹤定位系統(tǒng)，以性能優(yōu)異的無線收發(fā)一體數(shù)傳模塊PTR2000為核心，以單片機(jī)配合其數(shù)據(jù)收發(fā)，依靠井下現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無線與有線通訊相結(jié)合的簡(jiǎn)單高效的人員跟蹤與定位。PTR2000芯片的顯著特點(diǎn)是所需外圍元件少，設(shè)計(jì)非常方便。該模塊在內(nèi)部集成了高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK調(diào)制/解調(diào)、參量放大、功率放大、頻道切換等功能。是目前集成度較高的無線數(shù)傳產(chǎn)品。
PTR200。的主要特性如下:
(1)該器件將接收和發(fā)射合為一體;
(2)工作頻率為國(guó)際通用的數(shù)傳頻段433MHz;
(3)采用FSK調(diào)制/解調(diào)，可直接進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入/輸出，抗干擾能力強(qiáng)，特別適合工業(yè)控制場(chǎng)合;
(4)采用DDS(直接數(shù)字合成)與PLL頻率合成技術(shù)，因而頻率穩(wěn)定性極好;
(5)靈敏度高達(dá)－105dBm;
(6)最大發(fā)射功率可達(dá)+10dBm;
(7)工作電壓低(2.7v)，功耗小，接收待機(jī)狀態(tài)電流僅為8μA;
(8)具有兩個(gè)頻道，可滿足需要多信道工作的場(chǎng)合;
(9)工作速率最高達(dá)20kbit/s，超小體積，約40×27×5mm;
(10)可直接與CPU串口進(jìn)行連接(如8031)，也可以用PS232與計(jì)算機(jī)接口，軟件編程非常方便;
(11)標(biāo)準(zhǔn)的DIP引腳間距更適合于嵌入式設(shè)備;
(12)由于采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏度的設(shè)計(jì)，因此使用時(shí)無需申請(qǐng)?jiān)S可證，開闊地時(shí)的使用距離最遠(yuǎn)可達(dá)1000m,PTR2000管腳圖如圖1。
各引腳的功能說明如下:VCC(1腳)正輸入端，電壓范圍為2.7－5.25V;CS(2腳):頻道選擇端。CS＝0時(shí)，選擇工作頻道1，即433.92MHz;CS＝1時(shí)選擇工作頻道2，即434.33MHz;D0(3腳):數(shù)據(jù)輸出端;DI(4腳):數(shù)據(jù)輸入端;GND(5腳):電源;;PWR(6腳):節(jié)能控制端。當(dāng)PWR＝1時(shí)，模塊處于正常工作狀態(tài);;PWR=0時(shí)，模塊處于待機(jī)微功耗狀態(tài);TXEN(7腳):發(fā)射/接收控制端。當(dāng)TXET＝1時(shí)，模塊為
發(fā)射狀態(tài);當(dāng)TXEN＝0時(shí)，模塊被設(shè)置為接收狀態(tài)。
PTR2000可與計(jì)算機(jī)串口進(jìn)行通訊，此時(shí)需要在中間簡(jiǎn)單的接一個(gè)RS232電平轉(zhuǎn)換芯片，如MAX232等。也可與單片機(jī)(如89C52)配合使用，直接接單片機(jī)的串口或I/O口。連接時(shí)，PTR2000無線MODEM的DI端應(yīng)接單片機(jī)串口的發(fā)送端，DO接單片機(jī)串口的接收端。利用單片機(jī)的I/O可以控制模塊的發(fā)射控制、頻道轉(zhuǎn)換和低功耗模式。

3軟件編程實(shí)現(xiàn)
在軟件編程過程中，對(duì)PTR2000的工作模式和工作頻道的選擇尤為重要。發(fā)送PTR200。的通信速率最高為20kb/s,也可工作在其它速率如4800bps.9600bps下。在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，應(yīng)將模塊先置于發(fā)射模式，即TXEN=1。然后在等待至少5ms后(接收到發(fā)射的轉(zhuǎn)換時(shí)間)才可以發(fā)送任意長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)。接收時(shí)應(yīng)將ptr2000置于接收狀態(tài)，即TXEN=0。然后將接收到的數(shù)據(jù)直接送到單片機(jī)串口或經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后送到計(jì)算機(jī)。待機(jī)模式，當(dāng)PWR=0時(shí)，PTR2000進(jìn)入節(jié)電待機(jī)模式，此時(shí)的功耗大約為8μA，在待機(jī)模式下不能接收和發(fā)射數(shù)據(jù)。PTR2000在無信號(hào)時(shí)，串口輸出的是隨機(jī)數(shù)據(jù)，此時(shí)，定義一個(gè)簡(jiǎn)單的通信協(xié)議，在發(fā)送時(shí)，在有效數(shù)據(jù)之前加兩個(gè)字節(jié)的起始位標(biāo)志，以便在接收方的軟件中檢測(cè)該標(biāo)志并將其作為正式數(shù)據(jù)的開始。為了使系統(tǒng)能夠可靠地通信，考慮數(shù)據(jù)的檢錯(cuò)，采用奇偶校驗(yàn)方式。
為了實(shí)現(xiàn)人員身份定位，對(duì)每一個(gè)井下人員確定一個(gè)身份編碼，存入所攜帶的發(fā)射模塊，在井下依靠對(duì)此模塊發(fā)射出的特殊身份編碼來監(jiān)測(cè)和識(shí)別人員身份。同時(shí)依靠井下網(wǎng)絡(luò)布設(shè)多個(gè)接收模塊，布設(shè)間距可以參考PTR2000參數(shù)表，考慮到井下特殊環(huán)境，實(shí)地的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更為可靠。對(duì)每一個(gè)接收模塊，分配一個(gè)獨(dú)立地址編碼，此編碼表示該接收模塊的實(shí)際位置。當(dāng)接收模塊接收到一個(gè)人員所攜帶發(fā)射模塊發(fā)射的人員編碼后，將此編碼與自身編碼合為一個(gè)發(fā)送碼通過網(wǎng)絡(luò)送往監(jiān)控PC機(jī)。在監(jiān)控端，監(jiān)控程序通過對(duì)同一個(gè)人的身份編碼與不同接收模塊的地址編碼的組合碼的連續(xù)分析，就實(shí)現(xiàn)了人員的跟蹤與定位。將此信息在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示，可直觀地觀察到井下人員的位置、身份。將此信息輸入管理數(shù)據(jù)庫(kù)，可實(shí)現(xiàn)人員考勤與管理的遠(yuǎn)程自動(dòng)化和數(shù)字化。對(duì)于個(gè)人所攜帶的發(fā)射端，設(shè)置為每秒鐘交替進(jìn)入發(fā)射與接收狀態(tài)，對(duì)于接收端的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)收到一個(gè)有效人員身份信號(hào)后，進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)，發(fā)射一個(gè)井上監(jiān)控機(jī)發(fā)來的安全信號(hào)。當(dāng)有突發(fā)事件時(shí)，此信號(hào)變?yōu)閳?bào)警信號(hào)，及時(shí)通知所有井下人員撤離。

4結(jié)束語
基于射頻通訊的井下人員跟蹤定位系統(tǒng)依靠井下現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了無線與有線通訊相結(jié)合的簡(jiǎn)單高效的人員跟蹤與定位。在礦井發(fā)生突變或緊急情況時(shí)，還可使井下作業(yè)人員在最短時(shí)間內(nèi)收到緊急警報(bào)，及時(shí)采取應(yīng)急措施或迅速撤離現(xiàn)場(chǎng)，最大限度地減少傷亡，保障井下人員的安全。在日常作業(yè)中，借助該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)人員調(diào)度、生產(chǎn)指揮的直觀化以及考勤與管理的遠(yuǎn)程自動(dòng)化和數(shù)字化。該系統(tǒng)充分體現(xiàn)出有利于礦山安全急救和提高生產(chǎn)效率的優(yōu)點(diǎn)，是一種先進(jìn)實(shí)用的井下人員跟蹤定位系統(tǒng)。