基于射頻通訊的井下人員跟蹤定位系統(tǒng)技術(shù)研究

1、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?？蓪?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)

2、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

3、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

4、)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 8卩A;(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 X 27 x 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) 100

5、0m,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

6、個(gè)RS232電平轉(zhuǎn)換芯片，女口 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

7、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=O時(shí)，PTR2000進(jìn)入節(jié)電待機(jī)模式，此時(shí)的功耗大 約為8A,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) 換行，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

8、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