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基于射頻通訊的井下人員跟蹤定位系統(tǒng)技術研究

基于射頻通訊的井下人員跟蹤定位系統(tǒng)技術研究
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)絡實現(xiàn)了無線與有線通訊相結合的簡單高效的人員跟蹤與定位?？蓪崿F(xiàn)井下人員的定位與跟蹤、生產(chǎn)調(diào)度指揮的直觀化、考勤與管理的遠程自動化和數(shù)字化以及突發(fā)情況的報警。
關鍵詞：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態(tài)的，有些巷道長達幾十公里，因此對人員的定位是很重要的。尤其在突發(fā)事件時迅速判斷險區(qū)人員的數(shù)量拉置、身份，就能采取措施及時救助，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)間歷史記錄和實時記錄的統(tǒng)計報表。

1技術要求
井下人員跟蹤定位系統(tǒng)技術為井下采煤作業(yè)的實際環(huán)境所限。目前我國煤礦井下照明條件使得視頻信號對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，對于幾十公里的全礦區(qū)檢測必須采用人員身份電子化的信號檢測。具體要求以下幾個方面:
(1)系統(tǒng)能根據(jù)實際需要覆蓋井下巷道;
(2)系統(tǒng)依靠現(xiàn)有井下網(wǎng)絡，無需重新布線;
(3)及時反映井下人員的實際位置，實現(xiàn)人員跟蹤;
(4)實現(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，實現(xiàn)管理與檢測的無人值守;
(6)突發(fā)事件時能夠通知所有井下人員及時撤離。

2硬件實現(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，以單片機配合其數(shù)據(jù)收發(fā)，依靠井下現(xiàn)有網(wǎng)絡實現(xiàn)無線與有線通訊相結合的簡單高效的人員跟蹤與定位。PTR2000芯片的顯著特點是所需外圍元件少，設計非常方便。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)工作頻率為國際通用的數(shù)傳頻段433MHz;
(3)采用FSK調(diào)制解調(diào)，可直接進行數(shù)據(jù)輸入輸出，抗干擾能力強，特別適合工業(yè)控制場合;
(4)采用DDS(直接數(shù)字合成)與PLL頻率合成技術，因而頻率穩(wěn)定性極好;
(5)靈敏度高達－105dBm;
(6)最大發(fā)射功率可達+10dBm;
(7)工作電壓低(2.7v)，功耗小，接收待機狀態(tài)電流僅為8μA;
(8)具有兩個頻道，可滿足需要多信道工作的場合;
(9)工作速率最高達20kbit，超小體積，約40×27×5mm;
(10)可直接與CPU串口進行連接(如8031)，也可以用PS232與計算機接口，軟件編程非常方便;
(11)標準的DIP引腳間距更適合于嵌入式設備;
(12)由于采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏度的設計，因此使用時無需申請許可證，開闊地時的使用距離最遠可達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，選擇工作頻道1，即433.92MHz;CS＝1時選擇工作頻道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PWR＝1時，模塊處于正常工作狀態(tài);;PWR=0時，模塊處于待機微功耗狀態(tài);TXEN(7腳):發(fā)射接收控制端。當TXET＝1時，模塊為
發(fā)射狀態(tài);當TXEN＝0時，模塊被設置為接收狀態(tài)。
PTR2000可與計算機串口進行通訊，此時需要在中間簡單的接一個RS232電平轉(zhuǎn)換芯片，如MAX232等。也可與單片機(如89C52)配合使用，直接接單片機的串口或IO口。連接時，PTR2000無線MODEM的DI端應接單片機串口的發(fā)送端，DO接單片機串口的接收端。利用單片機的IO可以控制模塊的發(fā)射控制、頻道轉(zhuǎn)換和低功耗模式。

3軟件編程實現(xiàn)
在軟件編程過程中，對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,也可工作在其它速率如4800bps.9600bps下。在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，應將模塊先置于發(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)換時間)才可以發(fā)送任意長度的數(shù)據(jù)。接收時應將ptr2000置于接收狀態(tài)，即TXEN=0。然后將接收到的數(shù)據(jù)直接送到單片機串口或經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后送到計算機。待機模式，當PWR=0時，PTR2000進入節(jié)電待機模式，此時的功耗大約為8μA，在待機模式下不能接收和發(fā)射數(shù)據(jù)。PTR2000在無信號時，串口輸出的是隨機數(shù)據(jù)，此時，定義一個簡單的通信協(xié)議，在發(fā)送時，在有效數(shù)據(jù)之前加兩個字節(jié)的起始位標志，以便在接收方的軟件中檢測該標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，采用奇偶校驗方式。
為了實現(xiàn)人員身份定位，對每一個井下人員確定一個身份編碼，存入所攜帶的發(fā)射模塊，在井下依靠對此模塊發(fā)射出的特殊身份編碼來監(jiān)測和識別人員身份。同時依靠井下網(wǎng)絡布設多個接收模塊，布設間距可以參考PTR2000參數(shù)表，考慮到井下特殊環(huán)境，實地的實驗數(shù)據(jù)更為可靠。對每一個接收模塊，分配一個獨立地址編碼，此編碼表示該接收模塊的實際位置。當接收模塊接收到一個人員所攜帶發(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發(fā)送碼通過網(wǎng)絡送往監(jiān)控PC機。在監(jiān)控端，監(jiān)控程序通過對同一個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，就實現(xiàn)了人員的跟蹤與定位。將此信息在顯示屏上實時顯示，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，可實現(xiàn)人員考勤與管理的遠程自動化和數(shù)字化。對于個人所攜帶的發(fā)射端，設置為每秒鐘交替進入發(fā)射與接收狀態(tài)，對于接收端的各個節(jié)點，當收到一個有效人員身份信號后，進入發(fā)射狀態(tài)，發(fā)射一個井上監(jiān)控機發(fā)來的安全信號。當有突發(fā)事件時，此信號變?yōu)閳缶盘枺皶r通知所有井下人員撤離。

4結束語
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)絡實現(xiàn)了無線與有線通訊相結合的簡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，還可使井下作業(yè)人員在最短時間內(nèi)收到緊急警報，及時采取應急措施或迅速撤離現(xiàn)場，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程自動化和數(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，是一種先進實用的井下人員跟蹤定位系統(tǒng)。
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