基于RFID技术的人员定位系统研究设计

2011-05-11孙歆钰

制造业自动化 2011年9期

关键词：读卡器总线数据库

孙歆钰

（荆楚理工学院电子信息工程学院，荆门 448000）

基于RFID技术的人员定位系统研究设计

孙歆钰

（荆楚理工学院电子信息工程学院，荆门 448000）

0 引言

随着科学技术的不断发展，一些矿用设备在整体技术方面也有所提高，对矿业的安全生产起到了推动性的作用，但是有些设备仍然存在着需要改进的问题，例如在功能和安全性方面都需要有所改善。随着矿业事故的频繁发生，对人民的财产和生命都构成了致命性的威胁，因此，越来越多的国内外学者致力于矿用安全设备的研究生产当中，本文就是针对井下工作人员所设计的定位系统。

1 系统的整体设计

1.1 系统概述

该井下人员定位系统运用RFID射频技术、CAN总线技术、数据库知识以及计算机网络等技术于一体，设计出了一套实用性强、成本低廉、可扩展性强、易于维护的人员定位系统，最终实现了井下工作人员的实时定位，能够通过上位机界面中的电子地图进行查询监测，实现人员考勤及安全保障功能，当有紧急事故发生时可以进行有效救护，另外该系统还有利于高层管理人员对员工进行生产调度，达到人力资源的合理有效利用。该矿山井下人员定位系统要正常的工作，达到预期的设想，需要满足以下两个条件：

1）当携带射频卡的井下工作人员进入读卡器可以检测到射频信号的范围内时，读卡器和射频卡之间可以进行双向通信，读卡器能够接收读取到RFID卡内的有效数据信息，将信息存入自身的处理单元并与CAN节点通信；

2）读卡器能够通过CAN总线和上位机进行有效的数据传输，即串口通信部分能够成功的将CAN智能节点上的有效数据通过串口线传入到系统建立的数据库中，记录下携带RFID卡的员工实时信息，如经过时间、地点等，这些信息可以自动生成供日后查询使用的考勤统计资料并存入后台数据库中。

1.2 系统结构

图 1 系统的结构框图

该井下人员定位系统可大致分为三部分：井上部分，井下部分以及传输网络。井上部分可以视为该系统的数据中心，如数据服务器、监控主机以及打印机等；传输网络即采用CAN总线作为系统的传输路径，系统中CAN总线采用的是总线型网络拓扑结构，以此来满足系统对通信的高实用性和高可靠性的要求；井下部分即井下基站子系统，包括读卡器，射频卡和射频天线，主要完成人员的信息采集。该系统的结构框图如图1所示。

1.3 系统硬件设计思路

该系统的硬件部分主要由井下基站子系统，CAN总线传输系统以及电源电路组成。其中的基站子系统主要由MFRC500读卡芯片，PCB射频天线，电子标签和AT89S52单片机等组成，在该系统中读卡器工作频率为13.56MHz。CAN总线传输系统由CAN传输节点和总线协议构成，共同控制信息的收发，CAN总线节点由MCP2515 CAN收发芯片、控制单元及其外围电路构成，每一个节点都有独立的对等收发能力，大大增加了总线的灵活性和可扩展性。在该人员定位系统中的电源部分采用的是LM2596电源控制芯片，该设计结构简单，可拓展性强，能够让其在6.5-15V之间都稳定的工作，可适合于系统中各个模块对电压的不同需求，保证系统电路稳定运行。

2 系统软件结构设计

软件体系结构的确立是一个应用软件的核心部分，所谓体系结构是指系统的一个或多个结构，包括软件的构件、构件的对外可见性及其之间的关系。确切的说软件的体系结构并不是一个可以运行的软件，而是一种表示。根据实际的需求找到最佳的实现方案，设计出合理的程序结构。

C/S模式具有交互性很强、数据存取的安全性高、较强的数据处理能力和较少的网络通信量等优势，因此C/S模式适合用于安全性要求高、交互性强、小范围的固定地点用户和需要处理大量数据的系统使用，结合本系统的设计需求和设计目标，即对实时性、安全和稳定性的要求，以及考虑到井下人员的位置和考勤信息无需以网络的形式发布出去，综合考虑该系统选用C/S模式作为软件的体系结构，本系统软件结构可分为系统客户端和系统服务器端两个部分，作为该矿山人员定位系统操作平台的系统客户端，即系统的人机交互界面，主要完成的功能是用户可以通过客户端对系统进行相应的操作，其中包括系统设置，基本信息管理模块，巷道图设计实现模块和监测查询模块。

系统服务器部分的数据可分为两类，一是数据库服务器，所有的有效信息都是存储在该数据库中，包括人员基本信息，读卡器射频卡信息，巷道和节点信息等系统所必须的基本信息、井下员工实时定位信息、历史记录信息等，在该数据库设计过程中可以根据需要设计一定的触发器和存储过程，以达到对数据的有效处理，提高利用率。系统用户可以通过客户端对数据库发送SQL命令请求，该请求经过数据库处理之后能够反馈给客户端并进行显示。

串口接收到的数据是整个系统的数据来源，可以说是整个系统的核心部分，该部分主要负责射频数据的采集与处理，通过串口与系统的硬件设备进行数据通信，并将采集到的数据处理之后存到数据库中，为该系统的功能实现提供理论依据。

3 数据通信设计

3.1 串口通信方式选择

为了能够实现该人员定位系统的功能需求，为系统的实时数据来源提供理论依据，数据通信部分的设计成为该系统的不可或缺的重要组成部分，通信方式的好坏将会直接影响这个系统的性能。所以我们采用RS-232C作为该人员定位系统中智能节点和上位机的之间的通信方式。

3.2 串口信息处理

在某个读卡器的射频识别范围之内，因为射频卡不断地向外发送射频信号，读卡器就会不断地重复读取射频卡发送的射频信息，并将信息通过CAN总线上传给上位机数据库中，在没有发生校验错误的情况下，上位机会回复一条确认信息，“告诉”读卡器可以继续发送信息，如此循环往复，如果井下工作人员长时间的呆在某个固定节点处，就会有大量的重复数据被上传到上位机的数据库中，数据库的容量有限，可能会导致数据库崩溃，也不易于系统的维护。

针对本系统的实际需求分析可知，在某一节点处存入数据库中的有用信息只有两条，即首条信息和末条信息有效，因此在该部分的应用程序设计时考虑只保留两条有实用价值的首条和末条信息，而不是全部保留。对于本系统而言，因为其上位机接收到相同数据信息的时间是不同的，所以可根据这一关键点来区分消息的先后顺序，删除掉中间的无效信息。在程序设计时，认为上位机首次接收到的信息为首条信息，其后接收到的同样信息为末条信息，若出现第三条同样信息，则更新数据库表将第三条信息设为末条信息，其后以此类推，最后只保留有效的首条和末条两条信息。

为了解决这个问题，在程序设计时，可以使用数组来存储首条和末条两条有效信息，设计两个数组M和N，分别用来存储某员工在某个节点处的来去记录，当某读卡器接收到某员工的数据信息时，需要对该员工的上一条记录进行判断，然后确定将此条信息存入M或者N中。

对于该方法，收到的人员信息数目与存储首条或者末条信息数组的数目是相对应的，对于上位机接收到的信息要不断地进行循环判断，与上一条信息进行比较，确定本条信息存入哪个数组，用旧记录去覆盖新的记录，最终只保留某员工在某节点处的来去两条记录，解决了数据重复冗余的问题。这种方法虽然解决了数据库存储容量过大的问题，但是需要不间断的对数据库表进行增删改等操作，使该应用程序的开销变大，这种对数据库的频繁操作同样会加重数据库的负担，影响对数据信息的查询等操作，若突然发生断电，还有可能导致数据丢失等严重问题。

图2 串口信息处理流程图

除使用设定数组之外，根据该程序的设计，在数据库中创建一个临时表用来存储员工信息，该表中包含着员工信息、区域位置信息、到达时间和离开时间，以及标志信息等，当接收的信息是同一员工相同节点处的信息时，只需将临时表中的离开时间更新即可；如果接收到的是同一员工不同节点处的数据信息时，则需要对该条记录的区域位置信息、到达时间、离开时间以及标志位信息。该方法的基本设计思想是，当上位机接收到一条新的数据信息时，通过对临时表中的记录进行查询判断操作，进而根据需要更新相应的字段信息。在进行查询操作时可以使用优化SQL语句，这样对查询速度有很大的改进，一旦系统出现断电时，不会导致临时表中的数据丢失，使该人员定位系统的稳定性有所提高。

除了临时表之外，该系统的数据库中还需要创建一个主表，该表中记录着员工的历史数据信息，主要包括员工的基本信息以及从临时表中有效信息记录等，其中人员基本信息可以从人员基本信息表中获得。对于临时表中的员工的首条信息记录要能够及时的添加到数据库的主表中以备日后查询使用，当收到相同员工的不同位置时的信息时，要将临时表中存储的末条该员工信息添加到数据库的主表中，然后才能将该员工新的记录信息添加进去，其后的信息处理依此类推。如果某员工在一段时间之后再次路过矿井的入井处，则认为该员工已经出井，要将临时表中相应的该员工信息删除掉。