基于RFID技术的矿井运输车辆定位跟踪监控系统研究

2012-12-12孟祥忠张志刚李宗明

中国煤炭 2012年4期

孟祥忠张志刚李宗明

（1.青岛科技大学自动化与电子工程学院，山东省青岛市，266042；2.枣庄职业学院，山东省枣庄市，277800）

煤矿井下轨道线路担负着物料、设备以及人员的运输任务。由于长距离且错综复杂的运输巷道中缺少配备运输车辆定位跟踪系统，这给煤矿井下轨道运输带来了安全隐患大、运输效率低、矿车闲置及使用效率低等诸多问题，也给调度带来了不知道几号车在哪里、不清楚同一轨道行驶车辆的状态以及无法指挥车辆安全错车等许多困难。这种状况往往会使调度部门产生调度的盲目性和随意性，甚至会产生运输车辆追尾及撞车的严重安全事故。因此，研究开发了一套基于RFID技术的矿井运输车辆定位跟踪监控系统。该系统采用RFID技术实现井下车辆定位跟踪，可以将机车的具体位置、行驶速度以及行驶方向等信息实时地显示在井下监控调度中心，大大提高了矿井的智能化水平。

1 定位跟踪监控系统组成及工作原理

本系统由工控机、10个识别分站以及电子标签组成，调度室配备工控机，识别分站分布在煤矿－410水平大巷中，电子标签安装在机车头和各个车皮上。工控机与各个识别分站采用RS485总线的方式通信，识别分站和电子标签之间采用RFID技术的方式通信。监控中心工控机在组态软件MCGS支持下，通过数据传输接口和沿巷道铺设的通讯电缆轮询巷道上安装的识别分站。识别分站对机车上电子标签进行数据巡检和信息采集，当识别分站收到工控机巡检命令后，将自动采集有效识别距离内的标识卡信息，并根据系统指令通过RS485总线将机车的号码、机车去向、车皮所载货物等相关数据传送到监控室工控机，工控机分析接收到的信息后，监控画面上很快就能显示出当前运行机车的具体位置以及机车速度等机车信息。定位跟踪监控系统结构图如图1所示。

图1 定位跟踪监控系统结构图

2 识别分站与电子标签硬件设计

识别分站和电子标签之间的信息交换是在特殊而又复杂的巷道空间以无线传输数据完成的，数据无线传输品质的好坏直接决定识别分站与电子标签设计的优劣，进而影响机车跟踪定位系统的准确性。因此，在设计中充分考虑这些因素。

2.1 通信频段的选择

无线通信模块采用433MHz频段和10mW发射功率与识别分站相匹配。433MHz频段与2.4 GHz等频段相比具有频段波长较长、绕射能力强以及通信可靠等特点，能实现在不停车、不减速以及大流量条件下进行车辆识别功能。采用433 MHz频段可与矿井人员定位系统采用的2.4GHz频段相避开，避免了它们之间的相互干扰。通过使用抗干扰的通信技术和高度集成的单片收发机来保证系统通信的可靠性和工作的稳定性。与现有其他类型的有源RFID相比，通信距离由10～20m增加到了100m，该技术方案在使用中方便灵活，性能可靠。

图2 射频模块电路原理图

2.2 硬件电路设计

电子标签主要包括远程无线通信模块、单片机、天线以及电池，识别分站主要包括无线通信模块、AC－DC转换模块、RS232－RS485串口电平转换模块。识别分站与电子标签主电路采用TI公司生产的低功耗单片机MSP430F2132、Chipcon公司生产的超低功耗无线射频收发芯片CC1100以及外围元器件构建，射频模块电路原理图如图2所示。

3 定位跟踪监控系统软件设计

当电子标签进入识别分站的识别范围之内时，电子标签将自己的信息传送给识别分站后，识别分站以ID编码的方式将信息传动到上位机，上位机接收到这些编码之后将调用自己的数据库对编码进行解析，最后以时间、机车号、司机、位置等的方式显示出来。由此可见，实现定位跟踪的关键之处在于系统中设备的相互通信。

图3 电子标签与识别分站通信流程图

3.1 电子标签与识别分站的通信实现

电子标签与识别分站通信是一个相互的过程，电子标签和识别分站都要相互接收和传输信息。电子标签采用远距离睡眠唤醒机制，识别分站接收到上位机的询问命令之后，按照一定周期定时向外发射自身的标识信号数据，当载有电子标签的车辆途经识别分站射频辐射覆盖范围时立刻被唤醒。电子标签被唤醒之后会将自身的ID号编入通信数据包发出，识别分站收到数据包后会记录此数据包中的ID号。电子标签与识别分站通信流程图如图3所示。

3.2 识别分站与上位机的通信实现

识别分站采用MSP430单片机实现，工控机采用MCGS组态软件实现。利用MCGS和MSP430都支持的modbus协议实现两者之间的通信。modbus分为主站格式和从站格式，主站格式为设备地址、功能码、寄存器地址、数据个数、CRC校验码，从站格式为设备地址、功能码、数据个数、数据1……数据n、CRC校验码。上位机和各个识别分站是以主从通信的方式挂在一根RS485总线上，将上位机作为主站具体格式为［000400xx 28crc］，将识别分站作为从站具体格式为［020428xx…xx crc］。识别分站与上位机通信流程图如图4所示。