引言 　　近年來，礦井安全事故頻發。在分析近期幾個煤礦特大事故時發現幾個共性問題：地面與井下人員的信息溝通不及時;煤礦事故發生后，搶險救災安全救護的效率低，搜救效果差。為了在礦難發生后能夠迅速確認礦難位置和被困員工人數，以最快的速度開展營救工作，保障礦工的生命安全，在礦井中布置基于高新技術的安全監控管理系統勢在必行。 　　本文設計了1個基于CAN總線網絡和射頻識別技術的礦井定位系統，該系統可以實時地將礦井下人員及礦車的當前位置通過CAN總線網絡傳送到位于地面的上位機，不僅可以掌握井下作業情況，而且一旦發生安全事故，可以立刻確定被困人員所處的位置及人數，以便迅速展開救援工作。 1、RFID技術和CAN總線簡介 　　射頻識別（RFID，RadioFrequencyIdentification）技術是利用無線電波進行通信的一種非接觸式自動識別技術。射頻識別系統由讀寫器和電子標簽（Tag）組成，每個Tag具有1個全球唯一的ID號，可以與讀寫器進行無接觸的信息交換。根據射頻識別系統的工作頻率，可分為低頻（100—500kHz）、中頻（10—15MHz）、射頻（850—950MHz）和微波（2.45—5.8GHz）系統，不同的工作頻段影響系統的讀寫距離。按Tag的供電方式，可分為有源和無源兩類。 　　有源Tag需要電源供電，讀寫距離遠，但使用不方便，價格高，壽命有限;無源Tag使用讀卡器天線發射的電磁波的能量，因此無源Tag的讀寫距離有限，但壽命長、體積小。基于在礦井下使用的特殊環境，將Tag嵌人到礦工的安全帽或皮帶中，因此本系統使用無源Tag，增加其使用壽命。低頻和中頻系統對Tag的讀寫距離只有10cm左右，射頻系統的讀寫距離可達7m左右，微波系統（主要使用有源Tag）可達幾十米。由于礦井下需要相對精確的定位信息，而且還要讀寫方便，本系統選擇工作在射頻波段，需要在礦井中每隔15m左右安裝1個讀寫器。 　　CAN（ControllerAreaNetwork）總線最早由德國BOSCH公司提出，主要用于汽車內部測量與控制中心之間的數據通信。由于其良好的性能，廣泛應用于其他領域當中，并逐漸成為主要通訊手段。其主要特點有：國際標準的工業級現場總線，傳輸可靠，實時性高;傳輸距離遠（無中繼最遠10km），傳輸速率快（最高1bit/s）;單條總線最多可接110個節點，并可方便的擴充節點數;報文為短幀結構并有硬件CRC校驗，受干擾概率小，數據出錯率極低;出錯的CAN節點會自動關閉并切斷和總線的聯系，不影響總線的通訊;非破壞性總線仲裁技術，可多節點同時向總線發數據，總線利用率高;總線上各節點的地位平等，不分主從，突發數據可實時傳輸;具有硬件地址濾波功能，可簡化軟件的協議編制;CAN—bus總線系統結構簡單，性價比極高。當礦井通訊網絡需求達到更遠的通訊距離（大于10km），或者終端數目較多（大于110個）時，安裝CANbridge網橋可以成倍地延長通訊距離，也可以成倍地增加CAN—bus網絡中終端設備的數目。而且在礦井中使用CAN總線網絡還有利于將礦井中相互獨立的各種類型系統互通，進行統一管理。 2、礦井定位系統硬件設計 　　本系統中監控器位于地面的監控室，通過CAN轉換卡與CAN總線相連，其上運行由VisualC++編寫的監控軟件，可以動態顯示礦工當前位于哪一基站附近，還可以向某些基站發出查詢命令，查詢某一員工當前位置;射頻讀寫器作為基站安裝在礦井中的已知位置，通過CAN總線與其他基站和監控器相連;礦工進入礦井時都要佩戴安全帽或腰帶（內嵌電子標簽），并且電子標簽的ID已與監控系統信息相關聯。當通信距離長、基站節點數量多時，可以使用CANbridge延長CAN總線網絡。 　　本系統使用的無源電子標簽是TI公司的RI—UHF—STRAP一08，其符合EPCglobalTMGen2（v.1.0.9）和ISO/IEC18000—6c協議標準，內置192bit的存儲器（96bit的EPC存儲器、32bit的操作密碼、32bit的KILL密碼、32bit的Tag—ID存儲器），工作在860～960MHz的頻段，但此頻段還未推出專用的讀寫器模塊，因此本系統的重點是射頻讀寫器的研制。 　　考慮到礦井中的設備需要防爆安全認證，本系統設計中盡可能地減少外圍芯片數量。MCU采用美國微芯公司的PIC18F4580單片機，此單片機集成了基于ECAN技術的CAN總線控制模塊、lO位A/D模塊、增強的通用串口模塊、32KB的增強型Flash存儲器等，內部資源豐富，簡化了系統設計。 　　射頻收發模塊使用AD公司的可編程射頻收發芯片ADF7020，工作頻率為431～478MHz和862～956MHz波段，收發過程工作在半雙工方式，支持ASK/FSK/OOK/GFsK等多種調制方式。CAN總線驅動器使用的是致遠電子的通用CAN收發器芯片CTM8251A，此芯片將傳統的CAN總線驅動電路的光電隔離和CAN驅動器集成到一塊芯片，提高了通信的可靠性。 　　2.1PICl8F458O與CTM825lA的接口電路PIC18F4580帶有CAN控制模塊，支持CAN1.2、CAN2.0A、CAN2.0B協議，只需外接CAN驅動器即可實現CAN模塊的硬件設計，接口電路如圖3所示。CAN發器芯片CTM8251A具有DC2500V隔離功能，符合ISO11898標準，數據速率最高達1Mbps，具有自動熱關斷保護功能，并且未上電或欠壓節點不會影響CAN總線的正常工作。 　　2.2PIC18F4580與ADF7020的接口電路 　　PIC18F4580單片機通過ADF7020的串行數據輸入引腳SDATA向ADF7020發送編程控制字，控制其工作方式，并可以通過串行數據讀回引腳SREAD讀取ADF7020的工作狀態，SLE引腳作為控制字的鎖存信號。DATAI/O引腳是發送信號輸入和接收信號輸出分時復用引腳，收發工作在半雙工方式，因此MCU工作在半雙工的同步通信模式下，通過串行同步接口接收或發送數據。當ADF7020接收到一個來自天線的有效信號后，通過INT/LOCK引腳向MCU發出中斷信號。 3、系統的軟件設計 　　本設計的編程環境是MPLABIDE軟件并內嵌MPLAB—C18，可以支持C語言編程。系統的軟件主要分為PIC18F4580初始化、ADF7020初始化、CAN數據收發、讀卡器與電子標簽間的通信算法等部分。 　　PIC18F4580初始化主要是對片內各個功能模塊的初始化，包括：CAN模塊初始化，USART模塊初始化，WDT初始化，設置各個端口的方向等。 　　ADF7020初始化主要包括：設置晶振電路的接人方式，信號的調制/解調方式（ISO/IEC18000—6c標準中使用ASK），定義調制信號的調制輸出功率，打開VCO、PLL和輸入輸出時鐘等。在CAN數據收發程序中，讀寫器的MCU通過CAN總線向上位機實時發送讀寫器識別出的Tag的相關信息，而CPU接收來自上位機的控制命令數據。 　　本系統要求讀寫器能夠識別到其覆蓋范圍內的所有Tag，但在讀寫器覆蓋范圍內的Tag會幾乎同時響應讀寫器的指令，這樣響應信號就會發生碰撞，導致通信失敗，讀寫器無法正確識別Tag。因此，讀寫器軟件系統要加人防碰撞算法，保證讀寫器能夠與電子標簽正確地交換信息。本系統使用支持ISO/IEC18000—6c協議的電子標簽，規定使用基于概率類型的時隙隨機防碰撞算法。此算法的工作過程為：電子標簽進入讀寫器覆蓋范圍后進人Ready狀態;讀寫器發送Select命令和Query命令信號（開始一個新的Round周期）并監聽響應信號;電子標簽收到Query命令后將一個16位的隨機（或偽隨機）數（數值范圍為0000H～3FFFH，即共有多達215個時隙可供使用）裝載到時隙計數器中，進入Arbitrate狀態，當電子標簽每接收到一個QueryRep命令，時隙計數器就會進行減法操作（Query命令中規定了每次減的值Q，而且可以使用QueryAdjust命令修改先前的Query命令規定的Q值）; 　　當計數器減為0時電子標簽就進入Reply狀態，此時向讀寫器發出一個16bit的（偽）隨機數作為應答信號;如果電子標簽收到一個有效的ACK信號（正確包含自己向讀寫器發送的16bit隨機數），那么電子標簽就會進入Acknowledged狀態，否則如果沒有收到正確的ACK，則表明發生碰撞，返回Arbitrate狀態;在確認狀態中，電子標簽向讀寫器發送包含自己的PC（ProtocolContro1）、EPC（ElectronicProductCode）和16bit的CRC校驗等字段的信息;此后讀寫器向電子標簽發出Read命令，可以讀Tag的EPC和TID的部分或全部內容;讀取后Tag又回到Ready狀態。 　　由于ISO/IEC18000—6c協議使用基于概率類型的時隙隨機防碰撞算法，與ISO/IEC18000—6a協議的ALOHA算法和ISO/IEC18000—6h協議的自適應二進制數算法相比，由于時隙隨機防碰撞算法在Tag中使用時隙計數器進行防碰撞，大大簡化了讀寫器CPU的編程工作，并提高了讀寫器的工作效率。 4、結語 　　本文針對煤礦安全生產的需要，設計了基于RFID技術的礦井定位系統。為了提高系統的可靠性，減小防爆安全認證的難度，設計中使用高集成度芯片，以減少分立元件的數量。在讀寫器中實現了基于最新的ISO/IEC18000—6c國際標準協議的軟件設計，不僅減小了沖突發生的概率，而且大大提高了讀寫器CPU的效率。讀寫器與上位機的通信使用了可靠性較高、礦井中廣泛使用的CAN總線技術，使地面監控室可以及時了解井下的工作狀況。