長距離通信器S1513的礦用安全系統(tǒng)設(shè)計

摘要  礦難故事時有發(fā)生，經(jīng)常造成重大人員傷亡，如何將人員傷亡降至最低，本文給出一種礦用安全系統(tǒng)設(shè)計。文中，首先對礦用人員安全監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)技術(shù)和組成部件進行簡要描述。接著，介紹系統(tǒng)的核心部件——長距離通信器S1513的結(jié)構(gòu)原理和特點，以度標(biāo)簽S1255的結(jié)構(gòu)和工作原理。最后，對該系統(tǒng)進行必要的說明。
關(guān)鍵詞 安全監(jiān)測 長距離通信器 射頻識別

    近年來，礦井危險性事故不斷發(fā)生，造成了很大的人員傷亡和財產(chǎn)損失，所以煤礦安全生產(chǎn)、減少并杜絕煤礦事故是刻不容緩的。同時怎樣在事故發(fā)生后，盡快找到礦井工人，確保人員安全，這一點也是非常重要的。本設(shè)計對礦用人員進行監(jiān)測，可以實時監(jiān)測礦用人員在井下的位置和時間信息，把信息存人到數(shù)據(jù)庫，這樣當(dāng)遇到井難的時候，可以檢查到井下人員的信息，從而把傷亡人數(shù)降至最低。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計思路
    井下工作人員隨身佩戴電子標(biāo)簽，憑電子標(biāo)簽進入地下，并通過閱讀器讀取標(biāo)簽中的出廠卡號(本系統(tǒng)使用只讀電子標(biāo)簽，每個標(biāo)簽的出廠卡號唯一)，卡號對應(yīng)每個人的個人信息，把時間、位置和個人情況寫入數(shù)據(jù)庫，安全監(jiān)控中心設(shè)置大屏幕監(jiān)控設(shè)備，顯示地下地理信息。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2.1硬件結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其中，射頻識別系統(tǒng)以CONFIDENT自動識別系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對礦用人員的位置進行監(jiān)測。在本系統(tǒng)中，通信器采用瑞典TagMaster AB公司生產(chǎn)的S1513，電子標(biāo)簽采用S1255，主機是井上調(diào)度室的計算機。CONFIDENT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    S1513是瑞典Tag-Master AB公司生產(chǎn)的長距離通信器，工作頻率為2．45 GHz，具有圓極化天線波速的讀／寫工作站，用于讀／寫CONFIDENT系統(tǒng)中射頻識別標(biāo)簽。其主要特點是：超長的閱讀距離，可達15 m；內(nèi)置處理器和數(shù)據(jù)庫；TagMaster Pyramid軟件和實時時鐘可用于單機工作；體積小、重量輕，便于安裝；26個頻道可供用戶選擇，以免多個閱讀器安裝在一起時相互干擾；易于與現(xiàn)有設(shè)備組合成系統(tǒng)；多標(biāo)簽卡識別；高速閱讀；用戶可編程，極具靈活性；內(nèi)置運動檢測；防電磁干擾的24 V直流轉(zhuǎn)換器。S1513的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    S1235只讀標(biāo)簽卡的頻率為2.45GHz，每個卡芯在出廠時已帶有一個永久性的、獨一無二的8位數(shù)身份編碼。這個身份碼同32位校驗和進行比較，以此實現(xiàn)自動確認。此項功能同具有隨機間隔的反射閱讀器信號相結(jié)合，就能在遠距離同時閱讀多張標(biāo)簽卡時消除誤讀錯誤。在本系統(tǒng)中，此8位身份編碼與上位機數(shù)據(jù)庫中每個礦井工人的身份信息一一對應(yīng)。

    S1255的主要特點是：長距離供電；電池供電，總處于反射閱讀器信號的狀態(tài)，沒有“喚醒”時間；采用環(huán)保型鋰電池，其壽命完全可預(yù)期(6年)；信用卡式外形，厚度為3 mm內(nèi)置校驗和，能夠可靠地同時閱讀多卡；低功率發(fā)射系統(tǒng)。

    電子標(biāo)簽S1255不停地將數(shù)據(jù)反射到任何C0NFI_DENT通信器S1513，只要S1255在通信器波束范圍內(nèi)，通信器工作頻率在2．435～2．465 GHz范圍內(nèi)的任何頻道，通信器都能夠讀到標(biāo)簽信息。標(biāo)簽反射到通信器的信息包括出廠前指定標(biāo)簽的唯一標(biāo)識號，讀標(biāo)簽的“數(shù)據(jù)”，以及標(biāo)簽的“狀態(tài)域”，這些構(gòu)成了標(biāo)簽的“識別信息幀”。標(biāo)簽的識別信息幀根據(jù)格式化，由固定的間隔或隨機的間隔隔開。S1255標(biāo)簽卡和閱讀器之間的信息傳遞非常迅速，在閱讀器信息場內(nèi)的多張標(biāo)簽卡能在瞬時同時識別。在1個間隔長度之間傳輸2個信息識別幀的最長時間不超過150 ms，平均傳送時間只有80 ms，這就意味著，標(biāo)簽卡反射識別信號的速度為12次／s。

2.2軟件結(jié)構(gòu)
(1)S1513的軟件系統(tǒng)

    S1513的軟件系統(tǒng)如圖4所示。

    閱讀器廠家預(yù)裝SOLID軟件為標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用軟件。用戶也可以根據(jù)不同的應(yīng)用自行開發(fā)閱讀器運行軟件，用戶開發(fā)的軟件可以控制閱讀器的工作方式，使系統(tǒng)解決方案靈活，反應(yīng)速度快。

    閱讀器應(yīng)用程序能夠在PC環(huán)境下開發(fā)，調(diào)試完軟件后，利用ConfiLoad下載到閱讀器，并永久地存儲到閱讀器。EEPROM存儲區(qū)。PC機應(yīng)用程序可以利用任何軟件開發(fā)環(huán)境

    ConfiLoad是通過標(biāo)準(zhǔn)的RS232將閱讀器應(yīng)用軟件下載到閱讀器的Windowrs軟件。它提供了不更換EEP-ROM而很容易升級閱讀器的可能。

    ConfiLib是一個包含有幾百個閱讀器管理函數(shù)以及ConfiTalk通信協(xié)議接口函數(shù)的函數(shù)庫。廠家提供適合于D0S和Windows的ConfiLib版本。用于閱讀器的Con-fiLib是C語言函數(shù)庫。用于PC平臺的ConfiLib應(yīng)用程序接口以C／C++動態(tài)連接庫(DLL)的形式提供。廠家同時也提供Vistlal Basic和Delphi接口。這些函數(shù)庫包含諸如閱讀／寫入／格式化標(biāo)簽，讀／寫／檢索數(shù)據(jù)庫，軟／硬件設(shè)置，讀／寫I／O接口，發(fā)送／接收ConfiTalk命令，定時器，緩存區(qū)，郵件管理等常用函數(shù)。

    ConfiTalk是標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。對于閱讀器和基于Windows 95／98／ME和Windows NT／2000／XP環(huán)境下的PC機兩方面都適用。通常串行通信采用RS485網(wǎng)絡(luò)方式或用RS232點對點方式，并可采用查詢方式。用戶可自己編寫通信協(xié)議替代ConfiTalk。
 
    Pyramid是通信器S1513出廠時預(yù)裝的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序，可單機運行。由PC機下載而來的數(shù)據(jù)庫保存著授權(quán)標(biāo)簽。閱讀器閱讀到標(biāo)簽后，查詢數(shù)據(jù)庫，為授權(quán)的標(biāo)簽啟動繼電器，并將記錄信息傳送到PC機。

(2)$1513的應(yīng)用編程
    S1513程序庫的核心是事件器模塊，其絕大部分應(yīng)用是由事件驅(qū)動的。事件是指正常程序運行以外不定期發(fā)生的事情，事件的產(chǎn)生可以來自外部，也可以來自內(nèi)部。Confilib庫中有7個模塊產(chǎn)生事件，可能產(chǎn)生的事件包括：DTMF(雙音多頻接口輸入)、Push_Button(通信器控制盤上的按鍵被按下)、Doppler_Rader(多譜勒雷達檢測到運動物體)、Par_In(并行輸入口輸入)、Timer(設(shè)置的計時器到達時間)、Tag(成功閱讀到一個標(biāo)簽)、Tamper_Switch(防護開關(guān)動作)、Null_Event(自上次查詢后，沒有事件發(fā)生)和Resel_Event(系統(tǒng)復(fù)位)。除防護開關(guān)動作之外，其他所有事件模塊必須經(jīng)過初始化后才能夠產(chǎn)生事件。當(dāng)事件產(chǎn)生時，系統(tǒng)及時響應(yīng)并存入通信器事件處理器，應(yīng)用程序通過調(diào)用Bsw_EvenI_Handler_Get_Event()從通信器閱讀事件。若有事件發(fā)生，該函數(shù)返回其事件類型、相應(yīng)數(shù)據(jù)，否則返回Null_Event。因此，通信器應(yīng)用程序應(yīng)該是一個等待事件的死循環(huán)，當(dāng)事件發(fā)生時，應(yīng)用程序調(diào)用適當(dāng)?shù)氖录幚沓绦騺眄憫?yīng)該事件。

    在CONFIENT系統(tǒng)中，有4種編程方式控制通信器：利用用戶編寫的通信器應(yīng)用程序；利用Confilib庫函數(shù)開發(fā)的主機應(yīng)用程序；利用主機應(yīng)用程序與標(biāo)準(zhǔn)通信器應(yīng)用程序Pyramid通信；利用用戶協(xié)議。在此系統(tǒng)中，筆者采用利用主機應(yīng)用程序與標(biāo)準(zhǔn)通信器應(yīng)用程序Pyramid通信的編程方式，可以保證系統(tǒng)的執(zhí)行速度，又實現(xiàn)了主機與S1513的信息交換。

    本系統(tǒng)利用CONFIDENT軟件庫提供的郵件交換系統(tǒng)實現(xiàn)通信器S1513與主機通信并交換信息。通信器通過調(diào)用函數(shù)Msw_Mail_Init、Msw_MaiL_Send以及Msw_MaiI_Receive等來使用郵件交換系統(tǒng)。使用郵件交換系統(tǒng)的前提是系統(tǒng)至少有一個空閑的動態(tài)緩存區(qū)。在初始化郵件系統(tǒng)時，函數(shù)占據(jù)編號最高的動態(tài)緩存區(qū)。

(3)軟件編程
    軟件編程的主要功能是：電子標(biāo)簽在通信器的監(jiān)測范圍內(nèi)被檢測，生成標(biāo)簽記錄，通信器將標(biāo)簽記錄以郵件的形式發(fā)給主機；主機處理接收到的郵件，將處理的結(jié)果儲存在主機數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫選用SQL Server2000，并在大屏幕中顯示。

    在該系統(tǒng)中，利用C0NFIDENT軟件庫提供的郵件交換系統(tǒng)實現(xiàn)通信器S1513與主機的通信。主要功能是主機接收到通信器發(fā)送來的標(biāo)簽事件后，處理郵件內(nèi)容，并將與標(biāo)簽對應(yīng)的礦井工人的個人基本信息、位置、時間放到主機SQL Server2000數(shù)據(jù)庫中。為了避免主機和通信器同時控制串行口而產(chǎn)生矛盾，系統(tǒng)規(guī)定每當(dāng)空格鍵被按下時，改變通信器的安靜模式。通信器在安靜模式時閱讀標(biāo)簽事件，并將標(biāo)簽數(shù)據(jù)通過郵件發(fā)送給主機，主機通過郵件將通信器設(shè)置為非安靜模式，并在通信器為非安靜模式時讀取標(biāo)簽數(shù)據(jù)郵件。在程序?qū)崿F(xiàn)時，利用定時器事件，主機應(yīng)用程序每隔30 s自動輸入空格鍵來達到此目的。

3 對系統(tǒng)的必要說明
    本系統(tǒng)重點是確保出現(xiàn)礦井事故時，能夠第一時間知道礦工較準(zhǔn)確的位置，所以可以在閱讀器電路擴展USB接口，礦工可以通過插入即插即用設(shè)備，以便求救。