基于低頻射頻識別技術與礦井人員定位系統(tǒng)(技術研究報告)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　井下人員定位系統(tǒng)是為了提高煤礦人員管理效率和加強井下與地面信息溝通而設計的，該系統(tǒng)能夠動態(tài)顯示井下工作人員的實時位置，并能夠?qū)と说墓ぷ鲿r間和工作區(qū)域進行統(tǒng)計。</p><p>　　本報告首先分析了國內(nèi)外井下人員定位技術的發(fā)展現(xiàn)狀，并比較了其中的優(yōu)缺點。分析了系統(tǒng)的工作原理，并進行了功能劃分。系統(tǒng)在設計

2、過程中采用了模塊化思想，從三個子系統(tǒng)分別對系統(tǒng)進行設計。報告中重點研究了井下的無線通信問題，并選擇了RFID（射頻識別）為井下無線通信方案；在井下與地面的通信方式中選擇了技術先進、性能可靠的CAN總線技術；在地面監(jiān)控端結合當前的新技術采用了GIS（地理信息系統(tǒng)）進行井下監(jiān)控情況的實時顯示。</p><p>　　關鍵字：井下人員定位；RFID；CAN；GIS</p><p><b>

3、;　　目錄</b></p><p><b>　　1 緒論6</b></p><p>　　1.1 煤礦生產(chǎn)管理中的問題6</p><p>　　1.2 本項目研究的意義7</p><p>　　1.3 井下人員定位系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀8</p><p>　　1.3.1 國外研究狀況8&l

4、t;/p><p>　　1.3.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀8</p><p>　　1.4 井下人員定位系統(tǒng)設計的難點問題9</p><p>　　1.5 本項目所做的工作10</p><p>　　2 井下人員定位系統(tǒng)的基本原理11</p><p>　　2.1 定位系統(tǒng)概述11</p><p>　　2.2

5、 井下人員定位系統(tǒng)的基本原理11</p><p>　　3 系統(tǒng)的功能劃分14</p><p>　　3.1 井下無線監(jiān)測子系統(tǒng)14</p><p>　　3.2 地面數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)14</p><p>　　3.3 井下與地面通信子系統(tǒng)15</p><p>　　4 井下無線通信子系統(tǒng)設計17</p>

6、<p>　　4.1 通信的基本知識17</p><p>　　4.1.1 信號的轉(zhuǎn)換與編碼17</p><p>　　4.1.2 差錯控制17</p><p>　　4.1.3 多路復用18</p><p>　　4.1.4 傳輸模式18</p><p>　　4.1.5 傳輸協(xié)議18</p>

7、<p>　　4.2 井下人員定位系統(tǒng)無線通信解決方案及對比19</p><p>　　4.2.1 藍牙(Bluetooth)19</p><p>　　4.2.2 HomeRF19</p><p>　　4.2.3 ZigBee20</p><p>　　4.2.4 RFID（射頻識別）20</p><p&

8、gt;　　4.2.5 WIFI21</p><p>　　4.2.6 無線MESH網(wǎng)絡21</p><p>　　4.2.7 幾種無線通信方案的比較22</p><p>　　4.3 無線通信方案的確定22</p><p>　　4.4 無線通信子系統(tǒng)的硬件設計22</p><p>　　4.4.1 基站硬件電路設計

9、23</p><p>　　4.4.2 射頻卡硬件電路設計42</p><p>　　4.5 無線通信子系統(tǒng)的軟件設計43</p><p>　　4.5.1基站軟件設計43</p><p>　　4.5.2 射頻卡軟件設計50</p><p>　　5 井下與地面通信子系統(tǒng)設計52</p><p&g

10、t;　　5.1 通信方案及比較52</p><p>　　5.1.1 RS-48552</p><p>　　5.1.2 現(xiàn)場總線52</p><p>　　5.1.3 工業(yè)以太網(wǎng)54</p><p>　　5.2 CAN總線55</p><p>　　5.2.1 CAN總線簡介55</p><p

11、>　　5.2.2 CAN的性能特點55</p><p>　　5.2.3 物理層56</p><p>　　5.3 CAN總線接口電路設計56</p><p>　　5.3.1 CAN總線與基站硬件接口電路設計61</p><p>　　5.3.2 CAN總線與PC端的硬件接口電路設計63</p><p>　　

12、5.4 CAN總線接口電路軟件設計68</p><p>　　5.4.1 基站部分CAN總線接口電路軟件設計68</p><p>　　5.4.2 PC端CAN總線接口電路軟件設計69</p><p>　　6 地面監(jiān)管子系統(tǒng)設計71</p><p><b>　　7 總結77</b></p><p

13、><b>　　附錄A78</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 煤礦生產(chǎn)管理中的問題</p><p>　　煤礦的生產(chǎn)分為露天開采和地下開采，而我國95%的煤礦開采是地下開采作業(yè)，而地下開采的危險性較之露天開采要大的多。我國煤層自然賦存條件復雜多變，影響煤礦安全生產(chǎn)的因素眾

14、多，水、火、瓦斯、煤塵、頂板等自然災害時刻都在威脅礦井工作人員的生命安全，都可能是造成事故的客觀因素，礦井重大災害及傷亡事故隨時都有可能發(fā)生。據(jù)調(diào)查煤礦事故占工礦企業(yè)一次死亡10人以上特大事故的72.8%至89.6%(2002~2005年)。近幾年，隨著國民經(jīng)濟對能源的需求增大，煤炭行業(yè)的開始復蘇，我國煤炭開采在規(guī)模和產(chǎn)量上都逐年擴大，但是通過以上觸目驚心的數(shù)據(jù)我們卻看到煤礦行業(yè)安全生產(chǎn)的形勢非常嚴峻，造成的損失是極其慘重的。特別是煤礦

15、重大及特大瓦斯(煤塵)災害事故的頻發(fā)，不但造成國家財產(chǎn)和公民生命的巨大損失，增加了社會的不穩(wěn)定團素，而且嚴重影響了我國的國際聲譽。實際上，這些事故的發(fā)生不是偶然的，它是煤礦生產(chǎn)過程中存在問題的集中暴露，涉及許多方面。既有自然因素、科技投入和研究的不足，也有人為因素以及國家的體制、煤礦企業(yè)管理不善等因素。更讓人擔憂的是，煤礦井下普遍存在入井人員管理困難，難以及時掌握井下人員的動態(tài)分布及作業(yè)情況</p><p>　　

16、目前國家對煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)要求的不斷提高和企業(yè)自身發(fā)展的需要，我國各大、中、小煤礦的高瓦斯或瓦斯突出礦井陸續(xù)在裝備礦井監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)的裝備大大提高了礦井安全生產(chǎn)水平和安全生產(chǎn)管理效率。但是，現(xiàn)有的礦井監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測對象主要有兩種，一是環(huán)境安全監(jiān)測：監(jiān)測各種有害氣體及工作面的作業(yè)條件，如瓦斯?jié)舛?、一氧化碳、氧氣濃度、風速、空氣溫度、壓力、粉塵濃度等等；二是生產(chǎn)過程、生產(chǎn)工藝監(jiān)測：監(jiān)測主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)的各種生產(chǎn)參數(shù)和重要設備的運行狀態(tài)，如

17、煤倉料位、水倉水位、水泵、提升機、扇風機、壓風機、膠帶輸送機、采煤機等運行狀態(tài)和參數(shù)等運行狀態(tài)和參數(shù)?？梢钥闯觯碌V工并不是現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控對象，他們在井下的位置和運行軌跡仍然是不得而知的，一旦發(fā)生突發(fā)性災難營救工作將無從下手。礦難事故發(fā)生后，對遇難的井下工作人員生命的搶救成為首要任務，決策指揮人員必須全面分析災情及其災變趨勢，迅速組織偵察工作，準確探明事故性質(zhì)、原因、影響范圍、遇險人員數(shù)量和所在位置，以最快的速度、最短的路線進入災

18、區(qū)，營救災區(qū)遇險人員。然而，目前國內(nèi)煤礦正在使用的該類監(jiān)控系統(tǒng)，并不能實時提供井下工作人員的具體位置與分布情況等重要數(shù)據(jù)</p><p>　　1.2 本項目研究的意義</p><p>　　面對我國煤礦安全生產(chǎn)的嚴峻形勢，用高新技術和先進實用技術改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，增加科技含量，促進產(chǎn)品更新?lián)Q代，提高產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益，是走新型煤炭工業(yè)化道路的必然選擇。煤礦的現(xiàn)代化管理和煤礦的安全生產(chǎn)是煤炭行業(yè)舉

19、足輕重的大事。在煤炭行業(yè)管理和安全方面，人的管理是一個十分關鍵的問題。長期以來，大部分礦井，尤其是現(xiàn)代化的礦井，井下都是連續(xù)生產(chǎn)，然而煤礦井下的員工狀況如何，一直是較難查清的問題。到目前為止，即使是我國的現(xiàn)代化礦井的管理，也只能是依據(jù)傳統(tǒng)礦燈管理、領取工作牌等考勤方式來了解下井人員的數(shù)量和情況。隨著無線通信、自動識別和計算機網(wǎng)絡技術在煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測應用領域中的不斷發(fā)展，如何確定災害事故中遇險人員的具體情況和分布位置得到進一步地解決。特

20、別是在國內(nèi)射頻識別技術的引進和發(fā)展，使得對下井人員進行實時跟蹤變得可行。利用射頻識別技術對井下人員進行跟蹤定位不僅能方便決策人員快速準確了解井下遇險人員的具體分布位置、贏得搶救的寶貴時間，還可以用于煤礦的日常考勤、生產(chǎn)調(diào)度等方面。不僅加強了煤炭行業(yè)的生產(chǎn)與安全管理，使生產(chǎn)調(diào)度及時、準確，更得使煤礦的安全生產(chǎn)保障系統(tǒng)大大提高。</p><p>　　在建立了井下人員定位系統(tǒng)后，若井下發(fā)生突發(fā)事件，可立即通過地面主機實

21、時查出井下各位置的人員狀況，這樣就能夠做出及時的搶救決策，使事故損失降到最低。平時可以用來指揮生產(chǎn)做出優(yōu)化決策，使生產(chǎn)指揮高效。煤礦井下人員定位系統(tǒng)的研究具有非常重要的現(xiàn)實意義。煤礦井下人員定位系統(tǒng)將在礦井的防災、減災以及提高生產(chǎn)效率方面發(fā)揮著重大的作用，而高性能的計算機礦井監(jiān)測系統(tǒng)的應用前景尤為的廣闊。</p><p>　　1.3 井下人員定位系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　1.3.

22、1 國外研究狀況</p><p>　　國外研制礦井計算機監(jiān)控系統(tǒng)始于20世紀60年代，為保證煤礦安全生產(chǎn)，世界主要產(chǎn)煤國（如美國、英國、德國、波蘭、前蘇聯(lián)等）從50年代開始，陸續(xù)地把監(jiān)測、監(jiān)控技術應用到安全生產(chǎn)管理上。隨著射頻識別技術的興起，國外也加快了這一領域的發(fā)展，并成功地將其應用到了井下人員定位監(jiān)控系統(tǒng)中。英國的Davis Derby Limited公司采用最新的無線射頻技術開發(fā)了專門用于煤礦井下應用的多標

23、簽讀取系統(tǒng)；戴維斯德比公司在地面和井下RFID系統(tǒng)的開發(fā)、生產(chǎn)、銷售服務等方面，已擁有十幾年的豐富經(jīng)驗；澳大利亞芒特艾薩礦業(yè)公司開發(fā)了一種人員探測系統(tǒng)，用于監(jiān)測礦工進入危險地帶；在南非的德里方月(Driefontayne)礦，安裝了一種人員跟蹤系統(tǒng)，它使用由澳大利亞ISD公司制造的一種射頻識別系統(tǒng)源信標；這個系統(tǒng)使用頂板安裝的天線，用來監(jiān)控裝在每個礦工帽上的小型無源信標。1990年8月，美國安菲斯公司利用超低頻信號的穿透力研制開發(fā)的世界

24、唯一套可實現(xiàn)超低頻信號穿透巖層進行傳輸?shù)臒o線急救通訊系統(tǒng)(PED，即Personal Emergeney Device系統(tǒng))在悉尼附近的一所煤礦投入使用。PED系統(tǒng)的先進技術工藝和優(yōu)</p><p>　　1.3.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　我國監(jiān)測監(jiān)控技術起步較晚，自1974年以來，僅有幾種單一的瓦斯監(jiān)測儀器投入使用，如AYJ-1，AWBY-1.2，MJC-100等，實現(xiàn)了對瓦斯

25、的連續(xù)監(jiān)測。為了加快實現(xiàn)煤炭工業(yè)現(xiàn)代化管理的步伐，我國先后從波、法、德、英、美等國批量引進了安全監(jiān)控系統(tǒng)并裝備了部分煤礦，如美國的SCADA系統(tǒng)、英國的MINOS系統(tǒng)、德國的TF200系統(tǒng)、法國的CTT63/40/u系統(tǒng)、加拿大森透里昂系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在我國煤炭行業(yè)中發(fā)揮了作用，也為我國研制礦用監(jiān)控系統(tǒng)提供了很好的借鑒。國內(nèi)曾由中國煤炭部安全司、中國國際技術咨詢公司連手與安菲斯公司確定合作關系，決定三方共同在中國煤炭領域推廣PED系統(tǒng)。1

26、998年，人同礦務局在人同煤峪口礦安裝了中國第一套PED系統(tǒng)。結果證明PED系統(tǒng)信號可以穿透巖層傳播并覆蓋到全部生產(chǎn)區(qū)，發(fā)出和收到信號準確率為100%，最遠穿透距離達2.8公里。</p><p>　　80年代后期，在引進外國設備的同時，消化、吸收了制造技術，并結合我國煤礦的實際情況，先后研制出自己的監(jiān)控系統(tǒng)，如KJ1，KJ2，KJ4，A-1，KJ10，KJ11，KJ22，KT，KJ95及焦作工學院研制的KJ93礦

27、井安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)等，并在我國煤礦大批使用，有的系統(tǒng)已達到國際先進水平。這些系統(tǒng)主要也是側(cè)重于安全參數(shù)的檢測，而沒有對下井人員進行實時監(jiān)控。</p><p>　　隨著自動識別技術在國內(nèi)各行各業(yè)的發(fā)展和應用，國內(nèi)一些煤炭科研機構不斷推出新一代的人員自動識別系統(tǒng)，并成功應用于下井人員的管理。到門前為止國內(nèi)部分礦井，尤其是現(xiàn)代化礦一井都安裝了識別系統(tǒng)，用以取代以前依據(jù)礦燈管理來對下井人員進行管理。人員識別系統(tǒng)從最初的條

28、形碼、光電孔卡式到現(xiàn)在的指紋、紅外線式考勤形式各不相同，這些技術裝備利用不同的識別原理對下井人員進行監(jiān)控、記錄。深圳世紀潮智能科技有限公司與煤炭科學研究總院重慶分院一起，于2003年8月開始研究“礦井人員跟蹤定位及考勤管理系統(tǒng)”，經(jīng)過資料收集、調(diào)研、方案論證、設計、試驗室試驗、樣機加工、性能測試、防爆送檢及井下工業(yè)性試驗等階段，歷時近一年半，完成了全部研究內(nèi)容。礦井人員跟蹤定位及考勤管理系統(tǒng)在完成了全部開發(fā)設計、樣機生產(chǎn)加工、實驗室性能

29、測試和防爆檢測檢驗后，成套產(chǎn)品于2004年10月在重慶松藻煤電集團公司二礦、西山焦煤集團屯蘭礦、山西離柳焦煤集團有限公司朱家店煤礦第二坑口等地進行了現(xiàn)場安裝和工業(yè)性試驗。</p><p>　　我國現(xiàn)在研發(fā)的新型人員定位系統(tǒng)主要以有源射頻卡為基礎，提高了射頻卡的使用的方便性，但由于基于射頻識別耦合原理的有效通信距離仍然相對較短。普遍用于遠距離射頻識別的2.4G頻段的信號對障礙物的穿透力很弱，信號衰減快。而礦山的井巷

30、往往錯綜復雜，環(huán)境十分惡劣，當多人同時經(jīng)過井下同一射頻閱讀基站時，往往出現(xiàn)漏讀率較高，系統(tǒng)穩(wěn)定性不夠等問題。</p><p>　　1.4 井下人員定位系統(tǒng)設計的難點問題</p><p>　　井下人員定位系統(tǒng)的設計有以下幾個難點問題：</p><p>　　1. 礦井下環(huán)境惡劣，通信條件復雜，并且屬于易燃易爆場所，因此對通信問題提出了嚴格的要求，而井下人員定位系統(tǒng)設計的

31、關鍵環(huán)節(jié)正是井下的通信問題。目前井下人員定位系統(tǒng)多是基于RFID（射頻識別）技術，在井下建立無線監(jiān)測網(wǎng)絡，對持有射頻標簽的工作人員進行位置信號采集，然后送到地面進行處理、顯示。但限于發(fā)射功率和通信環(huán)境，井下的無線通信距離較短，又由于地質(zhì)結構復雜，電磁波信號不能有效的穿透巖層，造成無線通信局限在狹窄的巷道中。</p><p>　　2. 井下人員定位系統(tǒng)的設計還必須要考慮電源的供電問題，所有電氣設計必須嚴格按照煤礦安

32、全操作規(guī)程進行。井下與地面的通信可以采用工業(yè)現(xiàn)場總線，增強通信抗干擾能力，同時滿足通信需求。</p><p>　　1.5 本項目所做的工作</p><p>　　本項目結合目前定位系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，主要完成了一下工作：</p><p>　　1. 采取了低頻射頻RFID+CAN+GIS的設計方式，即：利用低頻射頻RFID完成井下的無線監(jiān)測任務，利用CAN總線完成井下與地面

33、的通信任務，利用GIS完成定位系統(tǒng)的顯示任務。</p><p>　　2. 在處理井下無線通信的問題時采取了基站+移動站的通信形式?；景凑掌涓采w范圍沿巷道分布，移動站以射頻標簽的形式附著于井下工作人員的身上，由于基站的安裝位置是確定的，當某個基站捕獲到射頻卡后就可以確定相應人員的大體位置。從應用需求的角度出發(fā)，同時為了降低成本，系統(tǒng)沒有采用精確定位的方法，而是如前所述的粗略定位方法，定位精度取決于基站的覆蓋范圍。

34、</p><p>　　3. 系統(tǒng)的電源部分有基站和射頻卡兩個，基站由于安裝在巷道中需要在井下設立電源箱（礦用防爆型）為其供電。電源箱將井下變電所輸出的高壓經(jīng)過變壓、整流、穩(wěn)壓得到本安供電電源輸出；射頻卡由于采取有源形式（識別距離較遠），需要設計供電部分，可以采用充電電池或者直接從井下工人礦工帽的蓄電池中取電。</p><p>　　4. 地面的顯示部分采用基于GIS開發(fā)的圖形顯示界面，方便管

35、理，同時易于整合其他信息資源（比如地質(zhì)和水文）?？紤]到井下工作環(huán)境的變化性，采用CAN總線可以方便的擴充基站，配合煤礦井下巷道的延伸。</p><p>　　2 井下人員定位系統(tǒng)的基本原理</p><p>　　2.1 定位系統(tǒng)概述</p><p>　　井下人員定位系統(tǒng)的設計目的一是為了礦井正常運作時對井下工作人員進行管理，另外一個目的是一旦發(fā)生安全事故可以為救援隊提供

36、被困人員的位置和狀態(tài)信息，贏取寶貴的救援時間。因此從這兩個目的出發(fā)來考慮定位系統(tǒng)的設計方案。從目前的應用看，定位系統(tǒng)有多種形式。</p><p><b>　　1. GPS</b></p><p>　　GPS（Global Positioning System）全球定位系統(tǒng)具有高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡便等特點，是最常見的一種定位系統(tǒng)，主要為船舶、汽車、飛機

37、等運動物體進行定位導航。GPS定位系統(tǒng)正常工作需要空間部分（衛(wèi)星）、地面控制部分（主控站、監(jiān)測站、地面控制站）和用戶設備部分（GPS信號接收機）。定位的基本原理是測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)按照定位解算方法進行定位計算，計算出用戶所在的地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時間等信息。</p><p>　　2. 短距離定位技術</p><p>　　短距離定位是

38、相對于全球定位而言的，其工作原理和GPS定位原理都是基于電磁波定位技術。短距離定位技術的應用范圍一般為幾十公里，其定位系統(tǒng)主要由分布在定位區(qū)域邊緣的基站和定位區(qū)域中的移動接收站組成。移動站通過測量到基站的距離，然后根據(jù)基站的位置信息按照定位解算方法進行計算，即可計算出移動站在定位區(qū)域中的位置。</p><p>　　2.2 井下人員定位系統(tǒng)的基本原理</p><p>　　由上述可知，GPS定

39、位系統(tǒng)技術成熟、應用廣泛，但對于井下定位系統(tǒng)的實現(xiàn)有一定難度。首先由于現(xiàn)有的移動通信網(wǎng)的無線信號不能穿透到礦井井下，因此不能直接實現(xiàn)井下與井上的無線通信，為了通信還要建立井下移動通信網(wǎng)絡；另外使用GPS定位系統(tǒng)的成本較高，對于我國這樣一個煤礦眾多，井下工作人員眾多的國家不太實用。</p><p>　　實際上井下人員定位系統(tǒng)正是基于短距離無線定位技術，但由于煤礦井下環(huán)境與地面差別較大，信號在傳輸路徑衰減嚴重，干擾較

40、多，且不易穿透巷道，無線傳輸只能局限在巷道中。目前，井下人員定位系統(tǒng)一般采用在井下巷道中建立多處無線通信基站，由井下的工作人員攜帶無線收發(fā)裝置，以此實現(xiàn)井下的無線通信。實際上井下人員定位系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)正是井下的無線通信問題，一旦建立起無線通信系統(tǒng)，即可實現(xiàn)許多附加的功能，其中包括定位功能。</p><p>　　圖2-1為井下人員定位系統(tǒng)的原理圖。圖中BS為無線通信基站，基站沿煤礦井下巷道分布，覆蓋井下工作人員的活

41、動范圍；MS是移動站，即井下工作人員隨身攜帶的無線收發(fā)裝置，能向基站發(fā)送自身ID以識別工作人員；現(xiàn)場總線部分負責把所有的基站連接起來和地面進行通信，及時將井下的無線定位數(shù)據(jù)傳送到地面進行處理和顯示；地面的處理顯示中心將接收的定位數(shù)據(jù)與基站的實際物理位置進行比對，判斷出對應數(shù)據(jù)的位置，再通過查詢?nèi)藛TID號得到人員的位置數(shù)據(jù)。為了直觀顯示結果可以采用GIS以電子地圖的形式對人員的位置進行顯示；遠程監(jiān)控部分方便各個管理層及時了解礦井的工作情況

42、，實現(xiàn)多級監(jiān)管。</p><p>　　圖2-1 井下人員定位系統(tǒng)的原理框圖</p><p>　　圖2-2 井下人員定位系統(tǒng)工作示意圖</p><p>　　圖2-2為系統(tǒng)的工作示意圖，井下不同的巷道中分別安裝有一些BS（基站），BS安裝的物理位置是確定的，這樣井下位置就可以反映到電子地圖上。Tag（電子標簽）由工人攜帶，工人在巷道中工作時，其攜帶的Tag會被某個BS所

43、識別到，由于Tag與實際的工人人員是一一對應的，因此BS就能識別出工作人員。當BS的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婧?，參照BS的物理位置和Tag的人員對應列表就可以獲得工作人員的定位信息，同時可以將監(jiān)控數(shù)據(jù)實時進行顯示。</p><p><b>　　3 系統(tǒng)的功能劃分</b></p><p>　　由系統(tǒng)的工作原理可以得出系統(tǒng)主要有幾部分功能模塊組成，為了便于對系統(tǒng)進行設計，根據(jù)系統(tǒng)各

44、部分的工作特點，將井下人員定位系統(tǒng)分為三個子系統(tǒng)：井下無線監(jiān)測子系統(tǒng)、地面數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)和礦井上下的通信子系統(tǒng)。在具體設計各個子系統(tǒng)時可以再將其進行功能劃分，以方便模塊化設計。</p><p>　　3.1 井下無線監(jiān)測子系統(tǒng)</p><p>　　井下無線監(jiān)測子系統(tǒng)主要由無線監(jiān)測基站和移動站兩部分組成。移動站中存儲有包含工作人員個人信息的數(shù)據(jù)，基站（BS）通過與移動站（MS）通信讀取存儲在移

45、動站中的人員信息。然后基站將這些信息傳送到井上的數(shù)據(jù)處理中心，井上的數(shù)據(jù)處理中心根據(jù)井下基站的位置信息，對基站傳送回來的數(shù)據(jù)進行分析處理，然后得出人員的位置信息。</p><p>　　1. 基站（BS）的功能：</p><p>　　a 完成基站（BS）與移動站（MS）的無線通信，要求基站具有無線收發(fā)功能。</p><p>　　b 完成基站（BS）與地面數(shù)據(jù)處理中心的

46、通信，要求基站具有串行通信功能。</p><p>　　c 完成對移動站的通信控制，要求基站具有一定的數(shù)據(jù)處理能力和數(shù)據(jù)存儲功能。</p><p>　　2. 移動站（MS）的功能：</p><p>　　a 完成移動站（MS）與基站（BS）的無線通信，要求移動站具有無線收發(fā)功能。</p><p>　　b 完成基站（BS）指令的數(shù)據(jù)操作，要求基站具

47、有一定的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲功能。</p><p>　　3.2 地面數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)</p><p>　　地面數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)完成對井下采集信息的分析與處理。地面數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)包括：數(shù)據(jù)接收部分，數(shù)據(jù)傳輸部分，數(shù)據(jù)分析計算部分，數(shù)據(jù)存儲部分，數(shù)據(jù)顯示部分。</p><p><b>　　1. 數(shù)據(jù)接收部分</b></p><p>

48、;　　數(shù)據(jù)接收部分完成地面數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)與井下監(jiān)測子系統(tǒng)通信的接口，主要是將井下傳送來的串行數(shù)據(jù)暫存入計算機，完成數(shù)據(jù)校驗等預處理，同時還能接受上層的管理命令，對井下監(jiān)測子系統(tǒng)進行控制。</p><p><b>　　2. 數(shù)據(jù)傳輸部分</b></p><p>　　為了方便對數(shù)據(jù)進行處理，并為監(jiān)管部門提供監(jiān)測數(shù)據(jù)需要對監(jiān)測數(shù)據(jù)共享。數(shù)據(jù)傳輸部分主要負責數(shù)據(jù)在各個部門之間

49、的共享傳輸，并控制數(shù)據(jù)的實時更新與同步。</p><p>　　3. 數(shù)據(jù)分析計算部分</p><p>　　考慮到井下無線監(jiān)測部分的數(shù)量很多，若使用數(shù)據(jù)處理功能較強的裝置則系統(tǒng)成本必然很高，因此采用井下無線監(jiān)測加地面數(shù)據(jù)處理的模式。井下部分只完成數(shù)據(jù)的采集任務，減輕井下的數(shù)據(jù)處理負擔。數(shù)據(jù)傳送到地面后，由地面上計算功能強大的計算機完成數(shù)據(jù)的計算分析與處理。地面數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)事先把基站的位置信

50、息存入計算，當接收到井下的監(jiān)測數(shù)據(jù)后，計算機根據(jù)已存入基站的位置信息計算人員的位置，并可對人員進行位置跟蹤，工作時間統(tǒng)計等。數(shù)據(jù)的分析具體包括：位置信息計算，人數(shù)統(tǒng)計，時間計算，軌跡計算等。</p><p><b>　　4. 數(shù)據(jù)存儲部分</b></p><p>　　井下人員定位系統(tǒng)一方面要實時反映井下人員的位置信息，另一方面還要對人員的出勤情況，工作內(nèi)容等進行記錄和

51、統(tǒng)計，以方便對人員的管理。同時數(shù)據(jù)存儲部分還要為顯示部分提供數(shù)據(jù)源，方便通過直觀的顯示畫面查看相關信息。</p><p><b>　　5. 數(shù)據(jù)顯示部分</b></p><p>　　數(shù)據(jù)顯示部分完成人機接口，方便人員查看信息。數(shù)據(jù)顯示部分要能夠?qū)崟r顯示井下人員的位置狀況，能夠提供歷史信息的查詢服務，能夠接收命令的輸入與執(zhí)行以完成對系統(tǒng)的管理。</p>&

52、lt;p>　　3.3 井下與地面通信子系統(tǒng)</p><p>　　該通信子系統(tǒng)負責完成井下與地面的數(shù)據(jù)傳輸，主要有三個功能模塊：基站接口、傳輸線路和地面端接口。通信可以用RS-485或現(xiàn)場總線等工業(yè)控制中的遠程傳輸技術來實現(xiàn)。對該子系統(tǒng)的要求是：系統(tǒng)的容量大、傳輸可靠、協(xié)議簡單、安裝與維護成本低。</p><p><b>　　1. 基站接口</b></p&g

53、t;<p>　　接口主要完成基站數(shù)據(jù)到傳輸線路的通信，由于基站主控芯片功能有限，若沒有集成接口則需要設計接口電路。</p><p><b>　　2. 傳輸線路</b></p><p>　　根據(jù)選定的通信方案來確定傳輸線纜的類型，如果有可能的話可以和井下其它監(jiān)測系統(tǒng)共用傳輸線路，節(jié)省成本。</p><p><b>　　3.

54、 地面端接口</b></p><p>　　與計算機的通信可以采用標準串口（RS-232），但傳輸線路卻不能使用RS-232這種計算機的標準接口，因為這種通信的距離太短（小于等于15m）。因此與基站部分相同，可以設計接口將傳輸線路轉(zhuǎn)換為RS-232與PC機進行通信。</p><p>　　4 井下無線通信子系統(tǒng)設計</p><p>　　4.1 通信的基本知識

55、</p><p>　　本報告中涉及較多的通信內(nèi)容，下面簡單介紹下通信中要考慮的幾個問題。</p><p>　　4.1.1 信號的轉(zhuǎn)換與編碼</p><p>　　通常信號有模擬信號和數(shù)字信號之分，模擬信號是在幅值和時間上都連續(xù)的信號，數(shù)字信號則是在幅值和時間上都離散的信號。模擬信號和數(shù)字信號都可以用于數(shù)據(jù)通信，但由于二者之間有明顯的差異，其用途也不相同。比如電話網(wǎng)絡傳

56、送的是模擬信號，而計算機總線上傳送的是數(shù)字信號。一般不同的傳輸線路只能傳輸特定的信號，模擬和數(shù)字信號不能同時傳輸。當需要是就要對信號進行變換。比如計算機的數(shù)字信號要通過電話網(wǎng)絡傳輸，就要先將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，然后再進行傳輸。</p><p>　　在數(shù)字信號的傳送中，為了使二進制“1”和“0”的特性有利于傳輸，需要對信號進行編碼幾種比較常見的編碼方法有：不歸零編碼（Non Return to Zero，NRZ

57、）、偽三元碼（Pseudoternary）、曼徹斯特（Manchester）編碼、差分曼徹斯特編碼（Differential Manchester Encoding）等。</p><p>　　4.1.2 差錯控制</p><p>　　在數(shù)據(jù)的通信過程中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)母鱾€環(huán)節(jié)都可能產(chǎn)生差錯，為了保證通信的正常進行需要對差錯進行控制。所謂差錯控制是指對于數(shù)據(jù)傳輸設備、數(shù)據(jù)通信線路和通信控制器等產(chǎn)

58、生的差錯進行控制。實際系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸設備和通信控制器本身所產(chǎn)生的誤差很小，因此數(shù)據(jù)通信中的差錯主要來自于數(shù)據(jù)通信線路。</p><p>　　差錯控制方式基本上有兩類：一類是接收端檢測到接收的數(shù)據(jù)有錯時，接收端自動糾正錯誤；另一類是接收端檢測出錯誤后不自動糾錯，而是通過反饋信道發(fā)送一個表示錯誤的應答信號，要求重發(fā)，直到正確接收為止。目前通信系統(tǒng)中的差錯控制方式有：反饋糾錯、前向糾錯、混合糾錯。</p>

59、<p>　　為了控制差錯必須先檢測出錯誤，這就是差錯的檢測。常用的差錯檢測方法是對數(shù)據(jù)進行校驗。常用的校驗碼有：奇偶校驗碼、恒比碼、漢明碼、循環(huán)碼。其中循環(huán)碼是一種使用較多的冗余校驗技術。</p><p>　　4.1.3 多路復用</p><p>　　在通信過程中，傳輸媒體的帶寬往往超過傳輸單一信號的需要，為了提高傳輸媒介的利用率，降低成本，希望在一個信道上可以同時傳輸多路信號

60、，也即是多路復用問題。多路復用技術是指在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，允許兩個或兩個以上的數(shù)據(jù)源共享一個公共傳輸介質(zhì)，把多個信號組合起來再一條物理信道上進行傳輸。這樣就好像每個數(shù)據(jù)源都有自己的信道一樣，因此采用多路復用可以將若干個無關的信號合并為一個能在一條共享信道上傳輸?shù)膹秃闲盘枴?lt;/p><p>　　多路復用通?？梢苑譃椋侯l分復用（FDM）、時分復用（TDM）、波分復用（WDM）和碼分復用（CMD）等。另外碼分多址（Cod

61、e Division Multiple Access，CMDA）是移動通信中的一種信號處理方式，每個用戶在通信期間占用所有的頻率和所有時間，但不同的用戶具有不同的正交碼，可以區(qū)分不同用戶的信息，避免相互干擾。</p><p>　　4.1.4 傳輸模式</p><p>　　數(shù)據(jù)傳輸模式是指數(shù)據(jù)在信道上傳輸所采取的方式。在計算機內(nèi)部各部件之間，計算機與各種外設之間，計算機與計算機之間，都以通信

62、的方式傳遞數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)傳輸模式可以分為不同的類型，按數(shù)據(jù)代碼傳輸?shù)捻樞蚩梢苑譃椴⑿袀鬏敽痛袀鬏?；按?shù)據(jù)傳輸?shù)耐椒绞娇梢苑譃橥絺鬏敽彤惒絺鬏?；按?shù)據(jù)傳輸?shù)牧飨蚝蜁r間的關系可以分為單工、半雙工和全雙工；按傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號特點可分為基帶傳輸、頻帶傳輸和數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸。</p><p>　　4.1.5 傳輸協(xié)議</p><p>　　在通信過程中，為了控制通信的雙方進行信息的發(fā)送和接收，需要有一

63、個通信雙方都要遵守的“規(guī)則庫”，或者說通信的雙方需要使用一種共同的“語言”來進行信息的交流。這個“規(guī)則庫”或者說“語言”就是通信的傳輸協(xié)議。傳輸協(xié)議定義了什么是通信，如何進行通信以及何時進行通信等問題。</p><p>　　4.2 井下人員定位系統(tǒng)無線通信解決方案及對比</p><p>　　經(jīng)過前面的分析，不難發(fā)現(xiàn)問題的難點集中在井下的無線通信上。由于井下環(huán)境惡劣，噪聲、干擾嚴重，給無線通

64、信帶來的很大的不便。此外從安全角度來說也不允許無線設備的發(fā)射功率過大，另外還要按照礦用標準進行嚴格設計。從技術角度看，目前短距離無線通信的解決方案有多種，下面簡要介紹一下幾種不同的短距離無線通信方案。</p><p>　　4.2.1 藍牙(Bluetooth)</p><p>　　藍牙技術最初是由Ericsson、Nokia、IBM、Intel、Toshiba等公司聯(lián)合于1998年提出的，

65、主要面向短距離，低功率，低成本的應用環(huán)境，以解決手機、PDA、筆記本電腦等移動設備間的通信問題。藍牙技術是一種能夠?qū)崿F(xiàn)語音和數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)拈_放性方案，藍牙技術產(chǎn)品是采用低能耗無線電通信技術來實現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)和視頻傳輸?shù)?，其傳輸速率最高為每? Mb/s，以時分方式進行全雙工通信，傳輸距離在10 m以內(nèi)，增加天線后可達到100 m。藍牙產(chǎn)品采用的是跳頻技術，能夠抗信號衰落；采用快跳頻和短分組技術，能夠有效地減少同頻干擾，提高通信的安全性；采

66、用前向糾錯編碼技術，以便在遠距離通信時減少隨機噪聲的干擾；采用24GHz的ISM頻段，以省去申請專用許可證的麻煩；采用FM調(diào)制方式，使設備變得更為簡單可靠。總之，藍牙技術產(chǎn)品與因特網(wǎng)Internet之間的通信，使得家庭和辦公室的設備不需要電纜也能夠?qū)崿F(xiàn)互通互聯(lián)，大大提高辦公和通信效率。由于藍牙協(xié)議及相關堆棧都很復雜，對某些簡單應用就是多余的。另外藍牙的功耗也較大。</p><p>　　4.2.2 HomeRF&l

67、t;/p><p>　　HomeRF(家庭射頻)是ITU(國際電信聯(lián)盟)內(nèi)部的一個組，成立于1998年3月，主要為家庭網(wǎng)絡設計，其主要工作是開發(fā)低成本射頻語音、數(shù)據(jù)通信標準。HomeRF技術是DECT(Digital Enhanced Cordless Telephone：數(shù)字增強型無繩電話)和WLAN(Wireless Local Area Network：無線局域網(wǎng))技術相互融合發(fā)展的產(chǎn)物。HomeRF工作組開發(fā)了

68、共享無線應用協(xié)議SWAP(Shared Wireless AccessProtocol)，它融合了無線局域網(wǎng)IEEE80211采用的CSMA/CA(Carrier SenseMultiple Access with Collision Avoidance：載波偵聽多路訪問/沖突避免)方式和DECT使用的TDMA(Time-division Multiple Access：時分多路復用)方式，適合于話音和數(shù)據(jù)業(yè)務，并且特地為家庭小型網(wǎng)絡進

69、行了優(yōu)化。目前使用的家庭射頻芯片工作在2.4GHz頻段，采用數(shù)字跳頻擴頻技術，速率為50 W秒，共有75個帶寬為1MHz跳頻信道。調(diào)制方式為恒定包絡的FSK(Fr</p><p>　　4.2.3 ZigBee</p><p>　　ZigBee聯(lián)盟成立于2002年8月，由英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導體公司組成，如今已經(jīng)吸引了上百家芯片公司、無

70、線設備公司和開發(fā)商的加入。</p><p>　　ZigBee使用24GHz波段，采用跳頻技術，它具有下述特點：</p><p>　　傳輸速率低：10kbps-250kbps；</p><p>　　功耗低：兩節(jié)普通5號干電池可使用半年到兩年；</p><p>　　成本低：由于ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低、協(xié)議簡單，所以大大降低了成本；</p

71、><p>　　網(wǎng)絡容量大：每個ZigBee網(wǎng)絡最多可支持255個設備，也即每個ZigBee設備可與另外254臺設備相連接；</p><p>　　有效范圍小：有效覆蓋范圍為10m－75m；</p><p>　　工作頻段靈活：使用24GHz，868MHz(歐洲)及915MHZ(美國)免執(zhí)照頻段。</p><p>　　4.2.4 RFID（射頻識別）&

72、lt;/p><p>　　射頻識別技術(RFID，即Radio Frequency Identification)是從20世紀80年代起走向成熟的一項自動識別技術。它利用射頻方式進行非接觸雙向通信，實現(xiàn)人們對各類物體或設備(人員、物品)在不同狀態(tài)(移動或靜止)下的識別和數(shù)據(jù)交換。與同期或早期的接觸式識別技術不同的是RFID系統(tǒng)的射頻識別卡和讀卡器之間不用接觸就可完成識別。它具有以下特點：</p><

73、p>　　(1)操作方便，工作距離長，可以實現(xiàn)對移動目標的識別；</p><p>　　(2)無硬件接觸，避免了因機械接觸而產(chǎn)生的各種故障，使用壽命長；</p><p>　　(3)射頻識別卡無外露金屬觸點，整個卡片完全密封，具有良好的防水、防塵、防污損、防磁、防靜電性能，適合在惡劣環(huán)境條件下工作；</p><p>　　(4)對無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都經(jīng)過隨機序列的加密，并

74、有完善、保密的通信協(xié)議?？▋?nèi)序列號是唯一的，制造商在卡出廠前已將此序號固化，安全性高；</p><p>　　(5)卡內(nèi)具有防碰撞機制，可同時對多個移動目標進行識別；</p><p>　　(6)信號的穿透能力強(可穿透墻壁、路面、衣物、人等)，數(shù)據(jù)傳輸量小，抗干擾能力強，感應靈敏，易于維護和操作。</p><p>　　4.2.5 WIFI</p><

75、;p>　　WIFI全稱Wireless Fidelity，采用802.11a/b/g標準，它的最大優(yōu)點就是傳輸速度較高，可以達到54Mbps，另外它的有效距離也很長，同時也與已有的多種設備兼容。其優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下方面：</p><p>　　(1)無線電波的覆蓋范圍廣，基于藍牙技術的電波覆蓋范圍非常小，半徑大約只有50英尺左右(約合15m)，而WIFI的半徑則可達100m。</p><p

76、>　　(2) WIFI手機的無線通信質(zhì)量非常好，就是在嘈雜的環(huán)境下，也能有很好的過濾功能。</p><p>　　(3) WIFI技術傳輸速度非?？欤梢赃_到11Mbps，符合個人和社會信息化的需求。</p><p>　　(4) WIFI手機通過TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換，在網(wǎng)絡上的工作效率更高。</p><p>　　4.2.6 無線MESH網(wǎng)絡</p&

77、gt;<p>　　(無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡)也稱為“多跳(mult-hop)”網(wǎng)絡，它是一種與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡完全不同的新型無線網(wǎng)絡技術。在傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)(WLAN)中，每個客戶端均通過一條與AP相連的無線鏈路來訪問網(wǎng)絡，用戶如果要進行相互通信的話，必須首先訪問一個固定的接入點(AP)，這種網(wǎng)絡結構被稱為單跳網(wǎng)絡。而在無線MESH網(wǎng)絡中，任何無線設備節(jié)點都可以同時作為AP和路由器，網(wǎng)絡中的每個節(jié)點都可以發(fā)送和接收信號，每個節(jié)點都可以與

78、一個或者多個對等節(jié)點進行直接通信。這種結構的最大好處在于：</p><p>　　(1)無論固定組網(wǎng)還是移動組網(wǎng)，都能夠迅速按需形成任意拓撲；</p><p>　　(2)拓撲遭遇節(jié)點高速、高頻變換時，無線網(wǎng)狀網(wǎng)能夠自動調(diào)整拓撲并維持連接；</p><p>　　(3)能夠采用靈活的多跳傳輸，可隨需擴展，非常適合有線不方便或成本很高的場合；</p><

79、p>　　基于無線MESH網(wǎng)絡結構的以上優(yōu)點和煤礦井下環(huán)境惡劣、組網(wǎng)復雜等特殊條件，無線MESH網(wǎng)絡很適合在煤礦井下應用。</p><p>　　4.2.7 幾種無線通信方案的比較</p><p>　　表4-1 無線通信方案參數(shù)比較</p><p>　　Tab.4-1 Camparison of parameters of several communicatio

80、n program</p><p>　　4.3 無線通信方案的確定</p><p>　　經(jīng)過上述比較，得出以下結論：</p><p>　　1 藍牙技術功耗大，通信距離短，協(xié)議復雜，不適合井下通信。</p><p>　　2 HomeRF技術中等，但由于是針對家庭應用設計，因此有局限性。</p><p>　　3 WIFI技

81、術先進，通信距離遠，傳輸速率高，但用在定位系統(tǒng)上有點“大材小用”，且成本較高。</p><p>　　4 ZigBee技術也具有較多優(yōu)點，適合于組建無線通信網(wǎng)絡。但考慮到井下環(huán)境復雜，若采用無線組網(wǎng)的方式配置起來較為復雜，沒有采用有線通信方式可靠。因此也不予采用。</p><p>　　5 RFID技術各項指標較為中等，功耗較低，通信距離較遠，技術成熟，已在多種領域有成功的應用。采用RFID技

82、術對井下人員攜帶的射頻標簽進行識別，再通過有線方式將基站信息傳送到地面，即可完成井下人員定位的任務。由于系統(tǒng)的工作頻率與通信距離有較大關系，考慮到低頻和高頻信號的傳輸特點，采用RFID中的UHF頻段，這也是目前遠距離RFID系統(tǒng)的工作頻段，關于發(fā)射功率問題要參考有關的無線管制規(guī)定和礦井的安全操作規(guī)程。</p><p>　　4.4 無線通信子系統(tǒng)的硬件設計</p><p>　　無線通信子系統(tǒng)

83、由兩部分組成：基站（BS）和移動站（MS）。根據(jù)功能劃分部分所述，基站（BS）部分需具有無線收發(fā)功能、串行數(shù)據(jù)傳輸功能和數(shù)據(jù)存儲、處理功能。移動站（MS）部分需具有無線收發(fā)功能、數(shù)據(jù)存儲和處理功能。</p><p>　　4.4.1 基站硬件電路設計</p><p>　　考慮到基站的功能要求將基站的硬件電路分為五個功能模塊，如圖4-1所示，這五個模塊是：通信模塊、時鐘模塊、無線收發(fā)模塊、主控

84、單元和電源模塊。這些的模塊的功能如下：</p><p>　　通信模塊：負責基站（BS）與地面的通信，完成現(xiàn)場總線與主控單元的接口功能；</p><p>　　時鐘模塊：負責提供日期與時間數(shù)據(jù)，方便記錄井下的監(jiān)測數(shù)據(jù)，當基站向地面?zhèn)魉投ㄎ粩?shù)據(jù)時同時傳送定位時間信息；</p><p>　　無線收發(fā)模塊：完成基站與射頻卡的無線通信，包括無線通信協(xié)議和數(shù)據(jù)的防碰撞算法部分；&

85、lt;/p><p>　　主控單元：控制無線收發(fā)模塊、通信模塊和時鐘模塊的工作，進行相應的數(shù)據(jù)存儲和處理；</p><p>　　電源模塊：從井下的供電線路中獲取電源，并變換整定出穩(wěn)定可靠的直流電壓，為基站提供不同等級的電壓，滿足供電要求。</p><p>　　由于通信模塊與井下和地面所采取的通信方式有關，將其設計內(nèi)容放在第三個子系統(tǒng)的設計中來考慮。下面分別設計基站的其他四

86、個模塊，為了合理的選用器件，按照無線收發(fā)模塊、主控單元、時鐘模塊、電源模塊的順序依次進行設計。</p><p>　　圖4-1 基站原理框圖</p><p><b>　?。?）無線收發(fā)模塊</b></p><p>　　無線收發(fā)模塊的設計大體有兩種方案：一是利用分立器件搭建無線收發(fā)電路，另一種是直接選用具有無線收發(fā)功能的集成芯片。從設計的方便性和可

87、靠性來考慮，應選用集成度較高的單片射頻收發(fā)芯片。這是因為一方面可以避免用分立元件搭建無線收發(fā)電路，提高系統(tǒng)工作的可靠性；另一方面由于單片射頻收發(fā)芯片可以獨立完成無線收發(fā)任務，也可以減輕傳輸控制電路的負擔。</p><p>　　目前有多種功能不同的單片射頻收發(fā)芯片，下面介紹其中典型的幾種。</p><p><b>　　1） XE1202</b></p>&

88、lt;p>　　XE1202是將無線發(fā)射與接收功能集成在單一芯片上的射頻收發(fā)芯片，芯片內(nèi)集成了射頻發(fā)射、射頻接收、PLL合成、FSK調(diào)制等電路，具有高速率、超低功耗等功能?？梢怨ぷ髟?33MHz、870MHz和915MHz ISM頻段，其數(shù)據(jù)傳輸速率可以達到76.8kbps。XE1202采用連續(xù)相位的兩級頻移鍵控（CPFSK）方式。XE1202的接收部分集成有低噪聲放大器（LNA）和下變頻器，采用直接變頻方式，具有濾波通道和接受用的

89、解調(diào)器，微控制器接口可以直接對數(shù)據(jù)進行處理，并可以產(chǎn)生同步數(shù)據(jù)時鐘（CLKD）。XE1202的發(fā)射部分可以提供一個完整的通道，完成從數(shù)據(jù)到天線的傳送，該部分帶有一個可以對頻偏進行編程的直接上變頻器，并可以對RF輸出功率進行控制。芯片具有3線總線接口，可以通過3線總線以及外部引腳來設置傳輸狀態(tài)，僅需要極少的外部元件（天線匹配網(wǎng)絡、振蕩電路、SAW振蕩器）即可完成接收和發(fā)射的雙重功能。發(fā)射功率也可以通過總線來控制。</p>&

90、lt;p>　　2） nRF2401</p><p>　　nRF2401是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4～2.5GHz ISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率發(fā)射時，工作電流只有10.5mA，接收時工作電流只有18mA，多種低功率工作模式，節(jié)能設計更方便。其DuoCeiverTM技術使nRF2401可以

91、使用同一天線，同時接收兩個不同頻道的數(shù)據(jù)。nRF2401適用于多種無線通信的場合，如無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、無線鼠標、遙控開鎖、遙控玩具等。nRF2401有工作模式有四種：收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關機模式。nRF2401的工作模式由PWR_UP 、CE、TX_EN和CS三個引腳決定。nRF2401的收發(fā)模式有ShockBurstTM收發(fā)模式和直接收發(fā)模式兩種，收發(fā)模式由器件配置字決定。nRF2401的所有配置工作都是通過CS、CLK1和

92、DATA三個引腳完成，把其配置為ShockBurstTM收發(fā)模式需要15字節(jié)的配置字，而如把其配置為直接收發(fā)模式只需要2字節(jié)的配置字。由上文對nRF2401工作模式的介紹，我們可以知道，nRF2401一般工</p><p><b>　　3）nRF9E5</b></p><p>　　nRF9E5是真正的系統(tǒng)級無線射頻收發(fā)芯片，內(nèi)嵌高性能8051MCU，4通道12位ADC

93、。內(nèi)置nRF905收發(fā)器，包括所有nRF905芯片的特性，可以工作在Shockburst模式下（自動處理前綴，地址和CRC），最大程度抑制了噪聲，工作電壓范圍為1.9V-3.6V。芯片的最大輸出功率為+10dBm。只需極少的外圍元件就能組建一個完整的射頻收發(fā)電路。芯片還具有載波檢測功能，能有效的減少數(shù)據(jù)的碰撞。應用領域：無線數(shù)據(jù)通訊、報警和安全系統(tǒng)、自動測試系統(tǒng)、家庭自動化控制、遙控裝置、監(jiān)測、車輛安全系統(tǒng)、工業(yè)控制、無線通信、電信終端

94、等。</p><p><b>　　4）CC1010</b></p><p>　　CC1010是基于Chipcon's Smart RF 技術的單片可編程UHF收發(fā)器芯片，電路工作在315/433/868/915MHz ISM頻段（300MHz-1000MHz）。在典型的應用中，僅需少數(shù)的幾個外接元件。靈敏度為-109dBm，可編程輸出功率為-20dBm~10d

95、Bm，F(xiàn)SK調(diào)制，數(shù)據(jù)傳輸速率可達76.9kbps，2.7~3.6V低電源工作。芯片內(nèi)嵌與8051兼容的微控制器（MCU）、32KB Flash、2048+128 Bytes SRAM、3通道10bitADC、4個定時器、2個脈沖寬度調(diào)制（PWM）輸出、2個通用異步串行收發(fā)（UART）接口、實時時鐘（RTC）、看門狗（WatchDog）、串行外設接口（SPI）、DES編碼，26個通用I/O口。適合與計算機遙測遙控、安放、家庭自動化、汽車

96、儀表數(shù)據(jù)讀取等無線數(shù)據(jù)發(fā)射/接收系統(tǒng)中使用。</p><p>　　上面介紹的幾種射頻收發(fā)芯片都能通過簡單的外圍電路來完成無線收發(fā)功能。其中前兩種射頻收發(fā)芯片內(nèi)部沒有集成微控制器（MCU），需要增加微控制器（MCU）來對數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收進行控制，而且內(nèi)部硬件資源較少，但價格相對較低，適用于簡單、低成本的無線通信電路；后面兩種內(nèi)部集成有與8051兼容的微控制器（MCU），并具有多種硬件資源，功能強大，但同時價格也高。

97、</p><p>　　由于井下環(huán)境惡劣，通信條件較差，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃孕枰褂每煽康耐ㄐ艆f(xié)議和數(shù)據(jù)差錯控制算法，另外還要考慮到RFID通信過程中的數(shù)據(jù)防碰撞問題，而這些都需要微處理器（MCU）來完成。如果選用內(nèi)部沒有集成MCU的射頻芯片，那么這些工作都要由基站的主控MCU來完成，這會增加主控MCU的負擔，由于主控MCU還要完成其他的控制任務，為了保證系統(tǒng)的可靠工作還需要增加一片MCU專門來完成無線收發(fā)的控

98、制任務，這樣就增加了系統(tǒng)的復雜性，同時也增加了系統(tǒng)成本。因此考慮采用內(nèi)部集成有MCU的射頻芯片。</p><p>　　nRF9E5和CC1010都是內(nèi)部集成有兼容8051MCU的單片射頻收發(fā)芯片，都具有豐富的硬件資源，可以完成復雜的通信任務?？紤]到CC1010雖然硬件資源較為豐富，但價格較高，因此采用nRF9E5。下面具體介紹一下這款芯片。</p><p>　　nRF9E5是挪威Nordi

99、c VLSI公司于2004年2月推出的系統(tǒng)級RF芯片。該芯片采用+3VDC供電，面積為5mm×5mm，共有32個外部引腳。nRF9E5嵌入了nRF905 433/868/915MHz無線收發(fā)芯片、集成增強型MCS 8051微控制器和4個通道的10位A/D轉(zhuǎn)換器，采樣速率為80kbps，內(nèi)含1.22V電壓基準、電源管理、PWM輸出、UART異步串口、SPI通訊接口、邏輯接口電路、看門狗電路、多通道可編程喚醒，以及CRC檢驗和多點

100、通信控制，高頻電感和濾波器等已經(jīng)全部內(nèi)置，芯片的一致性能好、穩(wěn)定且不易受干擾。采用GFSK調(diào)制，抗擾能力強，支持多點通訊，數(shù)據(jù)傳輸速率高達0.1Mbps。具有特有的ShockBurst信號發(fā)射模式和發(fā)射信號載波監(jiān)測功能，可有效降低功耗電流、避免數(shù)據(jù)沖突。nRF9E5沒有復雜的通訊協(xié)議，完全對用戶透明，同種產(chǎn)品之間可以自由通訊，內(nèi)置的CRC糾錯硬件電路和協(xié)議免去了軟件開發(fā)人員的軟件糾錯編程和微控制器的糾錯運算，降低了無線應用的開發(fā)難度。外

101、圍電路連接極為簡單，只需要一個晶體管和一個電阻，nRF9E5輸出端ANT1、ANT2外接50單天線終端</p><p>　　nRF9E5的外部電路非常簡潔，除了天線輸入輸出匹配濾波網(wǎng)絡、電壓偏置控制電阻和時鐘振蕩晶振外，基本不需要其它元件。但由于nRF9E5中沒有提供程序存儲空間Flash，所以每次上電復位后它都需要通過其SPI接口從外部程序存儲空間中導入4K的程序存放在內(nèi)部4K的RAM中，為了適應nRF9E5這

102、一特點，我們選用Microchip公司帶SPI接口的串行EEPROM 25AA320芯片作為射頻卡的程序存儲器，該芯片支持低電壓工作，最低工作電壓為l.8V，且該芯片的存儲空間為4K。</p><p>　　表4-2和表4-3分別是nRF9E5的特性和參考數(shù)據(jù)。</p><p>　　表4-2 nRF9E5的特性</p><p>　　Tab.4-2 Features o

103、f nRF9E5 </p><p>　　對于nRF9E5而言，其最大的優(yōu)點是具有載波檢測功能。在ShockBurst接收方式下，當出現(xiàn)nRF9E5工作信道內(nèi)的射頻載波時，載波檢測引腳(CD)被置高，這個特性很好的避免了同一工作頻率下不同發(fā)射器數(shù)據(jù)包之間的碰撞，有效的防止了信號的干擾。當收發(fā)器準備發(fā)射數(shù)據(jù)時，它首先進入接收方式并探測所工作的信道是否空閑。載波檢測的標準一般比靈敏度低5dB，比如，靈敏度為-100

104、dBm，載波檢測功能探測低至-105dBm的載波。也就是說，載波低于-105dBm，載波檢測信號為低(一般為0)，高于-95dBm，則載波檢測信號為高(一般為VDD)，介于-105~95dBm之間，載波檢測信號可能為低也可能為高。</p><p>　　nRF9E5的內(nèi)部主要由微控制器（MCU）模塊和射頻模塊（nRF905）組成，圖4-1為nRF9E5的結構框圖。下面簡單介紹一下這兩個模塊。</p>

105、<p>　　nRF9E5內(nèi)嵌的微控制器兼容工業(yè)標準8051，典型的指令周期為4~20個時鐘周期，與標準8051的12~48個時鐘周期相比，運算速度要快的多。另外微控制器模塊還比標準8051多了5個特殊的中斷源：ADC，SPI，2個射頻相關中斷，一個喚醒功能。模塊具有3個與8052兼容的定時器，在采用串口通信（UART）時波特率可以用定時器1也可以用定時器2生成。同時微控制器的時鐘由外部晶振得到，時鐘頻率控制靈活。</p&

106、gt;<p>　　表4-3 nRF9E5的參考數(shù)據(jù)</p><p>　　nRF9E5內(nèi)嵌處理器的存儲單元比較特殊，它是由一塊與80C52兼容的256個字節(jié)RAM和512個字節(jié)ROM及一個4K的RAM組成。512個字節(jié)的ROM中包含一個初始裝載程序，當系統(tǒng)上電或程序復位時，這個初始裝載程序?qū)⒁龑到y(tǒng)通過SPI接口將用戶編寫的放在一塊外部串行EERPMO程序存儲器中的程序調(diào)入內(nèi)部4K的RMA中，然后系統(tǒng)