基于RFID/Wi-Fi技术的矿井机车监控与管理系统

现有的机车监控与管理系统仍存在着一些问题：有线通信使用电缆较多，系统安装、维护工作量大。工作人员需定点才能报告机车位置使地面调度人员不能实时准确判断机车位置；管理效率较低，不能对机车和工作人员的作业进行系统的管理。

提出基于RFID/Wi-Fi技术的矿井机车监控与管理系统。射频识别技术具有高通讯速率、较强的抗于扰能力、保密性强、远距离和高速移动物体识别等技术优势，使得它能够适应井下复杂、恶劣的作业环境。利用WIFI无线局域网进行数据传输，节省电缆，减少了线路安装和维护工作量。管理中心数据库对信息进行分析统计，实现机车和T作人员的作业管理，提高了井下机车运输管理效率。

1 煤矿机车管理系统原理

1.1 RFID技术

RFlD无线射频识别是一种非接触式的自动识别射频技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预。RND系统主要南阅读器、天线和标签组成。其中阅读器主要读取电子标签信息；天线负责在标签和阅读器间传递射频信号；标签是由耦合元件及芯片组成，每个RFID标签具有唯一的电子编码，附着在物体标识目标对象。RFID的主要特点有：

(1)RFID技术实现了对标签的快速扫描和元屏障阅读。它的读写范围以达到360°，读写距离可以达到几十米，可识别高速运动物体电子标签，并且在中间隔有物体的情况下也能对其进行渎取。

(2)RFID标签承载的是电子式信息，不仅提高了标签的抗污染和抗破坏的能力，还大大增加r数据的记忆容量，并且可写入式芯片可多次写入数据，可根据需要改变电子芯片中的信息。

针对矿井运输井下环境恶劣、障碍多的特点，矿井机车监控与管理系统运用RND的远距离射频识别技术，准确实时记录机车和运输工作人员T作信息，返回到地面管理中心，使调度人员能了解井下机车运输的动态。

1.2 Wi-Fi技术

wi-Fi(Wireless viaii忉又称为802.1ib标准，使用2.4GHz直接序列扩频，最大传输速率为54bit/s，并可根据信号强弱把传输速率调整为5.5bit/s、2bit/s及lbit/s。在2.4GHz及5GHz频段上免许可。其主要特性为：速度快，可靠性高，在开放性区域，通讯距离可达305m，方便与现有的有线以太网络整合，组嘲的成本更低。组网系统主要包括无线站点、AP节点及网络服务器，站点和节点问可以实现级联连接或组建局域网，站点可以实现Hub的所有功能。

在矿井机车监控与管理系统中，以WIFI无线网络和TCP/IP协议为基本架构，以矿井工业以太环网为整个系统的传输平台，形成有线主干与尢线终端相结合的方式，覆盖矿井轨道区域。利用WIFI网络技术所具有的传输速率高、接入时间短、无线传输等技术优点，能够为车辆RFID数据提供实时传输，快速建立连接，无建链时延。

2 系统原理

2.1 系统实现

系统由车载/RFID标签、阅读器、WIFI网络模块、工业以太网和管理数据库系统组成，如图1所示。

图1 矿井机车监控与管理系统原理图

在井下车场、各分支鉴道入口和煤仓以及重要轨道区段处根据现场具体需要设置一定数量的阅读器。每辆机车上装有一个车载RFID标签，当标签进入RFID读写天线的范围后，标签接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中存储的信息。RFID读写器读取信息后，通过RS485接口将数据传至WIFI无线数据传输终端，数据通过无线局域网传至工业以太网，经主干网传到管理中心服务器。这样中心站主机的数据库通过分析采集的数据就可判断出矿井机车和作业人员具体信息(如：是谁，住哪个位置，具体时间)，同时可把它显示在管理中心的大屏幕或电脑显示屏上，并做好备份。管理者可以根据大屏幕上或电脑上的分布示意周查看某一区域，计算机会把这一区域的人员情况统计并显示出来。管理中心数据库管理系统自动牛成机车的运输和工作人员的作业统计表，实现对机车和人员的作业管理。

2.2 系统设计

2.2.1 硬件设计

硬件包括信息储存、采集和传输设备，是实现井下的实时动态信息传输到管理中心对机车进行监控与管理的基础。

(1)电子芯片。电子芯片中储存机车的基本信息，包括机车类型、编号、维修记录，还有与之对应机车丁作人员的姓名、年龄、性别、所属班组、职务、有效期等。将RFID电子标签安装在各台机车上。由于电子芯片中信息须随机车和工作人员属性的变化而改变，设计时采用可写入式芯片，便于芯片中数据的改变。

(2)阅读器。井下车场、各分支巷道入口以及重要路段处安装RFID阅读器，同时在采区煤仓装有l台阅读器。对每个阅读器设置不同的ID编号，在系统数据库中建立一个ID编号与阅读器匹配的数据库。安装完成后，需要根据矿区现场调试各个阅读器的读取距离。阅读器的读取范同以10m为准。距离过长不仅需要增加阅读器的功率，也可能造成多个阅读器同时读取一个电子芯片的情况，使定位失准。

(3)通信模块。每台阅读器配有一个WIFI无线数据传输终端。将每一个阅读器获取的工作人员信息和机车信息通过无线传输至井下以太环网。

无线传输网络为IEEE802.1lg标准，在物理层采用2.4GHz的无线频率。在数据链路层的MAC子层，使用"载波侦听多点接人/冲突避免(CSMA/CA)"媒体访问控制(MAC)协议。与有线连接部分采用了IEEE802.3标准，因为节点是尤线和有线兼顾，所以需要支持802.3。802.3描述r物理层和数据链路层的MAC子层的实现方法，在多种物理媒体卜以多种速率采用CSMA/CD访问方式，对于高速以太网该标准说明的实现方法有所扩展。

2.2.2 软件设计

从矿井采集的机车信息，通过计算机软件计算，实现了对机车的定位功能、机车作业管理功能和工作人员管理功能。

(1)机车定位。阅读器采集某一时刻通过该处机车电子标签的信息并一起返回ID编号，服务器查找出与ID编号相匹配的数据库，确定阅读器所属区段，判断出机车所在具体位置。同时在数据库中，建市定位读头表，记录读头的ID号；建立巷道节点表；记录节点的坐标值；建市路由表。记录一个读头到与其相邻的读头所经过的节点ID和节点的坐标值，系统根据这些数据描绘井下工作车辆的行动轨迹。

(2)机车作业管理。服务器通过分析机车进出采区煤仓的时间，统计每一台机车某一班次运载次数，也可以按不同时段进行次数统计，并够根据统计情况生成班报表、月报表和季报表。根据机车的维修记录和检修年限，判断机车是否需要检修。

(3)工作人员作业管理。该部分工作由数据库管理系统自动完成对工作人员的作业管理，主要包括：登记各工作人员出入工作面、工作时间信息，各丁作人员所属班组，工作时使用的机车，并自动生成考勤作业统计与报表。

3 数据库管理系统

矿井机车监控与管理数据库，以Micmmft Visual studio2005为开发平台，采用Microsoft SQL Server2000作为数据库管理系统，采用基于Net Framework的组件技术，提高开发效率，使得系统易于维护和扩充。在系统功能分析的基础上，设定系统的功能模块。矿井机车监控与管理系统数据库设计为3层分布式结构。根据矿区机车管理的需要，数据管理系统设计了7个方面的功能，使管理人员能监控对井下机车运行，作出决策，同时生成相关作业统计表。

数据库的功能如下：

(1)显示机车上下井、出入采区煤仓时间。

(2)查询一台或多台机车实时的井下实际位置。

(3)记录机车在任一地点的到/离时间和总滞留时间等一系列信息，并对超时滞留机车进行报警。

(4)查询井下轨道占用情况，警示可能发生冲突的轨道区域。

(5)生成机车运载次数的统计表。

(6)建屯机车使用、维修数据库。

(7)生成工作人员出勤和作业量统计表。

4 结语

通过该系统能够清楚了解全矿每台机车运动轨迹，同时能对机车运载次数和工作人员作业进行统计。利用WIN无线局域网进行数据传输，节省电缆，减少了线路维护工作量。从经济效益来看，基于RFID/Wi-Fi技术的矿井机车监控与管理系统降低了建设、维护和管理成本，提高了井下运输管理效率。从社会效益看，该系统能实时反映机车的井下位置，便于调度人员的监督和控制，提高r井下运输的安全性。

作者：宋奇文 张令刚 张崇欣 中国矿业大学矿业工程学院 来源：《煤矿现代化》2010年04期