長(zhǎng)距離通信器S1513的礦用安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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關(guān)鍵詞 安全監(jiān)測(cè) 長(zhǎng)距離通信器 射頻識(shí)別
近年來，礦井危險(xiǎn)性事故不斷發(fā)生，造成了很大的人員傷亡和財(cái)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(shí)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(diǎn)也是非常重要的。本設(shè)計(jì)對(duì)礦用人員進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦用人員在井下的位置和時(shí)間信息，把信息存人到數(shù)據(jù)庫(kù)，這樣當(dāng)遇到井難的時(shí)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(jì)思路
井下工作人員隨身佩戴電子標(biāo)簽，憑電子標(biāo)簽進(jìn)入地下，并通過閱讀器讀取標(biāo)簽中的出廠卡號(hào)(本系統(tǒng)使用只讀電子標(biāo)簽，每個(gè)標(biāo)簽的出廠卡號(hào)唯一)，卡號(hào)對(duì)應(yīng)每個(gè)人的個(gè)人信息，把時(shí)間、位置和個(gè)人情況寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，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(shí)別系統(tǒng)以CONFIDENT自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對(duì)礦用人員的位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)。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(jī)是井上調(diào)度室的計(jì)算機(jī)。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(zhǎng)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(shí)別標(biāo)簽。其主要特點(diǎn)是：超長(zhǎng)的閱讀距離，可達(dá)15 m；內(nèi)置處理器和數(shù)據(jù)庫(kù)；TagMaster Pyramid軟件和實(shí)時(shí)時(shí)鐘可用于單機(jī)工作；體積小、重量輕，便于安裝；26個(gè)頻道可供用戶選擇，以免多個(gè)閱讀器安裝在一起時(shí)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(shí)別；高速閱讀；用戶可編程，極具靈活性；內(nèi)置運(yùn)動(dòng)檢測(cè)；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(gè)卡芯在出廠時(shí)已帶有一個(gè)永久性的、獨(dú)一無二的8位數(shù)身份編碼。這個(gè)身份碼同32位校驗(yàn)和進(jìn)行比較，以此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)確認(rèn)。此項(xiàng)功能同具有隨機(jī)間隔的反射閱讀器信號(hào)相結(jié)合，就能在遠(yuǎn)距離同時(shí)閱讀多張標(biāo)簽卡時(shí)消除誤讀錯(cuò)誤。在本系統(tǒng)中，此8位身份編碼與上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中每個(gè)礦井工人的身份信息一一對(duì)應(yīng)。
S1255的主要特點(diǎn)是：長(zhǎng)距離供電；電池供電，總處于反射閱讀器信號(hào)的狀態(tài)，沒有“喚醒”時(shí)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(yàn)和，能夠可靠地同時(shí)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(shí)號(hào)，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(shí)別信息幀”。標(biāo)簽的識(shí)別信息幀根據(jù)格式化，由固定的間隔或隨機(jī)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(chǎng)內(nèi)的多張標(biāo)簽卡能在瞬時(shí)同時(shí)識(shí)別。在1個(gè)間隔長(zhǎng)度之間傳輸2個(gè)信息識(shí)別幀的最長(zhǎng)時(shí)間不超過150 ms，平均傳送時(shí)間只有80 ms，這就意味著，標(biāo)簽卡反射識(shí)別信號(hào)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(yùn)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(chǔ)到閱讀器。EEPROM存儲(chǔ)區(qū)。PC機(jī)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(jí)閱讀器的可能。
ConfiLib是一個(gè)包含有幾百個(gè)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(kù)。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(kù)。用于PC平臺(tái)的ConfiLib應(yīng)用程序接口以C／C++動(dòng)態(tài)連接庫(kù)(DLL)的形式提供。廠家同時(shí)也提供Vistlal Basic和Delphi接口。這些函數(shù)庫(kù)包含諸如閱讀／寫入／格式化標(biāo)簽，讀／寫／檢索數(shù)據(jù)庫(kù)，軟／硬件設(shè)置，讀／寫I／O接口，發(fā)送／接收ConfiTalk命令，定時(shí)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(duì)于閱讀器和基于Windows 95／98／ME和Windows NT／2000／XP環(huán)境下的PC機(jī)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(shí)預(yù)裝的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序，可單機(jī)運(yùn)行。由PC機(jī)下載而來的數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)，為授權(quán)的標(biāo)簽啟動(dòng)繼電器，并將記錄信息傳送到PC機(jī)。
(2)$1513的應(yīng)用編程
S1513程序庫(kù)的核心是事件器模塊，其絕大部分應(yīng)用是由事件驅(qū)動(dòng)的。事件是指正常程序運(yùn)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(kù)中有7個(gè)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(dá)檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)物體)、Par_In(并行輸入口輸入)、Timer(設(shè)置的計(jì)時(shí)器到達(dá)時(shí)間)、Tag(成功閱讀到一個(gè)標(biāo)簽)、Tamper_Switch(防護(hù)開關(guān)動(dòng)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(hù)開關(guān)動(dòng)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(shí)，系統(tǒng)及時(shí)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(gè)等待事件的死循環(huán)，當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，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(kù)函數(shù)開發(fā)的主機(jī)應(yīng)用程序；利用主機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)了主機(jī)與S1513的信息交換。
本系統(tǒng)利用CONFIDENT軟件庫(kù)提供的郵件交換系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信器S1513與主機(jī)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(gè)空閑的動(dòng)態(tài)緩存區(qū)。在初始化郵件系統(tǒng)時(shí)，函數(shù)占據(jù)編號(hào)最高的動(dòng)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(cè)范圍內(nèi)被檢測(cè)，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(jī)；主機(jī)處理接收到的郵件，將處理的結(jié)果儲(chǔ)存在主機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中，數(shù)據(jù)庫(kù)選用SQL Server2000，并在大屏幕中顯示。
在該系統(tǒng)中，利用C0NFIDENT軟件庫(kù)提供的郵件交換系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信器S1513與主機(jī)的通信。主要功能是主機(jī)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(duì)應(yīng)的礦井工人的個(gè)人基本信息、位置、時(shí)間放到主機(jī)SQL Server2000數(shù)據(jù)庫(kù)中。為了避免主機(jī)和通信器同時(shí)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(shí)，改變通信器的安靜模式。通信器在安靜模式時(shí)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(jī)，主機(jī)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(shí)讀取標(biāo)簽數(shù)據(jù)郵件。在程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)，利用定時(shí)器事件，主機(jī)應(yīng)用程序每隔30 s自動(dòng)輸入空格鍵來達(dá)到此目的。
3 對(duì)系統(tǒng)的必要說明
本系統(tǒng)重點(diǎn)是確保出現(xiàn)礦井事故時(shí)，能夠第一時(shí)間知道礦工較準(zhǔn)確的位置，所以可以在閱讀器電路擴(kuò)展USB接口，礦工可以通過插入即插即用設(shè)備，以便求救。
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