基于CAN總線和RFID的礦井定位系統(tǒng)設(shè)計

引言

　　近年來，礦井安全事故頻發(fā)。在分析近期幾個煤礦特大事故時發(fā)現(xiàn)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(fā)生后，搶險救災(zāi)安全救護的效率低，搜救效果差。為了在礦難發(fā)生后能夠迅速確認礦難位置和被困員工人數(shù)，以最快的速度開展?fàn)I救工作，保障礦工的生命安全，在礦井中布置基于高新技術(shù)的安全監(jiān)控管理系統(tǒng)勢在必行。

　　本文設(shè)計了1個基于CAN總線網(wǎng)絡(luò)和射頻識別技術(shù)的礦井定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實時地將礦井下人員及礦車的當(dāng)前位置通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)傳送到位于地面的上位機，不僅可以掌握井下作業(yè)情況，而且一旦發(fā)生安全事故，可以立刻確定被困人員所處的位置及人數(shù)，以便迅速展開救援工作。

1、RFID技術(shù)和CAN總線簡介

　　射頻識別（RFID，RadioFrequencyIdentification）技術(shù)是利用無線電波進行通信的一種非接觸式自動識別技術(shù)。射頻識別系統(tǒng)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(jù)射頻識別系統(tǒng)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(tǒng)，不同的工作頻段影響系統(tǒng)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(fā)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?；谠诘V井下使用的特殊環(huán)境，將Tag嵌人到礦工的安全帽或皮帶中，因此本系統(tǒng)使用無源Tag，增加其使用壽命。低頻和中頻系統(tǒng)對Tag的讀寫距離只有10cm左右，射頻系統(tǒng)的讀寫距離可達7m左右，微波系統(tǒng)（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(tǒng)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(nèi)部測量與控制中心之間的數(shù)據(jù)通信。由于其良好的性能，廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域當(dāng)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(yè)級現(xiàn)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(jié)點，并可方便的擴充節(jié)點數(shù);報文為短幀結(jié)構(gòu)并有硬件CRC校驗，受干擾概率小，數(shù)據(jù)出錯率極低;出錯的CAN節(jié)點會自動關(guān)閉并切斷和總線的聯(lián)系，不影響總線的通訊;非破壞性總線仲裁技術(shù)，可多節(jié)點同時向總線發(fā)數(shù)據(jù)，總線利用率高;總線上各節(jié)點的地位平等，不分主從，突發(fā)數(shù)據(jù)可實時傳輸;具有硬件地址濾波功能，可簡化軟件的協(xié)議編制;CAN—bus總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，性價比極高。當(dāng)?shù)V井通訊網(wǎng)絡(luò)需求達到更遠的通訊距離（大于10km），或者終端數(shù)目較多（大于110個）時，安裝CANbridge網(wǎng)橋可以成倍地延長通訊距離，也可以成倍地增加CAN—bus網(wǎng)絡(luò)中終端設(shè)備的數(shù)目。而且在礦井中使用CAN總線網(wǎng)絡(luò)還有利于將礦井中相互獨立的各種類型系統(tǒng)互通，進行統(tǒng)一管理。

2、礦井定位系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　本系統(tǒng)中監(jiān)控器位于地面的監(jiān)控室，通過CAN轉(zhuǎn)換卡與CAN總線相連，其上運行由VisualC++編寫的監(jiān)控軟件，可以動態(tài)顯示礦工當(dāng)前位于哪一基站附近，還可以向某些基站發(fā)出查詢命令，查詢某一員工當(dāng)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(jiān)控器相連;礦工進入礦井時都要佩戴安全帽或腰帶（內(nèi)嵌電子標簽），并且電子標簽的ID已與監(jiān)控系統(tǒng)信息相關(guān)聯(lián)。當(dāng)通信距離長、基站節(jié)點數(shù)量多時，可以使用CANbridge延長CAN總線網(wǎng)絡(luò)。

　　本系統(tǒng)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(xié)議標準，內(nèi)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(tǒng)的重點是射頻讀寫器的研制。[!--empirenews.page--]

　　考慮到礦井中的設(shè)備需要防爆安全認證，本系統(tǒng)設(shè)計中盡可能地減少外圍芯片數(shù)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(shù)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(nèi)部資源豐富，簡化了系統(tǒng)設(shè)計。

　　射頻收發(fā)模塊使用AD公司的可編程射頻收發(fā)芯片ADF7020，工作頻率為431～478MHz和862～956MHz波段，收發(fā)過程工作在半雙工方式，支持ASK/FSK/OOK/GFsK等多種調(diào)制方式。CAN總線驅(qū)動器使用的是致遠電子的通用CAN收發(fā)器芯片CTM8251A，此芯片將傳統(tǒng)的CAN總線驅(qū)動電路的光電隔離和CAN驅(qū)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(xié)議，只需外接CAN驅(qū)動器即可實現(xiàn)CAN模塊的硬件設(shè)計，接口電路如圖3所示。CAN發(fā)器芯片CTM8251A具有DC2500V隔離功能，符合ISO11898標準，數(shù)據(jù)速率最高達1Mbps，具有自動熱關(guān)斷保護功能，并且未上電或欠壓節(jié)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(shù)據(jù)輸入引腳SDATA向ADF7020發(fā)送編程控制字，控制其工作方式，并可以通過串行數(shù)據(jù)讀回引腳SREAD讀取ADF7020的工作狀態(tài)，SLE引腳作為控制字的鎖存信號。DATAI/O引腳是發(fā)送信號輸入和接收信號輸出分時復(fù)用引腳，收發(fā)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(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)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(fā)出中斷信號。

3、系統(tǒng)的軟件設(shè)計

　　本設(shè)計的編程環(huán)境是MPLABIDE軟件并內(nèi)嵌MPLAB—C18，可以支持C語言編程。系統(tǒng)的軟件主要分為PIC18F4580初始化、ADF7020初始化、CAN數(shù)據(jù)收發(fā)、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(nèi)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(shè)置各個端口的方向等。

　　ADF7020初始化主要包括：設(shè)置晶振電路的接人方式，信號的調(diào)制/解調(diào)方式（ISO/IEC18000—6c標準中使用ASK），定義調(diào)制信號的調(diào)制輸出功率，打開VCO、PLL和輸入輸出時鐘等。在CAN數(shù)據(jù)收發(fā)程序中，讀寫器的MCU通過CAN總線向上位機實時發(fā)送讀寫器識別出的Tag的相關(guān)信息，而CPU接收來自上位機的控制命令數(shù)據(jù)。

　　本系統(tǒng)要求讀寫器能夠識別到其覆蓋范圍內(nèi)的所有Tag，但在讀寫器覆蓋范圍內(nèi)的Tag會幾乎同時響應(yīng)讀寫器的指令，這樣響應(yīng)信號就會發(fā)生碰撞，導(dǎo)致通信失敗，讀寫器無法正確識別Tag。因此，讀寫器軟件系統(tǒng)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(tǒng)使用支持ISO/IEC18000—6c協(xié)議的電子標簽，規(guī)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(tài);讀寫器發(fā)送Select命令和Query命令信號（開始一個新的Round周期）并監(jiān)聽響應(yīng)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(shù)（數(shù)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(shù)器中，進入Arbitrate狀態(tài)，當(dāng)電子標簽每接收到一個QueryRep命令，時隙計數(shù)器就會進行減法操作（Query命令中規(guī)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(guī)定的Q值）;

　　當(dāng)計數(shù)器減為0時電子標簽就進入Reply狀態(tài)，此時向讀寫器發(fā)出一個16bit的（偽）隨機數(shù)作為應(yīng)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(fā)送的16bit隨機數(shù)），那么電子標簽就會進入Acknowledged狀態(tài)，否則如果沒有收到正確的ACK，則表明發(fā)生碰撞，返回Arbitrate狀態(tài);在確認狀態(tài)中，電子標簽向讀寫器發(fā)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(fā)出Read命令，可以讀Tag的EPC和TID的部分或全部內(nèi)容;讀取后Tag又回到Ready狀態(tài)。

　　由于ISO/IEC18000—6c協(xié)議使用基于概率類型的時隙隨機防碰撞算法，與ISO/IEC18000—6a協(xié)議的ALOHA算法和ISO/IEC18000—6h協(xié)議的自適應(yīng)二進制數(shù)算法相比，由于時隙隨機防碰撞算法在Tag中使用時隙計數(shù)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(jié)語

　　本文針對煤礦安全生產(chǎn)的需要，設(shè)計了基于RFID技術(shù)的礦井定位系統(tǒng)。為了提高系統(tǒng)的可靠性，減小防爆安全認證的難度，設(shè)計中使用高集成度芯片，以減少分立元件的數(shù)量。在讀寫器中實現(xiàn)了基于最新的ISO/IEC18000—6c國際標準協(xié)議的軟件設(shè)計，不僅減小了沖突發(fā)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(shù)，使地面監(jiān)控室可以及時了解井下的工作狀況。