1、基于CAN總線和RFID的礦井定位系統設計基于CAN總線和RFID的礦井定位系統設計類別：電源技術引言近年來，礦井安全事故頻發。在分析近期幾個煤礦特大事故時發現幾個共性問題：地面與井下人員的信息溝通不及時；煤礦事故發生后，搶險救災安全救護的效率低，搜救效果差。為了在礦難發生后能夠迅速確認礦難位置和被困員工人數，以最快的速度開展營救工作，保障礦工的生命安全，在礦井中布置基于高新技術的安全監控管理系統勢在必行。本文設計了1個基于CAN總線網絡和射頻識別技術的礦井定位系統，該系統可以實時地將礦井下人員及礦車的當前位置通過CAN總線網絡傳送到位于地面的上位機，不僅可以掌握井下作業情況，而且一旦發生安全

2、事故，可以立刻確定被困人員所處的位置及人數，以便迅速展開救援工作。1、RFID技術和CAN總線簡介射頻識別(RFID，RadioFrequencyIdentification)技術是利用無線電波進行通信的一種非接觸式自動識別技術。射頻識別系統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。根據射頻識別系統的工作頻率，可分為低頻(100500kHz)、中頻(1015MHz)、射頻(850950MHz)和微波(24558GHz)系統，不同的工作頻段影響系統的讀寫距離。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

3、，但使用不方便，價格高，壽命有限；無源Tag使用讀卡器天線發射的電磁波的能量，因此無源Tag的讀寫距離有限，但壽命長、體積小。基于在礦井下使用的特殊環境，將Tag嵌人到礦工的安全帽或皮帶中，因此本系統使用無源Tag，增加其使用壽命。低頻和中頻系統對Tag的讀寫距離只有10cm左右，射頻系統的讀寫距離可達7m左右，微波系統(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，主要用于汽車內部測量與控制中心之間的數

4、據通信。由于其良好的性能，廣泛應用于其他領域當中，并逐漸成為主要通訊手段。其主要特點有：國際標準的工業級現場總線，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1bits)；單條總線最多可接110個節點，并可方便的擴充節點數；報文為短幀結構并有硬件CRC校驗，受干擾概率小，數據出錯率極低；出錯的CAN節點會自動關閉并切斷和總線的聯系，不影響總線的通訊；非破壞性總線仲裁技術，可多節點同時向總線發數據，總線利用率高；總線上各節點的地位平等，不分主從，突發數據可實時傳輸；具有硬件地址濾波功能，可簡化軟件的協議編制；CANbus總線系統結構簡單，性價比極高。當礦井通訊網絡需求達

5、到更遠的通訊距離(大于10km)，或者終端數目較多(大于110個)時，安裝CANbridge網橋可以成倍地延長通訊距離，也可以成倍地增加CANbus網絡中終端設備的數目。而且在礦井中使用CAN總線網絡還有利于將礦井中相互獨立的各種類型系統互通，進行統一管理。2、礦井定位系統硬件設計本系統中監控器位于地面的監控室，通過CAN轉換卡與CAN總線相連，其上運行由VisualC+編寫的監控軟件，可以動態顯示礦工當前位于哪一基站附近，還可以向某些基站發出查詢命令，查詢某一員工當前位置；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控器相連；礦工進入礦井時都要佩戴安全帽或腰帶(內嵌

6、電子標簽)，并且電子標簽的ID已與監控系統信息相關聯。當通信距離長、基站節點數量多時，可以使用CANbridge延長CAN總線網絡。 本系統使用的無源電子標簽是TI公司的RIUHFSTRAP一08，其符合EPCglobalTMGen2(v109)和ISOIEC180006c協議標準，內置192bit的存儲器(96bit的EPC存儲器、32bit的操作密碼、32bit的KILL密碼、32bit的TagID存儲器)，工作在860960MHz的頻段，但此頻段還未推出專用的讀寫器模塊，因此本系統的重點是射頻讀寫器的研制。考慮到礦井中的設備需要防爆安全認證，本系統設計中盡可能地減少外圍芯片數量。MCU采

7、用美國微芯公司的PIC18F4580單片機，此單片機集成了基于ECAN技術的CAN總線控制模塊、lO位AD模塊、增強的通用串口模塊、32KB的增強型Flash存儲器等，內部資源豐富，簡化了系統設計。射頻收發模塊使用AD公司的可編程射頻收發芯片ADF7020，工作頻率為431478MHz和862956MHz波段，收發過程工作在半雙工方式，支持ASKFSKOOKGFsK等多種調制方式。CAN總線驅動器使用的是致遠電子的通用CAN收發器芯片CTM8251A，此芯片將傳統的CAN總線驅動電路的光電隔離和CAN驅動器集成到一塊芯片，提高了通信的可靠性。21PICl8F458O與CTM825lA的接口電路

8、PIC18F4580帶有CAN控制模塊，支持CAN12、CAN20A、CAN20B協議，只需外接CAN驅動器即可實現CAN模塊的硬件設計，接口電路如圖3所示。CAN發器芯片CTM8251A具有DC2500V隔離功能，符合ISO11898標準，數據速率最高達1Mbps，具有自動熱關斷保護功能，并且未上電或欠壓節點不會影響CAN總線的正常工作。22PIC18F4580與ADF7020的接口電路PIC18F4580單片機通過ADF7020的串行數據輸入引腳SDATA向ADF7020發送編程控制字，控制其工作方式，并可以通過串行數據讀回引腳SREAD讀取ADF7020的工作狀態，SLE引腳作為控制字的

9、鎖存信號。DATAIO引腳是發送信號輸入和接收信號輸出分時復用引腳，收發工作在半雙工方式，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送數據。當ADF7020接收到一個來自天線的有效信號后，通過INTLOCK引腳向MCU發出中斷信號。3、系統的軟件設計本設計的編程環境是MPLABIDE軟件并內嵌MPLABC18，可以支持C語言編程。系統的軟件主要分為PIC18F4580初始化、ADF7020初始化、CAN數據收發、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，設置各

10、個端口的方向等。 ADF7020初始化主要包括：設置晶振電路的接人方式，信號的調制解調方式(ISOIEC180006c標準中使用ASK)，定義調制信號的調制輸出功率，打開VCO、PLL和輸入輸出時鐘等。在CAN數據收發程序中，讀寫器的MCU通過CAN總線向上位機實時發送讀寫器識別出的Tag的相關信息，而CPU接收來自上位機的控制命令數據。 本系統要求讀寫器能夠識別到其覆蓋范圍內的所有Tag，但在讀寫器覆蓋范圍內的Tag會幾乎同時響應讀寫器的指令，這樣響應信號就會發生碰撞，導致通信失敗，讀寫器無法正確識別Tag。因此，讀寫器軟件系統要加人防碰撞算法，保證讀寫器能夠與電子標簽正確地交換信息。本系統

11、使用支持ISOIEC180006c協議的電子標簽，規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；讀寫器發送Select命令和Query命令信號(開始一個新的Round周期)并監聽響應信號；電子標簽收到Query命令后將一個16位的隨機(或偽隨機)數(數值范圍為0000H3FFFH，即共有多達215個時隙可供使用)裝載到時隙計數器中，進入Arbitrate狀態，當電子標簽每接收到一個QueryRep命令，時隙計數器就會進行減法操作(Query命令中規定了每次減的值Q，而且可以使用QueryAdjust命令修改先前的Query命令規定

12、的Q值)；當計數器減為0時電子標簽就進入Reply狀態，此時向讀寫器發出一個16bit的(偽)隨機數作為應答信號；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送的16bit隨機數)，那么電子標簽就會進入Acknowledged狀態，否則如果沒有收到正確的ACK，則表明發生碰撞，返回Arbitrate狀態；在確認狀態中，電子標簽向讀寫器發送包含自己的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出Read命令，可以讀Tag的EPC和TID的部分或全部內容；讀取后Tag又回到R

13、eady狀態。 由于ISOIEC180006c協議使用基于概率類型的時隙隨機防碰撞算法，與ISOIEC180006a協議的ALOHA算法和ISOIEC180006h協議的自適應二進制數算法相比，由于時隙隨機防碰撞算法在Tag中使用時隙計數器進行防碰撞，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、結語本文針對煤礦安全生產的需要，設計了基于RFID技術的礦井定位系統。為了提高系統的可靠性，減小防爆安全認證的難度，設計中使用高集成度芯片，以減少分立元件的數量。在讀寫器中實現了基于最新的ISOIEC180006c國際標準協議的軟件設計，不僅減小了沖突發生的概率，而且大大提高了讀寫器

14、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，使地面監控室可以及時了解井下的工作狀況。鏈接-國外煤礦安全信息評定和保護電路安全火花的現代方法在烏克蘭、德國、法國、英國、美國和其他一些國家的主要試驗中心不允許采用微型電路作為防火花元件。 但是在捷克和俄羅斯允許用微型電路作為ib水平電路的防火花元件。IEC6007911標準不允許采用晶體三極管對ia水平電路作為限流器，因為不能計算瞬變過程。在馬克耶夫礦業安全研究院具有試驗設備安全火花的經驗和每項工作的實踐，能完成靜態和動態中防火花元件負荷的評定。我們認為，在采用ia和ib水平電路條件中沒有太大的差別。在第一種情況下，不允許采用用過的晶體三極管，在第二種情況下，允許采用所有半導體儀器，因為ib水平電