矿用井下人员管理系统的发展与应用

【摘 要】针对煤矿现有的人员定位系统所使用的组网技术和无线收发技术，对他们进行了技术比较，并提出一种有着明显优势的通信模式。介绍了基于远距离RS485组网技术和RFID握手式通信技术解决方案。

【关键词】煤矿；RFID；人员定位；双向握手通信；KJ351

0 绪论

煤矿井下人员管理系统经过多年的发展，在各级领导的直接关怀下，各个生产厂家不断努力，特别是AQ6210―2007国家标准的制定和强制执行，加上近年来电子技术的长足进步，煤矿井下人员管理系统开发成功，具备了良好的基础。目前，国内有不少科研单位和企业都生产了“井下人员定位系统（井下人员管理系统）”，系统有效解决了煤矿井下作业人员出入井考勤统计、井下各区域作业人员分布实时跟踪、发生事故时对井下受困作业人员的准确清点等问题。

1 煤矿井下人员管理系统（井下人员定位系统）发展历程

煤矿人员管理系统的技术发展大致经历了三个阶段：巡更系统、IC卡考勤系统、基于RFID有源射频识别技术的人员管理系统。

1.1 巡更系统

巡更系统是将特制的信息钮安置于指定的巡检线路上，巡查员沿途巡检，用巡更棒依次碰触（阅读）信息钮，信息便“拷贝”到巡更棒中。管理人员通过计算机来读解巡更棒中的信息，还原巡检员的历史巡检活动。

1.2 IC卡考勤系统

以IC卡为代表的人员考勤系统一度广泛应用于煤矿作业人员考勤管理工作。煤矿在各个区域安装读卡器，并为人员配发IC卡，作业人员经过读卡器须逐个将识别卡靠近或触碰读卡器，即刷卡。

1.3 基于RFID有源射频识别技术的人员管理系统

RFID是利用无线传输方式进行双向数据通信， 进而达到自动识别并交换信息的目的。无源RFID读卡距离近，识别率低，读卡速度慢；而有源RFID卡使用独立电池供电，发射距离远，识别率高，只需携卡正常通过分站信号范围，分站便能自动捕捉到识别卡信息，同时传输到地面终端。

2 井下人员管理系统的构成和主要功能概述

2.1 系统构成

目前各科研单位和企业所开发研制的煤矿井下人员管理系统，从结构上看基本上都是由地面终端设备、传输介质和中继设备、井下分站、便携式识别卡等几部分组成。

2.2 系统主要功能

煤矿井下人员管理系统须根据现场情况设计安装方案，一般在主要控制出入和有监控要求的地点安装分站，通过网络布线将分站与地面终端连接调试，确保通信正常。所有下井人员配发识别卡，识别卡身份唯一，并在地面终端登记。

当识别卡通过或接近安装在井下的分站，分站捕获识别卡信号并上传，地面终端与识别卡登记信息对比校验，并在数据库记录。通过操作中心控制软件，可显示某一分站内所有作业人员、显示由若干分站组成的区域内所有作业人员、查询持卡人当前位置、部门人员分布、时间段下井次数和工作时间统计、特殊作业人员巡检情况、设备故障报警、识别卡电量、作业人员超时超员报警信息等。

系统常见的主要功能有：

（1）查询当前井下人员分布。显示分站安装位置、每个分站下识别卡数量和井下识别卡总数。作业人员由一个读卡区域移动到另一个读卡区域时实时更新，点击分站图标可显示该分站当前所有识别卡信息。

（2）查询作业人员当前位置。输入人员姓名或识别卡号，软件显示当前人员所处位置和下井行动轨迹；输入部门信息，显示该部门所有井下作业人员分布情况。

（3）井下人员跟踪查询。软件可在图上以动画或小图标活动的方式动态显示该名人员下井行动轨迹。

（4）统计查询进入特殊区域人员。对于一些危险区域，若有非法进入记录，可提供实时报警和历史信息记录查询。

（5）报警信息的显示与查询。对于某些报警条件进行设置，当井下实时信息与系统设定报警条件冲突时，系统中心控制软件实时发出报警信息，报警信息同时保存到历史数据库，可根据检索条件查询历史报警信息。

（6）井下人员考勤管理。根据检索条件查询井下作业人员在某时间段内上下井时间、进入离开某读卡分站范围时间、井下作业总工作时间等信息。

3 KJ351煤矿井下人员管理系统技术特点

KJ351煤矿井下人员管理系统读卡方式类似于传统的RFID无源卡片方式，读卡分站采用主叫方式，人员标识卡被动响应读卡请求。

（1）读卡分站不断发送寻卡指令。人员标识卡只有在读卡分站的寻卡范围内，才能被唤醒工作。在x卡分站的寻卡范围外，人员标识卡片一直处于待机状态。

（2）使用2.4G高速通讯技术，减少单次数据交换时间。单次数据交换仅在50us内完成。

（3）跳频能力。KJ351煤矿井下人员管理系统采用DSSS技术，实现64频段跳频。当某一频段工作不稳定时，系统按照一定规则进行跳频，更换通讯频率，再度握手通讯。

（4）读卡分站与人员标识卡之间双向数据握手，互相确认对方存在，数据正确。

（5）人员标识卡被读卡分站正确读取后，不再继续读取，卡片自动关闭。只要在当前读卡器的寻卡范围内，本张卡片不再作任何响应，只有其他读卡分站才能唤醒本张卡片继续工作。这样，正确读取一张人员标识卡就关闭的方式，保证已读取的人员标识卡不会影响后序人员标识卡的读取。这样，无形中增加了并发数量，实际上是读一张就关闭的方式，不存在并发读取问题。

（6）按时隙分配上卡周期，减少读卡冲突次数，类似于手机系统的分时复用概念。在一个时隙周期内，最多只有10张卡片进行反碰撞，这10张反碰撞的人员标识卡，采用CSCD/MA技术，利用在计算机上计算好的伪随机数序列进行反冲突分配，用尽量乱的数据，在欧氏空间距离上尽量远的数据进行碰撞。实现反冲突，降低数据冲突的可能性。

（7）人员识别卡在读卡分站的寻卡范围内，人员标识卡不断与读卡分站交换数据，直到交换成功为至。

（8）容错能力强，当人员标识卡检测到干扰后，自动重新复位系统，重新工作。

（9）人员标识卡片具备电压管理能力，当人员标识卡片电池电压下降时，及时能过计算机报警使用者更换电池。

（10）灵活的硬件狗能力，当人员标识卡片出现强干扰，程序进入软件陷井后，自动恢复运行。

（11）低功耗设计

KJ351煤矿井下人员管理系统采用双向通讯方式，这样在空间内，因通讯环境不同，波的反射、绕射、折射、衍射等行为，都能影响至通讯距离。形成的读卡分站与人员标识卡的不对等通讯区域，出现死区内功耗大的情况。如何解决这一问题，我们将通讯范围分为三个区域。可靠通讯区，不可靠通讯区和不能通讯区。

在不能通讯区和不可靠通讯区，人员标识卡根本不响应读卡分站的请求。只有在可靠通讯区，读卡分站才能打开人员标识卡。这样，在尽量小的读卡范围内，尽快读取人员标识卡数据。读取完毕后，立即关闭人员标识卡，并且不在响应本读卡分站的任何指令。直到下一个分站才能唤醒卡片。

经过实际测试结果，本方法省电、上卡可靠。能够在4.26ms内完成人员标识卡数据交换。实测人员标识卡上卡功耗远远小于待机功耗，而待机功耗仅为4uA。

4 结束语

综上所述。KJ351煤矿井下人员管理系统很好地解决了低功耗、不漏卡问题；该系统采用的远距离RS485技术能很好地满足大中型煤矿巷道复杂，传输距离远的问题；采用无线握手通信技术能很好地解决煤矿人员集中、读卡信息量大等问题，真正做到人员区域性定位，井下区域人数管理，下井总人数管理，带班领导下井统计等功能。

【参考文献】

[1]【国家标准】AQ 6210-2007煤矿井下作业人员管理系统通用技术条件[S].2007，03.