基于CAN总线和RFID的矿井定位系统设计

引言

近年来，矿井安全事故频发。在分析近期几个煤矿特大事故时发现几个共性问题：地面与井下人员的信息沟通不及时;煤矿事故发生后，抢险救灾安全救护的效率低，搜救效果差。为了在矿难发生后能够迅速确认矿难位置和被困员工人数，以最快的速度开展营救工作，保障矿工的生命安全，在矿井中布置基于高新技术的安全监控管理系统势在必行。

本文设计了1个基于CAN总线网络和射频识别技术的矿井定位系统，该系统可以实时地将矿井下人员及矿车的当前位置通过CAN总线网络传送到位于地面的上位机，不仅可以掌握井下作业情况，而且一旦发生安全事故，可以立刻确定被困人员所处的位置及人数，以便迅速展开救援工作。

1、RFID技术和CAN总线简介

射频识别（RFID，RadioFrequencyIdentification）技术是利用无线电波进行通信的一种非接触式自动识别技术。射频识别系统由读写器和电子标签（Tag）组成，每个Tag具有1个全球唯一的ID号，可以与读写器进行无接触的信息交换。根据射频识别系统的工作频率，可分为低频（100―500kHz）、中频（10―15MHz）、射频（850―950MHz）和微波（2.45―5.8GHz）系统，不同的工作频段影响系统的读写距离。按Tag的供电方式，可分为有源和无源两类。

有源Tag需要电源供电，读写距离远，但使用不方便，价格高，寿命有限;无源Tag使用读卡器天线发射的电磁波的能量，因此无源Tag的读写距离有限，但寿命长、体积小。基于在矿井下使用的特殊环境，将Tag嵌人到矿工的安全帽或皮带中，因此本系统使用无源Tag，增加其使用寿命。低频和中频系统对Tag的读写距离只有10cm左右，射频系统的读写距离可达7m左右，微波系统（主要使用有源Tag）可达几十米。由于矿井下需要相对精确的定位信息，而且还要读写方便，本系统选择工作在射频波段，需要在矿井中每隔15m左右安装1个读写器。

CAN（ControllerAreaNetwork）总线最早由德国BOSCH公司提出，主要用于汽车内部测量与控制中心之间的数据通信。由于其良好的性能，广泛应用于其他领域当中，并逐渐成为主要通讯手段。其主要特点有：国际标准的工业级现场总线，传输可靠，实时性高;传输距离远（无中继最远10km），传输速率快（最高1bit/s）;单条总线最多可接110个节点，并可方便的扩充节点数;报文为短帧结构并有硬件CRC校验，受干扰概率小，数据出错率极低;出错的CAN节点会自动关闭并切断和总线的联系，不影响总线的通讯;非破坏性总线仲裁技术，可多节点同时向总线发数据，总线利用率高;总线上各节点的地位平等，不分主从，突发数据可实时传输;具有硬件地址滤波功能，可简化软件的协议编制;CAN―bus总线系统结构简单，性价比极高。当矿井通讯网络需求达到更远的通讯距离（大于10km），或者终端数目较多（大于110个）时，安装CANbridge网桥可以成倍地延长通讯距离，也可以成倍地增加CAN―bus网络中终端设备的数目。而且在矿井中使用CAN总线网络还有利于将矿井中相互独立的各种类型系统互通，进行统一管理。

2、矿井定位系统硬件设计

本系统中监控器位于地面的监控室，通过CAN转换卡与CAN总线相连，其上运行由VisualC++编写的监控软件，可以动态显示矿工当前位于哪一基站附近，还可以向某些基站发出查询命令，查询某一员工当前位置;射频读写器作为基站安装在矿井中的已知位置，通过CAN总线与其他基站和监控器相连;矿工进入矿井时都要佩戴安全帽或腰带（内嵌电子标签），并且电子标签的ID已与监控系统信息相关联。当通信距离长、基站节点数量多时，可以使用CANbridge延长CAN总线网络。

本系统使用的无源电子标签是TI公司的RI―UHF―STRAP一08，其符合EPCglobalTMGen2（v.1.0.9）和ISO/IEC18000―6c协议标准，内置192bit的存储器（96bit的EPC存储器、32bit的操作密码、32bit的KILL密码、32bit的Tag―ID存储器），工作在860～960MHz的频段，但此频段还未推出专用的读写器模块，因此本系统的重点是射频读写器的研制。

考虑到矿井中的设备需要防爆安全认证，本系统设计中尽可能地减少外围芯片数量。MCU采用美国微芯公司的PIC18F4580单片机，此单片机集成了基于ECAN技术的CAN总线控制模块、lO位A/D模块、增强的通用串口模块、32KB的增强型Flash存储器等，内部资源丰富，简化了系统设计。

射频收发模块使用AD公司的可编程射频收发芯片ADF7020，工作频率为431～478MHz和862～956MHz波段，收发过程工作在半双工方式，支持ASK/FSK/OOK/GFsK等多种调制方式。CAN总线驱动器使用的是致远电子的通用CAN收发器芯片CTM8251A，此芯片将传统的CAN总线驱动