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矿井RFID人员定位跟踪系统

概述

井下煤炭开采作业安全生产会碰到所谓的四大害：瓦斯、煤粉尘、透水、塌方，导致了大部分井下事故，例如瓦斯爆炸，透水或塌方等事故。和国外矿井相比，国内大部分煤矿的生产条件和环境更为恶劣，加上煤炭需求非常强烈，短期内安全生产措施往往跟不上，使得煤炭安全生产非常不乐观，严重威胁到矿工的生命安全保障。当务之急，积极运用现代高新技术，改造煤炭安全生产的老旧技术，的保证障煤炭安全生产。

射频辨认RFID是继互联网技术发展之后涌现的新一代技术，被誉为21世纪十大新技术之一。中低频RFID技术已经应用于一卡通、门禁、身份证、票证等领域，取得了很好的社会效果。然而，这种被动式RFID阅读距离短，阅读率低等限制了更为广泛的应用。无源RFID技术重要朝减少单品管理的标签成本方向发展。

积极有源RFID技术近年来成为世界各国研发的重点和新方向，积极式RFID标签克服了无源标签的操作距离短、辨认率低等缺陷。不仅如此，积极式RFID标签技术具有非常强的适应性和可扩展性，开始和传感技术以及通讯等技术融合，为RFID技术开辟了新的应用前景。例如，微波段的RFID技术和无线保真Wi-Fi通讯技术结合可以实现无线区域定位，填补了GPS定位不能在地下和复杂环境下工作的空缺。积极式RFID的新技术和新功能涉及：双向通讯功能、积极报警、自动报警、无线传感、无线定位、环境记录等等。可以说，RFID技术已经超越了数据自动采集的原始范畴，还具有了自动报警等智能化因素，在资源开采、生产制造、安防和生命保障等领域发挥以前不可想象的作用。

我们公司在有源RFID基础技术开发上投入了大量的研发资金，发明性地融合无线保真Wi-Fi技术和微波RFID射频技术，实现了区域无线精拟定位，和无线传感等技术。在多信道、超宽带、调频技术上获得了一些列的突破，保证RFID标签在复杂环境下正常工作，在世界上处在领先地位。目前，已经完毕矿井RFID人员定位系统的应用开发，可以实现身份辨认，井下人员定位，瓦斯无线报警等功能。

RFID定位系统应用特性

定位：RFID身份辨认和井下定位技术帮助实现矿井下作业人员的跟踪管理，并且为矿难援救提供定位等科学依据；

预警：RFID井下无线报警技术可以实现井下灾害的预警，进行灾害预报，并配合井下人员跟踪系统，组织矿工安全疏散；

统一指挥调度：RFID技术和网络技术，计算机技术结合在一起，可以在地面上对井下作业环境，生产管理，灾害预警，和应急事件解决等整个过程实现实时监控，为矿上领导统一指挥，统一调度提供强有力的工具；

政府安全管理：假如煤炭生产单位和政府相关机构联网，可以在政府的监控中心对全省内的所有矿井进行实时监控，在第一时间内获得灾害预报和发生的信息，对灾害发生应急反映。

RFID定位原理

无线实时定位跟踪系统，该系统工作频率为2.45GHz，是基于无线网中的到达时间差TDOA（TimeDifferenceOfArrival）和接受信号强度指示RSSI（ReceiverSignalStrengthIndicator）两种定位算法，并与无线保真（Wi-Fi）技术和射频辨认（RFID）相结合可实现实时定位和跟踪。

TDOA（TimeDifferenceOfArrival）到达时间差定位技术是根据不同基站接受到的同一移动终端信号在传输途径上的时延差异实现终端定位。TDOA算法不是直接运用信号到达时间，而是用多个基站接受到信号的时间差来拟定移动台位置。

移动台定位于以两个基站为焦点的双曲线方程上。拟定移动台的二维位置坐标需要建立两个以上双曲线方程，两条双曲线即为移动台的二维位置坐标。在实际应用中，通常采用最小均方误差算法，通过使非线性误差函数的平方和取得最小这一非线性最优化来估计移动台位置。

图2TDOA基本原理图

图2TDOA基本原理图

RFID电子标签、信号接受器、和定位引擎服务器等组成定位系统，根据三点决定坐标定位原理，实现平面定位。RFID电子标签每2秒发射一次信号，信号接受器接受数字信号，通过有线网络传到定位引擎。定位引擎则用TDOA或者RSSI算法快速计算出标签的空间坐标（X，Y）。

图1定位图

重要设备

RFID电子标签，定位接受器，卡口侦测器：

图2aRFID标签图2b

图2cRFID卡口侦测器

系统架构

系统重要涉及终端子系统、数据采集子系统、监控中心子系统和数据传输子系统四级系统组成。

井下部署

图10：井下射频定位示意图

系统功能

入口：在矿井入口安装必要的卡口设备，可以进行快速而准确的自动化人员数量记录工作，给收工时离开矿井的人数记录作必要的参照，防止不必要的工作失误。

坑道：在范围很大的坑道内，安装必要的数量的定位接受