基于RFID标签的矿井人员搜救仪

石美峰

(西山煤电(集团)公司信息中心，山西 太原 030053)

在金属矿和非金属矿的开采过程中，不可避免地会发生事故，比如瓦斯爆炸、透水、巷道坍塌、中毒等。在发生这些事故的同时，井下供电几乎中断，照明一般也只能依靠矿灯实现，照明情况较差，对事故受伤人员的搜救工作难度较大。目前，普遍采用生命探测仪对事故现场人员进行搜救，但是大部分的矿山企业基本没有配备生命探测仪，主要是价格相对较贵，并且对于生命体征微弱的人员，探测效果较差。生命探测仪在矿山企业配备不全，严重影响了对于事故现场人员的及时搜救工作。针对这种情况，为了在最短的时间之内搜救出更多的被困人员，本文提出了一种基于RFID标签的矿井人员搜救仪，主要是在目前全国绝大部分矿井已经安装了人员定位系统的前提下，对事故现场每个携带RFID标签的人员进行快速、有效的搜救工作，对减少事故的死亡率具有相当重要的意义。

1 搜救仪的原理及功能

1.1 搜救仪的原理

RFID技术具有功耗低、抗干扰能力强、数据传输速率高、工作可靠、适用于恶劣环境等优点。随着自动识别技术、计算机网络技术快速发展，RFID技术已被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域［1］。搜救仪也主要基于RFID技术，实现与RFID标签之间的无线数据传输，从而实现对矿井人员的搜救功能。

搜救仪硬件原理如图1所示:主要由核心处理芯片FPGA、高分辨率的触摸屏、TFT液晶显示屏、RFID无线收发模块、USB接口、时钟模块、充电管理模块、指示灯和蜂鸣器构成。充电管理模块组要负责对锂电池进行充、放电管理。可以通过操作触摸屏，并结合TFT液晶显示界面的相关内容，设置成搜救模式，与此同时，RFID无线收发模块被打开。同时开始向四周发送特定的频率信号，当有RFID标签处于此信号覆盖范围内时，RFID标签能接收到此信号，并会立即回传一帧数据。这时RFID无线收发模块根据对应频段的信号强度(RSSI)进行判断，当信号强度达到规定的要求之后，就能接收到此RFID标签的信号，并可获得相应标签的ID号。由于每个RFID标签的ID号所对应的姓名、部门、工种、照片都存储在搜救仪中，因此，在接收到RFID信号之后，TFT液晶屏上可立即显示出此ID号所对应的姓名、部门、工种、照片等信息。

图1 搜救仪硬件原理示意图

1.2 搜救仪的主要功能

1.2.1 RFID无线信号发送和接收功能

在进入搜救模式后，可以不断地向外发送无线信号，并能在很短的时间之内完成信号发送。然后FPGA再控制RFID无线收发模块进入到接收模式，接收等待的时间最长达1 s。当附近有RFID标签存在时，搜救仪可快速地识别到此标签的无线信号。

1.2.2 TFT 液晶显示功能

搜救仪的相关设置或相关搜救结果的显示都是通过TFT液晶屏来实现。本搜救仪采用320×240全彩色液晶屏，利用 FPGA［2］高达100 MHz的快速晶振，实现了TFT液晶显示屏的快速换屏，而不会有明显的刷屏感觉，显示界面清晰、平滑，能满足矿井下对于搜救人员信息等内容的详细显示。

1.2.3 触摸按键

搜救仪还带有全触摸的按键，较高的分辨率能有效降低误操作的可能性，并且此触摸按键能够在高温、高湿的环境下可靠工作。

1.2.4 时钟功能

由于在整个搜救的过程中，对每个携带RFID标签的人员搜救，都是一个细致的工作。本搜救仪人性化的设计了时钟功能，能记录搜索到的RFID标签的具体时间，基于时间的搜救数据能够对后期分析工作提供帮助。

1.2.5 USB 接口功能

当搜救仪在搜救的过程中，记录的搜救数据被存放在非易失性存储器中，那么在搜救工作结束之后，可以通过本搜救仪自带的USB接口，实现搜救仪中的数据到电脑的传输，并把数据保存在电脑中，方便以后进行查询和研究。

2 搜救仪的技术指标

无线工作频段:2.40 ±0.08 GHz

调制方式:FM

调制信号:16位二进制编码

同时搜索能力:200个

搜救距离:与人员标识卡之间0～150 m(可调整)

存储容量:≥500000个

接收灵敏度:－65 dbm

电池工作时间:≥10 h

3 软件设计

本搜救仪采用高性能的FPGA作为核心处理器，主频［3］高达100 MHz。由于外设芯片较多，如何能让这些外设芯片合理、可靠地工作，最大程度的发挥各个外设芯片的功能，是整个程序设计的难点。

3.1 RFID无线搜救程序设计

由于目前2.4 GHz的RFID芯片，仅能实现半双工的无线数据收发，因此，为了降低整个设备的功耗，只设计了一个RFID芯片。由于其半双工的特性，因此，采用分时复用的原则，以实现可靠的无线双向数据传输。其软件流程见图2。在数据的发送过程中，仅仅占用约2 ms的时间，而在接收的过程中，等待时间由随机函数来产生，间隔时间在0.6～1 s。在数据发送到达过程中，采用广播模式，因此，在很短的时间之内，只要在信号覆盖范围内的RFID标签都接收到此信号，就会立即回发应答信号。由于RFID标签在回发的时间延时上也是采用随机函数，可有效降低无线数据冲突的可能性，大大提高对RFID标签信号接收的可靠性。经过测试能够达到200张RFID标签的同时识别水平。完全能够满足小范围内密集人员的搜救工作。

图2 无线搜救程序流程图

3.2 USB数据传输

USB数据传输主要有两个重要的作用，第一，能够及时把数据库中的人员档案信息更新到搜救仪上，时刻保持数据库中的人员信息与搜救仪上的人员信息完全一致。第二，能够把已经搜救的人员信息传送到电脑上，实现数据的可靠保存，并给以后的查询提供方便。USB数据传输的中断函数软件流程见图3。

4 结束语

本搜救仪结合先进的RFID技术，采用分时复用的方法，实现了单个半双工RFID无线收发模块的双向数据传输。该搜救仪能在较短的时间内，投入到矿井灾难事故的人员搜救工作中去。并能通过调整RFID无线收发模块的功率和接收灵敏度以实现不同搜救的距离;还能够实现搜救人员姓名、部门、工种、照片的可视化直观显示;所配备的USB接口可实现数据的及时转移、存储。该搜救仪提高了矿山事故的搜救效率，具有极高的实用价值。目前，该搜救仪已经在山西长治郭庄煤矿、四川德阳清平磷矿、安徽丁集煤矿、任楼煤矿等矿井得到应用。

图3 USB数据传输的中断函数流程图

［1］游战清.无线射频识别技术(RFID)理论与应用［M］.北京:电子工业出版社，2004:1－10.

［2］王 诚，吴继华.Altera FPGA/CPLD设计(基础篇)［M］.北京:人民邮电出版社，2005:15－20.

［3］王 诚，吴继华.Altera FPGA/CPLD设计(高级篇)［M］.北京:人民邮电出版社，2005:18－25.