基于CAN总线和RFID技术的矿井定位系统设计_技术中心

基于CAN总线和RFID技术的矿井定位系统设计

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2009-04-25
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   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zui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*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*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zui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：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zui远10km），传输速率快（zui高1bit／s）；单条总线zui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，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*。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总线驱动电路的光电隔离和can驱动器集成到一块芯片，提高了通信的可靠性。
    2．1picl8f458o与ctm825la的接口电路pic18f4580带有can控制模块，支持can1．2、can2．0a、can2．0b协议，只需外接can驱动器即可实现can模块的硬件设计，接口电路如图3所示。can发器芯片ctm8251a具有dc2500v隔离功能，符合iso11898标准，数据速率zui高达1mbps，具有自动热关断保护功能，并且未上电或欠压节点不会影响can总线的正常工作。
    2．2pic18f4580与adf7020的接口电路
    pic18f4580单片机通过adf7020的串行数据输入引脚sdata向adf7020发送编程控制字，控制其工作方式，并可以通过串行数据读回引脚sread读取adf7020的工作状态，sle引脚作为控制字的锁存信号。datai／o引脚是发送信号输入和接收信号输出分时复用引脚，收发工作在半双工方式，因此mcu工作在半双工的同步通信模式下，通过串行同步接口接收或发送数据。当adf7020接收到一个来自天线的有效信号后，通过int／lock引脚向mcu发出中断信号。
    3、系统的软件设计
   本设计的编程环境是mplabide软件并内嵌mplab—c18，可以支持c语言编程。系统的软件主要分为pic18f4580初始化、adf7020初始化、can数据收发、读卡器与电子标签间的通信算法等部分。
    pic18f4580初始化主要是对片内各个功能模块的初始化，包括：can模块初始化，usart模块初始化，wdt初始化，设置各个端口的方向等。adf7020初始化主要包括：设置晶振电路的接人方式，信号的调制／解调方式（iso／iec18000—6c标准中使用ask），定义调制信号的调制输出功率，打开vco、pll和输入输出时钟等。在can数据收发程序中，读写器的mcu通过can总线向上位机实时发送读写器识别出的tag的相关信息，而cpu接收来自上位机的控制命令数据。
    本系统要求读写器能够识别到其覆盖范围内的所有tag，但在读写器覆盖范围内的tag会几乎同时响应读写器的指令，这样响应信号就会发生碰撞，导致通信失败，读写器无法正确识别tag。因此，读写器软件系统要加人防碰撞算法，保证读写器能够与电子标签正确地交换信息。本系统使用支持iso／iec18000—6c协议的电子标签，规定使用基于概率类型的时隙随机防碰撞算法。此算法的工作过程为：电子标签进入读写器覆盖范围后进人ready状态；读写器发送se-lect命令和query命令信号（开始一个新的round周期）并监听响应信号；电子标签收到query命令后将一个16位的随机（或伪随机）数（数值范围为0000h～3fffh，即共有多达215个时隙可供使用）装载到时隙计数器中，进入arbitrate状态，当电子标签每接收到一个queryrep命令，时隙计数器就会进行减法操作（query命令中规定了每次减的值q，而且可以使用queryadjust命令修改先前的query命令规定的q值）；
    当计数器减为0时电子标签就进入reply状态，此时向读写器发出一个16bit的（伪）随机数作为应答信号；如果电子标签收到一个有效的ack信号（正确包含自己向读写器发送的16bit随机数），那么电子标签就会进入acknowledged状态，否则如果没有收到正确的ack，则表明发生碰撞，返回arbitrate状态；在确认状态中，电子标签向读写器发送包含自己的pc（protocolcontro1）、epc（electronicproductcode）和16bit的crc校验等字段的信息；此后读写器向电子标签发出read命令，可以读tag的epc和tid 的部分或全部内容；读取后tag又回到ready状态。
    读卡器与电子标签间的通信算法流程图如图6所示。
由于iso／iec18000—6c协议使用基于概率类型的时隙随机防碰撞算法，与iso／iec18000—6a协议的aloha算法和iso／iec18000—6h协议的自适应二进制数算法相比，由于时隙随机防碰撞算法在tag中使用时隙计数器进行防碰撞，大大简化了读写器cpu的编程工作，并提高了读写器的工作效率。
    4、结语
    本文针对煤矿安全生产的需要，设计了基于rfid技术的矿井定位系统。为了提高系统的可靠性，减小防爆安全认证的难度，设计中使用高集成度芯片，以减少分立元件的数量。在读写器中实现了基于的iso／iec18000—6c标准协议的软件设计，不仅减小了冲突发生的概率，而且大大提高了读写器cpu的效率。读写器与上位机的通信使用了可靠性较高、矿井中广泛使用的can总线技术，使地面监控室可以及时了解井下的工作状况。

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