6-煤矿井下人员定位系统课件.ppt

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1、第六章 煤矿井下人员定位系统1/212022-12-20第六章第六章 煤矿井下人员定位系统煤矿井下人员定位系统一、本章教学目的一、本章教学目的 掌握煤矿井下人员定位系统的装备意义、组成及工作原掌握煤矿井下人员定位系统的装备意义、组成及工作原理、分类;了解射频识别技术的工作原理和读卡器、标签、理、分类;了解射频识别技术的工作原理和读卡器、标签、天线等组成部分;了解煤矿井下人员定位系统的设计要求和天线等组成部分;了解煤矿井下人员定位系统的设计要求和常见的几种煤矿井下人员定位系统等等。常见的几种煤矿井下人员定位系统等等。二、本章主要内容二、本章主要内容 第一节 煤矿井下人员定位系统概述 第二节 煤矿

2、井下无线通讯及射频识别技术 第三节 煤矿井下人员定位系统设计要求 第四节 常见的煤矿井下人员定位系统简介 重点与难点:重点与难点:1 1、射频识别技术的工作原理;、射频识别技术的工作原理;2 2、射频设别系统的设计第六章 煤矿井下人员定位系统2/212022-12-20第一节第一节 概概 述述一、煤矿井下人员定位系统的装备必要性及意义一、煤矿井下人员定位系统的装备必要性及意义1 1、必要性、必要性 有利于日常井下人员管理和矿井事故发生后的井下救援工作。国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知(国发201023号)要求煤矿和非煤矿山要安装:监测监控系统 井下人员定位系统 紧急避险系统 压风自救

3、系统 供水施救系统 通信联络系统等技术装备要求于要求于3 3年之内完成。逾期未安装的,依法暂扣安全生产许可年之内完成。逾期未安装的,依法暂扣安全生产许可证、生产许可证。证、生产许可证。第六章 煤矿井下人员定位系统3/212022-12-20 2 2、意义、意义 煤矿井下人员定位系统又称煤矿井下人员位置监测系统或煤矿井下作业人员管理系统,是由地面监控中心主计算机在系统软件支持下,通过数据传输接口和沿巷道铺设的通讯光缆或电缆,无间断、即时地对井下安装的无线数据采集器进行数据信息采集,无线数据采集器将自动采集有效识别距离内的标识卡的信息,并通过传输网络将相关数据传送至地面中心站。该系统能够实现对矿井

4、人员位置、携卡人员出入井时刻、重点区域出入时刻、限制区域出入时刻、工作时间、井下和重点区域人员数量、井下人员活动路线等监测、显示、打印、存储、查询、异常报警、路径跟踪、管理等功能。充分利用矿井安全监测监控系统平台,无须重复布线,仅需增加相应的人员跟踪定位无线数据采集基站、无线编码发射器、人员跟踪定位处理软件即可实现。能够清楚掌握每个人员在煤矿井下的位置及活动轨迹,为事故抢险提供科学依据。第六章 煤矿井下人员定位系统4/212022-12-20 煤矿井下人员位置监测系统在遏制超定员生产、事故应急救援、领导下井带班管理、特种作业人员管理、井下作业人员考勤等方面发挥着重要作用。(1)遏制超定员生产;

5、(2)防止人员进入危险区域;(3)及时发现未按时升井人员;(4)加强特种作业人员管理;(5)加强干部带班管理;(6)煤矿井下作业人员考勤管理;(7)应急救援与事故调查技术支持(系统有2h备用电源、标识卡电池7D);(8)持证上岗管理;(9)具有紧急呼叫功能的系统;(10)减少工作量、提高工作效率;(11)加强企业内部之间信息共享。第六章 煤矿井下人员定位系统5/212022-12-20二、煤矿井下人员定位系统组成及工作原理二、煤矿井下人员定位系统组成及工作原理1 1、组成、组成:煤矿井下人员位置监测系统一般由标识卡、位置监测:煤矿井下人员位置监测系统一般由标识卡、位置监测分站、电源箱(可与分站

6、一体化)、传输接口、主机(含显示分站、电源箱(可与分站一体化)、传输接口、主机(含显示器)、系统软件、服务器、打印机、大屏幕、器)、系统软件、服务器、打印机、大屏幕、UPSUPS电源、远程终电源、远程终端、网络接口、电缆和接线盒等组成。端、网络接口、电缆和接线盒等组成。煤矿井下人员位置监测系统组成煤矿井下人员位置监测系统组成 煤矿井下人员位置监测系统示意图煤矿井下人员位置监测系统示意图 第六章 煤矿井下人员定位系统6/212022-12-20 2 2、煤矿井下人员定位系统工作原理、煤矿井下人员定位系统工作原理 在井下需要进行人员跟踪的区域和巷道中根据现场具体需要放置一定数量的多功能分站,系统的

7、分站是采集信号的关键部件,形成系统后,它将不断地通过发射天线发出载波信号(寻找信号)。当带有标识卡的职工通过分站附近时,它发出的固定频率的电磁场将同标识卡芯片里的谐振电路产生共振,这时,标识卡芯片即被唤醒,原本处于“体眠状态”的芯片被激活并将含有自身种类识别码标志(姓名、年龄、所属单位、工种、通过时间等)的信息代码调制到载波上经卡内天线发射出。安装在分站里的读卡模块是采集射频标识卡的第一门户通道,也是读卡器中最重要的个功能部件。读卡模块内部集成了无线接收电路及发生基波信号的功率输出电路。它将接受到标识卡发来的识别码信息在其内部经读卡模块的解调、带通滤波整形后由输出电路输出序列串行信号 第六章

8、煤矿井下人员定位系统7/212022-12-20三、煤矿井下人员定位系统分类及装备要求三、煤矿井下人员定位系统分类及装备要求1 1、煤矿井下人员定位系统分类、煤矿井下人员定位系统分类2 2、煤矿井下人员定位系统装备要求、煤矿井下人员定位系统装备要求1 1)按)按工作原理工作原理分:场强式、射频标签式、其他。分:场强式、射频标签式、其他。2 2)按)按信号传输方向信号传输方向分:单向、半双工、全双工。分:单向、半双工、全双工。3 3)按)按标识卡结构标识卡结构分:与矿灯一体、与手机一体、与分:与矿灯一体、与手机一体、与BPBP机一体、机一体、帽卡、胸卡、腰卡、其他。帽卡、胸卡、腰卡、其他。4 4

9、)按)按系统结构系统结构分类:独立式、与煤矿安全监控系统一体、与分类:独立式、与煤矿安全监控系统一体、与煤矿井下移动通信系统一体、其他。煤矿井下移动通信系统一体、其他。5 5)按)按标识卡供电方式标识卡供电方式分:有源卡、无源卡。分:有源卡、无源卡。6 6)按)按标识卡的工作频率标识卡的工作频率分:特高频(分:特高频(300MHz3GHz300MHz3GHz)、超高频)、超高频(3GHz30GHz3GHz30GHz)、其他。)、其他。7 7)按)按功能功能分:非连续监测式、连续监测式、其他。分:非连续监测式、连续监测式、其他。(1 1)各个人员出入井口、采掘工作面等重点区域出)各个人员出入井口

10、、采掘工作面等重点区域出/入口、盲巷入口、盲巷等限制区域等地点应设置分站,并能满足相关要求。等限制区域等地点应设置分站,并能满足相关要求。(2 2)巷道分支处应设置分站,并能满足监测携卡人员出)巷道分支处应设置分站,并能满足监测携卡人员出/入方向入方向的要求。的要求。(3 3)下井人员应携带标识卡。标识卡严禁擅自拆开。)下井人员应携带标识卡。标识卡严禁擅自拆开。(4 4)工作不正常的标识卡严禁使用。两个多)工作不正常的标识卡严禁使用。两个多10%10%。(5 5)矿调度室应设置显示设备,显示井下人员位置等。)矿调度室应设置显示设备,显示井下人员位置等。(6 6)设正常和唯一性检测的装置,)设正

11、常和唯一性检测的装置,可采用虹膜、人脸等自动检测可采用虹膜、人脸等自动检测方法方法。煤矿井下人员位置监测系统标识卡正常工作和下井人员每人煤矿井下人员位置监测系统标识卡正常工作和下井人员每人一张卡,且仅携带表明自己身份的卡,是遏制超能力生产、加强一张卡,且仅携带表明自己身份的卡,是遏制超能力生产、加强煤矿井下作业人员管理、为应急救援提供技术支持的必要条件煤矿井下作业人员管理、为应急救援提供技术支持的必要条件。第六章 煤矿井下人员定位系统8/212022-12-20第二节第二节 矿井下无线通讯及射频识别技术矿井下无线通讯及射频识别技术一、煤矿井下无线通讯技术一、煤矿井下无线通讯技术1 1、目前常用

12、的无线通信方式、目前常用的无线通信方式1 1)蓝牙技术)蓝牙技术2 2)红外技术)红外技术3 3)超宽频技术()超宽频技术(UWBUWB)4 4)Wi-FiWi-Fi技术技术5 5)ZigbeeZigbee技术技术 蓝牙技术是一种全球通用的小范围无线通信技术,是针蓝牙技术是一种全球通用的小范围无线通信技术,是针对目前近距离便携式器件之间的红外线链路(对目前近距离便携式器件之间的红外线链路(IrDA)而提出的,)而提出的,是低成本、短距离无线个人网络传输应用,其主要目标是提供一是低成本、短距离无线个人网络传输应用,其主要目标是提供一个全世界通行的无线传输环境,通过无线电波来实现所有移动设个全世界

13、通行的无线传输环境,通过无线电波来实现所有移动设备之间的信息传输服务。备之间的信息传输服务。优点:优点:蓝牙技术应用红外线收发器连接虽然能免去电线蓝牙技术应用红外线收发器连接虽然能免去电线或电缆的连接;或电缆的连接;缺点:缺点:距离只限于距离只限于12m,而且必须在视线上直接对准,而且必须在视线上直接对准,中间不能有任何阻挡,同时直限于在两个设备之间进行连接,不中间不能有任何阻挡,同时直限于在两个设备之间进行连接,不能同时连接更多的设备。能同时连接更多的设备。红外技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术。红外技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术。优点:优点:是无须申请频率使用权,因而红外通

14、信成本低廉;是无须申请频率使用权,因而红外通信成本低廉;体积小,功耗低,连接方便,简单易用的特点;由于数据传输率体积小,功耗低,连接方便,简单易用的特点;由于数据传输率较高,因而适于传输大容量的文件和多媒体数据;红外线发射角较高,因而适于传输大容量的文件和多媒体数据;红外线发射角度较小,传输安全性高。度较小,传输安全性高。不足:不足:它是一种视距传输,两个相互通信的设备之间必须它是一种视距传输,两个相互通信的设备之间必须对准,中间不能被其他物体阻隔,因而该技术只能用于两台设备对准,中间不能被其他物体阻隔,因而该技术只能用于两台设备之间的连接。之间的连接。超宽频技术(超宽频技术(Ultra Wi

15、deBand,UWB)是一种独特的、)是一种独特的、很有前景的无线通信技术。很有前景的无线通信技术。优点:优点:该技术在时域中以纳秒级的非正旋波窄脉冲信号为该技术在时域中以纳秒级的非正旋波窄脉冲信号为载波,因而在领域中具有扁平的很宽的频谱,目前建议标准的带载波,因而在领域中具有扁平的很宽的频谱,目前建议标准的带宽为宽为55Mb/s,通过调频避免与其他无线信号的冲突;由于结构简,通过调频避免与其他无线信号的冲突;由于结构简单,且成本低,在家用方面很有市场。单,且成本低,在家用方面很有市场。缺点:缺点:可能会成为潜在的干扰源,同时由于功率限制,传可能会成为潜在的干扰源,同时由于功率限制,传输距离短

16、,只有输距离短,只有10m左右的距离。左右的距离。Wi-Fi(wireless fidelity,无线保真)即,无线保真)即802.11b/g标准工标准工作在作在2.4GHz 的频带,采用的频带,采用CCK调制技术,传输速率最高分别可调制技术,传输速率最高分别可达到达到11Mbit/s和和54Mbit/s。Wi-Fi是由是由AP(Access Point,无线,无线访问节点)和无线网卡组成的无线网络。访问节点)和无线网卡组成的无线网络。优点:优点:速度快,可靠性高,在开放性区域,通讯距离可达速度快,可靠性高,在开放性区域,通讯距离可达305m,在封闭性区域,通讯距离为,在封闭性区域,通讯距离为

17、76m 到到122m,方便与现有的,方便与现有的有线以太网络整合;可移动性、价格低廉。有线以太网络整合;可移动性、价格低廉。基于基于IEEE 802.15.4协议规定的协议规定的ZigBee技术是一种新兴的技术是一种新兴的无线通信技术:蜜蜂(无线通信技术:蜜蜂(bee)+“嗡嗡嗡嗡”(zig)优点:近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率(工作速优点:近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率(工作速率大约为率大约为20250 kb/s)、低成本(不到蓝牙的)、低成本(不到蓝牙的1/10)、安全)、安全(提供了三级安全模式)以及自动动态组网与自主路由。主要适(提供了三级安全模式)以及自动动态组网与自主路

18、由。主要适合用于自动控制和远程控制领域,支持地理定位功能,它是一种合用于自动控制和远程控制领域,支持地理定位功能,它是一种介于无线标记技术和蓝牙技术之间的技术方案,可以嵌入许多其介于无线标记技术和蓝牙技术之间的技术方案,可以嵌入许多其它的设备。它的设备。第六章 煤矿井下人员定位系统9/212022-12-202 2、影响煤矿井下定位的主要因素影响煤矿井下定位的主要因素(1)多径传播)多径传播(2)多址干扰)多址干扰(3)信号同步误差)信号同步误差 无线信号的多径传播现象会使得基于角度和时间的定位无线信号的多径传播现象会使得基于角度和时间的定位方法产生较大的误差,主要原因是多径传播会对测量代表收

19、发双方法产生较大的误差,主要原因是多径传播会对测量代表收发双方实际距离和方位的直射路径(方实际距离和方位的直射路径(LOS)信号的角度和时延产生)信号的角度和时延产生较大的干扰。较大的干扰。多址干扰是影响系统性能和容量的主要因素,当对定位多址干扰是影响系统性能和容量的主要因素,当对定位信号进行测量时,多址干扰的存在仍然会对测量结果产生较大的信号进行测量时,多址干扰的存在仍然会对测量结果产生较大的干扰。但是目前大多数效果较好的多用户检测算法当用户数量较干扰。但是目前大多数效果较好的多用户检测算法当用户数量较多时,其运算量非常大,实现较为困难。多时,其运算量非常大,实现较为困难。在进行在进行TOA

20、估计的过程中,信号时间延迟的估计精度与估计的过程中,信号时间延迟的估计精度与估计过程中参考信号和接收信号之间的同步程度有关,即检测到估计过程中参考信号和接收信号之间的同步程度有关,即检测到的信号峰值是否为真正的峰值点,特别是对于多径传播环境下,的信号峰值是否为真正的峰值点,特别是对于多径传播环境下,如何在相关波形中获取较好的相关峰值点很重要。当接收信号和如何在相关波形中获取较好的相关峰值点很重要。当接收信号和参考信号的同步较差时,会展宽相关波形,同时会出现较为严重参考信号的同步较差时,会展宽相关波形,同时会出现较为严重的旁瓣,这些对的旁瓣,这些对TOA估计的影响很大。估计的影响很大。因此,在设

21、计人员定位系统之前必须对巷道内无线通讯因此,在设计人员定位系统之前必须对巷道内无线通讯环境进行分析。环境进行分析。第六章 煤矿井下人员定位系统10/212022-12-203 3、煤矿井下无线通讯特点煤矿井下无线通讯特点(1)衰减与频率的关系)衰减与频率的关系(2)衰减与曲率的关系)衰减与曲率的关系(3)巷道半径对无线传输的影响)巷道半径对无线传输的影响(4)衰减与粗糙度、倾斜度的关系)衰减与粗糙度、倾斜度的关系(5)接收点有用信号十分微弱)接收点有用信号十分微弱(6)井下环境机电噪声干扰严重)井下环境机电噪声干扰严重 矿井巷道对电波的自由传播可视为带阻型。在矿井巷道对电波的自由传播可视为带阻

22、型。在甚低频段甚低频段以以及低频、中频的低端,衰减随频率增加而增大;在中频高端和高及低频、中频的低端,衰减随频率增加而增大;在中频高端和高频段,衰减达到最大,频段,衰减达到最大,30MHZ的电波的衰减最大,最不利于传的电波的衰减最大,最不利于传输;进入高频后,衰减随频率上升而减小。频率越高,传输衰减输;进入高频后,衰减随频率上升而减小。频率越高,传输衰减越小,但当频率升高时,电波的拐弯能力变差,拐角处的损耗增越小,但当频率升高时,电波的拐弯能力变差,拐角处的损耗增大,传输距离减小。大,传输距离减小。衰减随着巷道曲率增加而增大。通过对矿井无线传输特衰减随着巷道曲率增加而增大。通过对矿井无线传输特

23、点的分析,可以看出,特低频、甚低频、特高频频段衰减最小,点的分析,可以看出,特低频、甚低频、特高频频段衰减最小,拐角损耗随着频率的升高而逐渐增大。中频段借助于感应体传输拐角损耗随着频率的升高而逐渐增大。中频段借助于感应体传输距离也可以达到距离也可以达到1000m以上,但由于工作频率较低时,易受工以上,但由于工作频率较低时,易受工频电磁干扰,且信道容量小,要求发射机功率大,无线体积大。频电磁干扰,且信道容量小,要求发射机功率大,无线体积大。特别是中频感应通信,当感应线发生故障或无纵向导体时,通信特别是中频感应通信,当感应线发生故障或无纵向导体时,通信距离大大减小。因此,矿井移动通信系统不适合选用

24、频率较低的距离大大减小。因此,矿井移动通信系统不适合选用频率较低的工作频率。工作频率。矿井无线传输受巷道截面等效半径与波长的比值影响,矿井无线传输受巷道截面等效半径与波长的比值影响,比值越大,传输衰减越小,巷道断面大对通信有利。巷道截面对比值越大,传输衰减越小,巷道断面大对通信有利。巷道截面对无线传输影响程度与波长有关,当巷道截面等效半径与波长相差无线传输影响程度与波长有关,当巷道截面等效半径与波长相差不大于不大于10倍时(大于或小于),巷道截面尺寸对无线传输的影倍时(大于或小于),巷道截面尺寸对无线传输的影响最大,当巷道截面等效半径远远大于或远远小于波长时,巷道响最大,当巷道截面等效半径远远

25、大于或远远小于波长时,巷道截面对无线传输的影响较小。巷道截面一般在几平方米至十几平截面对无线传输的影响较小。巷道截面一般在几平方米至十几平方米之间,因此,巷道截面对中频及其以下频率的无线传输影响方米之间,因此,巷道截面对中频及其以下频率的无线传输影响较小,对高频、甚高频和特高频的无线传输影响较大。较小,对高频、甚高频和特高频的无线传输影响较大。首先,在井下移动通信中,天线的发射效率低;其次,首先,在井下移动通信中,天线的发射效率低;其次,无线电波在井下巷道这样一个特定的非自由空间传播,决定电磁无线电波在井下巷道这样一个特定的非自由空间传播,决定电磁波传播速度的煤岩层介电常数和磁导率变化很大,因

26、而传播速度波传播速度的煤岩层介电常数和磁导率变化很大,因而传播速度也不断发生变化;再次,由于巷道壁、井下障碍物等反射,形成也不断发生变化;再次,由于巷道壁、井下障碍物等反射,形成反射波。因此,到达基站接收天线的信号不止一个,由于它们有反射波。因此,到达基站接收天线的信号不止一个,由于它们有着不同的幅度、相位和时延量,使到达基站接收的信号时大时小,着不同的幅度、相位和时延量,使到达基站接收的信号时大时小,造成多径效应的现象,使接收点的有用信号十分微弱。造成多径效应的现象,使接收点的有用信号十分微弱。当电波在巷道中传播时,由于巷道壁的粗糙与倾斜,将当电波在巷道中传播时,由于巷道壁的粗糙与倾斜,将引

27、起电波损耗。当频率较低时,粗糙所引起的损耗较大;当频率引起电波损耗。当频率较低时,粗糙所引起的损耗较大;当频率较高时,倾斜所引起的损耗较大。较高时,倾斜所引起的损耗较大。煤矿井下空间窄小,机电设备相对集中、功率大。因此,煤矿井下空间窄小,机电设备相对集中、功率大。因此,电磁干扰严重,特别是大型机电设备启停,架线电机车电火花等电磁干扰严重,特别是大型机电设备启停,架线电机车电火花等对通信设备干扰大。对通信设备干扰大。第六章 煤矿井下人员定位系统11/212022-12-20名称甚低频低频中频高频甚高频超高频特高频极高频符号VLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF频率3-30KHz 30-300

28、KHz 0.3-3MHz 3-30MHz30-300MHz0.3-3GHz 3-30GHz 30-300GHz波段超长波长波中波短波米波分米波厘米波毫米波波长1KKm-100Km10Km-1Km1Km-100m 100m-10m10m-1m1m-0.1m10cm-1cm10mm-1mm传播特性空间波为主地波为主地波与天波天波与地波空间波空间波空间波空间波主要用途海岸潜艇通信;远距离通信;超远距离导航越洋通信;中距离通信;地下岩层通信;远距离导航船用通信;业余无线电通信;移动通信;中距离导航远距离短波通信;国际定点通信电离层散射;流星余迹通信;人造电离层通信;对空间飞行体通信;移动通信小容量微波

29、中继通信;对流层散射通信;中容量微波通信大容量微波中继通信;数字通信;卫星通信;国际海事卫星通信再入大气层时的通信;波导通信中国无线电频率划分及主要用途中国无线电频率划分及主要用途 第六章 煤矿井下人员定位系统12/212022-12-20二、二、射频识别技术简介射频识别技术简介1 1、射频识别技术概念、射频识别技术概念 1)射频识别技术)射频识别技术 2)射频的定义)射频的定义2、射频识别系统原理及特点、射频识别系统原理及特点 1)射频识别系统组成和工作原理:)射频识别系统组成和工作原理:信号发射机、接收机、天线信号发射机、接收机、天线 2)射频识别技术的基本工作原理)射频识别技术的基本工作

30、原理 3)射频识别技术特点)射频识别技术特点 RFID(Radio Frequency Identification,射频识别)技,射频识别)技术是从术是从20世纪世纪90年代兴起的一项自动识别技术,利用无线射频年代兴起的一项自动识别技术,利用无线射频方式进行非接触通信,以达到自动识别目标对象的目的并获得相方式进行非接触通信,以达到自动识别目标对象的目的并获得相关数据,识别工作无须人工干预,可工作于各种恶劣的环境。最关数据,识别工作无须人工干预,可工作于各种恶劣的环境。最早应用于通讯控制、高速公路、桥梁的自动收费以及安全领域。早应用于通讯控制、高速公路、桥梁的自动收费以及安全领域。以前由于成本

31、过高,影响了其向更广的领域拓展。近十年来,随以前由于成本过高,影响了其向更广的领域拓展。近十年来,随着大规模集成电路制造工艺的不断提高,芯片集成度越来越高,着大规模集成电路制造工艺的不断提高,芯片集成度越来越高,功能越来越强,元器件封装不断减小,使得射频识别系统的成本功能越来越强,元器件封装不断减小,使得射频识别系统的成本大大降低,体积也大大减小,真正进入到实用化阶段,成为一种大大降低,体积也大大减小,真正进入到实用化阶段,成为一种成熟的自动识别技术。成熟的自动识别技术。射频就是射频电流,它是一种高频交流变化电磁波的简射频就是射频电流,它是一种高频交流变化电磁波的简称称,每秒变化小于,每秒变化

32、小于1000次的交流电称为低频电流,大于次的交流电称为低频电流,大于10000次次的称为高频电流,而射频就是这样一种高频电流。在电子学理论的称为高频电流,而射频就是这样一种高频电流。在电子学理论中,电流流过导体,导体周围会形成磁场;中,电流流过导体,导体周围会形成磁场;交变电流通过导体,交变电流通过导体,导体周围会形成交变的电磁场,被称为电磁波。导体周围会形成交变的电磁场,被称为电磁波。在电磁波频率低在电磁波频率低于于100kHz时,电磁波会被地表吸收,不会形成有效的传输,但时,电磁波会被地表吸收,不会形成有效的传输,但电磁波频率高于电磁波频率高于100kHz时,电磁波可以在空气中传播,并经大

33、时,电磁波可以在空气中传播,并经大气层外缘的电离层反射,形成远距离传输能力,把远距离传输能气层外缘的电离层反射,形成远距离传输能力,把远距离传输能力的高频电流称为力的高频电流称为射频射频。射频识别系统一般都由信号发射机、信号接收机、发射接收天线几射频识别系统一般都由信号发射机、信号接收机、发射接收天线几部分组成,在射频识别系统工作过程中,始终以能量作为基础,通过一定的部分组成,在射频识别系统工作过程中,始终以能量作为基础,通过一定的时序方式来实现数据交换。时序方式来实现数据交换。(1)读卡器将无线电载波信号经过发射天线向外发射。)读卡器将无线电载波信号经过发射天线向外发射。(2)当标签进入发射

34、天线的工作区后,激活、发射自身信息。)当标签进入发射天线的工作区后,激活、发射自身信息。(3)系统的接收天线接收标签发出的载波信号,经天线的调节)系统的接收天线接收标签发出的载波信号,经天线的调节器传输给读卡器、读取信息并解码后,送计算机控制器。器传输给读卡器、读取信息并解码后,送计算机控制器。(4)计算机控制器根据逻辑运算判断该标签的合法性,并做出)计算机控制器根据逻辑运算判断该标签的合法性,并做出相应的处理和控制,发出指令信号控制执行机构的动作。相应的处理和控制,发出指令信号控制执行机构的动作。(5)执行机构按照计算机的指令动作。)执行机构按照计算机的指令动作。读取方便快捷、识别速度快、数

35、据容量大、使用寿命长,应用范围读取方便快捷、识别速度快、数据容量大、使用寿命长,应用范围广、标签数据可动态更改、更好的安全性、动态实时通信。广、标签数据可动态更改、更好的安全性、动态实时通信。RFID是一种突破性的技术:第一:可以识别是一种突破性的技术:第一:可以识别单个的非常具体的物体单个的非常具体的物体,而不是像条形码那样只能识别一类物体;第二:其采用无线电射频,而不是像条形码那样只能识别一类物体;第二:其采用无线电射频,可以透可以透过外部材料读取数据过外部材料读取数据,而条形码必须靠激光来读取信息;第三:可以同时,而条形码必须靠激光来读取信息;第三:可以同时对对多个物体进行识读多个物体进

36、行识读,而条形码只能一个一个地读。,而条形码只能一个一个地读。第六章 煤矿井下人员定位系统13/212022-12-20三、射频识别系统的设计三、射频识别系统的设计1 1、RFIDRFID读卡器读卡器 1)读卡器的基本功能读卡器的基本功能 2)读卡器的分类)读卡器的分类 3)读卡器的工作方式)读卡器的工作方式 读卡器一般由天线、射频模块、读写模块组成读卡器一般由天线、射频模块、读写模块组成。天线天线是发射和接收射频载波信号的设备是发射和接收射频载波信号的设备;射频模块射频模块由射频振荡器、射频处理器、射频接收器以及由射频振荡器、射频处理器、射频接收器以及前置放大器等组成,该模块可接收和发射射频

37、载波前置放大器等组成,该模块可接收和发射射频载波;读写模块读写模块由放大器、解码及纠错电路、微处理器、时钟由放大器、解码及纠错电路、微处理器、时钟电路、标准接口以及电源组成,它可以接收射频模块传输的信号,电路、标准接口以及电源组成,它可以接收射频模块传输的信号,解码后获得标签内信息,可将要定稿标签的信息编码后传递给射解码后获得标签内信息,可将要定稿标签的信息编码后传递给射频模块,完成写标签操作频模块,完成写标签操作。根据使用用途,可将读卡器划分为工业读卡器、固定式根据使用用途,可将读卡器划分为工业读卡器、固定式读卡器、读卡器、OEM读卡器、便携式读卡器等。读卡器、便携式读卡器等。读卡器的读卡器

38、的基本构成基本构成 读卡器主要有两种工作方式,一种是读卡器主要有两种工作方式,一种是TTF(Tag Talks First,标签先标签先发言发言),另一种是),另一种是RTF(Reader Talks First,读卡器先发言读卡器先发言),这是读卡器),这是读卡器的防冲突协议方式。的防冲突协议方式。一般标签处于一般标签处于“等待等待”或称为或称为“休眠休眠”的工作状态。当标签进入读卡的工作状态。当标签进入读卡器的作用范围时,检测到一定特征的射频信号,便从器的作用范围时,检测到一定特征的射频信号,便从“休眠休眠”状态转到状态转到“接接收收”状态,接收读卡器发出的命令,进行相应的处理,并将结果返

39、回给读卡状态,接收读卡器发出的命令,进行相应的处理,并将结果返回给读卡器。这类只有接收到读卡器特殊命令才发送数据的标签被称为器。这类只有接收到读卡器特殊命令才发送数据的标签被称为RTF方式;与方式;与此相反,进入读卡器的能量场即主动发送自身系列号的标签被称为此相反,进入读卡器的能量场即主动发送自身系列号的标签被称为TTF方式。方式。TTF和和RTF协议相比,协议相比,TTF方式的标签具有识别速度快等特点,适用于需要高方式的标签具有识别速度快等特点,适用于需要高速应用的场合;另外,它在噪声环境中更稳健,在处理标签数量动态变化的速应用的场合;另外,它在噪声环境中更稳健,在处理标签数量动态变化的场合

40、也更为实用。因此,更适于工业环境的跟踪和定位应用。场合也更为实用。因此,更适于工业环境的跟踪和定位应用。第六章 煤矿井下人员定位系统14/212022-12-202 2、RFIDRFID标签标签(又叫电子标签或智能标签,持久性、大容量)又叫电子标签或智能标签,持久性、大容量)1)标签)标签的基本的基本组成组成 2)标签的分类)标签的分类 3)RFID标签的封装标签的封装 一般标签由天线、调制器、编码发生器、时钟以及存储一般标签由天线、调制器、编码发生器、时钟以及存储器等组成,时钟把所有电路功能时序化,以使存储器中的数据在器等组成,时钟把所有电路功能时序化,以使存储器中的数据在精确的时间内被传送

41、到读卡器;存储器中的数据是应用系统规定精确的时间内被传送到读卡器;存储器中的数据是应用系统规定的唯一性编码,在标签被安装在识别对象上以前已被定入,数据的唯一性编码,在标签被安装在识别对象上以前已被定入,数据读出时,编码发生器把存储器中的数据编码,调制器接收由编码读出时,编码发生器把存储器中的数据编码,调制器接收由编码器编码后的信息,通过天线电路将此信息发射或反射到读卡器。器编码后的信息,通过天线电路将此信息发射或反射到读卡器。数据写入时,由控制器控制将天线收到的信号解码后写入存储器。数据写入时,由控制器控制将天线收到的信号解码后写入存储器。(1)按)按供电方式供电方式:有源标签和无源标签;:有

42、源标签和无源标签;(2)按)按工作方式工作方式:主动式和被动式标签;:主动式和被动式标签;(3)按)按读写方式读写方式:只读型和读写型标签;:只读型和读写型标签;(4)按)按工作频率工作频率:分为低频(:分为低频(30300kHz)、中高频)、中高频(330MHz)、超高频以及微波标签,其典型工作频率为)、超高频以及微波标签,其典型工作频率为433.92MHz、862(902)928MHz、1.45GHz、5.8GHz;(5)按)按作用距离作用距离:密耦合(:密耦合(1cm)、近耦合(约)、近耦合(约15cm)、)、疏耦合(约疏耦合(约1m)及远距离()及远距离(1m10m,甚至更远)标签。,

43、甚至更远)标签。标签的标签的基本构成基本构成 (1)封装材质:)封装材质:RFID标签的封装材质主要有标签的封装材质主要有纸标签纸标签、塑料标签塑料标签和和玻玻璃标签璃标签。(2)封装形式)封装形式 根据标签不同的应用场合,可将标签封装成不同的形状,使其满足不根据标签不同的应用场合,可将标签封装成不同的形状,使其满足不同需要。主要形式有:信用卡和半信用卡标签,线形标签,盘形标签,自粘同需要。主要形式有:信用卡和半信用卡标签,线形标签,盘形标签,自粘标签,片上线圈,其它如钥匙扣形标签、手表形标签等。标签,片上线圈,其它如钥匙扣形标签、手表形标签等。第六章 煤矿井下人员定位系统15/212022-

44、12-203 3、RFIDRFID天线天线 1)选择天线的主要参数选择天线的主要参数 2)读卡器天线)读卡器天线(1)电感式系统的天线)电感式系统的天线(2)微波系统的天线)微波系统的天线 3)标签天线)标签天线 (1)天线的工作频率范围(频带宽度)天线的工作频率范围(频带宽度)(2)天线的增益)天线的增益 (3)天线的极化)天线的极化 (4)天线的波瓣宽度)天线的波瓣宽度 (5)天线的输入阻抗)天线的输入阻抗Zin (6)有效长度)有效长度 电感式系统的天线的选择原则。在读卡器天线的设计或选择必须满足电感式系统的天线的选择原则。在读卡器天线的设计或选择必须满足的条件有:一是天线线圈的电流电大

45、,以用于产生最大的磁通量;二是功率的条件有:一是天线线圈的电流电大,以用于产生最大的磁通量;二是功率匹配,以便最大程度地利用磁通量的可用通量;三是足够的带宽,保证载波匹配,以便最大程度地利用磁通量的可用通量;三是足够的带宽,保证载波信号的传输。信号的传输。电感式系统的天线的连接方法。一是利用电流匹配来进行连接,对于电感式系统的天线的连接方法。一是利用电流匹配来进行连接,对于135kHz以下频率范围内的典型的低成本读卡器,高频接口和天线线圈是相邻以下频率范围内的典型的低成本读卡器,高频接口和天线线圈是相邻安装在一起的,甚至常常是在同一块电路板上。二是通过同轴电缆馈接,对安装在一起的,甚至常常是在

46、同一块电路板上。二是通过同轴电缆馈接,对于超过于超过1 MHz以上的频率或是以上的频率或是135 kHz频率范围内较长的导线长度,通常都是频率范围内较长的导线长度,通常都是使用屏蔽电缆,即同轴电缆。使用屏蔽电缆,即同轴电缆。品质因数的影晌。电感读卡器天线的品质因数可通过线圈电阻与线圈电品质因数的影晌。电感读卡器天线的品质因数可通过线圈电阻与线圈电阻的欧姆损耗和阻的欧姆损耗和/或串联电阻的比值计算出来。或串联电阻的比值计算出来。读卡器的读卡器的基本构成基本构成 微波系统所使用的天线类型是基于带状线技术的天线,即所谓的平面微波系统所使用的天线类型是基于带状线技术的天线,即所谓的平面天线。这种天线的

47、特点是建造高度较低并且结构坚固,能方便地使用光刻技天线。这种天线的特点是建造高度较低并且结构坚固,能方便地使用光刻技术制造出来,有很高的可复制性,辐射器的基本元件是直角微带导线组成的。术制造出来,有很高的可复制性,辐射器的基本元件是直角微带导线组成的。为了得到不同的定向和极化效应,可以用不同的方式把辐射器元件组合在一为了得到不同的定向和极化效应,可以用不同的方式把辐射器元件组合在一起。起。(1)标签天线应具有的性能)标签天线应具有的性能 主要包括:一是体积足够小;二是有全向或半球覆盖的方向性;三是主要包括:一是体积足够小;二是有全向或半球覆盖的方向性;三是给标签提供能量;四是天线的极化能与读卡

48、器的查询信号相匹配;五是价格给标签提供能量;四是天线的极化能与读卡器的查询信号相匹配;五是价格便宜。便宜。(2)标签天线的形式)标签天线的形式 考虑到天线的阻抗、辐射模式、局部结构、作用距离等因素的影响,考虑到天线的阻抗、辐射模式、局部结构、作用距离等因素的影响,为了以最大功率传输,在标签中不应该使用全向天线,而应该使用方向性天为了以最大功率传输,在标签中不应该使用全向天线,而应该使用方向性天线。因为它具有更少的辐射模式和更少的返回损耗干扰。线。因为它具有更少的辐射模式和更少的返回损耗干扰。第六章 煤矿井下人员定位系统16/212022-12-204 4、RFIDRFID防冲突方法防冲突方法

49、1)RFID冲突产生的原因冲突产生的原因 对于读卡器来说,信号冲突常可分为两种对于读卡器来说,信号冲突常可分为两种:(1)读卡器与读卡器之间的干扰)读卡器与读卡器之间的干扰(2)多读卡器到标签间的干扰)多读卡器到标签间的干扰 2)防冲突的方法)防冲突的方法 3)校验方式)校验方式 射频读卡器通过多种方式和标签传送信息,通常读卡器射频读卡器通过多种方式和标签传送信息,通常读卡器利用天线在周围形成磁场,被动标签从磁场中接收到能量然后利用天线在周围形成磁场,被动标签从磁场中接收到能量然后将其信号发送给读卡器,读卡器将信息转化成电子信息。有时将其信号发送给读卡器,读卡器将信息转化成电子信息。有时信号太

50、微弱,让彼此传递的一方无法收到或辨识;有时信号太信号太微弱,让彼此传递的一方无法收到或辨识;有时信号太相近,造成接受端信号的混乱,一般相近,造成接受端信号的混乱,一般RFID的读卡器一次只能与的读卡器一次只能与一个标签进行沟通,因而会有所谓冲突的问题。一个标签进行沟通,因而会有所谓冲突的问题。RFID的信号碰撞一般可分为标签信号碰撞以及读卡器的信号碰撞一般可分为标签信号碰撞以及读卡器信号碰撞两大类,前者是指一个读卡器同时收到多个标签所返信号碰撞两大类,前者是指一个读卡器同时收到多个标签所返回的信号,造成读卡器无法准确判读或造成误读,后者则是一回的信号,造成读卡器无法准确判读或造成误读,后者则是

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