射頻識別技術(shù)在礦山安全管理中的應(yīng)用

摘 要：射頻識別技術(shù)rfid 是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)信息。rfid 識別無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。近年來，rfid 技術(shù)已經(jīng)成功地引入到礦山安全管理領(lǐng)域，并展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。介紹了rfid 系統(tǒng)的基本構(gòu)成、工作原理及其在礦山安全管理中的應(yīng)用情況，旨在推動我國礦山安全管理技術(shù)的變革。

關(guān)鍵詞：射頻識別；礦山；安全管理

0 引 言

射頻識別（ radio frequency identification，rfid）又稱電子標(biāo)簽（e - tag），是一種利用射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)信息的技術(shù)。rfid 最早的應(yīng)用可追溯到第二次世界大戰(zhàn)中用于區(qū)分聯(lián)軍和納粹飛機(jī)的“ 敵我辨識”系統(tǒng)［1］。隨著技術(shù)的進(jìn)步，rfid 應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大［2，3］，并將成為未來信息社會建設(shè)的一項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)。rfid 利用射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，實(shí)現(xiàn)人們對各類物體或設(shè)備（ 人員、物品）在不同狀態(tài)（移動或靜止）下的識別和數(shù)據(jù)交換。與同期或早期的接觸式識別技術(shù)不同，rfid 系統(tǒng)的射頻識別卡和閱讀器之間不用接觸就可完成識別。它具有以下特點(diǎn)：

（1）操作方便，工作距離長，可以實(shí)現(xiàn)對移動目標(biāo)的識別；

（2）無硬件接觸，避免了因機(jī)械接觸而產(chǎn)生的各種故障，使用壽命長；

（3）射頻識別卡無外露金屬觸點(diǎn)，整個卡片完全密封，具有良好的防水、防塵、防污損、防磁、防靜電性能，適合惡劣環(huán)境條件下（ 如溫、濕度變化大，灰塵多，難以保持卡面清潔的井下環(huán)境）工作；

（4）對無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都經(jīng)過隨機(jī)序列的加密，并有完善、保密的通信協(xié)議，卡內(nèi)序列號是唯一的，制造商在卡出廠前已將此序號固化，安全性高；

（5）卡內(nèi)具有防碰撞機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)同時對多個移動目標(biāo)進(jìn)行識別；

（6）信號的穿透能力強(qiáng)（ 可穿透墻壁、路面、衣物、人等），數(shù)據(jù)傳輸量小，抗干擾能力強(qiáng)，感應(yīng)靈敏，易于維護(hù)和操作。

近年來，rfid 技術(shù)已經(jīng)成功地引入到礦山安全管理領(lǐng)域］，并展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。

1 rfid 系統(tǒng)構(gòu)成

基本的rfid 系統(tǒng)由rfid 標(biāo)簽（tag）、rfid 閱讀器（reader）及其應(yīng)用支撐軟件等幾部分組成。rfid 標(biāo)簽（tag）由芯片與天線（antenna）組成，每個標(biāo)簽具有唯一的電子編碼。標(biāo)簽附著在物體上以標(biāo)識目標(biāo)對象。rfid 標(biāo)簽依據(jù)發(fā)送射頻信號的方式不同，分為主動式（active）和被動式（ passive）兩種。主動式標(biāo)簽主動向讀寫器發(fā)送射頻信號，通常由內(nèi)置電池供電，又稱為有源標(biāo)簽；被動式標(biāo)簽不帶電池，又稱為無源標(biāo)簽，其發(fā)射電波及內(nèi)部處理器運(yùn)行所需能量均來自閱讀器產(chǎn)生的電磁波。被動式標(biāo)簽在接收到閱讀器發(fā)出的電磁波信號后，將部分電磁能量轉(zhuǎn)化為供自己工作的能量。主動式標(biāo)簽通常具有更遠(yuǎn)的通信距離，其價格相對較高，主要應(yīng)用于貴重物品遠(yuǎn)距離檢測等應(yīng)用領(lǐng)域。被動式標(biāo)簽具有價格便宜的優(yōu)勢，但其工作距離、存儲容量等受到能量來源的限制。

rfid 標(biāo)簽根據(jù)應(yīng)用場合、形狀、工作頻率和工作距離等因素的不同采用不同類型的天線。一個rfid 標(biāo)簽通常包含一個或多個天線。rfid 標(biāo)簽和閱讀器工作時所使用的頻率稱為rfid 工作頻率。目前rfid 使用的頻率跨越低頻（lf）、高頻（hf）、超高頻（uhf）、微波等多個頻段。 rfid 頻率的選擇影響信號傳輸?shù)木嚯x、速度等，同時還受到各國法律法規(guī)的限制。rfid 閱讀器（reader）的主要任務(wù)是控制射頻模塊向標(biāo)簽發(fā)射讀取信號，并接收標(biāo)簽的應(yīng)答，對標(biāo)簽的對象標(biāo)識信息進(jìn)行解碼，將對象標(biāo)識信息連帶標(biāo)簽上其它相關(guān)信息傳輸?shù)街鳈C(jī)以供處理。根據(jù)應(yīng)用不同，閱讀器可以是手持式或固定式。rfid 應(yīng)用支撐軟件除了標(biāo)簽和閱讀器上運(yùn)行的軟件外，介于閱讀器與應(yīng)用之間的中間件是其中的一個重要組成部分。該中間件為應(yīng)用提供一系列計算功能，在電子產(chǎn)品編碼（ electronic productcode，epc）規(guī)范中被稱為savant。其主要任務(wù)是對閱讀器讀取的標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾、匯集和計算，減少從閱讀器傳往企業(yè)應(yīng)用的數(shù)據(jù)量。同時savant 還提供與其他rfid 支撐系統(tǒng)進(jìn)行互操作的功能。savant定義了閱讀器和應(yīng)用兩個接口。用戶可以根據(jù)工作距離、工作頻率、工作環(huán)境要求、天線極性、壽命周期、大小及形狀、抗干擾能力、安全性和價格等因素選擇適合自己應(yīng)用的rfid 系統(tǒng)。

2 rfid 技術(shù)基本原理

在實(shí)際應(yīng)用中，rfid 電子標(biāo)簽附著在待識別物體的表面，電子標(biāo)簽中保存有約定格式的電子數(shù)據(jù)。

閱讀器可無接觸地讀取并識別電子標(biāo)簽中所保存的電子數(shù)據(jù)，從而達(dá)到自動識別物體的目的。閱讀器通過天線發(fā)送出一定頻率的射頻信號，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入磁場時產(chǎn)生感應(yīng)電流從而獲得能量，發(fā)送出自身編碼等信息，被讀取器讀取并解碼后送至電腦主機(jī)進(jìn)行有關(guān)處理。在電磁場系統(tǒng)中，閱讀器（reader）發(fā)出一個電磁（em）波，電磁波以一個球形波向前傳播，電子標(biāo)簽淹沒在這樣傳播的電磁波中并從電磁波中收集一些能量。在任何一個點(diǎn)上，可用的能量的大小與該點(diǎn)距發(fā)射機(jī)的距離有關(guān)。由上可知，閱讀器必須在可閱讀的距離范圍內(nèi)產(chǎn)生一個合適的能量場以激勵電子標(biāo)簽。

3 rfid 在礦山安全管理中的應(yīng)用

無線及移動通信設(shè)備的應(yīng)用帶動了人們對位置感知服務(wù)的需求，人們需要確定物品的3 維坐標(biāo)并跟蹤其變化?，F(xiàn)有的定位服務(wù)系統(tǒng)主要包括基于衛(wèi)星定位的gps 系統(tǒng)、基于紅外線或超聲波的定位系統(tǒng)以及基于移動網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)。rfid 為人與物體的空間定位與跟蹤服務(wù)提供了一種新的解決方案。rfid 定位與跟蹤系統(tǒng)主要利用標(biāo)簽對物體的唯一標(biāo)識特性，依據(jù)閱讀器與安裝在物體上的標(biāo)簽之間射頻通信的信號強(qiáng)度來測定物品的空間位置，應(yīng)用于gps 系統(tǒng)難以應(yīng)用的室內(nèi)定位。目前，rfid系統(tǒng)在礦山安全管理中的應(yīng)用主要是實(shí)現(xiàn)人與設(shè)備的定位及跟蹤來實(shí)現(xiàn)安全管理的目的。

3. 1 基于rfid 的井下人員跟蹤定位

礦井危險性事故時有發(fā)生，井下復(fù)雜的環(huán)境給人員撤離和事故搶救帶來極大困難。若能及早確定井下人員所處的位置，會給營救工作帶來極大方便，將人員損失減少到最小。現(xiàn)有的識別技術(shù)，無論是ic 卡、手紋識別技術(shù)還是紅外線編碼識別技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)簡單的人員考勤，無法很好解決對多個移動的物體和人員進(jìn)行快速識別和跟蹤。采用rfid 自動識別技術(shù)，對井下人員、設(shè)備進(jìn)行跟蹤定位在一定程度上能夠保障人員生命安全、減少財產(chǎn)的損失。將閱讀器安裝在井下一些重要的峒室、危險區(qū)等需要監(jiān)控的地方，分布區(qū)域的大小可視井下具體環(huán)境而定。射頻識別卡可以內(nèi)嵌在安全帽中，無需附加攜帶裝備。在井下，員工只要穿過感應(yīng)區(qū)域，閱讀器就將接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)傳輸電纜傳送到地面中心站，處理后保存到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中?；趓fid 的井下人員定位系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)如下功能［4］：

（1）井下人員查詢功能。實(shí)時查詢當(dāng)前井下人員的分布情況（分布區(qū)域的大小由閱讀器的分布情況而定）；查詢?nèi)我蝗藛T某一時刻所處的位置；查詢?nèi)我蝗藛T當(dāng)日或某日的活動蹤跡。

（2）安全保障功能。發(fā)現(xiàn)人員丟失或發(fā)現(xiàn)井下人員超過規(guī)定時間，自動報警提示并提供相關(guān)人員的名單；對事故現(xiàn)場被埋人員進(jìn)行搜尋和定位，以便及時救護(hù)。

（3）統(tǒng)計考勤功能。對下井人員進(jìn)行下井次數(shù)、井下停留時間等信息分類統(tǒng)計，便于考核；與此相應(yīng)的中長期數(shù)據(jù)儲存和有關(guān)報表的打印。

（4）信息聯(lián)網(wǎng)功能。作為礦山局域網(wǎng)的信息源，具有功能完善的數(shù)據(jù)庫?？上騧is 網(wǎng)提供所需與人員有關(guān)的實(shí)時統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

3. 2 礦山井下機(jī)車定位跟蹤

礦山機(jī)車的實(shí)時定位對拓展礦山軌道網(wǎng)現(xiàn)存容量，提高礦山機(jī)車的出行密度，提高礦山機(jī)車運(yùn)作的安全性等都有著重要的意義。準(zhǔn)確地了解每輛機(jī)車在任一時刻的位置就等于在任何時候都能夠動態(tài)地調(diào)整機(jī)車的啟程和到站時間，并且提高機(jī)車對不能預(yù)見情況的反應(yīng)，從而大大提高礦山運(yùn)輸?shù)馁|(zhì)量，有力保障礦山運(yùn)輸?shù)陌踩?/p>

目前，rfid 技術(shù)運(yùn)用于礦山機(jī)車定位跟蹤系統(tǒng)的技術(shù)已基本形成。廈門礦通科技有限公司的“ 礦山機(jī)車定位跟蹤系統(tǒng)”，其工作頻率可達(dá)125khz，使用可讀寫標(biāo)簽時，其閱讀速度可達(dá)300 km/h，并可將有關(guān)信息下載至標(biāo)簽的空閑內(nèi)存中。對于干線機(jī)車定位系統(tǒng)，可將無源標(biāo)簽以100 m 的間距固定于枕木上，標(biāo)簽讀寫器及通訊設(shè)備安裝于車上，并聯(lián)至車載微機(jī)。該系統(tǒng)由地面信標(biāo)、移動讀標(biāo)器、無線數(shù)傳、可視調(diào)度、無線對講、聲光報警等部分組成。運(yùn)行中，如果兩個機(jī)車太靠近（ 小于或等于3個信標(biāo)器間隔）時，機(jī)車變成紅色顯示，如果允許聲音報警，則同時發(fā)出報警聲。管理員分為3 個等級：系統(tǒng)級、高級和普通。系統(tǒng)級管理員可以對程序進(jìn)行任何操作。高級管理員可以進(jìn)行除“系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置”外的其它操作，普通管理員不能進(jìn)行參數(shù)設(shè)置操作。每個管理員都有相應(yīng)的工號，管理員登錄時，使用工號進(jìn)行登錄。系統(tǒng)日志記錄管理員值班信息。當(dāng)以高級管理員登錄時，可以保存和清空日志信息。如果要重放機(jī)車運(yùn)行位置信息，可以使用回放功能。

3. 3 人員進(jìn)出礦區(qū)自動識別管理

對于礦區(qū)內(nèi)的炸藥庫等重要安全部門或設(shè)施，可以運(yùn)用rfid 系統(tǒng)進(jìn)行人員出入自動識別。識別系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)如下主要功能：

（1）遠(yuǎn)距離識別（1 ～ 10 m），免刷卡操作，方便用戶人性化管理；

（2）自動記錄人員進(jìn)出時間、地點(diǎn)信息；

（3）人員進(jìn)出可實(shí)現(xiàn)圖像對比，有效控制無關(guān)人員進(jìn)出；

（4）對射頻卡設(shè)置相應(yīng)權(quán)限，控制有關(guān)人員可出入的地點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)未授權(quán)卡、失效卡、報失卡（ 黑名單卡）通過報警；

（5）同時允許多人同行；

（6）可適應(yīng)從高速大范圍到小范圍的各種使用環(huán)境；

（7）采用中低頻對人體無傷害的電磁污染；

（8）系統(tǒng)設(shè)備和射頻卡為用戶提供了獨(dú)一無二的識別編碼，從根本上消除了復(fù)制、偽造和作弊的現(xiàn)象，從而達(dá)到高度保密；

（9）系統(tǒng)軟件操作簡單、方便；

（10）系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，易于維護(hù)。

識別系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控管理3部分組成。數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要是遠(yuǎn)距離非接觸采集人員通過的時間、地點(diǎn)信息。數(shù)據(jù)傳輸主要是完成出入口與監(jiān)控室之間的網(wǎng)絡(luò)連接。監(jiān)控管理部分主要是對上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提供完整的通行記錄報告，生成考勤統(tǒng)計報表等，并實(shí)時監(jiān)控人員進(jìn)出狀態(tài)，將數(shù)據(jù)存入硬盤備查；當(dāng)人員非法進(jìn)入或不按規(guī)定通道進(jìn)出時，系統(tǒng)報警。當(dāng)持卡人員進(jìn)出大門設(shè)置的識別區(qū)域時，其隨身攜帶的射頻卡被系統(tǒng)識別，計算機(jī)自動調(diào)取該卡的相關(guān)信息，值班人員根據(jù)系統(tǒng)預(yù)存的個人圖像資料，可判斷該持卡人通過是否合法有效。當(dāng)無卡、失效卡、掛失卡人員進(jìn)入識別區(qū)域時，系統(tǒng)檢測不到該人員的信息時提供報警信息。

4 結(jié)束語

當(dāng)前，rfid 技術(shù)已成為it 業(yè)界的研究熱點(diǎn)，被視為it 業(yè)的下一個“金礦”。rfid 技術(shù)為礦山安全管理提供了新的有效途徑。目前基于rfid 的礦山安全管理技術(shù)的研究和應(yīng)用仍然處于起步階段，但可以預(yù)見，隨著rfid 技術(shù)的不斷發(fā)展，其在礦山安全管理領(lǐng)域的研究和應(yīng)用將得到迅速發(fā)展，并將有力推動礦山安全管理的技術(shù)變革和創(chuàng)新。