应用于井下作业管理的RFID系统的研究与设计

摘要

由于自动化与信息化的普及水平还不高，我国国民经济的重要支柱产业——矿产业还依靠人工来进行井下作业，而近几年来频频发生的矿难事故为这一行业敲响了警钟。面对错综复杂的井下作业环境，地面人员只有依靠先进的监控设备才能及时了解井下人员、车辆的位置，对人员和车辆进行实时的监控、管理和调度，以免因人员疏忽、通道堵塞、车辆碰撞等造成的损失，一旦事故发生，监控设备还可以帮助地面人员实时地掌握被困人员的分布信息，及时有效地制定出抢救方案，以避免灾难的进一步扩大，将损失降到最低。 本课题中研究和设计的一套RFID系统就是将热点技术RFID运用到传统行业中，利用RFID无线通信能力为井下作业管理提供了高效、安全和实用的解决方案。系统井下部分是由安装在各个监测点巷道壁上的阅读器和携带于人员或车辆上的标签组成，当标签经过某个阅读器时，阅读器对标签进行识别，再将标签信息通过RS485总线返回到地面监控PC。课题中完成了整套系统的设计工作，包括阅读器与标签的电路设计、天线设计以及软件设计三部分。系统采用有源2.4GHz电磁耦合的工作方式，具有远距离识别能力；系统电路PCB板已调试通过，完成了预期的设计目标；设计了两款新型印刷单极子天线分别用于阅读器和应答器，天线具有全向辐射特性，可与系统电路集成印刷，实现了一体化、小型化的设计初衷，有效地降低了制作成本；VisualC++编写的地面监控应用软件为地面人员提供了实时监控界面与控制终端；而将AdHoc网络的概念引入到RFID系统中，在节点中加入了路由机制，初步设计的一种简单的小型RFID自组织网络，是对RFID系统应用性的进一步拓展，可以实现在事故发生时对某一特定节点的搜索工作，具有辅助救援的作用。 整套系统是在RFID射频识别技术的基础上搭建的一条地面上下沟通的桥梁，为井下作业管理提供了先进的、实用的解决方案，对改善井下安全生产管理有着重要的现实意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1 RFID系统概述

1.1.1国内外RFID系统的发展历史与现状

1.1.2射频识别技术的优点及应用领域

1.1.3 RFID系统的发展方向

1.2本文的选题背景和主要工作

1.2.1 RFID井下作业管理系统的研究背景和意义

1.2.2本文的主要工作和内容安排

第二章RFID井下作业管理系统的总体构架

2.1系统总体设计要点

2.2系统工作频率的选择

2.2.1 RFID系统的频率划分与应用范围

2.2.2本课题的频率选择依据

2.3系统构成及工作原理

2.4系统实现功能

2.4.1简单查询功能

2.4.2特定目标搜索功能

2.5本章小结

第三章RFID井下作业管理系统硬件电路的设计

3.1阅读器电路设计

3.1.1主控模块MCU简介

3.1.2 RF收发模块电路及MCU对其控制电路的设计

3.1.3单片机对LCD显示模块的控制电路

3.1.4单片机ISP下载模块电路

3.1.5阅读器串行通信电路的设计

3.1.6阅读器电源电路的设计

3.2标签电路设计

3.2.1核心芯片选择和介绍

3.2.2主要电路设计

3.3 RFID系统电路硬件调试

3.4本章小结

第四章RFID井下作业管理系统天线的设计

4.1微波段RFID天线的主要设计参数和系统常用天线类型

4.1.1微波段RFID天线的主要设计参数

4.1.2微波段RFID系统的常用天线类型

4.2 RFID井下作业管理系统天线的设计

4.2.1天线设计思路

4.2.2天线仿真与测量结果

4.3本章小结

第五章RFID井下作业管理系统软件的设计

5.1 RFID系统无线通信协议

5.1.1频率划分

5.1.2RF块的配置

5.1.3无线通信协议帧格式

5.2阅读器通信协议的设计

5.2.1单片机控制RF模块的通信程序设计

5.2.2单片机控制LCD模块的显示程序设计

5.2.3单片机与PC端的串行通信程序设计

5.3标签通信协议的设计

5.4地面监控应用程序设计

5.4.1 Visual C++的MSCOMM控件概述

5.4.2地面监控室应用软件功能介绍及主要程序

5.5本章小结

第六章Ad Hoc技术在RFID系统中的初步研究

6.1Ad Hoc技术简介及与本系统结合的研究意义

6.1.1AD Hoc技术简介

6.1.2 REID自组织网络的研究意义

6.2小型REID网络协议的设计与实现

6.2.1 RFID网络协议栈模型

6.2.2 REID路由协议基本原理

6.2.3 REID路由协议路由表

6.2.4 REID路由协议帧格式

6.2.5 REID路由协议的操作

6.2.6特定目标节点搜索功能

6.3本章小结

第七章总结与展望

致谢

参考文献

作者攻读硕士学位期间的学术成果

附录