基于CAN总线和RFID的矿井定位系统设计

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，以最快的速度开展营救工作，保障矿工的生命安全，在矿井中布置基于高新技术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个全球唯一的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精确的定位信息，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）总线最早由德国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：国际标准的工业级现场总线，传输可靠，实时性高;传输距离远（无中继最远10km），传输速率快（最高1bit/s）;单条总线最多可接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联系，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，性价比极高。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，但此频段还未推出专用的读写器模块，因此本系统的重点是射频读写器的研制。[!--empirenews.page--]

　　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，数据速率最高达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Select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。

　　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最新的ISO/IEC18000—6c国际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。