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葛付存
（盐城生物工程高等学校，汽车电子系，江苏省盐城市，224051）
摘要：恶劣环境下工作人员的定位管理问题一直是工业安全生产的难点，针对人员定位技术的需求，利用射频技术对人员定位管理系统进行设计研究，采用系统需求分析的方法给出了系统的结构与功能设计框架，重点从技术方案角度研究了基于射频技术的人员定位系统的实现，探讨了射频模块、数据接口及现场总线网络的技术实现方案，能够从根本上解决目前恶劣环境下人员定位难的现状，对于进一步提高恶劣环境下人员定位技术的应用水平及保障工业安全生产均具有较好的指导与借鉴意义。 关键词：恶劣环境；射频技术；人员定位；现场总线
Design and Research on Personnel Positioning System
in Harsh Environment
Ge Fucun
理疗裤
(Yancheng Biology Engineering Higher School,Automotive Electronics Department,Yancheng,Jiangsu Province,
224051,China)
Abstract:The problem that personnel positioning and management in harsh environment is always the hot problem for the safety of industrial production,aiming at the requirement of personnel positioning,the personnel positioning and management system based on radio frequency(RF)technology was researched.The structure and function frame of system were pointed out by taking use of system requirement analysis method,and the realization of personnel positioning system based on RF technology was researched from the viewpoint of technical,and the technology solutions of RF modules,data interfaces and field bus network were also discussed in detail,which could solve the current situation that it is difficult to locate staff in harsh environment.All this work has good guidance and reference for enhancing the application level of personnel positioning in harsh environment and the safety of industrial production.
Key words:Harsh Environment;Radio Frequency Technology;Personnel Positioning;Field Bus 1引言
近年来，随着工业生产对能源资源需求量的逐渐增加，人们已经加大了对石油、煤炭资源的开采，尤
其是在我国，我国能源在很大程度上依赖于煤炭资源。煤炭资源的开采属于极度恶劣情况下的工况，尤其是现在煤矿事故的数量不断增加，事故中的伤亡人数也不断增加。为了减少煤矿事故的发生，减少国家财产的损失和保障矿工的人身安全，加强煤矿安全生产，提高事故发生后抢险救灾的效率就显得尤为重要。为此，在矿灾发生的情况下如何对井下矿工的快速定位、为抢救赢得宝贵时间成为了矿灾抢救的关键。为此，必须对恶劣环境下的人员定位技术展开研究。
目前对于恶劣环境下的人员定位技术的应用，主要是利用无线射频技术实现的人员定位系统，其系统结构主要有下面几种：
(1)分站与读卡器一体式
这种结构系统的特点是每台分站即是电源、通讯、存储的设备，同时又是读卡器。优点是接线少，故障率低，电力供应充足。缺点是监测读卡点布置多时成本较高。
(2)分站带读卡器式
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这种结构系统的特点是一台分站带几个读卡器；暂时称为星形结构，分站只是负责接收各读卡器采集来的卡号，以及卡号的存取和上传。优点是监测读卡点布置灵活，读卡器与分站之间距离最远可达1km，供电地点需要少，读卡器重量轻，成本适中。缺点是电缆使用量相对较多，接线点多容易发生故障，读卡器由于受供电的制约，总长度受限制。
为了克服上述两种定位系统的弊端，拟提出分站加总线带读卡器式，这种系统的结构是一台分站带一条总线，在总线上接有读卡器，采用不同的现场总线可以连接不同数量的读卡器，在恶劣环境下监测读卡点时非常方便灵活，同时成本较低，配合地面组态软件的图形化分析，能够非常便捷的实现对恶劣环境下的人员定位。
2人员定位系统总体设计
2.1系统体系结构设计
恶劣环境下人员定位管理系统主要包括下位机射频模块，上位机管理软件，现场总线网络，数据接口等四个部分，具体系统的硬件构成示意图如下图1所示。
图1系统硬件构成示意图
Figure1Composition Sketch of System Hardware
2.2系统功能设计
ccty人员定位系统主要功能按照实际需求进行开发，主要包括如下功能：
(1)射频模块中的读卡器实现与员工身上的射频标签之间的双向数据通信和传输，进而借助网络实现与地面计算机的通讯；
(2)恶劣环境下的人员携带的射频标签能够实时的将本人的身份信息通过射频模块与射频控制模块之间实现双向通讯；
(3)射频模块中的电源电池是射频模块正常工作的动力源保障，同时采用备用电源有利于保障恶劣环境下射频模块通讯过程的安全；
(4)射频模块与地面上位机通讯留有RS485接口、CAN接口，因此能够保证射频模块与现场网络之间的数据通信，实现将定位员工的信息传输到地面的上位机；
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(5)上位机中包含一套完整的管理软件，能够对射频模块经现场网络传输过来的数据进行图形化显示，进而确定人员的定位信息。
3人员定位系统的实现
3.1射频模块的设计与实现
射频模块主要是由具有无线射频功能的通信卡构成，在该系统中，由于恶劣复杂环境下一般信号强度不是很大，为了确保通讯效果的可靠与稳定，需要对射频通讯模块进行比较选择，最终选择的是具有稳定通讯功能的Aeroflex3000PXI模块，以此来实现射频模块与现场
总线网络的通讯，进而实现射频模块对恶劣复杂环境下人员的定位。
图2控制模块原理框图
Figure2Principle Chart of Control Module
如上图所示，射频模块控制模块主要包括控制单元和数据接口模块。控制单元模块的主要功能是通过射频模块实现对恶劣环境下员工标签信息的读取，并对读取到的信息进行处理，并通过数据接口传输到现场总线网络，由上位机进行数据分析并以图像化的方式显示恶劣环境下员工的定位信息；另一方面，在射频模块的数据接口设计方面，主要由现行的主流RS485通讯接口、CAN通讯接口和RS232接口等构成，以实现射频模块与上位机之间的数据通信。
3.2数据接口及现场总线网络的组态设计
(1)上下位机通讯数据接口的设计
该人员定位系统中，作为下位机的人员定位射频控制模块中都配有两种基本的数据传输接口，即RS485接口和CAN接口，然而目前工业环境中的通讯网络接口都是以传输可靠性高为特点的RS232接口作为数据传输接口，因此这就牵涉到下位机数据接口的设计与实现。在本系统中，通过专用数据接口将RS485和CAN接口转换为现场总线的标准接口RS232，从而实现下位机数据接口向现场总线传输数据信息，最终被上位机的组态程序接收并用于图形化显示，从而确定恶劣复杂环境下的人员定位信息。本设计中数据接口的功能原理如图3所示。
图3数据接口的功能原理框图
Figure3Function Principle Sketch of Data Interface
(2)主从式现场总线网络的组态设计
恶劣环境下人员定位系统主要是基于射频模块实现数据读取和传输的，而定位人员身上带的射频模块通过与工业环境中的通讯电缆通信传输，最终通过专用的数据接口将人员定位信息传输到上位机中，由上位机组态软件以图像的形式进行人员定位数据信息的显示。因此有必要对上位机组态程序进行设计，这里以RS485接口为例进行现场总线网络的组态设计。
由于RS485接口具有较强的抗干扰能力，传输距离较远等优点，因此本系统主要以RS485接口作为现场总线传输的数据接口，这里也以RS485接口为例分析上位机组态程序的设计。如下图所示，是基于
RS485接口的主从式网络示意图，用于人员定位的射频信息卡作为数据源，通过RS485接口将人员定位信息最终传输到现场网络总线，被上位机接收并进行数据的
分析和图形化显示。
图4RS485主从式总线网络
Figure4RS485Bus Network of Principal and Subordinate
4结语
随着我国工业的飞速发展，工业危险工况和恶劣环境下对于员工的人身安全有着严重的威胁，一旦发生事故灾难，工作人员的抢救无疑是重中之重，但是如何快速获取恶劣环境下人员的方位信息，是为抢救赢取时间的关键，过去由于无法确定遇险人员的人数及位置而耽误了抢救时间的例子不少，因此如何快速定位恶劣环境下人员的位置成为保障工业安全生产的一个重要方面。本论文通过采用射频模块，设计数据采集监测接口，构建现场总线，实现由地面控制中心对恶劣环境下员工的身份信息和位置信息的全面监控，为恶劣环境下人员的定位提供一种新的实现思路和技术方案，对于进一步提高我国工业生产人员定位技术的普及应用具有一定的借鉴和指导意义。
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