有源RFID在井下人员定位系统中的研究与设计

论文摘要

我国煤炭安全生产现状与世界一些发达国家和发展中国家相比差距甚远，煤矿安全事故的不断发生给国家财产和人民的生命安全带来了不可弥补的损失。近年来，国家对煤矿的安全生产日益重视，监管力度也在不断加强，研究稳定有效的井下人员定位系统的已是迫在眉睫，其中备受瞩目的是基于射频识别(RadioFrequency Identification，RFID)的井下人员定位系统。目前国内外学者对RFID系统的研究以无源系统居多，而关于超高频段(UHF)的有源RFID的研究却很少。与无源标签相比，有源RFID标签具有通信距离长、数据传输量大、可靠性高和兼容性好等特点。由于有源标签采用电池供电，而电池的容量和使用时间有限，为了延长电池使用寿命，所以必须对系统进行低功耗设计。本文在研究有源RFID基本工作原理的基础上，以低功耗设计为原则，结合电磁波在井下巷道的无线传输特性，确定了井下无线通信的最佳工作频率，设计了一种适合煤矿井下人员定位的有源RFID读写系统。论文首先阐明了选题的背景及意义，详细介绍了RFID的发展历程、自身的优势、应用中面临的问题和发展前景。其次，分析了RFID技术的组成、分类以及RFID系统研究过程中涉及的几大关键技术，并给出了井下人员定位系统的总体设计框架。接着，利用模式理论对电磁波在井下巷道的无线传输特性进行了深入分析，确定以915MHz作为井下无线通信的工作频率。然后选用低功耗芯片MSP430F2012和CC1100完成了有源RFID系统读写器和标签的硬件电路设计。之后，在IAREmbedded Workbench开发环境中采用C语言完成了读写器和标签数据通信软件代码和基于TDMA的防碰撞设计流程。程序设计部分也采用了低功耗设计，使芯片在不需要工作的时候处于休眠状态。最后利用JTAG仿真器对有源RFID系统进行了在线调试，读写器和标签能正常通信，验证了系统的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 课题来源和意义
• 1.2 RFID 在煤矿安全方面的应用现状
• 1.3 RFID 技术简介
• 1.3.1 RFID 技术发展简史
• 1.3.2 RFID 技术特点
• 1.3.3 RFID 技术面临的挑战
• 1.3.4 RFID 技术发展前景
• 1.4 论文章节安排
• 第2章 RFID 技术基础
• 2.1 RFID 系统组成
• 2.2 RFID 系统分类
• 2.3 RFID 系统工作原理
• 2.4 RFID 系统的通信学基础
• 2.4.1 信号编码
• 2.4.2 调制与解调
• 2.4.3 数据的完整性和安全性
• 2.5 RFID 系统关键技术研究
• 2.5.1 系统工作频率选择
• 2.5.2 防碰撞技术
• 2.5.3 定位技术
• 2.5.4 天线技术
• 2.5.5 低功耗设计
• 2.5.6 安全与隐私保护
• 2.6 井下人员定位系统的总体设计
• 2.6.1 系统组成
• 2.6.2 系统的工作原理
• 2.7 本章小结
• 第3章 系统部分的硬件设计与实现
• 3.1 读写器硬件设计
• 3.1.1 读写器组成
• 3.1.2 控制模块
• 3.1.3 无线收发模块
• 3.1.4 接口模块
• 3.2 有源标签硬件设计
• 3.2.1 有源标签低功耗设计
• 3.2.2 有源标签的硬件设计
• 3.3 本章小结
• 第4章 系统部分软件设计与实现
• 4.1 数据帧结构
• 4.2 CC1100 初始化配置
• 4.2.1 CC1100 复位
• 4.2.2 CC1100 寄存器配置
• 4.2.3 功率寄存器的配置
• 4.3 主要函数介绍
• 4.4 低功耗程序设计
• 4.5 基于 TDMA 的防碰撞设计
• 4.6 本章小结
• 第5章 系统调试及测试
• 5.1 系统调试环境
• 5.2 系统调试方法与步骤
• 5.3 系统调试结果及分析
• 5.4 低功耗测试
• 5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 Ⅰ