射頻識(shí)別技術(shù)在礦山安全管理中的應(yīng)用
摘 要：射頻識(shí)別技術(shù)RFID 是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)信息。RFID 識(shí)別無(wú)須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。近年來(lái)，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(dòng)我國(guó)礦山安全管理技術(shù)的變革。
關(guān)鍵詞：射頻識(shí)別；礦山；安全管理
0 引 言
射頻識(shí)別（ Radio Frequency Identification，RFID）又稱(chēng)電子標(biāo)簽（E - Tag），是一種利用射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)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(shí)”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(lái)信息社會(huì)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(duì)各類(lèi)物體或設(shè)備（ 人員、物品）在不同狀態(tài)（移動(dòng)或靜止）下的識(shí)別和數(shù)據(jù)交換。與同期或早期的接觸式識(shí)別技術(shù)不同，RFID 系統(tǒng)的射頻識(shí)別卡和閱讀器之間不用接觸就可完成識(shí)別。它具有以下特點(diǎn)：
?。?）操作方便，工作距離長(zhǎng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的識(shí)別；
?。?）無(wú)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(zhǎng)；
?。?）射頻識(shí)別卡無(wú)外露金屬觸點(diǎn)，整個(gè)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；
?。?）對(duì)無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都經(jīng)過(guò)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(hào)是唯一的，制造商在卡出廠(chǎng)前已將此序號(hào)固化，安全性高；
?。?）卡內(nèi)具有防碰撞機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多個(gè)移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別；
?。?）信號(hào)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(lái)，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(xiàn)（Antenna）組成，每個(gè)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(shí)目標(biāo)對(duì)象。RFID 標(biāo)簽依據(jù)發(fā)送射頻信號(hào)的方式不同，分為主動(dòng)式（Active）和被動(dòng)式（ Passive）兩種。主動(dòng)式標(biāo)簽主動(dòng)向讀寫(xiě)器發(fā)送射頻信號(hào)，通常由內(nèi)置電池供電，又稱(chēng)為有源標(biāo)簽；被動(dòng)式標(biāo)簽不帶電池，又稱(chēng)為無(wú)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(lái)自閱讀器產(chǎn)生的電磁波。被動(dòng)式標(biāo)簽在接收到閱讀器發(fā)出的電磁波信號(hào)后，將部分電磁能量轉(zhuǎn)化為供自己工作的能量。主動(dòng)式標(biāo)簽通常具有更遠(yuǎn)的通信距離，其價(jià)格相對(duì)較高，主要應(yīng)用于貴重物品遠(yuǎn)距離檢測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域。被動(dòng)式標(biāo)簽具有價(jià)格便宜的優(yōu)勢(shì)，但其工作距離、存儲(chǔ)容量等受到能量來(lái)源的限制。
RFID 標(biāo)簽根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合、形狀、工作頻率和工作距離等因素的不同采用不同類(lèi)型的天線(xiàn)。一個(gè)RFID 標(biāo)簽通常包含一個(gè)或多個(gè)天線(xiàn)。RFID 標(biāo)簽和閱讀器工作時(shí)所使用的頻率稱(chēng)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(gè)頻段。 RFID 頻率的選擇影響信號(hào)傳輸?shù)木嚯x、速度等，同時(shí)還受到各國(guó)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(hào)，并接收標(biāo)簽的應(yīng)答，對(duì)標(biāo)簽的對(duì)象標(biāo)識(shí)信息進(jìn)行解碼，將對(duì)象標(biāo)識(shí)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(gè)重要組成部分。該中間件為應(yīng)用提供一系列計(jì)算功能，在電子產(chǎn)品編碼（ Electronic ProductCode，EPC）規(guī)范中被稱(chēng)為Savant。其主要任務(wù)是對(duì)閱讀器讀取的標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾、匯集和計(jì)算，減少?gòu)拈喿x器傳往企業(yè)應(yīng)用的數(shù)據(jù)量。同時(shí)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(gè)接口。用戶(hù)可以根據(jù)工作距離、工作頻率、工作環(huán)境要求、天線(xiàn)極性、壽命周期、大小及形狀、抗干擾能力、安全性和價(jià)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(shí)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(wú)接觸地讀取并識(shí)別電子標(biāo)簽中所保存的電子數(shù)據(jù)，從而達(dá)到自動(dòng)識(shí)別物體的目的。閱讀器通過(guò)天線(xiàn)發(fā)送出一定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)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(chǎng)系統(tǒng)中，閱讀器（Reader）發(fā)出一個(gè)電磁（EM）波，電磁波以一個(gè)球形波向前傳播，電子標(biāo)簽淹沒(méi)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(gè)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(gè)合適的能量場(chǎng)以激勵(lì)電子標(biāo)簽。
3 RFID 在礦山安全管理中的應(yīng)用
無(wú)線(xiàn)及移動(dòng)通信設(shè)備的應(yīng)用帶動(dòng)了人們對(duì)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(xiàn)或超聲波的定位系統(tǒng)以及基于移動(dòng)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(duì)物體的唯一標(biāo)識(shí)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(hào)強(qiáng)度來(lái)測(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)安全管理的目的。
