CN101201906A - 人员佩带电子标签及其自组网方法 - Google Patents

人员佩带电子标签及其自组网方法 Download PDF

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本发明属于矿井人员管理系统制造技术领域，是一种人员佩带(或设备安装)电子标签及其自组网方法，电子标签主要包含单片机(1)、无线射频收发芯片(1)、天线(3)与电源(4)，主要特点是：该电子标签能够与配套读卡器之间进行无线通信，上报身份信息；另外标签之间可以相互通信并且自动组网，组网后只有网络的组长需要与读卡器之间进行信息交互，实现群体识别的功能。本电子标签采用组网的方式集中上报数据，减少了公用信道通讯数据量，从而减少了无线数据发送冲突的可能，提高了多个电子标签的并发识别效率。

Description

人员佩带电子标签及其自组网方法
技术领域
本发明涉及人员佩戴起身份识别作用的电子标签，特别是用于矿井人员管理系统中起身份识别作用的电子标签及其自组网方法。
背景技术
井下人员的安全，是现代矿井生产中重点关注的问题。在很多现代化矿井中都装配有人员定位管理电子标签，用以对井下人员的活动位置进行实时定位、监控与调度。由于现有人员定位系统的标签发送频率固定、并且普遍采用定时发送的方式与配套读卡器进行联络，当井下某个读卡器附近的电子标签过多时，无线数据发送冲突现象非常严重，从而导致电子标签漏读的严重问题。
发明内容
本发明为解决上述现有技术中存在的问题，提供了一种可以自动组网的人员佩带电子标签及其自组网方法，该电子标签可以提高井下人员定位系统的可靠性。
本发明的技术方案如下：
人员佩带电子标签，其特征是：由所述的单片机(1)、射频收发芯片(2)、2.4G陶瓷天线(3)、电源(4)等组成，所述的射频收发芯片(2)分别与单片机(1)、2.4G陶瓷天线(3)建立通信连接，电源(4)为射频收发芯片(2)、单片机(1)提供工作电源。
人员佩带电子标签的自组网方法，其特征是：电子标签主要由所述的单片机(1)、射频收发芯片(2)、天线(3)与电源(4)模块构成，射频收发芯片(2)可以设置多个信道，每个信道对应于不同的工作频率；再进行下列工作：
1)、将射频收发芯片(2)中设置的多个信道划分为公用信息、组员工作信道(网络小组管理信道)，每个信道对应一个工作频率；设定组长、组员为电子标签在组网过程中的身份称呼；每个电子标签中存储自身的ID号；
2)、设定电子标签发送数据包类型：
  序号   类型  内容   目的地址   发送标签身份
1   组长广播基本信息  自身ID号+组员数量+网络小组管理信道 广播地址 组长
  2   加入请求  自身ID号+组员数量   目标组长   组长
  3   同意加入  自身ID号+组员数量   请求组长   组长
  4   组网数据  自身ID号+所有组员ID号   目标组长   组长
  5   组网成功  自身ID号   请求组长   组长
6 更换组长  自身ID号+新组长ID号+新网络信道号+新网络小组管理信道 本组所有组员 组长
  7   点名  自身ID号   目标组员   组长
  8   点名应答  自身ID号   组长   组员
  9   上报通知  自身ID号   广播地址   读卡器
  10   上报数据  自身ID号+所有组员ID号   目标读卡器   组长
  11   上报成功  自身ID号   组长   读卡器
(3)、标签加电启动过程：
电子标签加电启动后，初始化工作信道到公用信道，并设置为组长身份，设置所管理组员电子标签数量为0，并在多个信道中随机选择一个信道作为组员电子标签工作信道，即网络小组管理信道；
(4)、电子标签组网过程：
①组长标签每间隔T1时间定时在公用信道广播数据包1，数据包包含自身ID号、组员电子标签数量、网络小组管理信道；
②当组长A接收到另外一个组长B的1号数据包后，如果A、B两组的所有组员电子标签数量之和不超过数值M时，组长A向组长B发送2号数据包，请求与组长B组网；
③当组长B接收到组长A的2号数据包时，向组长A发送3号数据包，同意与其组网；
④当组长A接收到组长B发出的3号数据包后，向组长B发送4号数据包，告诉组长B自己所管理组员电子标签的详细信息；
⑤当组长B接收到组长A发出的4号数据包后，把组长A与其所管理的组员电子标签全部作为自己的组员电子标签进行管理，并向组长A发送5号数据包，通知组长A数据组网成功；
⑥当组长A接收到组长B发出的5号数据包后，获知已与组长成功组网，然后切换工作信道到组员工作信道，向组员电子标签广播6号数据包，通知组员电子标签更换组长并切换到新的组员工作信道；组长A之后切换身份为组员，设置组长B为小组组长，并切换到新的组员信道。
⑦组员电子标签在接收到自己的组长发出的6号数据包后，更换自己的组长为数据包中所指定的新组长，并切换到新的组员信道。
(5)、点名过程：
①组长每隔T2时间切换到自己处的网络小组管理信道，对每个电子标签依次发送7号点名数据包；
②当组员电子标签接收到自己的组长发出的7号数据包后，向组长发送8号点名应答数据包；
③当组长在发送7号点名数据包后的T3时间内接收到组员电子标签发送的8号应答数据包后，认为点名成功，否则认为点名失败；
④当组长连续对某一个组员电子标签一次或多次点名失败后，在自己所管理的组员中删除该标签，以后不再对该标签进行点名；
⑤组长点名结束后，再切换到公用信道；
⑥组员电子标签在T4时间内未接收到组长的点名信息时，修改自己的身份为组长，切换到公用信道；
(6)、上报数据过程：
组长在接收到配套读卡器发出的上报通知数据包后，向其发送自己所在子网所有组员电子标签信息。
所述的人员佩带电子标签的自组网方法，其特征是：所述的T1＝500毫秒，T2＝2000毫秒，T3＝100毫秒，T4＝6000毫秒，M＝13。
本发明的有益效果是：可以提高矿井人员定位系统的可靠性。
附图说明
图1为本发明电子标签的结构框图；
图2为本发明电子标签组网示意图；
图3为本发明电子标签等效电路图；
具体实施方式
电子标签主要由单片机U2、射频收发芯片U1、天线ANT1与电源U3组成。单片机U2的振荡器脚OSC1与晶体Y2的1脚连接，振荡器脚OSC2与晶体Y2的3脚连接。电容C14一端与晶体Y2的1脚连接，另一端接地。电容C9一端与晶体Y2的3脚连接，另一端接地。晶体Y2的2、4脚接地，其3脚通过电阻R5接到3.3V电源。
单片机U2的复位脚MCLR连接到电阻R4，电阻R4连接电阻R3和电容C8。电阻R3另一端连接到3.3V电源，电容C8的另一端连接到地。
单片机U2的电源脚第7、8、28、29脚连接到3.3V电源，第6、30、31脚连接到地。
单片机U2的B端口B1、B2、B3脚和C端口C0、C1、C2、C3、C4、C5脚分别连接射频收发芯片U1的第30、28、27、29、31、41、21、32、34、33脚。
射频收发芯片U1的振荡器脚xosc16_q1与晶体Y1的1脚连接，振荡器脚xosc16_q2与晶体Y1的3脚连接。电容C1一端与晶体Y1的1脚连接，另一端接地。电容C2一端与晶体Y1的3脚连接，另一端接地。晶体Y1的2、4脚接地。
射频收发芯片U1的射频输入输出脚rf_p脚连接到电容C4和电感L1、L3。电容C4的另外一端连接到电容C5，电容C5的另外一端连接到2.4G陶瓷天线ANT1。电感L1的另一端连接到射频收发芯片U1的射频输入输出脚rf_n脚。电感L3的另一端连接到射频收发芯片U1的电源脚txrx_switch。电感L2一端连接到射频收发芯片U1的射频输入输出脚rf_n脚，另一端连接在电容C4与电容C5的连接点。电容C6一端连接到射频收发芯片U1的电源脚txrx_switch脚，另一端接地。电容C7一端连接到射频收发芯片U1的射频输入输出脚rf_n脚，另一端接地。
射频收发芯片U1的1.8V电源输出脚vreg_out脚连接到电阻R2，电阻R2的另外一端连接到电容C3，电容C3的另外一端连接到地。
射频收发芯片U1的电源脚第1、2、3、4、10、14、15、17、18、20、26、35、37、44、48连接到1.8V电源。射频收发芯片U1的电源脚第5、9、19、22、23、24连接到地。电容C12、C13的一端连接到1.8V电源，另外一端连接到地。
射频收发芯片U1的电源脚第25、43脚连接到3.3V电源。电容C10、C11一端连接到3.3V电源，另外一端连接到地。
射频收发芯片U1的第46脚连接到电阻R1，电阻R1的另外一端连接到地。
电源芯片U3的电源输入脚VIN和使能脚EN连接到3.7V电源，电源输出脚VO连接到3.3V电源，第2脚连接到地，第4脚悬空。电容C15连接到3.3V电源，另一端接地。
电子标签由井下工作人员随身佩戴，每个电子标签单片机的内置Flash存储器中烧录了该井下工作人员的身份ID信息，即工号。电子标签上电工作后，单片机U2将Flash存储器中员工信息读出，标记为自身的身份。单片机通过SPI总线将需要发送的数据传送给射频收发芯片U1的发送缓冲区，由射频收发芯片U1发送出去，并通过SPI总线从射频收发芯片U1的接收缓冲区读取接收到的无线数据，射频收发芯片U1的工作频段为2.4GHz，发射信号频率为2400-2483.5MHz，在这个频段上又分为16个信道，信道的选择由单片机应用程序确定，并根据组网算法在不同的信道中自由切换。
射频收发芯片U1可以设置在第11至第25信道，每个信道对应于不同的工作频率，如表1所示；电子标签在工作时有两种身份：组长与组员，每个组长标签可以管理12个组员标签，在工作时只需组长标签向配套读卡器上报一次数据，即可达到识别整个小组标签的目的，从而减少单位时间内上报数据标签的数量，即减少了数据上报冲突的可能性，提高了标签上报数据的可靠性。
电子标签工作时发送的数据包如表1所示，具体工作过程如下：
表1：工作信道与工作中心频率对应表
  信道   工作频率(Hz)
  11   2405
  12   2410
  13   2415
  14   2420
  15   2425
  16   2430
  17   2435
  18   2440
  19   2445
  20   2450
  21   2455
  22   2460
  23   2465
  24   2470
  25   2475
  26   2480
表2：电子标签发送数据包类型列表
  序号   类型  内容   目的地址   发送标签身份
1   组长广播基本信息  自身ID号+组员数量+网络小组管理信道 广播地址 组长
  2   加入请求  自身ID号+组员数量   目标组长   组长
  3   同意加入  自身ID号+组员数量   请求组长   组长
  4   组网数据  自身ID号+所有组员ID号   目标组长   组长
  5   组网成功  自身ID号   请求组长   组长
6 更换组长  自身ID号+新组长ID号+新网络信道号+新网络小组管理信道 本组所有组员 组长
  7   点名  自身ID号   目标组员   组长
  8   点名应答  自身ID号   组长   组员
  9   上报通知  自身ID号   广播地址   读卡器
  10   上报数据  自身ID号+所有组员ID号   目标读卡器   组长
  11   上报成功  自身ID号   组长   读卡器
●标签加电启动过程：
电子标签加电启动后，初始化工作信道到第12信道，即公用信道，并设置为组长身份，设置所管理组员数量为0，并在13～26信道中随机选择一个信道作为组员工作信道，即网络小组管理信道；
●电子标签组网过程：
①组长标签每间隔500ms定时在公用信道广播数据包1，数据包包含自身ID号、组员数量、网络小组管理信道；
②当组长A接收到另外一个组长B的1号数据包后，如果A、B两团的所有标签数量之和不超过13时，组长A向组长B发送2号数据包，请求与组长B组网；
③当组长B接收到组长A的2号数据包时，向组长A发送3号数据包，同意与其组网；
④当组长A接收到组长B发出的3号数据包后，向组长B发送4号数据包，告诉组长B自己所管理组员的详细信息；
⑤当组长B接收到组长A发出的4号数据包后，把组长A与其所管理的组员全部作为自己的组员进行管理，并向组长A发送5号数据包，通知组长A数据组网成功；
⑥当组长A接收到组长B发出的5号数据包后，获知已与组长成功组网，然后切换工作信道到组员工作信道，向组员广播6号数据包，通知组员更换组长并切换到新组员信道；组长A之后切换身份为组员，设置组长B为小组组长，并切换到新组员信道。
⑦组员在接收到自己的组长发出的6号数据包后，更换自己的组长为数据包中所指定的新组长，并切换到新组员信道。
●点名过程：
①组长标签每隔2000ms切换到自己处的网络小组管理信道，对每个标签依次发送7号点名数据包；
②当组员标签接收到自己的组长发出的7号数据包后，向组长发送8号点名应答数据包；
③当组长标签在发送7号点名数据包后的100ms内接收到组员标签发送的8号应答数据包后，认为点名成功，否则认为点名失败；
④当组长标签连续对某一个标签3次点名失败后，在自己所管理的组员中删除该标签，以后不再对该标签进行点名；
⑤组长标签点名结束后，再切换到12号信道；
⑥组员标签在6000ms内未接收到组长标签的点名信息时，修改自己的身份为组长，切换到12号信道。
●上报数据过程：
组长标签在接收到配套读卡器发出的上报通知数据包后，向其发送自己所在子网所有标签信息。
当一个电子标签有效无线通讯范围内没有其它电子标签时，此电子标签独立工作，并可以正常与配套读卡器进行信息交互，上报自身身份信息给读卡器；当一个电子标签的有效通讯范围内有多个电子标签线，每13个标签自动组成一个网络小组，每个小组有电子标签担当组长，其它电子标签担当组员，组员电子标签只与组长电子标签联络，组长电子标签工作时既与组员电子标签保持定时联络，又可以把本组电子标签的所有身份信息一次上报给配套读卡器。

Claims (3)

1.人员佩带电子标签，其特征是：由所述的单片机(1)、射频收发芯片(2)、2.4G陶瓷天线(3)、电源(4)等组成，所述的射频收发芯片(2)分别与单片机(1)、2.4G陶瓷天线(3)建立通信连接，电源(4)为射频收发芯片(2)、单片机(1)提供工作电源。
2.人员佩带电子标签的自组网方法，其特征是：电子标签主要由所述的单片机(1)、射频收发芯片(2)、天线(3)与电源(4)模块构成，射频收发芯片(2)可以设置多个信道，每个信道对应于不同的工作频率；再进行下列工作：
1)、将射频收发芯片(2)中设置的多个信道划分为公用信息、组员工作信道即网络小组管理信道，每个信道对应一个工作频率；设定组长、组员为电子标签在组网过程中的身份称呼；每个电子标签中存储自身的ID号；
2)、设定电子标签发送数据包类型：
  序号   类型  内容   目的地址   发送标签身份 1   组长广播基本信息  自身ID号+组员数量+网络小组管理信道 广播地址 组长   2   加入请求  自身ID号+组员数量   目标组长   组长   3   同意加入  自身ID号+组员数量   请求组长   组长   4   组网数据  自身ID号+所有组员ID号   目标组长   组长   5   组网成功  自身ID号   请求组长   组长 6 更换组长  自身ID号+新组长ID号+新网络信道号+新网络小组管理信道 本组所有组员 组长   7   点名  自身ID号   目标组员   组长   8   点名应答  自身ID号   组长   组员   9   上报通知  自身ID号   广播地址   读卡器   10   上报数据  自身ID号+所有组员ID号   目标读卡器   组长   11   上报成功  自身ID号   组长   读卡器
(3)、标签加电启动过程：
电子标签加电启动后，初始化工作信道到公用信道，并设置为组长身份，设置所管理组员电子标签数量为0，并在多个信道中随机选择一个信道作为组员电子标签工作信道，即网络小组管理信道；
(4)、电子标签组网过程：
①组长标签每间隔T1时间定时在公用信道广播数据包1，数据包包含自身ID号、组员电子标签数量、网络小组管理信道；
②当组长A接收到另外一个组长B的1号数据包后，如果A、B两组的所有组员电子标签数量之和不超过数值M时，组长A向组长B发送2号数据包，请求与组长B组网；
③当组长B接收到组长A的2号数据包时，向组长A发送3号数据包，同意与其组网；
④当组长A接收到组长B发出的3号数据包后，向组长B发送4号数据包，告诉组长B自己所管理组员电子标签的详细信息；
⑤当组长B接收到组长A发出的4号数据包后，把组长A与其所管理的组员电子标签全部作为自己的组员电子标签进行管理，并向组长A发送5号数据包，通知组长A数据组网成功；
⑥当组长A接收到组长B发出的5号数据包后，获知已与组长成功组网，然后切换工作信道到组员工作信道，向组员电子标签广播6号数据包，通知组员电子标签更换组长并切换到新的组员工作信道；组长A之后切换身份为组员，设置组长B为小组组长，并切换到新的组员信道。
⑦组员电子标签在接收到自己的组长发出的6号数据包后，更换自己的组长为数据包中所指定的新组长，并切换到新的组员信道。
(5)、点名过程：
①组长每隔T2时间切换到自己处的网络小组管理信道，对每个电子标签依次发送7号点名数据包；
②当组员电子标签接收到自己的组长发出的7号数据包后，向组长发送8号点名应答数据包；
③当组长在发送7号点名数据包后的T3时间内接收到组员电子标签发送的8号应答数据包后，认为点名成功，否则认为点名失败；
④当组长连续对某一个组员电子标签一次或多次点名失败后，在自己所管理的组员中删除该标签，以后不再对该标签进行点名；
⑤组长点名结束后，再切换到公用信道；
⑥组员电子标签在T4时间内未接收到组长的点名信息时，修改自己的身份为组长，切换到公用信道；
(6)、上报数据过程：
组长在接收到配套读卡器发出的上报通知数据包后，向其发送自己所在子网所有组员电子标签信息。
3.根据权利要求2所述的人员佩带电子标签的自组网方法，其特征是：所述的T1＝500毫秒，T2＝2000毫秒，T3＝100毫秒，T4＝6000毫秒，M＝13。
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