CN113567924A - 一种基于射频识别的电力基坑作业人员定位管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于射频识别的电力基坑作业人员定位管理系统，属于安全管理技术领域。一种基于射频识别的电力基坑作业人员定位管理系统包括地表监控主机单元，所述地表监控主机单元包括远端计算机、设置在所述远端计算机上的传输接口、与所述传输接口连接的传输单元，所述传输单元连接设置在基坑内不同标高的数据信息采集节点，所述数据信息采集节点包括阅读器、气体检测仪，所述阅读器通过无线传输 的方式连接有源RFID电子标签。采用源RFID电子标签、阅读器和数据处理端相结合，在优化通讯协议、传输模式的基础上，建立警报、禁区管理，超时报警和日志功能的综合性数据管理系统，实现跟踪、定位、考勤及双向通讯的功能性整合。

Description

一种基于射频识别的电力基坑作业人员定位管理系统

技术领域

本发明涉及安全管理技术领域，具体涉及一种基于射频识别的电力基坑作业人员定位管理系统。

背景技术

目前国内电力行业深基坑作业安全生产形势严峻，国家对这些问题越来越重视。为有效提高电力深基坑的安全生产管理能力，须加强坑内施工人员的监管，对人员位置及安全通讯做到了如指掌，及时跟进生产进度。现有的电力深基坑基坑内施工人员监测设备只能对环境状况进行检测，且人员定位系统多采用RHS或RS485传输，方式较为单一，基坑内施工不便，一旦发生事故，会由于对基坑内施工人员的位置不清导致救助难度升级。

无线射频识别即射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID），是自动识别技术的一种，无线射频识别技术通过无线电波不接触快速信息交换和存储技术，通过无线通信结合数据访问技术，然后连接数据库系统，加以实现非接触式的双向通信，从而达到了识别的目的。在识别系统中，通过电磁波实现电子标签的读写与通信。根据通信距离，可分为近场和远场，为此读/写设备和电子标签之间的数据交换方式也对应地被分为负载调制和反向散射调制。完整的RFID系统由读写器（Reader）、电子标签（Tag）和数据管理系统三部分组成。目前典型应用有动物晶片、汽车晶片防盗器、门禁管制、停车场管制、生产线自动化、物料管理。

如专利CN 110620906 A，侧重于对于施工现场数据的实时监控，但对于作业人员定位精度低，缺乏复杂的数据交互能力；针对电力基坑类的深井式作业，存在数据采集覆盖空间小、信号衰减严重的缺陷。专利CN 111561914 A、以无人机图像识别技术为基础，采用无人机轨迹坐标和图像识别坐标相结合，相对二次偏差修正运算量大，对于基坑内结构布局复杂、信号衰减严重、作业人员在环境中的图像识别点相对像素差不明显，对人员定位困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种实现电力基坑内管理作业人员定位、警报、禁区管理、超时报警和日志功能为一体的一种基于射频识别的电力基坑作业人员定位管理系统。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于射频识别的电力基坑作业人员定位管理系统包括地表监控主机单元，所述地表监控主机单元包括远端计算机、设置在所述远端计算机上的传输接口、与所述传输接口连接的传输单元，所述传输单元连接设置在基坑内不同标高的数据信息采集节点，所述数据信息采集节点包括阅读器、气体检测仪，所述阅读器通过无线传输的方式连接有源RFID电子标签，所述有源RFID电子标签设置在安全帽上。

所述远端计算机内设置的程序包括控制终端单元、定位管理单元、数据传输协议单元、校时单元、日志单元。

所述传输接口包括GPIB接口、USB接口、无线接口，所述传输单元包括与所述传输接口对应的数据传输线路、无线传输单元，所述无线传输单元包括与传输接口连接的无线收发器。

所述阅读器与所述有源RFID电子标签间设置的交互协议包括数据交换协议、管理指令交换协议、时序交换协议。

所述阅读器包括天线A、射频模块、微处理电路模块、接口电路模块、数据交互接口、管理交换接口，所述射频模块包括发送单元、接收单元，所述微处理电路模块包括控制器、与所述控制器连接的时钟、与所述时钟连接的振荡器，所述接口电路模块包括通信接口、与所述通信接口连接的串行接口、与所述通信接口连接的网络接口、与所述通信接口连接的其他I/O接口，所述射频模块中设置的所述发送单元、所述接收单元分别独立连接所述天线A，所述射频模块中设置的所述发送单元、所述接收单元分别独立连接所述微处理电路模块中设置的所述控制器，所述微处理电路模块中设置的所述控制器连接所述接口电路模块中设置的所述通信接口，所述串行接口收发所述数据交换协议中的数据交换信息，所述网络接口收发所述管理指令交换协议中的管理指令交换信息。

所述有源RFID电子标签包括电源、CPU、储存器、编解码器、天线B，所述CPU依次连接所述编解码器、所述天线B，所述电源链接连接所述CPU和所述编解码器、所述储存器连接所述CPU和所述编解码器，所述负载连接所述编解码器，所述电源包括照明用安全帽上的锂电池灯电源，所述编解码器包括nRF24L01芯片、模拟数字转换器（A/D转换器），所述天线B采用能够发射2.45GHZ频段射电的微带偶极子天线。

所述有源RFID电子标签上设置的所述编解码器连接负载，所述负载包括紧急警报按钮。

进一步的，采用射频识别RFID技术代替传统的门禁、摄像头管理系统，使用自动化多点式识别对接技术，取代通行许可分级设计和图像识别技术，更好的适应新兴电力基坑作业条件下安装简单、对环境要求低、采光较差图像识别困难、空间狭小管道复杂、人员定位及双向数据传输、数据信号衰减严重的特殊工作环境要求。

进一步的，传统《工业现场RS485通讯干扰问题处理》、《RS485总线接口性能测试仪设计与开发》对数据传输容量，通信传输方式无法实现有非接触、读写快、抗干扰和操作方便数据传输要求。

进一步的，射频识别RFID技术作为最近几年兴起的新型技术，早期存在技术成本高、技术规范不完善、高耗电、装置体积大且自重较高的缺陷，在便携式射频识别技术领域存在先天性的使用困难。随着小区门禁管理系统的市场化普及，进一步推进射频识别RFID技术领域中主动有源式技术的开发。

进一步的，《射频识别（RFID）技术原理与应用实例》，为射频处理技术提供基础的技术理论，使用有源RFID电子标签结合2.45G/5.8G频段，结合正交频分复用技术（OFDM），实现的对数据传输、抗干扰、衰减程度、传输距离的综合化应用。

进一步的，《基于nRF24L01芯片的近程无线通信系统设计》，为射频发射系统的设计提供对应系统框架设计理论的参考，针对阅读器和有源RFID电子标签间的通讯协议的设定提供可供利用的原理规范。

进一步的，参考《具有高方向性系数水平极化的全向微带磁单极子天线和微带磁偶极子天线》《微带偶极子天线的小型化改进设计分析》，为在有源RFID电子标签上设置微带偶极子天线提供对应理论基础，为微带偶极子天线小型化及高频化的优化发展提供一定的参考。

射频识别技术的载体一般都是要具有防水、防磁、耐高温的特点，实时更新资料、存储信息量最大可达数兆字节，使用寿命长，工作效率稳定，实现了多目标同时被识别，大大提高了工作效率；射频识别同时具备设有密码保护，不易被伪造，安全性较高，其成本低，其次识别距离更远，体积小，高频化的特点；是向多功能、多接口、多制式，模块化、小型化、便携式、嵌入式方向发展；同时，多阅读器协调与组网技术将成为未来发展方向之一。

主动式标签又称为有源标签，内建电池，可利用自有电力在标签周围形成有效活动区，主动侦测周遭有无读取器发射的呼叫信号，并将自身的资料传送给读取器，采用远耦合超高频的工作方式。

对比传统无源标签，有源电子标签具备如下特点。

1．在识别距离上：有源电子标签比无源标签远的多。

2．识别稳定性上：有源电子标签比无源电子标签好。

3．在读取速度上：有源电子标签同时读取多电子标签的速度快。

4．在标签寿命上：有源电子标签的寿命比无源电子标签的寿命要短，但可以更换电池。

本发明的有益效果如下：

实现由地表监控主机单元为核心的无线型只能实时监控、调度管理系统，综合标签、阅读器、气体检测仪、远端计算机、数据传输模块为一体综合化管理体系。将将有源RFID射频识别应用到电力基坑中，实现警报模块，禁区管理功能模块，超时报警功能模块和日志功能的联合运用，可有效加强施工人员的管理，提高施工安全。

采用软件图形界面（电子地图）或文字列表实时监控基坑内人员的活动位置，实现跟踪、定位、考勤及双向通讯的管理平台。

优化传输接口，提高数据传输能力，采用无线设计便于安装，有效的降低临时性铺设作业的工作时间。

阅读器与所述有源RFID电子标签间设置的交互协议包括数据交换协议、管理指令交换协议、时序交换协议，对应指令明确，采用专用数据交互协议，有效的规避在密集式信息交互点，由于大量相似性数据传输造成设备误读，数据出现偏差。

所述阅读器包括天线A、射频模块、微处理电路模块、接口电路模块、数据交互接口、管理交换接口，进行模块化分区实现接口电路、微处理电路模块、射频模块、天线A相结合便于维护，实现对接口电路的规范化管理，微处理电路模块以控制器为核心实现对有源RFID电子标签的数据管理，设置时钟对每次的操作指令进行标注时间信息码，便于归档管理及数据统计，振荡器实现设备电流的整合，发送单元、接受单元实现对传输电路信号的放大便于天线A的转化。

所述有源RFID电子标签，采用射频识别RFID技术以nRF24L01芯片为基础，实现2.4GHz-2.5GHz的ISM频段的单片无线收发作业，标签上的天线B采用能够发射2.45GHZ频段射电的微带偶极子天线,兼顾信号传输、数据穿透为一体的数据传输模式。具备主动式会话发起功能，实现报警、禁区管理等功能。

本发明可适应深基坑基坑内环境恶劣，空气潮湿，腐蚀性及电磁干扰较强等问题，所采用的射频识别RFID技术可使管理人员通过地面平台了解基坑内人员信息，所选设备使整体成本降低。系统管理员通过此系统实时把握生产状况，及早对可能出现的状况采取措施。

附图说明

图1：本发明硬件设备的总体原理结构示意图；

图2：本发明阅读器与有源RFID电子标签的电磁耦合原理示意图；

图3：本发明阅读器的硬件连接结构示意图；

图4：本发明有源RFID电子标签的结构示意图；

图5：本发明阅读器的模拟作业示意图；

图6：本发明实施例2数据信息采集节点的结构示意图；

图7：本发明硬件设备的结构示意图；

其中，地表监控主机单元－1、传输单元－2、数据信息采集节点－3、有源RFID电子标签－4、阅读器－31、气体检测仪－32。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的目的、技术方案和优点，下面结合本实施例进一步清楚对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但本发明的保护内容不仅仅局限于下面的实施例。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种基于射频识别的电力基坑作业人员定位管理系统包括地表监控主机单元1，所述地表监控主机单元1包括远端计算机、设置在所述远端计算机上的传输接口、与所述传输接口连接的传输单元2，所述传输单元2连接设置在基坑内不同标高的数据信息采集节点3，所述数据信息采集节点3包括阅读器31、气体检测仪32，所述阅读器31通过无线传输的方式连接有源RFID电子标签4，所述有源RFID电子标签4设置在安全帽上。

所述远端计算机内设置的程序包括控制终端单元、定位管理单元、数据传输协议单元、校时单元、日志单元。

所述传输接口包括GPIB接口、USB接口、无线接口，所述传输单元2包括与所述传输接口对应的数据传输线路、无线传输单元2，所述无线传输单元2包括与传输接口连接的无线收发器。

所述阅读器31与所述有源RFID电子标签4间设置的交互协议包括数据交换协议、管理指令交换协议、时序交换协议。

所述阅读器31包括天线A、射频模块、微处理电路模块、接口电路模块、数据交互接口、管理交换接口，所述射频模块包括发送单元、接收单元，所述微处理电路模块包括控制器、与所述控制器连接的时钟、与所述时钟连接的振荡器，所述接口电路模块包括通信接口、与所述通信接口连接的串行接口、与所述通信接口连接的网络接口、与所述通信接口连接的其他I/O接口，所述射频模块中设置的所述发送单元、所述接收单元分别独立连接所述天线A，所述射频模块中设置的所述发送单元、所述接收单元分别独立连接所述微处理电路模块中设置的所述控制器，所述微处理电路模块中设置的所述控制器连接所述接口电路模块中设置的所述通信接口，所述串行接口收发所述数据交换协议中的数据交换信息，所述网络接口收发所述管理指令交换协议中的管理指令交换信息。

包括电源、CPU、储存器、编解码器、天线B，所述CPU依次连接所述编解码器、所述天线B，所述电源链接连接所述CPU和所述编解码器、所述储存器连接所述CPU和所述编解码器，所述负载连接所述编解码器，所述电源包括照明用安全帽上的锂电池灯电源，所述编解码器包括nRF24L01芯片、模拟数字转换器（A/D转换器），所述天线B采用能够发射2.45GHZ频段射电的微带偶极子天线。

所述有源RFID电子标签4上设置的所述编解码器连接负载，所述负载包括紧急警报按钮。

安装时，将有源RFID电子标签4固定在LED锂电池头灯安全帽上，并将源RFID电子标签上设置编码号与对应安全帽上的数字标号抄录下来，输入存储到远端计算机，同时将不同标高的数据信息采集节点3的对应高度位置及节点编号也存储到远端计算机，完成设备的初步安装。

数据传输协议单元和定位管理单元是依托电子地图在地面远端计算机中建立整个深基坑工作区的基本虚拟模型，以控制终端单元管理其基本虚拟模型的正常运行。

定位管理单元是由基坑内的气体检测仪32给出的基坑内气体成分及含量算出射电在基坑内的衰减系数特性，基坑内的阅读器31只需实时记录从电子标签发来的电磁波的强度并将此信息由传输接口传递至远端计算机。由远端计算机根据数学模型计算出发出对应信号的源RFID电子标签距阅读器31的相对位置计算出携带源RFID电子标签作业人员的位置实现人员定位。

具体流程为，三个阅读器31中A、B、C分别为它们的工作范围（近似为球形，在二维平面上近似为圆形）若电子标签在红色圆1或圆4位置，计算机可根据两个阅读器31上传的接收信号强度来测定距离最终得出工人的精确位置；若电子标签在红色圆2或圆3位置上（只处在一个阅读器31的工作范围内的情况），计算机可根据B上传的接收信号强度实时变化与上一个只接受电子标签的电磁波的阅读器31来计算出工人的位置与运动方向。

数据传输协议单元包括警报模块、禁区管理功能模块、超时报警功能模块。

警报模块：当基坑内发生紧急情况，按下紧急警报按钮，电子标签改变发送内容，由阅读器31发送警报，向地面汇报。

禁区管理功能模块:能进行禁区的设置，并对违章进入禁区人员进行声光报警，井上管理部门也同时报警并进行记录和考核。分为单站禁区管理和区域禁区管理。可以设置某一类工种或某一类卡号人员所携带的有源RFID电子标签41禁止进入某一个设定的禁区范围，也可以设定某一个特定的人禁止进入设定的禁区范围。在单站禁区管理中，如果有被设定未允许人员进入禁区基站信号范围，则对进入人员进行报警提示。在区域禁区管理中，可根据进入和离开区域的人员数量自动开启和停止报警，主要适用于规定禁止进入场所的安全管理，也可以用于实现对重要区域的监管。

超时报警功能模块：基坑内人员工作时间超时报警，可分类设置也可以单独设置下井工作人员的工作时间上限，超过设定的工作时间，系统则自动给其本人发报警信号，同时系统也会弹出提示对话框，并且保存记录，以供查询。

校时单元，每隔固定的时间，由地表监控主机单元1发出时间重置指令，同步所有数据信息采集节点3上阅读器31的内置时钟上的时间显示。

日志单元，在远端计算机中能够保存每个电子标签的历史系统路径，以供查询。

实施例2

如图6所示，其与实施例一的区别在于：

所述数据信息采集节点3包括三组所述阅读器31，所述三组所述阅读器31不在同一平面内。

所述阅读器31上设置的所述时钟为高精度时钟源，包括原子时钟。

以三组阅读器31上所接受到相同的信息时间差为基础得出三组相对距离坐标，依据三组阅读器31间的相对位置，进行三点式空间定位，确定有源RFID电子标签4相对的空间坐标。

适用于基坑内存在矿脉、岩石阻断等信号衰减不一致的特殊环境，依靠传统的气体检测仪32求平局值法容易造成极大的偏差，对人员定位出现误报，产生管理困难。

对比传统的信号衰减测量方式在立体空间上有很好的定位效果，而传统的阅读器31和气体检测仪32类测量，仅可以实现有源RFID电子标签4到数据信息采集节点3的距离测量，为球面型适用于单一的竖直坑道，对立体式交错空间容易产生误判。

实施例3

其与实施例一的区别在于：

所述有源RFID电子标签4上设置报警信号传输协议。

所述报警信号传输协议包括报警警示代码、位置信息、报警内容。

报警信号传输协议，在主动发出报警信号时为广播传递式传输协议指令，即接收到报警信号的所有同平台设备在初次检索到该报警信号通信代码时，在标注本设备识别代码的基础上，每隔一定的时间自动转播该报警信号，直到检测到地表监控主机单元1反馈的对应接受报警指令警示代码，解除报警信号传输协议。

实施例4

其与实施例一的区别在于：

所述负载包括显示屏、键盘。

实现作业人员可主动与地表监控主机单元1内的值班人员进行无线会话，提高沟通效率，实现立体化管理。

实施例5

其与实施例一的区别在于：

所述负载包括手摇发电。

满足在电池电量耗尽的前提下仍然可以维持与地表监控主机单元1的基本沟通。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于射频识别的电力基坑作业人员定位管理系统，其特征在于：包括地表监控主机单元，所述地表监控主机单元包括远端计算机、设置在所述远端计算机上的传输接口、与所述传输接口连接的传输单元，所述传输单元连接设置在基坑内不同标高的数据信息采集节点，所述数据信息采集节点包括阅读器、气体检测仪，所述阅读器通过无线传输的方式连接有源RFID电子标签，所述有源RFID电子标签设置在安全帽上。

2.如权利要求1所述的一种基于射频识别的电力基坑作业人员定位管理系统，其特征在于：所述远端计算机内设置的程序包括控制终端单元、定位管理单元、数据传输协议单元、校时单元、日志单元。

3.如权利要求1所述的一种基于射频识别的电力基坑作业人员定位管理系统，其特征在于：所述传输接口包括GPIB接口、USB接口、无线接口，所述传输单元包括与所述传输接口对应的数据传输线路、无线传输单元，所述无线传输单元包括与传输接口连接的无线收发器。

4.如权利要求1所述的一种基于射频识别的电力基坑作业人员定位管理系统，其特征在于：所述阅读器与所述有源RFID电子标签间设置的交互协议包括数据交换协议、管理指令交换协议、时序交换协议。

5.如权利要求1所述的一种基于射频识别的电力基坑作业人员定位管理系统，其特征在于：所述阅读器包括天线A、射频模块、微处理电路模块、接口电路模块、数据交互接口、管理交换接口，所述射频模块包括发送单元、接收单元，所述微处理电路模块包括控制器、与所述控制器连接的时钟、与所述时钟连接的振荡器，所述接口电路模块包括通信接口、与所述通信接口连接的串行接口、与所述通信接口连接的网络接口、与所述通信接口连接的其他I/O接口，所述射频模块中设置的所述发送单元、所述接收单元分别独立连接所述天线A，所述射频模块中设置的所述发送单元、所述接收单元分别独立连接所述微处理电路模块中设置的所述控制器，所述微处理电路模块中设置的所述控制器连接所述接口电路模块中设置的所述通信接口，所述串行接口收发所述数据交换协议中的数据交换信息，所述网络接口收发所述管理指令交换协议中的管理指令交换信息。

6.如权利要求1所述的一种基于射频识别的电力基坑作业人员定位管理系统，其特征在于：所述有源RFID电子标签包括电源、CPU、储存器、编解码器、天线B，所述CPU依次连接所述编解码器、所述天线B，所述电源连接所述CPU和所述编解码器、所述储存器连接所述CPU和所述编解码器，所述负载连接所述编解码器，所述电源包括照明用安全帽上的锂电池灯电源，所述编解码器包括nRF24L01芯片、模拟数字转换器（A/D转换器），所述天线B采用能够发射2.45GHZ频段射电的微带偶极子天线。

7.如权利要求1所述的一种基于射频识别的电力基坑作业人员定位管理系统，其特征在于：所述有源RFID电子标签上设置的所述编解码器连接负载，所述负载包括紧急警报按钮。

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