摘 要：射頻識別技術RFID 是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關信息。RFID 識別無須人工干預，可工作于各種惡劣環境。近年來，RFID 技術已經成功地引入到礦山安全管理領域，并展現出了良好的應用前景。介紹了RFID 系統的基本構成、工作原理及其在礦山安全管理中的應用情況，旨在推動我國礦山安全管理技術的變革。

　　關鍵詞：射頻識別；礦山；安全管理

　　0 引 言

　　射頻識別（ Radio Frequency Identification，RFID）又稱電子標簽（E - Tag），是一種利用射頻信號自動識別目標對象并獲取相關信息的技術。RFID 最早的應用可追溯到第二次世界大戰中用于區分聯軍和納粹飛機的“ 敵我辨識”系統［1］。隨著技術的進步，RFID 應用領域日益擴大［2，3］，并將成為未來信息社會建設的一項基礎技術。RFID 利用射頻方式進行非接觸雙向通信，實現人們對各類物體或設備（ 人員、物品）在不同狀態（移動或靜止）下的識別和數據交換。與同期或早期的接觸式識別技術不同，RFID 系統的射頻識別卡和閱讀器之間不用接觸就可完成識別。它具有以下特點：

　　（1）操作方便，工作距離長，可以實現對移動目標的識別；

　　（2）無硬件接觸，避免了因機械接觸而產生的各種故障，使用壽命長；

　　（3）射頻識別卡無外露金屬觸點，整個卡片完全密封，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境）工作；

　　（4）對無線傳輸的數據都經過隨機序列的加密，并有完善、保密的通信協議，卡內序列號是唯一的，制造商在卡出廠前已將此序號固化，安全性高；

　　（5）卡內具有防碰撞機制，可實現同時對多個移動目標進行識別；

　　（6）信號的穿透能力強（ 可穿透墻壁、路面、衣物、人等），數據傳輸量小，抗干擾能力強，感應靈敏，易于維護和操作。

　　近年來，RFID 技術已經成功地引入到礦山安全管理領域］，并展現出了良好的應用前景。

　　1 RFID 系統構成

　　基本的RFID 系統由RFID 標簽（Tag）、RFID 閱讀器（Reader）及其應用支撐軟件等幾部分組成。RFID 標簽（Tag）由芯片與天線（Antenna）組成，每個標簽具有唯一的電子編碼。標簽附著在物體上以標識目標對象。RFID 標簽依據發送射頻信號的方式不同，分為主動式（Active）和被動式（ Passive）兩種。主動式標簽主動向讀寫器發送射頻信號，通常由內置電池供電，又稱為有源標簽；被動式標簽不帶電池，又稱為無源標簽，其發射電波及內部處理器運行所需能量均來自閱讀器產生的電磁波。被動式標簽在接收到閱讀器發出的電磁波信號后，將部分電磁能量轉化為供自己工作的能量。主動式標簽通常具有更遠的通信距離，其價格相對較高，主要應用于貴重物品遠距離檢測等應用領域。被動式標簽具有價格便宜的優勢，但其工作距離、存儲容量等受到能量來源的限制。

　　RFID 標簽根據應用場合、形狀、工作頻率和工作距離等因素的不同采用不同類型的天線。一個RFID 標簽通常包含一個或多個天線。RFID 標簽和閱讀器工作時所使用的頻率稱為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）、微波等多個頻段。 RFID 頻率的選擇影響信號傳輸的距離、速度等，同時還受到各國法律法規的限制。RFID 閱讀器（Reader）的主要任務是控制射頻模塊向標簽發射讀取信號，并接收標簽的應答，對標簽的對象標識信息進行解碼，將對象標識信息連帶標簽上其它相關信息傳輸到主機以供處理。根據應用不同，閱讀器可以是手持式或固定式。RFID 應用支撐軟件除了標簽和閱讀器上運行的軟件外，介于閱讀器與應用之間的中間件是其中的一個重要組成部分。該中間件為應用提供一系列計算功能，在電子產品編碼（ Electronic ProductCode，EPC）規范中被稱為Savant。其主要任務是對閱讀器讀取的標簽數據進行過濾、匯集和計算，減少從閱讀器傳往企業應用的數據量。同時Savant 還提供與其他RFID 支撐系統進行互操作的功能。Savant定義了閱讀器和應用兩個接口。用戶可以根據工作距離、工作頻率、工作環境要求、天線極性、壽命周期、大小及形狀、抗干擾能力、安全性和價格等因素選擇適合自己應用的RFID 系統。

　　2 RFID 技術基本原理

　　在實際應用中，RFID 電子標簽附著在待識別物體的表面，電子標簽中保存有約定格式的電子數據。

　　閱讀器可無接觸地讀取并識別電子標簽中所保存的電子數據，從而達到自動識別物體的目的。閱讀器通過天線發送出一定頻率的射頻信號，當標簽進入磁場時產生感應電流從而獲得能量，發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進行有關處理。在電磁場系統中，閱讀器（Reader）發出一個電磁（EM）波，電磁波以一個球形波向前傳播，電子標簽淹沒在這樣傳播的電磁波中并從電磁波中收集一些能量。在任何一個點上，可用的能量的大小與該點距發射機的距離有關。由上可知，閱讀器必須在可閱讀的距離范圍內產生一個合適的能量場以激勵電子標簽。

　　3 RFID 在礦山安全管理中的應用

　　無線及移動通信設備的應用帶動了人們對位置感知服務的需求，人們需要確定物品的3 維坐標并跟蹤其變化。現有的定位服務系統主要包括基于衛星定位的GPS 系統、基于紅外線或超聲波的定位系統以及基于移動網絡的定位系統。RFID 為人與物體的空間定位與跟蹤服務提供了一種新的解決方案。RFID 定位與跟蹤系統主要利用標簽對物體的唯一標識特性，依據閱讀器與安裝在物體上的標簽之間射頻通信的信號強度來測定物品的空間位置，應用于GPS 系統難以應用的室內定位。目前，RFID系統在礦山安全管理中的應用主要是實現人與設備的定位及跟蹤來實現安全管理的目的。

　　3. 1 基于RFID 的井下人員跟蹤定位

　　礦井危險性事故時有發生，井下復雜的環境給人員撤離和事故搶救帶來極大困難。若能及早確定井下人員所處的位置，會給營救工作帶來極大方便，將人員損失減少到最小。現有的識別技術，無論是IC 卡、手紋識別技術還是紅外線編碼識別技術只能實現簡單的人員考勤，無法很好解決對多個移動的物體和人員進行快速識別和跟蹤。采用RFID 自動識別技術，對井下人員、設備進行跟蹤定位在一定程度上能夠保障人員生命安全、減少財產的損失。將閱讀器安裝在井下一些重要的峒室、危險區等需要監控的地方，分布區域的大小可視井下具體環境而定。射頻識別卡可以內嵌在安全帽中，無需附加攜帶裝備。在井下，員工只要穿過感應區域，閱讀器就將接收到的數據經傳輸電纜傳送到地面中心站，處理后保存到數據庫服務器中。基于RFID 的井下人員定位系統可實現如下功能［4］：

　　（1）井下人員查詢功能。實時查詢當前井下人員的分布情況（分布區域的大小由閱讀器的分布情況而定）；查詢任一人員某一時刻所處的位置；查詢任一人員當日或某日的活動蹤跡。

　　（2）安全保障功能。發現人員丟失或發現井下人員超過規定時間，自動報警提示并提供相關人員的名單；對事故現場被埋人員進行搜尋和定位，以便及時救護。

　　（3）統計考勤功能。對下井人員進行下井次數、井下停留時間等信息分類統計，便于考核；與此相應的中長期數據儲存和有關報表的打印。

　　（4）信息聯網功能。作為礦山局域網的信息源，具有功能完善的數據庫。可向MIS 網提供所需與人員有關的實時統計數據。

　　3. 2 礦山井下機車定位跟蹤

　　礦山機車的實時定位對拓展礦山軌道網現存容量，提高礦山機車的出行密度，提高礦山機車運作的安全性等都有著重要的意義。準確地了解每輛機車在任一時刻的位置就等于在任何時候都能夠動態地調整機車的啟程和到站時間，并且提高機車對不能預見情況的反應，從而大大提高礦山運輸的質量，有力保障礦山運輸的安全。

　　目前，RFID 技術運用于礦山機車定位跟蹤系統的技術已基本形成。廈門礦通科技有限公司的“ 礦山機車定位跟蹤系統”，其工作頻率可達125kHz，使用可讀寫標簽時，其閱讀速度可達300 km/h，并可將有關信息下載至標簽的空閑內存中。對于干線機車定位系統，可將無源標簽以100 m 的間距固定于枕木上，標簽讀寫器及通訊設備安裝于車上，并聯至車載微機。該系統由地面信標、移動讀標器、無線數傳、可視調度、無線對講、聲光報警等部分組成。運行中，如果兩個機車太靠近（ 小于或等于3個信標器間隔）時，機車變成紅色顯示，如果允許聲音報警，則同時發出報警聲。管理員分為3 個等級：系統級、高級和普通。系統級管理員可以對程序進行任何操作。高級管理員可以進行除“系統參數設置”外的其它操作，普通管理員不能進行參數設置操作。每個管理員都有相應的工號，管理員登錄時，使用工號進行登錄。系統日志記錄管理員值班信息。當以高級管理員登錄時，可以保存和清空日志信息。如果要重放機車運行位置信息，可以使用回放功能。

　　3. 3 人員進出礦區自動識別管理

　　對于礦區內的炸藥庫等重要安全部門或設施，可以運用RFID 系統進行人員出入自動識別。識別系統可以實現如下主要功能：

　　（1）遠距離識別（1 ～ 10 m），免刷卡操作，方便用戶人性化管理；

　　（2）自動記錄人員進出時間、地點信息；

　　（3）人員進出可實現圖像對比，有效控制無關人員進出；

　　（4）對射頻卡設置相應權限，控制有關人員可出入的地點，可實現未授權卡、失效卡、報失卡（ 黑名單卡）通過報警；

　　（5）同時允許多人同行；

　　（6）可適應從高速大范圍到小范圍的各種使用環境；

　　（7）采用中低頻對人體無傷害的電磁污染；

　　（8）系統設備和射頻卡為用戶提供了獨一無二的識別編碼，從根本上消除了復制、偽造和作弊的現象，從而達到高度保密；

　　（9）系統軟件操作簡單、方便；

　　（10）系統穩定可靠，易于維護。

　　識別系統由數據采集、數據傳輸和監控管理3部分組成。數據采集設備主要是遠距離非接觸采集人員通過的時間、地點信息。數據傳輸主要是完成出入口與監控室之間的網絡連接。監控管理部分主要是對上傳的數據進行處理，提供完整的通行記錄報告，生成考勤統計報表等，并實時監控人員進出狀態，將數據存入硬盤備查；當人員非法進入或不按規定通道進出時，系統報警。當持卡人員進出大門設置的識別區域時，其隨身攜帶的射頻卡被系統識別，計算機自動調取該卡的相關信息，值班人員根據系統預存的個人圖像資料，可判斷該持卡人通過是否合法有效。當無卡、失效卡、掛失卡人員進入識別區域時，系統檢測不到該人員的信息時提供報警信息。

　　4 結束語

　　當前，RFID 技術已成為IT 業界的研究熱點，被視為IT 業的下一個“金礦”。RFID 技術為礦山安全管理提供了新的有效途徑。目前基于RFID 的礦山安全管理技術的研究和應用仍然處于起步階段，但可以預見，隨著RFID 技術的不斷發展，其在礦山安全管理領域的研究和應用將得到迅速發展，并將有力推動礦山安全管理的技術變革和創新。