孫楠楠 孫運強 姚愛琴

(中北大學，儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室 太原 030051)

0 引 言

從總體上來看，我國多數(shù)煤礦都是高瓦斯礦，開采難度大，危險性高，加之我國井下工作人員整體素質(zhì)不高，因此我國煤礦事故頻發(fā)，煤礦生產(chǎn)百萬噸死亡率高居不下。如何加強安全生產(chǎn)的防范措施，如何正確處理安全與生產(chǎn)、安全與效益的關(guān)系，如何準確、實時、快速履行煤礦安全監(jiān)測職能，保證搶險救災、安全救護的高效運作，擺到了國家各級主管部門和領(lǐng)導的面前。同時如何改變目前煤礦企業(yè)對井下人員落后的管理模式，如何實現(xiàn)管理的現(xiàn)代化、信息化也成為所有煤礦企業(yè)關(guān)心的問題。因此，本文設(shè)計了井下人員考勤系統(tǒng)，用來提高煤礦管理水平，降低事故發(fā)生率。

1 考勤系統(tǒng)的整體設(shè)計及工作原理

整個考勤裝置由Mifarel 卡、讀卡器、攝像頭、圖像采集卡及PC 等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 考勤裝置結(jié)構(gòu)框圖

裝置的工作原理如下:每位礦工身上都有一張代表自己身份的Mifarel 卡。首先將礦工卡號及個人信息存入PC中數(shù)據(jù)庫。當?shù)V工入井或者出井時，都必須在讀卡器上刷卡，此時，讀卡器將讀取卡號，通過串口發(fā)送給PC，PC 從數(shù)據(jù)庫中查找讀到的卡號及其對應的虹膜信息。如果查找不到卡號，則說明此人為不明身份人員，需要重新登記入庫。如果找到卡號，則取出庫的虹膜圖象編碼，與此時采集到的虹膜圖像信息相比較，如果匹配成功則說明此人身份無誤，記錄下時間，作為考勤記錄。如果不匹配，則說明此人為冒名頂替者。這樣既可以完成考勤，同時還能有效驗證礦工身份，減小安全隱患，提高煤礦管理水平。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 虹膜識別系統(tǒng)硬件設(shè)計

虹膜識別技術(shù)的基本原理是通過特制的光學成像系統(tǒng)、電子控制單元以及適當?shù)挠嬎銠C軟件算法來提取虹膜的圖像，通過圖像分割技術(shù)實現(xiàn)虹膜的定位、歸一化和去噪聲。使用活體虹膜檢測，就是要可靠的鑒別出采集到的圖像是否來自有生命的個體，使虹膜用特征提取器對虹膜進行有效的特征的提取，最后使用分類器完成基于虹膜特征向量的分類任務。

此識別系統(tǒng)的硬件平臺由5 部分組成，分別是圖像采集、圖像處理、數(shù)據(jù)存儲、圖像顯示和電源部分。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 虹膜識別系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)主程序運行在DSP 中，完成虹膜圖像處理的全部算法。識別過程是:先用攝像機拍攝眼睛圖像，然后進行圖像預處理(虹膜定位、增強等)，再對虹膜特征進行分析，與存儲的虹膜特征進行模式匹配，最后得出識別結(jié)果。在這過程中，虹膜定位、特征分析和匹配是重要的部分。

2.2 MIfarel 射頻卡工作原理

Mifarel 卡是PHILIPS 公司生產(chǎn)的非接觸式IC 智能射頻卡。卡片上除了IC 微晶片及一副高效率天線外，無任何其他元件?？ㄆ蠠o源(無任何電池)，工作時的電源能量由卡片讀寫器天線發(fā)送無線電載波信號耦合到卡片上天線而產(chǎn)生電能，一般可達2 V 以上，供卡片上IC 工作。工作頻率為13.56 MHz。

Mifarel 卡工作原理:讀寫器向卡片發(fā)一組固定頻率的電磁波，卡片內(nèi)有一個LC 串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫器發(fā)射的頻率相同，在電磁波的激勵下，LC 諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電容內(nèi)有了電荷，在這個電容的另一端，接有一個單向?qū)ǖ碾娮颖茫瑢㈦娙輧?nèi)的電荷送到另一個電容內(nèi)儲存，當所積累的電荷達到2 V 時，此電容可作為電源為其它外圍電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接取讀寫器的數(shù)據(jù)。

2.3 MIfarel 卡讀卡器的設(shè)計

圖3 讀卡器結(jié)構(gòu)圖

讀卡器結(jié)構(gòu)如圖3 所示。讀卡器的工作原理是由AT89C52 對MFRC500 進行控制與通信，MFRC500 驅(qū)動外圍電路對Mifarel 卡進行讀寫操作。具體說來，當卡片在讀卡器有效識別范圍內(nèi)，AT89C52 控制MFRC500，完成對卡的操作和整個讀寫器的管理下MFRC500 負責信號的編碼、解碼，信號的調(diào)制、解調(diào)，匹配電路建立讀寫器同射頻卡之間的聯(lián)系。

MFRC500 芯片與AT89C52 單片機的連接電路圖如圖4 所示。

圖4 AT89C52與MACR500 連接電路圖

在本系統(tǒng)中，采用的是直接匹配的天線。直接匹配的天線的理論工作距離可達100 mm，工作距離主要由天線的大小以及天線匹配電路的修正值決定。需要的部件有EMC 濾波器、接收電路和天線本身的匹配等。圖5 是本系統(tǒng)使用的直接匹配天線電路。

圖5 直接匹配天線電路配置

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 讀卡器與PC 之間的通信協(xié)議

PC 與Mifarel 卡讀卡器之間通過RS232 總線通信，通信速率設(shè)為9 600 bps，采用單總線半雙工模式。PC 與讀卡器之間每幀的通信格式包括起始位、數(shù)據(jù)、校驗碼和結(jié)束符。其中數(shù)據(jù)包括通信狀態(tài)和4 字節(jié)卡號。每幀具體格式如下:

STA，STA，STATUS，NUMI，NUMZ，NUM3，NUM4，ACC，END，END。

其中，STA 為起始位，占兩個字節(jié);STATUS 表示Mifarel 卡與讀卡器之間是否通信成功，成功則該字節(jié)為0，否則為1;NUMI－NUM4 代表讀到的四字節(jié)Mifarel 卡卡號;ACC 為一字節(jié)的奇偶校驗碼;END 為結(jié)束碼，占兩個字節(jié)。

3.2 Mifarel 卡與讀卡器之間數(shù)據(jù)交換

讀卡器的程序主要包括兩個部分:與Mifarel 卡之間的通信和與PC 機之間的數(shù)據(jù)傳輸。

實際上，Mifarel 卡與讀卡器之間的通信就是卡片和讀卡器之間的數(shù)據(jù)交換和對卡內(nèi)EEPROM 存儲器中的數(shù)據(jù)進行處理的過程。讀卡器一直處于問詢卡片狀態(tài)，當卡片在讀卡器的有效輻射范圍內(nèi)，卡片就能接受到讀卡器的指令，經(jīng)過指令譯碼，進行數(shù)據(jù)處理，并返回相應的處理結(jié)果。Mifarel 卡與讀卡器之間一個完整的交易過程如圖6所示。

圖6 讀卡器對Mifarel 卡完整操作流程

整個讀卡器軟件操作流程如圖7 所示。

圖7 讀卡器軟件操作流程

3.3 主機操作過程

讀卡器能夠正確地讀取到每張代表個人身份的Mifarel 考勤卡，并將其發(fā)送到PC 中，但是PC 如何將卡號與個人信息聯(lián)系，如何進行個人身份識別以及怎么將卡片到達時間存儲及查詢，這就需要編寫一套合理的考勤管理軟件。軟件大體上需要實現(xiàn)3 個功能:個人信息存入數(shù)據(jù)庫、刷卡考勤及身份識別、考勤記錄查詢。具體實現(xiàn)過程如流程圖8 所示。

圖8 考勤實現(xiàn)流程圖

4 考勤記錄查詢結(jié)果

圖9 為考勤記錄查詢界面，記錄查詢可分為3 種類型:

(1)查詢個人的考勤記錄，選定時間范圍，輸入編號或姓名后，可查詢到該人一段時間內(nèi)入升井具體時間，入井時長，以及入井總天數(shù)，可作為考察該人出勤情況的憑證。

(2)查詢一個部門全部人員的考勤記錄，選定時間范圍，選取需要查詢的部門名稱后，可查詢到一段時間內(nèi)該部門全部人員的入井天數(shù)，可作為考察該部門人員出勤情況的憑證。

(3)查詢一段時間入升井人數(shù)，選定時間范圍，可統(tǒng)計出一段時間內(nèi)入升井總?cè)藬?shù)及具體人員名單。

圖9 考勤記錄查詢

考勤記錄查詢部分功能為按照各種條件查詢考勤記錄并計算時長。在個人信息查詢中，按照所選擇的查詢條件組成查詢語句，在已經(jīng)打開的記錄集中檢索到符合條件的記錄。所有記錄查詢功能均具備輸出打印功能。

5 結(jié) 論

本文研究的主要內(nèi)容是基于射頻識別的煤礦人員考勤系統(tǒng)。用來完成出入井礦工的時間登記，統(tǒng)計礦工每天在井下的工作時間，給管理者提供一個評價礦效率和工作時間的有效依據(jù)，便于采取各種獎懲措施，有理可依，有據(jù)可查。同時，本系統(tǒng)還添加了礦工身份識別的功能，可以有效防止不明身份人員和冒名頂替人員入井，大大地提高了對煤礦生產(chǎn)的管理水平，但不能得知礦工下井后的動態(tài)軌跡，使煤礦安全生產(chǎn)不夠智能化和自動化。

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