馮 剛，江 雷

(華南師范大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東廣州 510631)

井下人員定位技術(shù)不僅是煤礦智能化考勤和信息化管理的一個(gè)重要組成部分，更是煤礦中搶險(xiǎn)救災(zāi)、最大限度地拯救井下人員生命的關(guān)鍵技術(shù)之一，因此該技術(shù)的研究得到世界各國政府和科技工作者的廣泛關(guān)注。

煤礦井下人員定位系統(tǒng)，其基本目標(biāo)就是要實(shí)現(xiàn)井下工作人員的實(shí)時(shí)位置定位。就定位問題來說，目前主要有基于已經(jīng)存在的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)[1]及 GPS的定位技術(shù)[2]。由于井下巷道是一個(gè)深埋在地下的限定非自由空間，GPS信號(hào)以及地面蜂窩移動(dòng)網(wǎng)的信號(hào)不能到達(dá)，所以這些技術(shù)都不能在井下應(yīng)用。要實(shí)現(xiàn)井下人員無線定位及跟蹤，需要采用不同的無線通信技術(shù)，井下可應(yīng)用的無線通信技術(shù)及可行的定位技術(shù)主要有紅外技術(shù)、RFID技術(shù)、透地通信技術(shù)、漏泄通信技術(shù)及無線局域網(wǎng) WLAN(Wireless Local Area Network)技術(shù)等[3]。

文中介紹基于無線局域網(wǎng)的礦下定位系統(tǒng)中定位卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

定位卡，也稱做移動(dòng)臺(tái) Mobile Station(MS)，配置給礦井工作人員隨身攜帶，必須滿足重量輕、體積小的要求。在取電方面，采用鈕扣電池供電，可以避免從礦燈中取電存在的安全隱患，采用低功耗設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電池長(zhǎng)期工作。

定位卡載有惟一可被識(shí)別的數(shù)字信息，卡片發(fā)放時(shí)，在地面監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫內(nèi)建立該卡片內(nèi)的惟一信息和定位卡攜帶者身份對(duì)應(yīng)的關(guān)系。整個(gè)系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)，如圖 1所示。

圖1 定位卡系統(tǒng)硬件組成圖

1.1 電源

在定位卡中，由于工作環(huán)境比較惡劣及無線定位卡本身體積要求，通常對(duì)電池的性能一般要求達(dá)到如下標(biāo)準(zhǔn):

(1)使用溫度范圍廣，一般要求 -30°～50°。

(2)使用壽命長(zhǎng)，一般要求 3年以上。

(3)電池單體電壓高。

(4)約為 10mA的脈沖放電能力。

(5)部分對(duì)定位卡體積有特別要求的廠家，要求電池厚度小至 3mm。

為此，選擇型號(hào)為 CR2450的鋰電池為定位卡供電，CR2450是重量約為 6 g，尺寸為 35 mm×24.5mm×5.0mm的扣式電池，能夠滿足上述要求。

1.2 控制處理單元設(shè)計(jì)

定位卡的控制處理單元負(fù)責(zé)對(duì)程序的可執(zhí)行文件的存儲(chǔ)、運(yùn)行和管理。選擇 TI公司生產(chǎn)的 16位的微控制器 MSP430F2001，該控制器具有如下特性[4]:工作在低電壓狀態(tài)，電壓范圍為 1.8～3.6 V、極低的電能消耗等。

整個(gè)硬件控制系統(tǒng)主要包括看門狗電路、主控芯片和欠壓指示電路組成。

(1)看門狗電路，其功能就是保證程序能夠正常運(yùn)行，一旦程序運(yùn)行出錯(cuò)時(shí)，它能夠?qū)μ幚砥鬟M(jìn)行及時(shí)復(fù)位。看門狗電路分為內(nèi)置和外置兩種，其中內(nèi)置電路置于主控芯片內(nèi)部，作為內(nèi)置外設(shè)的一部分；外置電路可通過 MAX6866芯片組成一個(gè)微電流監(jiān)視電路。

(2)主控電路，由于定位卡采用一次性電池供電，且要求使用壽命長(zhǎng)，故能夠以低功耗狀態(tài)工作是選擇主控電路的重要標(biāo)準(zhǔn)，而且定位卡需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量不大。因此，對(duì)主控電路的存儲(chǔ)空間要求不苛刻。

(3)欠壓提示設(shè)計(jì)，為防止因電池能量不足而造成定位卡功能失效，影響整個(gè)定位與管理系統(tǒng)的功能，特設(shè)計(jì)定位卡具有欠壓提示功能。該功能設(shè)計(jì)從定位卡現(xiàn)場(chǎng)欠壓提示和欠壓信息上傳中心站兩方面來考慮。在定位卡現(xiàn)場(chǎng)欠壓提示功能方面，硬件電路由微處理器內(nèi)置的模擬信號(hào)比較器、外圍的 1個(gè)電容和1個(gè)發(fā)光二極管組成，如圖 2所示。

圖2 欠壓提示電路

該模擬信號(hào)比較器能夠按電池電壓 Vcc的一定比例產(chǎn)生參考電壓 Vref或固定值 0.85 V。工作時(shí)，比較器首先被配置成按電池電壓 Vcc的一定比例產(chǎn)生參考電壓 Vref，按此參考電壓對(duì)外圍電容充電，經(jīng)過一段時(shí)間，使電容 Vc≈Vref，然后再次配置比較器，對(duì) Vc與 0.85 V進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果，若電池達(dá)到欠壓狀態(tài)，則通過發(fā)光二極管定時(shí)閃爍來提示電池電量不足，需要近期更換電池。在欠壓信息上傳中心站方面，在通訊協(xié)議中通過設(shè)置電壓狀態(tài)標(biāo)志位顯卡電池能量狀態(tài)信息上傳的功能。

1.3 射頻電路設(shè)計(jì)

由煤礦無線通訊特點(diǎn)知，在甚高頻和特高頻段，隨著頻率的增大，衰減變小，傳輸距離可達(dá)很遠(yuǎn)，巷道截面尺寸大于波長(zhǎng)，巷道對(duì)無線傳輸?shù)挠绊戨S著頻率的增高而變小。由于 2.4GHz頻段在巷道中衰減較小，傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸數(shù)據(jù)快，具有高數(shù)據(jù)吞吐量，同時(shí)識(shí)別快速移動(dòng)多目標(biāo)的能力強(qiáng)，適合煤礦環(huán)境。因此選用基于2.4 GHz頻段 Connectone公司的 Mini Socket iWiFi模塊，起到連接串口和 802.11 b/g無線LAN的作用。該模塊包括 iChipTM CO2128 IP Communication ControllerTM芯片和 Marvell 88W8686 WiFi芯片組 .被封裝成 RoHS兼容的緊湊結(jié)構(gòu)—兼容標(biāo)準(zhǔn)的 SocketModem管腳。

MiniSocketi WiFi支持針對(duì) Socket通訊的 SSL3/TLS1、 HTTPS、FTPS、 WEP、WPA和 WPA2WiFi加密。MiniSocket iWiFi不需要更改主處理器的硬件配置，容易和主配置的 PCB連接。并還帶有一個(gè)外接的天線接口。Mini Secure Socket iWiFi不需要或者很少的軟件配置就可以訪問無線 LAN。Connectone的高層 AT+iTM API使主處理器設(shè)備不需要增加 WiFi設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和安全協(xié)議。AT+i SerialNET操作模式提供一種真正的“即插即用”，使主處理器不需要任何修改。Mini Secure Socket iWiFi固件(IP協(xié)議棧和Internet配置參數(shù))存貯在外部 Flash中。iWiFi是一種節(jié)能的模塊，當(dāng) I/O工作在 3.3 V時(shí)，內(nèi)核工作在1.2 V，節(jié)能模式下，功耗將更少。

1.4 天線及其匹配電路設(shè)計(jì)

天線性能的優(yōu)劣直接決定系統(tǒng)性能的好壞，考慮到定位卡小型化、高靈活性、低價(jià)位的基于2.4 GHz的近距離無線傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，長(zhǎng)度為λ/4的單極天線射頻系統(tǒng)的組件，和發(fā)射模塊設(shè)計(jì)在同一塊電路板上，不僅設(shè)計(jì)方便，還可以通過改變天線的長(zhǎng)度來細(xì)調(diào)射頻系統(tǒng)的性能。

為了保證模塊產(chǎn)生的高頻信號(hào)最有效地發(fā)射出去，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的較遠(yuǎn)距離傳輸，必須在天線和模塊的ANT1、ANT2端提供天線的匹配網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)有 L1，L2，L3，C3，C4，C7，C8，C9等器件組成，能夠與天線形成諧振，保證所有能量全部加在天線上。

結(jié)合應(yīng)用實(shí)際，定位卡采用 1.6mm厚的 RF4材質(zhì)的雙層板，在板的頂部和底部均有地層以保證所有器件良好接地。另外，在每個(gè)關(guān)鍵的模擬器件的周圍都有充分的接地區(qū)域，頂層和底層之間通過大量地過孔連接，以增強(qiáng)卡片的抗干擾能力。

2 定位卡軟件設(shè)計(jì)

定位卡硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是圍繞抗干擾、低功耗等方面進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)的。因而，軟件設(shè)計(jì)也需要圍繞這幾個(gè)方面進(jìn)行，采用模塊化設(shè)計(jì)思想運(yùn)用 C語言編程實(shí)現(xiàn)定位卡功能。

2.1 軟件功能流程設(shè)計(jì)

定位卡軟件主要有以下 3部分組成:主程序模塊、電源低電壓檢測(cè)程序模塊、組織發(fā)送數(shù)據(jù)程序模塊。主程序模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)微處理器 MCU和 Mini Socket iWiFi模塊的初始化配置，然后進(jìn)入掉電模式，以節(jié)省電能；電源低電壓檢測(cè)程序模塊負(fù)責(zé)對(duì)電池電壓的定時(shí)監(jiān)測(cè)，在定位卡上完成欠壓指示功能的同時(shí)，把欠壓信息送入發(fā)射緩沖區(qū)，做為定位卡發(fā)送數(shù)據(jù)包的一部分進(jìn)行無線傳輸；組織發(fā)送數(shù)據(jù)程序模塊完成接收地址、定位卡 MAC地址、無線信號(hào)強(qiáng)度信息及電池狀態(tài)等有效信息由微處理器到發(fā)射模塊 Mini Socket iWiFi模塊傳遞。其中，電源低電壓檢測(cè)程序和組織發(fā)送數(shù)據(jù)程序共同構(gòu)成定位卡的中斷程序。

2.2 主程序設(shè)計(jì)

首先，關(guān)閉內(nèi)部看門狗，防止主程序在對(duì)器件配置期間引起復(fù)位中斷。由前面硬件部分知，微處理器可以通過選擇不同的振蕩源來降低本身功耗。該型處理器有 4種基本的時(shí)鐘源，在此通過配置時(shí)鐘系統(tǒng)寄存器采用內(nèi)部低功率，低頻率振蕩器 Vloclk，能夠產(chǎn)生 12 kHz典型頻率。對(duì)發(fā)射模塊 MiniSocket iWiFi模塊的初始化設(shè)置主要包括:測(cè)試模塊是否工作正常、設(shè)置連接參數(shù)等；然后，為電源檢測(cè)計(jì)數(shù)器、指示 1 min閃爍次數(shù)計(jì)數(shù)器等寄存器賦初值；打開內(nèi)部看門狗；設(shè)置定時(shí)及其初始；為節(jié)省能量，使程序進(jìn)入掉電模式，等待定時(shí)器中斷喚醒，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，如圖 3所示。

圖3 主程序流程圖

2.3 中斷程序設(shè)計(jì)

中斷服務(wù)程序是定位卡軟件的核心部分，它控制著定位卡的無線信號(hào)強(qiáng)度信息的收集、發(fā)送和電池能量的低電壓檢測(cè)功能，其流程圖如圖 4所示。

2.4 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)發(fā)送模塊是定位卡軟件的核心部分，它直接影響定位卡的性能和數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。發(fā)射模塊定時(shí)初始化的前提下，該模塊根據(jù)電池狀態(tài)和自身的標(biāo)識(shí)號(hào)組織要發(fā)送的數(shù)據(jù)和校驗(yàn)碼。如圖 5所示。

3 非功能性需求設(shè)計(jì)

3.1 抗干擾設(shè)計(jì)

在煤礦井下密閉巷道中，定位卡受到干擾主要有對(duì)卡片本身的干擾和對(duì)卡片發(fā)送數(shù)據(jù)的干擾。其中，對(duì)卡片本身的干擾源主要來自于井下大功率的高壓變頻設(shè)備，這種設(shè)備產(chǎn)生強(qiáng)電磁場(chǎng)，使定位卡程序混亂，出現(xiàn)“死機(jī)”問題。阻止這種干擾要從 PCB設(shè)計(jì)考慮，芯片布局時(shí)使微處理器和發(fā)射模塊的數(shù)字引腳盡量靠近，并且用地線包圍來增加屏蔽效果。另一方面，降低功耗性能的指標(biāo)，采用外部晶振和外部獨(dú)立的看門狗。

目前，最可能引入干擾的部分是數(shù)據(jù)在空間無線傳輸。數(shù)據(jù)在空間無線傳輸時(shí)，遇到強(qiáng)躁聲干擾，使有用信號(hào)衰減到無線 AP接收靈敏度以下，出現(xiàn)漏卡。如果有用信號(hào)在強(qiáng)噪聲的干擾下，出現(xiàn)信號(hào)異常，這種異常信號(hào)恰好能被讀卡器接收，就出現(xiàn)多卡，強(qiáng)噪聲有兩種:一種是煤礦井下的高頻設(shè)備產(chǎn)生的電磁場(chǎng)。另一種是上班高峰時(shí)，多張卡片云集，形成多徑干擾，考慮到卡片差異性，弱信號(hào)在強(qiáng)信號(hào)的反射、折射等信號(hào)的干擾下失真。針對(duì)這兩種問題從以下方面設(shè)計(jì):

圖4 中斷流程圖

圖5 數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

(1)選擇質(zhì)量好的電感 L1，L2和 L3，促進(jìn)匹配網(wǎng)絡(luò)與天線的和諧，盡量使發(fā)射的有用信號(hào)全部加載在天線上，增強(qiáng)空中有效信號(hào)的強(qiáng)度，提高信噪比，減少卡片在有效信號(hào)強(qiáng)度方面的差異。

(2)在通訊協(xié)議方面，由于異或校驗(yàn)不滿足實(shí)際環(huán)境要求，在空間無線數(shù)據(jù)傳輸方面采用 CRC校驗(yàn)方式。

3.2 微低功耗的設(shè)計(jì)

微低功耗是定位卡的重要指標(biāo)，它關(guān)系到定位卡使用壽命的長(zhǎng)短。對(duì)該指標(biāo)的設(shè)計(jì)從以下 3方面進(jìn)行:

(1)硬件方面，采用工作和待機(jī)時(shí)功耗消耗均比較低的模塊。

(2)軟件方面，采用間隔發(fā)送模式，間隔時(shí)間為1 s，設(shè)計(jì)使卡片工作時(shí)間遠(yuǎn)小于掉電省電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)發(fā)送時(shí)間盡量短，盡快進(jìn)入掉電模式。

(3)在欠壓指示方面，盡量減少電壓比較器的利用率，設(shè)計(jì)長(zhǎng)的檢測(cè)周期，本設(shè)計(jì)周期采用 7.28 h。

4 結(jié)束語

定位卡是礦下定位系統(tǒng)的重要組成部分，為了得到高效、準(zhǔn)確的定位信息，定位卡的軟硬件設(shè)計(jì)必須考慮多方面的因素。針對(duì)基于無線局域網(wǎng)的礦下定位系統(tǒng)中定位卡設(shè)計(jì)的各個(gè)方面進(jìn)行了較為深入的探討，并通過在實(shí)際的礦井定位系統(tǒng)應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，提出了若干解決非功能性需求的設(shè)計(jì)方法。

[1]范平志，鄧平，劉林.蜂窩網(wǎng)無線定位[M].北京:電子工業(yè)出版社，2002.

[2]KaPlan E D.Understanding GPS:Principles and App lications[M].Boston:Artech House，1996.

[3]Hargrave C O，Ralston JC，Hains worth D W.Op timising Wireless LAN for Longwall CoalMine Automation[C].Industry Application Conference，F(xiàn)ourtieth IAS Annual Meeting，2005(1):218-224.

[4]Texas Instrument Corp.The Datasheet of MSP430F2001，the Datasheet of MSP430f149[Z/OL].(2001-10-28)[2009-12-10]http://www.ti.com.