張立群

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013）

目前煤礦人員定位系統(tǒng)主要采用RFID、WIFI、ZigBee等區(qū)域定位技術(shù)，普遍存在著定位精度不足、傳輸距離短、漏卡、易受周圍環(huán)境影響等問題[1]。這使得在礦難發(fā)生時，難以準(zhǔn)確確定井下人員的位置來開展救援。隨著智慧化礦山的建設(shè)，目前UWB精確人員定位系統(tǒng)已在逐步的替換傳統(tǒng)區(qū)域定位系統(tǒng)。在國家安監(jiān)局最新印發(fā)的AQ 6210—2020《煤礦井下人員定位系統(tǒng)通用技術(shù)條件》(送審稿)中，對精確人員定位系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)做了具體要求，其中系統(tǒng)應(yīng)有便攜式的讀卡設(shè)備實(shí)現(xiàn)脫網(wǎng)定位功能作為強(qiáng)制性條款，使之在應(yīng)急救援及系統(tǒng)維護(hù)等方面發(fā)揮重要作用。超寬帶（Ultra Wide Band,UWB）技術(shù)是一種使用1 GHz以上頻率帶寬的無線載波通信技術(shù)，通過發(fā)送和接收納秒級非正弦波窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)信號，具有很強(qiáng)的時間分辨力，可實(shí)現(xiàn)厘米級的精確定位[2]，具有定位精度高、抗多徑衰落能力強(qiáng)、穿透能力強(qiáng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，非常適合在復(fù)雜環(huán)境的井下實(shí)現(xiàn)精確定位。

鑒于此，設(shè)計了一種基于UWB技術(shù)和SDSTWR雙邊雙程測距算法的礦用移動式讀卡器，實(shí)現(xiàn)在較大范圍內(nèi)快速識別多張定位卡的精確位置和人員信息，對系統(tǒng)維護(hù)以及災(zāi)后開展科學(xué)救援，提高救援的時效性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，符合智慧礦山建設(shè)的發(fā)展趨勢。

1 UWB精確測距原理

設(shè)計的移動式讀卡器的精確測距原理基于到達(dá)時間（Time of Arrival,TOA）方法的SDS-TWR雙邊雙程測距算法。該方法利用射頻信號在空氣傳播時的速度已知，通過測量射頻信號從定位卡到讀卡器的飛行時間，從而確定2點(diǎn)間的距離。該方法幾乎不受射頻信號強(qiáng)度大幅變動的影響[3]。雙邊雙程精確測距算法原理示意圖如圖1，整個過程分為2個階段，發(fā)現(xiàn)階段和測距階段。

圖1 雙邊雙程精確測距算法原理示意圖Fig.1 SDSTWR accurate ranging algorithm principle diagram

在發(fā)現(xiàn)階段，定位卡定期向周圍發(fā)送簡短的入網(wǎng)消息(眨眼信號)，并等待來自移動式讀卡器的回應(yīng)，并按照回應(yīng)的信息進(jìn)行初始配置，如時隙、喚醒周期等[4]。此后進(jìn)入測距階段，定位卡在t1時刻向移動讀卡器發(fā)送含有該定位卡卡號和t1時間戳的起始消息幀，移動讀卡器在t2時刻收到消息幀，延遲響應(yīng)一定時間后，在t3時刻向該定位卡發(fā)送回復(fù)幀，定位卡在t4時刻收到回復(fù)幀并延遲響應(yīng)一定時間后，在t5時刻再次給移動讀卡器發(fā)送包含t1、t4、t5時間戳的終止消息幀，移動讀卡器在t6時刻收到終止消息幀，即完成了1次測距過程。此過程中定位卡從發(fā)送起始幀到接收到回復(fù)幀的往返時間為t4-t1，期間的延遲響應(yīng)時間為t3-t2，移動式讀卡器從發(fā)送回復(fù)幀到接收到終止幀的往返時間為t6-t3，期間的延遲響應(yīng)時間為t5-t4，總計2次往返，由此可計算出定位卡到移動式讀卡器的飛行時間，進(jìn)而由式（1）轉(zhuǎn)換為2點(diǎn)間的距離D。

式中：C為電磁波在空氣中的傳播速度，約為3×108m/s。

采用雙邊雙程（SDS-TWR）測距算法規(guī)避了定位卡和移動讀卡器之間不同時鐘時基帶來的不確定性，兩者無需精確的時鐘同步，并能有效降低時鐘頻率漂移所帶來的計時誤差。

2 移動式讀卡器硬件

移動式讀卡器以ARM主控器STM32F429和UWB無線收發(fā)芯片DW1000為設(shè)計核心，整個電路設(shè)計為本質(zhì)安全型，采用模塊化結(jié)構(gòu)，由UWB無線收發(fā)電路、觸摸液晶屏顯示電路、鋰電池充電管理電路、鋰電池電量計電路、電源電路、Flash存儲電路、USB電路、按鍵輸入電路等組成，實(shí)現(xiàn)在較大范圍內(nèi)快速識別多張定位卡的精確位置，檢測定位卡的狀態(tài)，查詢定位卡人員的詳細(xì)信息。移動式讀卡器硬件總體結(jié)構(gòu)圖如圖2。

圖2 移動式讀卡器硬件總體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware general structure diagram of portable card reader

ARM STM32F429是移動式讀卡器的處理核心，由鋰電池供電，電源適配器經(jīng)USB口，通過TP4056X組成的充電電路對鋰電池實(shí)現(xiàn)充電管理，CW2015鋰電池電量計對電池進(jìn)行采集，通過I2C將電池的剩余電量、剩余工作時間傳給ARM，鋰電池經(jīng)電源電路進(jìn)行電壓變換后分成2部分，一部分升壓到5 V給液晶觸摸屏供電，另一部分經(jīng)低壓差LDO降壓到+3.3 V及+1.8 V給ARM及相關(guān)外設(shè)和DW1000供電，ARM與UWB無線模塊采用SPI通信來發(fā)送和接收UWB信號，計算出與定位卡的精確距離。ARM通過UART與觸摸液晶屏通信，實(shí)時顯示定位卡的測距信息及狀態(tài)，查詢定位卡對應(yīng)人員的姓名、部門、照片等詳細(xì)信息。Flash W25Q256用來存儲DW1000的模式、參數(shù)等配置信息和定位卡的人員信息。

UWB無線收發(fā)電路以DW1000為核心，DW1000是一個集成度非常高的低功耗、單芯片CMOS射頻收發(fā)器，兼容IEEE802.15.4-2011 UWB標(biāo)準(zhǔn)[5]。UWB無線收發(fā)電路如圖3。

圖3 UWB無線收發(fā)電路圖Fig.3 UWB wireless transceiver circuit diagram

DW1000無線收發(fā)器采用嚴(yán)格的接口要求，從而確?？煽康碾娫?、射頻和定時信號。DW1000有8個電源引腳，每個引腳都需要0.1μF的去耦電容，發(fā)射機(jī)功放的外部電源引腳18腳、19腳VDDPA1、VDDPA2各需要0.1μF、10 pF、330 pF 3個去耦電容。電源電路提供的1.8 V電壓給26腳VDDLDOD、48腳VDDLDOA以實(shí)現(xiàn)更高的功效。ARM通過SPI控制DW1000芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，DW1000的差分引腳16腳RF_P和17腳RF_N輸出UWB信號經(jīng)巴倫轉(zhuǎn)換器HHM1595A1，將差分信號轉(zhuǎn)換成單端射頻信號，經(jīng)RF放大電路進(jìn)行放大后，經(jīng)天線發(fā)射出去[6]，實(shí)現(xiàn)與定位卡測距的功能。

移動式讀卡器作為一種手持便攜式設(shè)備，對鋰電池進(jìn)行充電管理，延長電池使用壽命是設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，鋰電池充電管理的硬件設(shè)計電路圖如圖4。

圖4 鋰電池充電管理電路圖Fig.4 Lithium battery charging management circuit diagram

TP4056X是一款完整的單節(jié)鋰離子電池采用恒定電流/恒定電壓線性充電器[7]，其內(nèi)部具有防倒充電路，高達(dá)1 000 mA的可編程充電電流。TP4056X的第2引腳PROG接電阻R3，可通過R3的不同阻值對充電電流進(jìn)行設(shè)定，TP4056X的7腳（CHRG）和6腳（STDBY）連接LED燈實(shí)現(xiàn)充電指示。正在充電狀態(tài)，紅燈D2亮，電池充滿狀態(tài)，綠燈D1亮。設(shè)計的充電電流為1 000 mA，為縮短充電時間，需增加0.4Ω的熱耗散電阻R6。

電池的剩余電量是手持設(shè)備的重要參考，設(shè)計采用專用電量計芯片CW2015，鋰電池電量計電路如圖5。

圖5 鋰電池電量計電路Fig.5 Lithium battery capacity measurement circuit diagram

CW2015是專門應(yīng)用在手持及便攜式設(shè)備的擁有小封裝、低成本，無需電流校準(zhǔn)和充放電學(xué)習(xí)的鋰電池電量計[8]。CW2015的第2引腳VCELL持續(xù)監(jiān)測電池在充電/放電狀態(tài)下的電壓，運(yùn)行專利“Fast－Cali”電量計算法，結(jié)合電池建模信息，可準(zhǔn)確計算電池電壓、剩余電池電量、剩余工作時間，采用I2C總線與ARM通信，將電池信息傳給ARM。當(dāng)電池電壓低時，5腳輸出低電平，提示低壓報警。

3 移動式讀卡器軟件

設(shè)計采用RT-Thread操作系統(tǒng)，移動式讀卡器程序流程圖如圖6。

圖6 移動式讀卡器程序流程圖Fig.6 Process flow chart of portable card reader

系統(tǒng)對ARM進(jìn)行時鐘、UART、SPI、I2C等硬件資源進(jìn)行初始化及DW1000參數(shù)的配置，之后進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)，等待定位卡廣播發(fā)送的入網(wǎng)消息[9]。識別到定位卡后，通過SDS-TWR測距算法來計算定位卡與移動式讀卡器之間的距離，并將定位卡的數(shù)量、卡號、電壓、距離、人員信息以及讀卡器的鋰電池信息通過液晶屏顯示出來。

4 試驗(yàn)測試

對移動式讀卡器分別進(jìn)行最大并發(fā)量、最大位移速度、最大距離與測距精度試驗(yàn)，來驗(yàn)證其性能。設(shè)計的移動式讀卡機(jī)DM1000通信參數(shù)設(shè)置為110 kbps數(shù)據(jù)速率、16 MHz PRF、1 024個符號前導(dǎo)碼[10]。設(shè)計的最大并發(fā)量為80張定位卡，最大位移速度為7 m/s。

最大位移速度與最大并發(fā)量試驗(yàn)，在空曠的道路，將80張定位卡放在車上，車以25 km/h勻速通過移動式讀卡器的識別區(qū)，以滿足最大并發(fā)數(shù)量的定位卡（80張）處于最大位移速度（7 m/s）的要求，測量20次，觀察移動式讀卡器能否正確讀到全部定位卡。經(jīng)20次測量，移動式讀卡機(jī)全部正確讀出定位卡，漏讀率為0。因此，最大并發(fā)量為80張定位卡，最大位移速度為7 m/s，滿足測試要求。

最大距離與測距精度試驗(yàn)，將最大并發(fā)量80張定位卡均勻設(shè)置在移動式讀卡器定位區(qū)內(nèi)，在空曠的道路上，定位卡分別放在實(shí)際50、100、210、300、400、52.3、154.6、216.5、313.7、379.8 m，總計5個整數(shù)點(diǎn)和5個非整數(shù)點(diǎn)的位置，每個位置放8張卡，移動式讀卡器測量所有定位卡位置，并計算所有定位卡測量位置與實(shí)際位置的差值，每個位置取100條數(shù)據(jù)，其最大值為最大靜態(tài)誤差。

經(jīng)試驗(yàn)，在DW1000的此參數(shù)配置下，移動式讀卡器可實(shí)現(xiàn)最大靜態(tài)誤差不大于30 cm，最遠(yuǎn)距離達(dá)到400 m，滿足礦方對移動式讀卡器的精確定位要求。

5 結(jié)語

分析了UWB通信技術(shù)和SDSTWR雙邊雙程測距算法實(shí)現(xiàn)精確測距的原理。以主控ARM芯片STM32F429和UWB無線收發(fā)芯片DW1000為核心，設(shè)計了一種基于UWB技術(shù)和SDS-TWR測距算法的手持移動式讀卡器。測試結(jié)果表明，該移動式讀卡器最大靜態(tài)測距誤差不大于0.3 m，有效測距距離400 m，最大并發(fā)識別數(shù)量80張定位卡，最大位移速度不小于7 m/s，滿足煤礦對精確人員定位系統(tǒng)維護(hù)以及應(yīng)急救援中對遇難人員精準(zhǔn)定位要求。