陳文博,何景峰,林柏宇

(西京學院 理學院,陜西 西安 710123)

0 引言

煤炭是我國重要的能源,為國民經(jīng)濟的發(fā)展提供強有力的保障[1]。但煤礦開采過程中事故頻發(fā),解決煤礦安全生產(chǎn)問題迫在眉睫。因此,采用先進的高精度定位技術和通信手段設計的礦井下人員定位系統(tǒng)尤為重要。礦工人員位置信息可采用超寬技術對其進行精確定位,在意外發(fā)生時,可迅速采取相應救援措施,降低人員的傷亡率[2]。目前,通信中使用的無線電波是遵循一定速度起伏波動的電磁場,電磁場起伏波動的速度即為通信的頻率,電磁波的頻率從低速到高速構(gòu)成了頻譜。無線電波的頻率通常不是某個頻率值,而是一段頻率范圍,這個頻率范圍即為帶寬。與常見的通信技術不同,超寬帶在頻譜中的頻率范圍較寬,從而具備更快的傳輸速度,同時兼?zhèn)涞凸牡奶匦浴?/p>

1 系統(tǒng)整體設計

該系統(tǒng)主由上位機、定位基站J0、定位基站J1、定位基站J2和目標節(jié)點M0組成。其中,目標節(jié)點M0安裝固定于礦井人員頭戴的礦井安全帽上,定位系統(tǒng)整體框架如圖1所示。目標節(jié)點采用雙邊飛行時間算法分別向3個定位基站發(fā)起時間戳測距信號。定位基站與目標節(jié)點相互之間完成測距后,系統(tǒng)通過三邊定位法解算出目標節(jié)點的坐標并將測距結(jié)果匯總于定位基站J0。定位基站J0同時擔任通信節(jié)點,負責將所測結(jié)果通過串口發(fā)送至上位機應用軟件層?？紤]到礦井實際作業(yè)環(huán)境具有較高危險性,礦工下井時必須攜帶安全帽,目標節(jié)點裝置必須具備體積小、重量輕、攜帶方便的特點。本設計將目標節(jié)點裝置安裝在礦帽上,使得工人免于額外攜帶目標節(jié)點裝置,更加適用實際應用。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架

2 系統(tǒng)硬件設計

根據(jù)系統(tǒng)的實際應用需求選擇最適合的核心處理單元及射頻定位模塊,進而按照供電需求選取電源管理模塊。定位系統(tǒng)的硬件設計部分主要包括所有節(jié)點的硬件電路設計與實現(xiàn),考慮到硬件成本、體積、功耗等因素。本系統(tǒng)所設計的定位基站和目標節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)只由必要的模塊單元組成。定位基站和目標節(jié)點的硬件主要包括電源管理模塊、STM32主控模塊、DWM1000射頻模塊,系統(tǒng)硬件設計如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控模塊

根據(jù)定位系統(tǒng)對中央處理單元的需求,采用意法公司出廠的STM32F4系列的STM32F411CE芯片作為主控核心,并結(jié)合對應的晶振、復位電路等組成系統(tǒng)的中央處理單元,晶振電路及復位電路如圖3所示。主控單元處理速度高達100 MHz,足以滿足定位系統(tǒng)對通信數(shù)據(jù)處理的需求。芯片擁有512 KB的存儲,128 KB的SRAM。存儲外設資源豐富,3個USARTs (2×12.5 Mbit/s,1×6.25 Mbit/s),11個定時器,81個具有中斷能力的I/O端口,其內(nèi)部存儲空間完全能夠滿足定位系統(tǒng)設計程序的運行和實現(xiàn),STM32系列單片機相對于其他類型單片機具備市場占有率大、運算處理能力強、性能較為穩(wěn)定、功耗低等優(yōu)點。

圖3 晶振電路及復位電路

2.2 DWM1000射頻模塊

本設計的無線射頻模塊采用Decawave公司基于DWM1000芯片的射頻模組,通過SPI與主控模塊引腳連接[3]。該模塊產(chǎn)品采用側(cè)邊城堡型封裝,易于集成,射頻模組輸出功率可調(diào),支持AON數(shù)據(jù)存儲,傳輸效率高達6.8 Mbps,可傳輸數(shù)據(jù)量較大,符合美國和歐盟的超寬帶通信標準。模塊且同時具備功耗低的特性和較強的抗干擾能力,大大延長產(chǎn)品生命周期。電源部分由3.3 V電源進行供電,射頻模塊的EXTON引腳接入主控單元的PA1引腳,可控制芯片由運行狀態(tài)進入休眠狀態(tài);引腳WAKEUP接入到主控單元的PA3引腳,可控制芯片從休眠狀態(tài)進入工作狀態(tài);引腳RESET接入主控單元的PA2引腳,可控制芯片系統(tǒng)復位;引腳IRQ/GPIO8接入主控單元的PA0引腳,可用于中斷信號的控制。無線射頻模塊原理如圖4所示。

圖4 無線射頻模塊原理

2.3 電源管理模塊

電源的穩(wěn)定供應是保障設備的正常工作的先決條件,定位基站和目標節(jié)點的USB供電電壓為5 V。本設計采用Sipex半導體公司生產(chǎn)的SP6205低壓差調(diào)節(jié)芯片,將5 V輸入轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定輸出3.3 V電壓供給STM32主控芯片及射頻DWM1000模塊。SP6205芯片擁有較低靜態(tài)電流(100 μA Typ.)具備噪聲低、輸出電壓精度高、輸出電流平穩(wěn)等特點。電源管理模塊如圖5所示。

圖5 電源管理模塊

3 定位系統(tǒng)通信設計

(1)對設備的核心處理單元時鐘系統(tǒng)和SPI接口進行初始化。

(2)目標節(jié)點M0向各個定位基站發(fā)送包含地址的問詢幀請求并且記錄當前時間ta。

(3)對應地址的定位基站接收到問詢幀請求后記錄當前時間tb,該定位基站回復應答信息并記錄當前時間tc。

(4)目標節(jié)點收到該定位基站的回復信息后,記錄當前時刻td,并發(fā)送最終消息。

(5)對應定位基站接收到最終消息,并記錄當前時間tf。

(6)定位基站和目標節(jié)點通過雙邊飛行時間算法獲得對應的距離值,在經(jīng)過匯總后發(fā)給同時擔任通信節(jié)點的定位基站J0。

(7)定位基站J0通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機,上位機程序系統(tǒng)獲得關于目標節(jié)點M0所對應的距離信息通過三邊定位算法解算出目標節(jié)點的位置坐標。定位系統(tǒng)軟件設計如圖6所示。

圖6 定位系統(tǒng)軟件設計

4 結(jié)語

我國作為能源使用大國,煤炭依舊是我國十分重要的基礎能源。如何通過技術創(chuàng)新的科技手段保障煤礦的安全生產(chǎn)是一個重要問題。定位控制系統(tǒng)的硬件電路設計包括以STM32F411CE為核心的主控最小系統(tǒng)、UWB射頻無線收發(fā)模塊、電源管理模塊、LED指示電路及相關外圍電路構(gòu)成。設計以SP6205芯片為核心的降壓電路為系統(tǒng)穩(wěn)定供給5 V以及3.3 V穩(wěn)定電能供給,采用性能卓越的核心處理單元進行數(shù)據(jù)傳輸和處理,主控核心通過SPI與UWB射頻無線收發(fā)模塊進行通信。定位系統(tǒng)通信設計首先對所有的定位基站和目標節(jié)點進行系統(tǒng)初始化配置,由目標節(jié)點向所有定位基站發(fā)送數(shù)據(jù)問詢通信幀,記錄相關數(shù)據(jù),定位基站收到問詢信息后,記錄相關信息。定位基站和目標節(jié)點通信后,通過雙邊飛行時間算法獲得對應距離值數(shù)據(jù),通過擔任通信節(jié)點的定位基站J0發(fā)送給上位機系統(tǒng),將距離信息通過三邊定位算法解算出目標節(jié)點的最終位置坐標。本設計將目標節(jié)點裝置安裝在礦帽上,對其便攜性有很大提高。這種新型高精度的礦井下人員位置定位系統(tǒng),希望在煤礦的系統(tǒng)性安全生產(chǎn)管理和意外事故發(fā)生后進行緊急救援中發(fā)揮重要作用。