基于無線局域網的礦下定位卡設計與實現(xiàn)

馮 剛，江 雷

(華南師范大學計算機學院，廣東廣州 510631)

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

煤礦井下人員定位系統(tǒng)，其基本目標就是要實現(xiàn)井下工作人員的實時位置定位。就定位問題來說，目前主要有基于已經存在的移動蜂窩網[1]及 GPS的定位技術[2]。由于井下巷道是一個深埋在地下的限定非自由空間，GPS信號以及地面蜂窩移動網的信號不能到達，所以這些技術都不能在井下應用。要實現(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，井下可應用的無線通信技術及可行的定位技術主要有紅外技術、RFID技術、透地通信技術、漏泄通信技術及無線局域網 WLAN(Wireless Local Area Network)技術等[3]。

文中介紹基于無線局域網的礦下定位系統(tǒng)中定位卡的設計與實現(xiàn)技術。

1 硬件電路設計

定位卡，也稱做移動臺 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，采用低功耗設計，實現(xiàn)電池長期工作。

定位卡載有惟一可被識別的數字信息，卡片發(fā)放時，在地面監(jiān)控中心的數據庫內建立該卡片內的惟一信息和定位卡攜帶者身份對應的關系。整個系統(tǒng)的硬件體系結構，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，通常對電池的性能一般要求達到如下標準:

(1)使用溫度范圍廣，一般要求 -30°～50°。

(2)使用壽命長，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 控制處理單元設計

定位卡的控制處理單元負責對程序的可執(zhí)行文件的存儲、運行和管理。選擇 TI公司生產的 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行，一旦程序運行出錯時，它能夠對處理器進行及時復位。看門狗電路分為內置和外置兩種，其中內置電路置于主控芯片內部，作為內置外設的一部分；外置電路可通過 MAX6866芯片組成一個微電流監(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，故能夠以低功耗狀態(tài)工作是選擇主控電路的重要標準，而且定位卡需要存儲的數據量不大。因此，對主控電路的存儲空間要求不苛刻。

(3)欠壓提示設計，為防止因電池能量不足而造成定位卡功能失效，影響整個定位與管理系統(tǒng)的功能，特設計定位卡具有欠壓提示功能。該功能設計從定位卡現(xiàn)場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)場欠壓提示功能方面，硬件電路由微處理器內置的模擬信號比較器、外圍的 1個電容和1個發(fā)光二極管組成，如圖 2所示。

圖2 欠壓提示電路

該模擬信號比較器能夠按電池電壓 Vcc的一定比例產生參考電壓 Vref或固定值 0.85 V。工作時，比較器首先被配置成按電池電壓 Vcc的一定比例產生參考電壓 Vref，按此參考電壓對外圍電容充電，經過一段時間，使電容 Vc≈Vref，然后再次配置比較器，對 Vc與 0.85 V進行比較，根據比較結果，若電池達到欠壓狀態(tài)，則通過發(fā)光二極管定時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)議中通過設置電壓狀態(tài)標志位顯卡電池能量狀態(tài)信息上傳的功能。

1.3 射頻電路設計

由煤礦無線通訊特點知，在甚高頻和特高頻段，隨著頻率的增大，衰減變小，傳輸距離可達很遠，巷道截面尺寸大于波長，巷道對無線傳輸的影響隨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，傳輸數據快，具有高數據吞吐量，同時識別快速移動多目標的能力強，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兼容的緊湊結構—兼容標準的 SocketModem管腳。

MiniSocketi WiFi支持針對 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使主處理器設備不需要增加 WiFi設備、網絡和安全協(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)存貯在外部 Flash中。iWiFi是一種節(jié)能的模塊，當 I/O工作在 3.3 V時，內核工作在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計

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、低價位的基于2.4 GHz的近距離無線傳輸的特點，長度為λ/4的單極天線射頻系統(tǒng)的組件，和發(fā)射模塊設計在同一塊電路板上，不僅設計方便，還可以通過改變天線的長度來細調射頻系統(tǒng)的性能。

為了保證模塊產生的高頻信號最有效地發(fā)射出去，實現(xiàn)信號的較遠距離傳輸，必須在天線和模塊的ANT1、ANT2端提供天線的匹配網絡，該網絡有 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。

結合應用實際，定位卡采用 1.6mm厚的 RF4材質的雙層板，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，在每個關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，以增強卡片的抗干擾能力。

2 定位卡軟件設計

定位卡硬件系統(tǒng)設計主要是圍繞抗干擾、低功耗等方面進行重點設計的。因而，軟件設計也需要圍繞這幾個方面進行，采用模塊化設計思想運用 C語言編程實現(xiàn)定位卡功能。

2.1 軟件功能流程設計

定位卡軟件主要有以下 3部分組成:主程序模塊、電源低電壓檢測程序模塊、組織發(fā)送數據程序模塊。主程序模塊實現(xiàn)對微處理器 MCU和 Mini Socket iWiFi模塊的初始化配置，然后進入掉電模式，以節(jié)省電能；電源低電壓檢測程序模塊負責對電池電壓的定時監(jiān)測，在定位卡上完成欠壓指示功能的同時，把欠壓信息送入發(fā)射緩沖區(qū)，做為定位卡發(fā)送數據包的一部分進行無線傳輸；組織發(fā)送數據程序模塊完成接收地址、定位卡 MAC地址、無線信號強度信息及電池狀態(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，電源低電壓檢測程序和組織發(fā)送數據程序共同構成定位卡的中斷程序。

2.2 主程序設計

首先，關閉內部看門狗，防止主程序在對器件配置期間引起復位中斷。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種基本的時鐘源，在此通過配置時鐘系統(tǒng)寄存器采用內部低功率，低頻率振蕩器 Vloclk，能夠產生 12 kHz典型頻率。對發(fā)射模塊 MiniSocket iWiFi模塊的初始化設置主要包括:測試模塊是否工作正常、設置連接參數等；然后，為電源檢測計數器、指示 1 min閃爍次數計數器等寄存器賦初值；打開內部看門狗；設置定時及其初始；為節(jié)省能量，使程序進入掉電模式，等待定時器中斷喚醒，進入中斷服務程序，如圖 3所示。

圖3 主程序流程圖

2.3 中斷程序設計

中斷服務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強度信息的收集、發(fā)送和電池能量的低電壓檢測功能，其流程圖如圖 4所示。

2.4 數據發(fā)送模塊設計

數據發(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據無線傳輸的準確性。發(fā)射模塊定時初始化的前提下，該模塊根據電池狀態(tài)和自身的標識號組織要發(fā)送的數據和校驗碼。如圖 5所示。

3 非功能性需求設計

3.1 抗干擾設計

在煤礦井下密閉巷道中，定位卡受到干擾主要有對卡片本身的干擾和對卡片發(fā)送數據的干擾。其中，對卡片本身的干擾源主要來自于井下大功率的高壓變頻設備，這種設備產生強電磁場，使定位卡程序混亂，出現(xiàn)“死機”問題。阻止這種干擾要從 PCB設計考慮，芯片布局時使微處理器和發(fā)射模塊的數字引腳盡量靠近，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，采用外部晶振和外部獨立的看門狗。

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

圖4 中斷流程圖

圖5 數據發(fā)送流程圖

(1)選擇質量好的電感 L1，L2和 L3，促進匹配網絡與天線的和諧，盡量使發(fā)射的有用信號全部加載在天線上，增強空中有效信號的強度，提高信噪比，減少卡片在有效信號強度方面的差異。

(2)在通訊協(xié)議方面，由于異或校驗不滿足實際環(huán)境要求，在空間無線數據傳輸方面采用 CRC校驗方式。

3.2 微低功耗的設計

微低功耗是定位卡的重要指標，它關系到定位卡使用壽命的長短。對該指標的設計從以下 3方面進行:

(1)硬件方面，采用工作和待機時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，間隔時間為1 s，設計使卡片工作時間遠小于掉電省電時間，實現(xiàn)發(fā)送時間盡量短，盡快進入掉電模式。

(3)在欠壓指示方面，盡量減少電壓比較器的利用率，設計長的檢測周期，本設計周期采用 7.28 h。

4 結束語

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

[1]范平志，鄧平，劉林.蜂窩網無線定位[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.