井下人員定位系統電子標簽與讀卡器的設計＊

張秀娟

(山東科技大學信息科學與工程學院,山東省青島市,266510)

★煤炭科技·機是與信息化 ★

井下人員定位系統電子標簽與讀卡器的設計＊

張秀娟

(山東科技大學信息科學與工程學院,山東省青島市,266510)

為實現煤礦井下作業人員進出的有效識別和實時監測監控,設計了一種基于NRF24E1芯片和W77E58處理器單片機的井下人員定位系統,介紹了定位系統的電子標簽和讀卡器的軟、硬件設計,給出了讀卡器的整體及各個模塊的設計方案。

實時監控 定位系統 電子標簽 讀卡器

AbstractIn order to realize an effective underground coal mine personnel identification and real-time monitoring and control on their entering and leaving the mine and make the management system more human and utilize informatics and high degree of automation so as to realize the goal of a digital mine,a NRF24E1 and W77E58 single-chip computers based underground personnel positioning system is designed.This paper provides an account about the design of the soft-wares and hard-wares of the electronic tags and card readers of the positioning system and provides the design schemes of the integral card reader and each of all modules.

Key wordsreal-time monitoring and control,positioning system,electronic tag,card reader

1 電子標簽的設計

電子標簽指的是下井人員所攜帶的射頻信號發射卡,它由標簽天線和標簽專用芯片組成,又叫做射頻標簽或數據載體。根據供電方式不同電子標簽可分為有源電子標簽、無源電子標簽和半無源電子標簽。由于NRF24E1芯片是有源電子標簽專用芯片,考慮到便于攜帶等實際應用因素,采用CR2450型大容量紐扣電池作為供電電源。

1.1 電池的使用壽命

由于采用電池供電,必然會產生電池的使用壽命問題。假設使電子標簽一直處于發送狀態,按照不發射信號時工作電流為3 mA、發射信號時工作電流為18 mA且發射時間為1 ms來計算,它的平均功耗W為:

按照CR2450的標稱容量500 mAh來計算,電池的使用壽命 T為:

這意味著每6.9 d就必須換一次電池,顯然不能滿足實際生產的需要。所以,根據實際生產的需求,利用NRF24E1芯片內部的定時喚醒功能,采用定時間隔發送的方式發送射頻信號。結合實際應用過程中井下人員的行走速度等因素,將時間間隔定為1 s,那么電子標簽會每秒鐘發射一次射頻信號,發送完就進入節電模式,等待1 s后被喚醒,再發射一次射頻信號,然后再進入節電模式,依次循環。按照NRF24E1芯片處于節電模式時工作電流僅為2μA,按發射信號時的工作電流為18 mA且發射時間為1 ms來計算,它的平均功耗W為:

按照CR2450的標稱容量500 mAh來計算,電池的使用壽命 T為:

這樣電池的壽命有3年多,這完全能夠滿足實際生產的需求。

1.2 通信數據碰撞問題

多點通信時,防止各節點之間通信數據發生碰撞是關鍵。常見的避免無線通信沖突的方法主要有頻分多址技術 (FDMA)、載波監聽技術 (CSMA)和時分多址技術 (TDMA),本系統采用CSMA技術。在電子標簽發送員工編號之前,首先監聽是否有其它電子標簽在發送數據,如果有,則退避一個時間片進行監聽,直到沒有其他電子標簽在發送數據,才將本標簽的編號打包發送出去。CSMA技術的部分源代碼如下:

2 射頻卡讀卡器的設計

2.1 射頻卡讀卡器工作原理

采用NORDIC公司的NRF24E1芯片作為無線接收模塊在井下的最遠接收距離可達100 m。當佩戴電子標簽的員工到達讀卡器的有效范圍內時, NRF24E1芯片便可以通過讀卡器上的PCB天線接收到電子標簽發出的員工編號,然后以中斷的方式通過W77E58處理器串口1將收到的員工編號發送給W77E58CPU進行數據處理。W77E58處理器首先將NRF24E1芯片送達的員工編號在顯示窗口顯示,指示燈閃爍一下、蜂鳴器蜂鳴一聲用來提示讀卡器已經收到該員工編號。由于電子標簽采用間隔發送方式發送員工編號,所以當讀卡器在7 s中之內沒有再次收到該員工的員工編號,則自動認為該員工已經離開本讀卡器。當W77E58處理器的串口0以中斷的方式接收到分站收集數據的命令時,立刻查詢當前讀卡器中的人員,并將當前所在人員的員工編號上傳給分站。讀卡器的設計模塊圖如圖1所示。

圖1 讀卡器模塊圖

2.2 射頻卡讀卡器的硬件電路設計

讀卡器的硬件電路可以劃分成電源模塊、無線射頻模塊、CPU處理模塊、外擴SRAM模塊、顯示模塊和數據傳輸模塊。

(1)電源模塊。采用12 V和5 V的電源作為供電電源,經過LM7805和LM1117-3.3穩壓后輸出5 V和3.3 V。CPU處理模塊、外擴SRAM模塊和顯示模塊均采用5 V電源供電,無線射頻模塊采用3.3 V電源供電,電源模塊電路原理圖如圖2所示。

圖2 電源模塊電路原理圖

(2)無線射頻模塊。采用 NORDIC公司的NRF24E1作為無線收發芯片,通過天線接收電子標簽發送的人員信息,并通過芯片的串口傳送給W77E58 CPU進行處理。NRF24E1芯片上電后,首先將外掛的25xx320程序全部下載讀入內部的4k byte專用RAM區,然后再開始執行用戶程序。射頻模塊電路原理圖如圖3所示。

(3)CPU模塊。采用 W77E58處理器作為CPU,MAX813L作為上電和手動復位芯片。當CPU以中斷方式接收到射頻模塊送達的電子標簽編號時,首先將電子標簽編號在顯示器上進行顯示,同時指示燈閃爍并且蜂鳴器蜂鳴一聲。CPU模塊電路原理圖如圖4所示。

(4)外擴RAM模塊。采用74HC373作為地址鎖存器,HY6264作為靜態RAM。結合煤礦的實際要求,當外部電源掉電后數據信息不能丟失。由于SRAM(靜態RAM)在掉電后數據會丟失,所以采用10000μf的超級電容 (圖5中的C11)作為掉電后RAM的供電電源。其中R15和R16的作用是保護掉電時RAM中的數據不被隨意改寫。外擴RAM模塊電路原理圖如圖5所示。

圖5 外擴RAM模塊電路原理圖

(5)顯示模塊。采用靜態顯示方法,用4片74HC164及4位數碼管將讀卡器收到的電子標簽編號進行顯示。顯示范圍為0000～9999。

(6)數據傳輸模塊。讀卡器是井下人員定位系統的最底層。它通過CPU的串口0與上一層的分站進行數據的交換。通過CPU的串口1接收無線射頻模塊的數據。由于射頻模塊采用3.3 V電源供電,而CPU采用5 V電源供電,所以采用TLP521光耦隔離器進行射頻模塊和CPU在電器上的隔離。考慮到電路在煤礦中應用的安全性,用3個瞬態抑制二極管來吸收浪涌電流,防止雷擊或者其他大電流對電路產生的不可逆破壞。數據傳輸模塊電路原理圖如圖6所示。

圖6 數據傳輸模塊電路原理圖

2.3 射頻卡讀卡器的軟件程序設計

(1)讀卡器軟件設計的核心是數據的無線接收問題。本系統利用NRF24E1芯片的DuoCeiverTM技術,可以同時接收兩個不同頻道的數據,能夠有效防止數據的漏讀。NRF24E1芯片接收的部分程序代碼如下:

(2)射頻模塊接收到數據后,將數據傳送給主CPU進行數據處理。首先,CPU用P1.5和P1.61模擬串口將射頻模塊送來的電子標簽卡編號在顯示器上進行顯示,然后將該卡編號對應的RAM的地址的數據設置為0X07,并且定時器開始定時,每隔1 s將該地址的數據內容減一,如果7 s鐘之內沒有再次收到該電子標簽卡號,則該地址的內容便是0,表示持卡人已經離開讀卡器的有效覆蓋范圍。CPU如果接收到上層分站的收集數據命令,則將RAM中內容不為0的地址發送給上層分站。CPU處理程序部分代碼如下所示。

3 結束語

基于NRF24E1芯片和W77E58處理器的電子標簽與讀卡器的設計應用于井下人員定位系統,經多個煤礦井下測試證明,該系統能夠同時識別30個以5 m/s速度移動的電子標簽。漏檢率低于5%,誤碼率低于1%,符合國家標準的要求。實踐表明,本系統應用靈活,可靠性高,運行效果良好,且具有良好的可移置性。

[1]楊君,尚潔.利用單片機實現載波偵聽多址接入 [J].電子工程師,2004,30(10)

[2]戴佳,戴衛恒.51單片機C語言應用程序設計實例精講 [M].北京:電子工業出版社,2006

[3]李朝清.單片機應用與接口技術 [M].北京:北京航空航天大學出版社,1994

[4]陳邦嬡.射頻通信電路 [M].北京:科學出版社, 2002

(責任編輯 路 強)

Design of underground personnel positioning system’s electronic tag and card-reader

Zhang Xiujuan
(College of Information science and Engineering,Shandong University of Science and Technology, Qingdao,Shandong province 266510,China)

TD676

A

張秀娟 (1962-),女,山東棲霞人,博士,教授,現任教于山東科技大學信息學院,主要研究方向:嵌入式系統的軟硬件設計及計算機應用。

＊青島市科技計劃項目:“嵌入式指紋自動識別系統開發”,項目編號:06-2-2-9-jch