一種基于TOF測距的礦井精確定位設計

曾永華

【摘 要】為了提高礦山井下定位系統的精度，本文提出了一種基于TOF測距算法的精確定位設計。本文闡述了無線測距方式的選擇、無線測距設計及基于nRF2401芯片精確定位收/發模塊的設計。

【關鍵詞】精確定位；TOF測距；nRF2401

0 引言

隨著礦山自動化、信息化建設的不斷深入，礦山行業對井下人員/機車等動目標的定位管理要求越來越高，傳統的區域定位已經難以滿足礦山建設的需要。與區域定位只能定位一個大的區域范圍不同，精確定位能將井下動目標準確定位到具體位置，能直觀展現井下動目標的確切位置，對礦井的安全生產具有重要意義。

1 無線測距方式選擇

1.1 小區定位測距

采用泄漏電纜，以多點連續的射頻信號實現巷道長距離信號連續覆蓋，在重點及關鍵區域密集設置定位器，實現準精確定位。

小區定位的定位精度較低，定位參照點多，數據量大，系統可靠性和可維護性較差。

1.2 RSSI定位測距

Zigbee和WiFi網絡通常采用RSSI定位方法，通過無線信號的傳輸損耗模型計算移動節點與節點間的距離：[p（d）]dBm=[p（d0）]dBm-10nlg（d/d0）+XdBm

p（d）為距離發射點d米處的接受信號強度，即RSSI值；p（d0）為參考距離為d0的信號功率；n為實際的路徑損耗指數，障礙物越多，n值越大；X為0均值的高斯分布隨機變量。

無線信號的傳輸損耗模型受環境影響大，礦山井下巷道狹窄、不規范，環境濕度大，巷道壁及巷道內設備對信號有吸收、反射、折射等影響，定位誤差較難控制。

1.3 TOF測距定位

TOF（飛行時間，Time of Flight）。根據IEEE802.15.4a規范，定義了兩種測距標準： TW-TOA和SDS-TW-TOA。

TW-TOA測距方式：節點A向節點B發送測距幀、節點B向節點A返回響應幀，Tab為節點A發出幀到收幀間的時間，Tdb為節點B自身延時，節點AB間的距離dAB=0.5*c*（Tab-Tdb），其中c=3*108m/s。

SDS-TW-TOA測距方式：在TW-TOA的基礎上增加了節點A 向節點B的二次響應幀，Tba為節點B發出幀到收到幀的時間，Tda為節點A自身延時，節點AB間的距離dAB=0.25*c*（Tab+Tba-Tdb-Tda）。

TOF兩種測距方法都具有精度高、抗擾強、功耗低等特點，符合在礦山井下應用的環境要求。

考慮節點A和節點B的晶振誤差限度，SDS-TW-TOA方式理論上能更好地控制不同發射器間晶振頻率差異引起的測距誤差。

通過以上比較，本次設計采用SDS-TW-TOA方式的TOF測距方式。

2 無線測距設計

礦山井下動目標的定位測距，一般通過在礦井巷道安裝定位測距接收器、動目標配備發射器來實現。發射器發出標識碼信號，通過天線發射，再由接收器接收。由于被測目標是移動的，要求信號必須具備傳送速度快、容量大、信息傳送可靠的特點。與一般通信系統類似，發射端必需將信號編碼、調制，接收端必需將信號解調、譯碼。本次采用FM調制，編碼、解碼、調制、解調均由NRF2401芯片自動完成。

TOF測距是一個連續的通訊過程，節點間的訪問沖突會導致測距產生嚴重偏差甚至測距失敗。因此，在SDS-TW-TOA測距中需要設計一套無線空中協議來協調所有發射器的測距和通訊。本次采用TDMA時分多路存儲方法來協調多個發射器的測距和定位。

空中協議實現過程：

1）接收器廣播空閑時隙數據幀，通知所有發射器開始分配時隙；

2）發射器收到后發送時隙申請；

3）接收器接受時隙申請后，確定各定位時隙并廣播；

4）分配到時隙的發射器在規定時間完成測距，然后重新進入休眠；未分配到時隙的發射器也進入休眠；

5）接收器在所有定位時隙執行完后，重新進入階段1）。

在無線通信協議的物理層加入CCA空閑信道評估機制，能減少無線信道碰撞、增加了無線并發數、降低漏讀率。

根據定位參照點數量可分為單點、兩點和多點定位。單點定位只采用一臺接收器，能定位某個發射器到收發器的距離，不區分方向。兩點定位采用一臺收發器定位、一臺作為參考點，既定位距離又可區分方向。由于礦山井下巷道的特殊性（線性特征），只需采用單點定位或兩點定位。

3 基于nRF2401的收發設計

3.1 發射器設計

發射器采用nFR2401芯片實現射頻收發。nRF2401是單片射頻收發芯片，由頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器組成，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。內置地址解碼器、先入先出堆棧區、解調處理器、時鐘處理器、GFSK濾波器、低噪聲放大器、頻率合成器、功率放大器等功能模塊，只需要增加很少外部器件就可組成無線收發系統。芯片功耗低，以-5dBm的功率發射時工作電流只有10.5mA，接收時工作電流只有18mA。

本設計采用ShockBurstTM收發模式，可降低功耗、減少碰撞，自動處理字頭和CRC校驗碼。

本設計采用外部晶振為16MHz，空閑模式工作電流為32uA。

3.2 接收器設計

接收器由主控、電源、通信、定位等模塊組成。主控模塊采用LPC2114芯片，電源模塊將18V電源輸入經隔離轉換成5V和3.3V，通信模塊通過RS485總線實現收發器與上位機通信。定位模塊采用nRF24E1芯片，其自帶2.4GHz無線收發器nRF2401和增強型8051內核。

4 結語

本文所提出的采用TOF（SDS-TW-TOA方式）測距的精確定位設計，經測試能夠實現3-5m精度的定位，適應礦山井下的應用環境，是一種可行的礦井精確定位設計。

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[責任編輯：田吉捷]