基于WiFi的礦用人員定位卡的設(shè)計(jì)

褚超群

(內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070)

0 引言

礦井人員定位系統(tǒng)是井下工作人員日常考勤管理和突發(fā)事件預(yù)防、救援的重要工具。隨著我國(guó)對(duì)煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)管的不斷重視，全國(guó)大小煤礦基本都安裝了礦井人員定位系統(tǒng)[1]。國(guó)內(nèi)常見的礦井人員定位系統(tǒng)多基于RFID或ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)，而國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家采用的技術(shù)比較全面，如藍(lán)牙、WiFi、GIS等技術(shù)，井下人員的定位和跟蹤效果良好[2]。

WiFi技術(shù)以傳播速度快、組網(wǎng)能力強(qiáng)、系統(tǒng)成本低的優(yōu)勢(shì)受到越來越多的青睞[3]。井下的WiFi環(huán)境不但可以滿足視頻、語(yǔ)音、傳感器檢測(cè)信息等大量數(shù)據(jù)的傳輸需求，還可以滿足人員定位需求，且系統(tǒng)組成穩(wěn)定[4]。針對(duì)我國(guó)煤礦數(shù)量多、巷道分布復(fù)雜等情況，利用井下現(xiàn)有WiFi網(wǎng)絡(luò)，研究一種基于WiFi的人員定位卡，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)意義重大。

1 礦井人員定位系統(tǒng)工作原理

基于WiFi的礦井人員定位系統(tǒng)主要由三部分組成，包括WiFi基站組成的無線通信網(wǎng)絡(luò)、用于井下信號(hào)采集和數(shù)據(jù)交換的WiFi定位卡、保存所有數(shù)據(jù)的服務(wù)器。服務(wù)器裝有定位軟件，能完成井下信息的錄入、查詢和安全管理，并能在電子地圖上顯示井下人員位置。系統(tǒng)總體示意圖如圖1所示。

圖1 基于WiFi的礦井人員定位系統(tǒng)示意圖

井下工作人員佩戴的WiFi定位卡負(fù)責(zé)采集所在位置WiFi基站名稱、MAC地址、信號(hào)強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，同時(shí)通過井下WiFi實(shí)現(xiàn)與控制中心PC間的數(shù)據(jù)交互，接收PC的呼叫信息，并發(fā)送井下報(bào)警信息[5]。

2 WiFi定位卡系統(tǒng)構(gòu)成

WiFi定位卡是基于WiFi的礦井人員定位系統(tǒng)中需要被進(jìn)行定位的節(jié)點(diǎn)，其在井下位置不斷變化。在定位區(qū)域內(nèi)，把接收到的無線基站信息通過無線局域網(wǎng)傳到地面控制中心服務(wù)器中，供服務(wù)器中的PC軟件處理。每個(gè)下井的礦工都需攜帶一個(gè)WiFi定位卡，當(dāng)發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，按定位卡上的報(bào)警按鈕發(fā)送報(bào)警信息。定位卡同時(shí)具備電量、報(bào)警、運(yùn)行、系統(tǒng)指示燈，分別指示W(wǎng)iFi定位卡的電量情況、報(bào)警狀態(tài)、通信狀態(tài)和系統(tǒng)工作狀態(tài)。具體的WiFi定位卡系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

圖2 WiFi定位卡系統(tǒng)框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

WiFi定位卡硬件設(shè)計(jì)以STM32F103VCT6為控制核心，外圍電路包括WiFi通信電路、按鍵和指示電路、配置調(diào)試電路、仿真電路和電源電路。WiFi通信電路完成與井下無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與控制中心PC間的數(shù)據(jù)通信。按鍵和指示電路中，按鍵采集電路實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，指示電路完成對(duì)電量情況、報(bào)警狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)和系統(tǒng)工作狀態(tài)的指示。配置調(diào)試電路完成對(duì)WiFi定位卡卡號(hào)、網(wǎng)絡(luò)連接參數(shù)的配置。仿真電路負(fù)責(zé)WiFi定位卡系統(tǒng)的軟件調(diào)試和代碼下載。

3.1 WiFi通信電路

WiFi定位卡的WiFi通信電路選擇加密聯(lián)網(wǎng)控制芯片CO2128，主處理器通過發(fā)送AT+i指令實(shí)現(xiàn)對(duì)CO2128的控制，數(shù)據(jù)的傳輸使用透明傳輸模式。WiFi芯片采用WM-G-MR09-REF2，CO2128與WM-G-MR09-REF2間的連接采用SPI接口。LED6是通信指示燈，當(dāng)WM-G-MR09-REF2進(jìn)行無線數(shù)據(jù)交換時(shí)，LED6亮；不進(jìn)行無線數(shù)據(jù)交換時(shí)，LED6滅。

3.2 按鍵和指示電路

按鍵和指示電路包括按鍵采集電路、指示燈電路和蜂鳴器電路三部分。按鍵采集電路為報(bào)警按鍵輸入，與STM32F103VCT6的GPIO口連接，低電平觸發(fā)。指示電路包括電量指示、報(bào)警指示、運(yùn)行指示、系統(tǒng)指示四部分。電量指示燈中，當(dāng)電池電量低于3 V時(shí)，指示燈顯示紅色；高于3 V時(shí)，顯示綠色。電量指示燈電路設(shè)計(jì)如圖3所示。系統(tǒng)指示燈、報(bào)警指示燈和運(yùn)行指示燈分別與STM32F103VCT6的三個(gè)GPIO口相連，當(dāng)相應(yīng)GPIO為低電平信號(hào)時(shí)，指示燈亮。當(dāng)WiFi定位卡故障或收到危險(xiǎn)信息時(shí)，會(huì)觸發(fā)其蜂鳴器報(bào)警，高電平觸發(fā)蜂鳴器響。

圖3 電量指示電路圖

3.3 配置調(diào)試電路

配置和調(diào)試使用STM32F103VCT6的UART0接口，供WiFi定位卡卡號(hào)、IP地址、組網(wǎng)方式、信道、網(wǎng)絡(luò)連接密碼參數(shù)配置和代碼運(yùn)行時(shí)設(shè)備的調(diào)試。

3.4 仿真電路

為方便編程時(shí)對(duì)STM32F103VCT6調(diào)試，在Keil軟件編程時(shí)采用JTAG進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，接口的設(shè)計(jì)采用2×5排針以節(jié)省印制電路板空間。

3.5 電源電路

WiFi定位卡使用DC 3.6 V鋰電池供電，主處理器STM32F103VCT6、CO2128，外置Flash芯片和WM-G-MR09-REF2工作電壓均為DC 3.3 V，電量檢測(cè)需要DC 1.2 V的參考電壓，設(shè)計(jì)DC 3.6 V轉(zhuǎn)DC 3.3 V，DC 3.3 V轉(zhuǎn)DC 1.2 V兩個(gè)直流轉(zhuǎn)換電路。DC 3.6 V轉(zhuǎn)DC 3.3 V直流轉(zhuǎn)換采用TLV70033DDC芯片，如圖4所示；DC 3.3 V轉(zhuǎn)DC 1.2 V直流轉(zhuǎn)換采用TLV70012DDC芯片，如圖5所示。

圖4 DC 3.6 V轉(zhuǎn)DC 3.3 V電路原理圖

圖5 DC3.3 V轉(zhuǎn)DC1.2 V電路原理圖

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 WiFi定位卡主程序設(shè)計(jì)

WiFi定位卡軟件采用C語(yǔ)言編程，Keil軟件進(jìn)行編譯，圍繞其功能設(shè)計(jì)了主程序、按鍵和指示子程序、配置調(diào)試子程序、數(shù)據(jù)采集子程序、WiFi通信子程序幾個(gè)部分。任務(wù)調(diào)度采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)法，以提高CPU利用率，軟件主程序流程如圖6所示。WiFi定位卡和服務(wù)器端上位機(jī)軟件間通信采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議，編程方便，系統(tǒng)的擴(kuò)展性強(qiáng)。

圖6 軟件主程序流程圖

4.2 按鍵與指示子程序設(shè)計(jì)

軟件上分別控制報(bào)警按鍵和報(bào)警、運(yùn)行、系統(tǒng)三個(gè)指示燈，蜂鳴器與報(bào)警指示燈執(zhí)行相同的邏輯。

系統(tǒng)指示燈每隔1 s亮滅一次，如果CPU運(yùn)行正常，則系統(tǒng)指示燈正常亮滅；如果系統(tǒng)進(jìn)入死循環(huán)，則系統(tǒng)指示燈會(huì)常亮或常滅。

當(dāng)發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，井下人員按報(bào)警鍵通知井上控制中心人員。長(zhǎng)按報(bào)警鍵1 s，報(bào)警指示燈會(huì)亮紅燈，蜂鳴器響，同時(shí)發(fā)送報(bào)警信息到控制中心；長(zhǎng)按報(bào)警鍵5 s，表示報(bào)警解除，報(bào)警燈滅，蜂鳴器停，同時(shí)發(fā)送停止報(bào)警信息到控制中心。

運(yùn)行指示燈為指示W(wǎng)iFi定位卡無線通信工作狀態(tài)使用。正常工作時(shí)，WiFi定位卡每正常發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，會(huì)收到一個(gè)PC端軟件發(fā)來的響應(yīng)包。如果定位卡軟件對(duì)響應(yīng)數(shù)據(jù)包解析正確，說明該WiFi定位卡通信正常，運(yùn)行指示燈亮綠燈；如果三次發(fā)包未收到響應(yīng)包，則說明無線通信錯(cuò)誤，運(yùn)行指示燈滅。

4.3 參數(shù)配置調(diào)試子程序設(shè)計(jì)

參數(shù)配置調(diào)試為方便WiFi定位卡參數(shù)配置和調(diào)試使用，使用串口線將UART0與PC連接，采用secureCRT 4.0軟件。通過secureCRT 4.0顯示或配置WiFi定位卡的連接基站名稱、連接基站密碼、加密方式、設(shè)備IP地址、設(shè)備標(biāo)號(hào)、連接端口、組網(wǎng)協(xié)議等信息。在代碼調(diào)試時(shí)，通過secureCRT 4.0顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。參數(shù)配置調(diào)試子程序流程圖如圖7所示。

圖7 參數(shù)配置調(diào)試子程序流程圖

4.4 數(shù)據(jù)采集子程序

數(shù)據(jù)采集子程序負(fù)責(zé)采集AP相關(guān)數(shù)據(jù)，使用CO2128中AT+iRP20指令。當(dāng)CO2128接收到AT+iRP20指令時(shí)，會(huì)返回周圍AP或AD-HOC網(wǎng)絡(luò)信息，包括基站名稱(SSID)、加密類型、信道、接收信號(hào)強(qiáng)度(RSSI)等。基于RSSI定位算法的礦井人員定位系統(tǒng)，主要根據(jù)定位卡接收到無線基站的RSSI值，通過PC端軟件定位算法計(jì)算得出井下人員位置。

AP相關(guān)數(shù)據(jù)采集時(shí)STM32F103VCT6每100ms向CO2128發(fā)送AT+iRP20指令。CO2128返回?cái)?shù)據(jù)信息后先判斷其SSID是否與串口配置的SSID相同，如果不同則丟棄該行信息；如果相同，則存儲(chǔ)在緩存區(qū)中，同理收集前4條AP信息值，打包存放在緩存區(qū)中，等待發(fā)送。數(shù)據(jù)采集子程序流程圖如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)采集子程序流程圖

4.5 WiFi通信子程序設(shè)計(jì)

WiFi通信子程序主要完成WiFi定位卡無線通信任務(wù)，負(fù)責(zé)WiFi定位卡與PC端軟件間的雙向通信。使用前先配置好WiFi通信模塊的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，使CO2128進(jìn)入透明傳輸模式。

儲(chǔ)存配置信息參數(shù)到STM32F103VCT6的內(nèi)置Flash中，設(shè)備上電后自動(dòng)檢測(cè)CO2128是否配置成功。若沒成功，則從Flash中讀取默認(rèn)配置，對(duì)CO2128進(jìn)行配置；若配置成功，則可以使用CO2128進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。

5 通信測(cè)試

通信測(cè)試主要驗(yàn)證WiFi網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中定位卡與PC之間的通信質(zhì)量。用網(wǎng)線連接PC與無線基站，用串口線將WiFi定位卡配置調(diào)試接口與筆記本連接。通信試驗(yàn)采用循環(huán)應(yīng)答模式，由WiFi定位卡與筆記本建立Socket連接后，先由WiFi定位卡給筆記本發(fā)數(shù)據(jù)包，筆記本收到WiFi定位卡的數(shù)據(jù)包后，給WiFi定位卡發(fā)一個(gè)響應(yīng)數(shù)據(jù)包，利用配置調(diào)試接口將WiFi定位卡給PC的發(fā)包數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)都經(jīng)串口在secureCRT 4.0軟件上打印出來，并統(tǒng)計(jì)發(fā)包數(shù)和收包數(shù)。

10 m、20 m、30 m、40 m、50 m五個(gè)距離段通信測(cè)試結(jié)果如表1所示。測(cè)試結(jié)果表明，WiFi定位卡與無線基站間可以滿足空曠環(huán)境50 m內(nèi)，8%以內(nèi)的丟包率，通信效果良好，完全滿足礦下人員定位應(yīng)用。

表1 WiFi定位卡通信測(cè)試記錄

6 結(jié)論

采用嵌入式微處理器STM32F103VCT6和WiFi聯(lián)網(wǎng)芯片CO2128設(shè)計(jì)的礦用人員定位卡，具有成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、網(wǎng)絡(luò)兼容性好等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)在WiFi覆蓋下的井下人員定位需要，具有廣闊的應(yīng)用前景。