基于超寬帶的礦井內(nèi)人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳文博,何景峰,林柏宇

(西京學(xué)院 理學(xué)院,陜西 西安 710123)

0 引言

煤炭是我國(guó)重要的能源,為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供強(qiáng)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(jìn)的高精度定位技術(shù)和通信手段設(shè)計(jì)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(shù)對(duì)其進(jìn)行精確定位,在意外發(fā)生時(shí),可迅速采取相應(yīng)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(dòng)的電磁場(chǎng),電磁場(chǎng)起伏波動(dòng)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(gè)頻率值,而是一段頻率范圍,這個(gè)頻率范圍即為帶寬。與常見的通信技術(shù)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(shí)兼?zhèn)涞凸牡奶匦浴?/p>

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主由上位機(jī)、定位基站J0、定位基站J1、定位基站J2和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)M0組成。其中,目標(biāo)節(jié)點(diǎn)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(biāo)節(jié)點(diǎn)采用雙邊飛行時(shí)間算法分別向3個(gè)定位基站發(fā)起時(shí)間戳測(cè)距信號(hào)。定位基站與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)相互之間完成測(cè)距后,系統(tǒng)通過三邊定位法解算出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)并將測(cè)距結(jié)果匯總于定位基站J0。定位基站J0同時(shí)擔(dān)任通信節(jié)點(diǎn),負(fù)責(zé)將所測(cè)結(jié)果通過串口發(fā)送至上位機(jī)應(yīng)用軟件層。考慮到礦井實(shí)際作業(yè)環(huán)境具有較高危險(xiǎn)性,礦工下井時(shí)必須攜帶安全帽,目標(biāo)節(jié)點(diǎn)裝置必須具備體積小、重量輕、攜帶方便的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)將目標(biāo)節(jié)點(diǎn)裝置安裝在礦帽上,使得工人免于額外攜帶目標(biāo)節(jié)點(diǎn)裝置,更加適用實(shí)際應(yīng)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(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用需求選擇最適合的核心處理單元及射頻定位模塊,進(jìn)而按照供電需求選取電源管理模塊。定位系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)部分主要包括所有節(jié)點(diǎn)的硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),考慮到硬件成本、體積、功耗等因素。本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的定位基站和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)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(biāo)節(jié)點(diǎn)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(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

根據(jù)定位系統(tǒng)對(duì)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(duì)應(yīng)的晶振、復(fù)位電路等組成系統(tǒng)的中央處理單元,晶振電路及復(fù)位電路如圖3所示。主控單元處理速度高達(dá)100 MHz,足以滿足定位系統(tǒng)對(duì)通信數(shù)據(jù)處理的需求。芯片擁有512 KB的存儲(chǔ),128 KB的SRAM。存儲(chǔ)外設(shè)資源豐富,3個(gè)USARTs (2×12.5 Mbit/s,1×6.25 Mbit/s),11個(gè)定時(shí)器,81個(gè)具有中斷能力的I/O端口,其內(nèi)部存儲(chǔ)空間完全能夠滿足定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)程序的運(yùn)行和實(shí)現(xiàn),STM32系列單片機(jī)相對(duì)于其他類型單片機(jī)具備市場(chǎng)占有率大、運(yùn)算處理能力強(qiáng)、性能較為穩(wěn)定、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 晶振電路及復(fù)位電路

2.2 DWM1000射頻模塊

本設(shè)計(jì)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(chǔ),傳輸效率高達(dá)6.8 Mbps,可傳輸數(shù)據(jù)量較大,符合美國(guó)和歐盟的超寬帶通信標(biāo)準(zhǔn)。模塊且同時(shí)具備功耗低的特性和較強(qiáng)的抗干擾能力,大大延長(zhǎng)產(chǎn)品生命周期。電源部分由3.3 V電源進(jìn)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(yùn)行狀態(tài)進(jìn)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(jìn)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(fù)位;引腳IRQ/GPIO8接入主控單元的PA0引腳,可用于中斷信號(hào)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(yīng)是保障設(shè)備的正常工作的先決條件,定位基站和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的USB供電電壓為5 V。本設(shè)計(jì)采用Sipex半導(dǎo)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(diǎn)。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(shè)計(jì)

(1)對(duì)設(shè)備的核心處理單元時(shí)鐘系統(tǒng)和SPI接口進(jìn)行初始化。

(2)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)M0向各個(gè)定位基站發(fā)送包含地址的問詢幀請(qǐng)求并且記錄當(dāng)前時(shí)間ta。

(3)對(duì)應(yīng)地址的定位基站接收到問詢幀請(qǐng)求后記錄當(dāng)前時(shí)間tb,該定位基站回復(fù)應(yīng)答信息并記錄當(dāng)前時(shí)間tc。

(4)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到該定位基站的回復(fù)信息后,記錄當(dāng)前時(shí)刻td,并發(fā)送最終消息。

(5)對(duì)應(yīng)定位基站接收到最終消息,并記錄當(dāng)前時(shí)間tf。

(6)定位基站和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)通過雙邊飛行時(shí)間算法獲得對(duì)應(yīng)的距離值,在經(jīng)過匯總后發(fā)給同時(shí)擔(dān)任通信節(jié)點(diǎn)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(jī),上位機(jī)程序系統(tǒng)獲得關(guān)于目標(biāo)節(jié)點(diǎn)M0所對(duì)應(yīng)的距離信息通過三邊定位算法解算出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)。定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4 結(jié)語

我國(guó)作為能源使用大國(guó),煤炭依舊是我國(guó)十分重要的基礎(chǔ)能源。如何通過技術(shù)創(chuàng)新的科技手段保障煤礦的安全生產(chǎn)是一個(gè)重要問題。定位控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)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(guān)外圍電路構(gòu)成。設(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)行通信。定位系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)首先對(duì)所有的定位基站和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)初始化配置,由目標(biāo)節(jié)點(diǎn)向所有定位基站發(fā)送數(shù)據(jù)問詢通信幀,記錄相關(guān)數(shù)據(jù),定位基站收到問詢信息后,記錄相關(guān)信息。定位基站和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)通信后,通過雙邊飛行時(shí)間算法獲得對(duì)應(yīng)距離值數(shù)據(jù),通過擔(dān)任通信節(jié)點(diǎn)的定位基站J0發(fā)送給上位機(jī)系統(tǒng),將距離信息通過三邊定位算法解算出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最終位置坐標(biāo)。本設(shè)計(jì)將目標(biāo)節(jié)點(diǎn)裝置安裝在礦帽上,對(duì)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(jìn)行緊急救援中發(fā)揮重要作用。