基于MLX90614和UWB技術的礦工體溫監測與定位系統設計

李晨晨 苗曙光 夏書娟

摘 ?要：設計一款基于MLX90614和UWB技術的礦工體溫監測與定位系統.系統采用便攜式設計，采用MLX90614采集礦工體溫數據，UWB定位技術，通過無線傳輸方式上傳至上位機.測試結果表明，體溫監測功能基本誤差控制在0.02 ℃范圍以內，定位誤差為0.20米，綜合平均誤差為0.09米，可實現人員體溫監測與精確定位功能.

關鍵詞：體溫監測；定位系統；UWB技術

[ ? 中圖分類號 ? ?]TP277 [ ? ?文獻標志碼 ? ] ?A

Design of Miners' Body Temperature Monitoring and Positioning System Based on MLX90614 and UWB Technology

LI Chenchen，MIAO Shuguang*，XIA Shujuan，LIU Xiang，FU Jinnan

（School of Physics and Electronic Information， Huaibei Normal University， Huaibei， 235000， China）

Abstract： Design a miner temperature monitoring and positioning system based on MLX90614 and UWB technology.The system adopts portable design. The temperature monitoring adopts MLX90614 to collect miners' temperature data. The positioning adopts UWB positioning technology. The information is uploaded to the upper computer through wireless transmission. The test results show that the basic error of the temperature monitoring function is controlled within 0.02 ℃， the positioning error is 0.20m， and the comprehensive average error is 0.09m， which can realize the temperature monitoring and accurate positioning of personnel.

Key words： body temperature monitoring； positioning system； UWB technology

當前我國煤礦安全生產情況依然十分嚴峻，如何預防疫情聚集性風險和礦難事故，并對煤礦井下的“人”“機”“環”進行有效快速感知，成為亟待解決的問題.本文設計一款基于MLX90614和UWB技術的礦工體溫監測與定位系統，能夠實現礦工遠距離體溫監測與精確定位.

1 系統概述

該系統具有疫情防控和人員精確定位兩種功能.系統主板主控芯片采用STM32F103ZET6，搭載紅外體溫傳感器MLX90614，實現體溫采集.副板采用STM32F103C8T6芯片，利用UWB定位技術實現人員精確定位.[1]在主控芯片收到體溫數據以及定位數據后，通過搭載的無線模塊將數據發送至上位機界面顯示.[2]顯示界面通過不同顏色區分采集數據是否達到閾值，從而有效提醒工作人員進行判別，實現對井下人員體溫監測與精確定位.系統分數據采集、數據傳輸、數據接收、數據顯示四個部分.整體設計見圖1.

數據采集部分 ?MLX90614紅外體溫傳感器通過紅外輻射能量采集溫度，使用IIC協議與主控芯片相互通信，其熱電堆傳感器輸出的溫度信號經運算放大后，進行數模轉換為數字信號，再通過低通數字濾波器存儲在RAM存儲單元中，并通過自帶SMBus方式讀取輸出.[3]定位模塊中，副板基站與標簽之間通過板載DW1000芯片進行數據采集以及通信，C8T6芯片負責對數據進行處理.

數據處理部分 體溫監測由體溫傳感器直接采集，采集到的數據由主板芯片處理，實現對采集數據的整合及格式修改.定位信息采集完畢后，同步發送至串口WIFI模塊.定位信息模塊由副板芯片進行數據處理.由于噪聲、井下環境復雜等會造成數據誤差，采用卡爾曼濾波對數據進行限幅或補償.[3]數據采集處理完畢后，定位數據將傳輸給主控芯片.

數據傳輸部分 ?體溫監測傳感器與主板采用有線連接進行數據傳輸.定位標簽依靠C8T6最小系統板將采集的位置數據通過串口發送給主板.主板與上位機傳輸數據采用ESP8266芯片，AP工作模式，利用UDP協議進行數據傳輸.[4]

數據顯示部分 主機端接收到信息后，在上位機顯示界面顯示.上位機監測窗口可通過不同顏色的變換，實時提醒監測人員當前礦工體溫以及位置信息.

2 關鍵技術

2.1 精確定位技術

設計采用UWB 定位技術.DW1000芯片通過SPI總線協議與單片機建立通信，穩定抗干擾.定位技術采用TOA算法中的雙邊雙向測距定位算法，通過基站與標簽的三次信息交互并記錄信號發送和接收的時間計算出兩者的距離[5]（圖2）.

標簽A發送測距信號并記錄此時的時間戳[TAt1]，經過一段時間，基站B接收到信號并記錄此時的時間戳[TBr1]，延時一段時間[TreplyB]后向標簽A發送應答信號并記錄此時的時間戳[TBt]，標簽接收到應答信號并記錄此時的時間戳[TAr]，經過一段時間延時[TreplyA]后發送最終的測距信息信號，標簽記錄此時的時間戳[TAt2]，基站在接收到測距信號后記錄此時時間戳，至此三次信息交互完成.由于UWB信號的傳播速度近似為光速，即為已知，只需計算出信號飛行時間[TTOF]便可求出兩者距離.

[TroundA=TreplyB+2TTOFTroundB=TreplyA+2TTOF] ?. ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

由式 （1）得：

[TroundA?TroundB?TreplyA?TreplyB ?=4T2TOF+2TTOF?TreplyA+2TTOF?TreplyBTroundA+TroundB+TreplyB+TreplyB=4TTOF+2TreplyA+2TreplyB] . ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

由式（2）可得無線信號在基站與標簽之間的傳播時間為：

[TTOF=TroundA?TroundB?TreplyA?TreplyBTroundA+B+Treply1+TreplyB] ?. ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

無線信號傳播速度近似于光速c，因此，基站與標簽的距離為：

[D=c?TTOF] ?. ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

由式（3）可知，時間差根據自身的時間戳進行計算，因此，不需要基站和標簽的時間同步即可實現距離的測量.[6]

通過TOA時間定位法，得到標簽到各基站的距離后，再以不同基站為圓心，相對于標簽距離為半徑畫圓，通過三邊定位算法求出標簽所在位置.三邊定位原理圖如圖3所示.

假設[（Xi，Yi）]是定位基站的坐標，[（X，Y）]是定位標簽的坐標，[Di]是標簽到各基站之間的距離，由圖3可得到以下方程.

對公式（5）（6）（7）進行線化之后可得到方程[AZ＝B].

[Z＝XY]，[ ? Ａ＝2X1?X32Y1?Y32X2?X32Y2?Y3]， ? [Ｂ＝X2 1-X2 3+Y1 2-Y2 3+D23-D21X2 2-X2 3+Y2 2-Y2 3+D23-D22] .

進而得到[Z＝A?1B]，最終得到當前標簽P所在位置坐標.[7]

2.2 濾波處理

采用卡爾曼濾波對信號的到達時間測量值進行處理，以消除TOA測量值中的誤差.對經過處理的TOA測量值重新進行TOA定位.[9]計算機仿真實驗表明，該定位算法優于其他定位算法.

3 實驗測試與分析

對體溫傳感器進行測試，該體溫監測傳感器解析精度為0.01 ℃，誤差控制在0.02 ℃以內，較市面上其他測溫傳感器精確度和靈敏度更高，在測溫方面具有良好的穩定性及適應性.[10]

定位測試開始前需要配置基站坐標，設置電子圍欄禁區.測試均采用同一組基站坐標和相同電子圍欄禁區.基站坐標分別是（0.00，0.00），（15.02，0.00）和（0.00，13.63），電子圍欄設置為（5.00，5.00，5.00，5.00）.通過定位測試可知，隨著標簽的移動，定位誤差也會不同，這是由于不同位置標簽采集數據受不同環境影響的結果，當標簽位置處在測試邊緣位置時，絕對誤差越大，最大為0.22米；越靠近中心位置，絕對誤差越小，最小為0.02米.結合實驗數據，平均誤差0.09米，達到預期效果.

4 結語

本文設計了一款用于體溫監測和人員精確定位功能的井下監測系統，采用體溫傳感器MLX90614，實現對礦工體溫狀態的監測，具有精度高、易安裝、非接觸的特點.采用UWB超寬帶技術定位，具有抗干擾性強、靈敏度高、定位精確度高等優勢.采用ESP8266WIFI網絡模塊，將采集的體溫和位置信息無線傳輸至地面上位機，實現遠程顯示，既保證了系統實時性，也可以有效避免井下環境復雜帶來的布線困難等問題.該系統可以準確監測礦工體溫變化，及時提供礦工的定位信息，對保障礦工生命安全具有重要意義.

參考文獻

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[2]孫培民，孫鑫.基于單片機的通信系統[J].牡丹江師范學院學報：自然科學版，2009（03）：29-30.

[3]陶杰，王欣，孫慧賢，等.基于MLX90614的溫度實時檢測系統[J].電子技術與軟件工程，2017（21）：75.

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[6]喬欣，孔兵.井下巷道TOA和TDOA聯合估計的UWB定位算法[J].煤炭技術，2022，41（05）：168-171..

[7]潘忠祥，江劍.基于UWB的三邊優化算法研究[J].國外電子測量技術，2019，38（02）：25-29.

[8]胡敬，田俊曦，鄒世明，等.基于自適應卡爾曼濾波的聯合RSS/TOA/INS無人機定位算法[J].無人系統技術，2022，5（02）：62-70

[9]任昊譽，郭晨霞，楊瑞峰.卡爾曼濾波提高UWB測距精度研究[J].電子測量技術，2021，44（18）：111-115.

[10]苗曙光，李淮江，李崢，趙小敏，楊一軍.基于PIC18F4580的CAN總線多點溫度采集系統設計[J].牡丹江師范學院學報：自然科學版，2013（04）：19-20.

編輯：琳莉