nRF24L01在KJ-129人員定位系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

羅國平(樂山師范學(xué)院計算機科學(xué)系 四川 樂山 614000)

0 引言

礦山作業(yè)人員井下定位及動態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)（簡稱：井下人員定位系統(tǒng)）以現(xiàn)代無線電編碼通訊技術(shù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用現(xiàn)代無線電通訊技術(shù)中的信令技術(shù)及無線發(fā)射接收技術(shù)，結(jié)合目前流行的數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)處理及圖形展示軟件等技術(shù)實現(xiàn)井下人員定位、跟蹤功能。井下人員定位系統(tǒng)能夠及時、準確的將井下各個區(qū)域人員和移動設(shè)備情況動態(tài)反映到地面計算機系統(tǒng)，以便管理人員能夠隨時掌握井下人員和移動設(shè)備的總數(shù)及分布狀況；井下人員定位系統(tǒng)能跟蹤干部跟班下井情況、每個礦工入井、出井時間及運動軌跡，以便于企業(yè)進行更加合理的調(diào)度和管理。井下人員定位系統(tǒng)中最核心的技術(shù)實際上是RFID技術(shù)，根據(jù)供電方式分，RFID技術(shù)主要分兩種，一種是有源RFID技術(shù)，另一種是無源RFID技術(shù)。有源RFID需要外供電源，一般內(nèi)嵌電池供電，具有信號傳輸較遠的優(yōu)點，一般能達到5～80米，缺點是壽命非常有限,目前采用2.4GHz全球開放ISM頻段的射頻芯片較多，其中比較有代表的是nRF24L01。無源RFID不需要外供電，只需要激勵天線，通過外部激勵天線供電，優(yōu)點是壽命較長，缺點是信號傳輸距離較短，能達到0～4cm。在人員定位系統(tǒng)中，一般采用有源RFID技術(shù)。

RFID的技術(shù)原理是一種射頻識別技術(shù)，它的通信方式利用射頻方式進行非接觸式的雙向數(shù)據(jù)通信，從而能夠識別到射頻設(shè)備，在此基礎(chǔ)上形成數(shù)據(jù)交換，以達到識別目的并交換數(shù)據(jù)[3]。RFID 射頻識別系統(tǒng)主要由射頻卡（Tag）和讀卡器（Reader）兩部分構(gòu)成。射頻卡（Tag）不僅具有非接觸、工作距離長的特點，而且可以在惡劣環(huán)境中運用、并能夠識別運動中的目標，可以用來作為人員的身份以及設(shè)備的標識卡[3]。無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）是非接觸式自動識別技術(shù)的一種，俗稱射頻卡。RFID技術(shù)是直接繼承了雷達的原理，并由此發(fā)展起來的一種新的自動識別技術(shù)[1]。隨著RFID技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)煤礦也大規(guī)模使用RFID技術(shù)進行管理。

1 nRF24L01 RFID射頻芯片SOC簡介

nRF24L01是一款工業(yè)級內(nèi)置硬件鏈路層協(xié)議的低成本無線收發(fā)器。該器件工作于2.4GHz全球開放ISM頻段，內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器、解調(diào)器、輸出功率、頻道選擇和協(xié)議設(shè)置等功能模塊，并融合增強型ShockBurstTM技術(shù)，其輸出功率和通信頻道可通過程序配置。擁有ShockBurstTM和Enhanced ShockBurstTM兩種數(shù)據(jù)傳輸模式。可直接與單片機I/O連接，外接元件數(shù)目很少。nRF24L01功耗低，以-6dBm的功率發(fā)射時，工作電流僅9mA；接收電流僅12.3mA，多種低功率工作模式（掉電和空閑模式）更有利于節(jié)能設(shè)計。

2 系統(tǒng)工作原理

煤礦井下人員定位系統(tǒng)分地面和井下兩個部分組成，地面部分是人員信息采集處理中心，也稱為監(jiān)控中心，主要以通訊接口、人員監(jiān)測管理軟件和監(jiān)控主機、打印機、監(jiān)視器等組成；井下部分主要由防爆兼本安電源、定位分站、識別卡讀卡器、人員定位識別卡等組成，分站作為井下人員編碼信息檢測處理的基本單元，每一個分站最多可配置5個天線，天線與分站之間連接一般采用RS485總線連接、分站與分站之間以及上位機之間采用CAN總線連接，本文重點研究RFID技術(shù)部分，即識別卡天線和識別卡,其他內(nèi)容情況可以參考文獻[2]。

系統(tǒng)工作原理是：每一個井下工作人員或移動設(shè)備佩戴一個識別卡(有源RFID卡)，每張識別卡都具有唯一的ID號，這個ID號通過識別卡中nRF24L01模塊 以2秒/次左右的頻率發(fā)出，當識別卡信號到達識別卡讀卡器所能接收的信號范圍時，識別卡讀卡器就接收到識別卡發(fā)送出的ID號，該ID號經(jīng)過讀卡器、分站、接口等通訊設(shè)備最終傳送到上位機，通過上位機軟件解析，展示在繪制有礦井井下地圖的圖形中，就可以知道目前該人員或移動設(shè)備所在的位置。

3 電路設(shè)計

有源RFID電路設(shè)計主要包括兩個部分，即讀卡器和識別卡。其電路設(shè)計非常簡單，讀卡器采用P89LPC932A1作為MCU控制器，通過SPI接口訪問nRF24L01控制器，外加電源電路和聲光報警指示電路等，識別卡電路由一個nRFL24L01控制器和MSP430G2211構(gòu)成，外加簡單電源電路以及指示電路等構(gòu)成，由于MSP430系列單片機具有電源管理功能，具有5級電源管理功能，即可以工作在LPM4～LPM0 5種工作模式，各個電源管理模式，節(jié)電能力不同，用戶可以根據(jù)實際情況進行配置，從而達到節(jié)電目的。

4 nRF24L01驅(qū)動程序設(shè)計

nRF24L01應(yīng)用電路設(shè)計非常簡單，難點在于驅(qū)動程序設(shè)計和程序調(diào)試上，nRF24L01中斷與一般的器件中斷響應(yīng)和處理有一定的區(qū)別，通信調(diào)試有一定難度，因此，下面介紹nRF24L01通信協(xié)議和驅(qū)動程序設(shè)計。

4.1 nRF24L01通信協(xié)議簡介

2.4 GHz無線通信協(xié)議分為3層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。物理層包括GFSK調(diào)制和解調(diào)器、接收和發(fā)送濾波器、射頻合成器、SPI接口和電源管理，主要完成數(shù)據(jù)的調(diào)制解調(diào)、編碼解碼、FHSS跳頻擴頻和SPI通信。數(shù)據(jù)鏈路層主要完成解包和封包過程。該協(xié)議有2種基本的封包：數(shù)據(jù)包和應(yīng)答包。數(shù)據(jù)包格式如 表1所示。

表1 數(shù)據(jù)包格式Tab.1 Packet format

前導(dǎo)碼用來檢測0和1，nRF24L01在接收模式下去除前導(dǎo)碼，在發(fā)送模式下加入前導(dǎo)碼。地址內(nèi)容為接收機地址，地址寬度是3、4或5字節(jié)，可以對接收通道和發(fā)送通道分別進行配置，接收端從接收到的數(shù)據(jù)包中自動去除地址。

封包控制域為9位，前6位是數(shù)據(jù)包長度標志，數(shù)據(jù)長度標志位只有在動態(tài)數(shù)據(jù)長度選項使能時才有效，6位可以表示傳輸?shù)臄?shù)據(jù)域字節(jié)數(shù)從0～32字節(jié)；后3位分別是2位PID位，1位應(yīng)答標志位。PID標志位用來檢測接收到的數(shù)據(jù)包是新的還是重發(fā)的；自動應(yīng)答標志位表示這個封包是否需要自動應(yīng)答。封包可以采用1或2字節(jié)的CRC校驗。對于應(yīng)答包來說，數(shù)據(jù)域是一個可選項，但是如果使用該選項的話應(yīng)該使能動態(tài)數(shù)據(jù)長度特性。應(yīng)用層按照設(shè)計需要可以是鍵盤和鼠標等HID類設(shè)備。

4.2 nRF24L01驅(qū)動程序設(shè)計

無論是識別卡還是識別卡讀卡器實際上編寫驅(qū)動程序大致是相同的，所不同的只有硬件端口不一樣，根據(jù)具體的電路設(shè)計配置端口。在程序設(shè)計中發(fā)現(xiàn)P89LPC932A1自帶的SPI接口不能正常使用，通過示波器檢測發(fā)現(xiàn)，信號畸變嚴重，導(dǎo)致時序錯誤，因此該接口無法正常使用，可以通過IO口模擬SPI接口的辦法來解決這個問題。nRF24L01驅(qū)動函數(shù)主要有以下幾個函數(shù)：

BYTE SPI_Read_Buf(BYTE reg,BYTE*pBuf,BYTE bytes)//批量讀FIFO子程序

這些子程序是經(jīng)過調(diào)試成功的，在工程中可以直接調(diào)用。需要注意的是，nRF24L01中斷請求方式是電平觸發(fā)而不是邊沿觸發(fā)，因此在使用51內(nèi)核單片機配置中斷模式要注意；中斷處理后，需要回寫，否則無法正常工作；在接收數(shù)據(jù)后要及時將接收FIFO中的數(shù)據(jù)清空，否則會出現(xiàn)意想不到的結(jié)果。

5 通信測試

在通信過程中，識別卡以每2秒一次的頻率發(fā)送ID號，當讀卡器收到識別卡發(fā)送的數(shù)據(jù)后，將收到的數(shù)據(jù)快速上傳給上位機，通過上位機定位系統(tǒng)軟件解析處理，就得到了該識別卡目前所在天線的位置，從而獲得了該人員目前在井下大概的位置。通過實驗測試，目前KJ-129人員定位系統(tǒng)讀卡器每一秒鐘能收到90個左右的識別卡卡號，基本能達到國家標準要求。

6 結(jié)論

KJ-129井下人員定位系統(tǒng)，系統(tǒng)中nRF24L01無線通信正常，數(shù)據(jù)傳送速率快，誤碼率較低，目前已經(jīng)在四川150多個煤礦得到了有效應(yīng)用，運行較為平穩(wěn)，工作基本正常，取得了較好的應(yīng)用效果。

［1］李洪宇.井下人員定位系統(tǒng)[D].濟南：山東科技大學(xué)，2004.

［2］羅國平.CAN總線在KJ-129人員定位系統(tǒng)中應(yīng)用研究[J].科技信息，2011（27）.

［3］游戰(zhàn)請，李蘇劍.無線射頻識別技術(shù)（RFID）理論與應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社，2004，10.