基于nRF24L01的人員定位系統標識卡的設計

聶佰玲,孫偉

摘? 要： 人員定位系統由標識卡、監測分站和監控中心三部分構成，當井下人員經過安裝在各個采區口的監測分站時，隨身攜帶的標識卡將卡片中的個人信息發送出去，由監測分站采集到信息并存儲，當監控中心主機發送命令來獲取數據時，通過總線送到地面控制中心。這里主要介紹標識卡的設計方法。標識卡采用單片集成無線收發模塊nRF24L01為射頻前端，以低功耗單片機MSP430F2011為控制器，以LED和蜂鳴器為狀態指示。介紹了硬件設計和軟件的編程方法，最后進行了驗證。

關鍵詞： 人員定位； 標識卡； 監測分站； nRF24L01

中圖分類號： TN919?34?????????????????????? 文獻標識碼： A??????????????????????? 文章編號： 1004?373X（2014）23?0033?04

Abstract： The device is composed of radio frequency identification card， monitoring sub?station and control center. When a miner passes through a monitoring sub?station， his portable identification card will send his information out， and monitoring sub?station collects the information. It waits for request of monitoring center′s PC after saving information， and uploads data in memory to the PC once receiving commands. The nRF24L01 is adopted as the RF front?end which is a single chip wireless transceiver， lo? power consumption MSP430f2011 as the main controller， LED and buzzer as the status indication. The hardware design and software programming methods are introduce in this paper. They passed the verification.

keywords： personnel location； identification card； monitoring sub?station； nRF24L01

0? 引? 言

煤是工業不可缺少的糧食之一，煤炭是工業發展的基礎。由于煤礦生產的特殊性，煤礦井下人員在工作過程中，各種人為操作失誤和自然環境時刻都在威脅著工作人員的生命安全，礦井重大災害及傷亡事故時有發生。國家為此推出了“AQl048?2007 煤礦井下作業人員管理系統使用與管理規范”和“AQ6210?2007 煤礦井下作業人員管理系統通用技術條件”2個強制執行標準。因此，開發新型的礦井人員管理系統，實現對煤礦入井人員的實時跟蹤和定位，消除地面管理人員對井下作業人員的視野盲區，隨時清楚掌握每個井下作業人員的位置及活動軌跡，有著重要的現實意義。

1? 標識卡硬件設計

定位系統的系統組成框圖如圖1所示。系統的工作原理如下：在煤礦井下各個坑道交叉口及作業區域附近安裝適量監測分站，具體數量和位置根據現場實際工況和實現的功能要求而定，每個監測分站分配一個固定的地址，并且將監測分站通過RS 485總線與地面的監測主機聯網。同時，在每個下井工作人員身上佩帶一個標識卡，每個標識卡具有惟一的ID對應相應的工作人員，當攜帶RFID 標識卡的工作人員通過某個監測分站時，其身上的標識卡會向監測分站發送其ID 號，監測分站將采集到的ID 信息和當前時間作為一條記錄保存到數據存儲器中，當監測主機發送命令來獲取數據時，監測分站將數據存儲器中的數據添加上監測分站的地址發送給監測主機，監測主機將得到的數據做適當處理后保存在數據庫中，最后將數據庫中的數據記錄經過分析、演算來完成井下人員定位工作。由此可見標識卡的設計是該系統的關鍵部分。

首先是無線通信方式的選擇，目前井下無線定位技術主要有無源RFID、有源RFID、WiFi和ZigBee。這幾種技術各有優缺點，WiFi帶寬，通信數據率高，缺點是功耗高，成本也較高；有源RFID優點是傳輸距離遠，數據率高，成本較低，缺點是功耗稍高；無源RFID的優點是標簽不需要供電，價格最低，缺點是傳輸距離短；ZigBee優點是可自組網，價格低廉，缺點是數據率低，價格稍高。

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圖1 人員定位系統組成框圖

由于標識卡的數量大且是易耗品，因此成本要求必須低廉，功耗低。綜合各方面考慮，選取使用nRF24L01為無線通信模塊的有源RFID作為標識卡的方案。

由于標識卡采用電池供電，因此電路設計時需要考慮低功耗設計以增強電池的續航能力。標識卡由無線發射芯片、MCU、按鍵、狀態指示燈和電源組成。對于標識卡來言，由于用量很大，選擇功能滿足、成本較低的單片機作為控制芯片有極大的經濟意義。所以MCU選取了TI公司的以超低功耗著稱的MSP430F2011單片機。標識卡的無線發射芯片采用NORDIC公司的nRF24L01芯片。在選取電源時考慮到人員的移動性和標簽攜帶的方便性，所以電源采用鈕扣電池，由于nRF24L01及MSP430F2011的功耗都很低，所以鈕扣電池能夠滿足要求。另外芯片工作時的電流只有幾毫安，所以滿足井下安全要求，無需添加防爆外殼，可以使標簽體積更小，攜帶更方便。標識卡的組成如圖2所示。

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圖2 標識卡的組成框圖

1.1? 無線射頻模塊電路設計

射頻模塊nRF24L01是Nordic公司開發的2.4 GHz超低功耗單片無線收發芯片，射頻模塊電路原理圖如圖3所示。圖3中，nRF24L01的MOSI，MISO和SCK組成SPI接口，連接單片機。nRF24L01的工作頻率為16 MHz，若處于發射模式，CE信號從1變為0時，nRF24L01就把從單片機收到的數據以2 Mb/s的速率發射出去；若系統設為接收模式，nRF24L01就一直在監測天線上的信號，若有同頻的信號，就收下并打開信息包讀取地址，地址與自己的相同就取出信息包里的有用數據，并使IRQ信號為低電平，上傳單片機進行處理。

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圖3 射頻模塊電路原理圖

1.2? 低電壓檢測電路

標識卡是使用電池供電，為了防止因電池沒電而造成標識卡無法使用而帶來的意外情況發生，需要實時監測電池電量，同時上傳給監測分站。在電路設計上采用了以R3111H251C為核心的電壓檢測電路，如圖4所示。當電池電壓低于2.5 V時，芯片的1腳輸出低電平，控制器檢測到P1.5腳為低電平后，紅色指示燈亮，蜂鳴器鳴叫，直到電池沒電，同時無線發送低壓指示信號給監測分站。

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圖4 低電壓檢測電路

1.3? 微控制器電路及按鍵和LED顯示電路

MSP430是TI公司一種超低功耗微控制器系列，片內組合了不同的功能模塊，可適應不同應用層次的需求。這里采用MSP430F2011單片機作為微控制器，芯片共有10個通用輸入/輸出口，DOUT，IRQ，CE，CS，CLK和DIN作為與nRF24L01通信的I/O口，采用模擬的方式實現串行SPI通信。LEDG和LEDR是紅綠雙色LED顯示電路的控制I/O口，其中蜂鳴器和紅色LED共用I/O口，P2.6作為按鍵輸入I/O口，P1.5作為低電壓檢測輸入I/O口。TEST作為程序下載I/O口。MSP430F2011單片機的全部I/O口都充分使用。時鐘采用單片機內部時鐘。此外，系統沒有數據交換時，自動進入低功耗模式；檢測到有數據接收時，系統迅速從低功耗模式激活，進行數據交換，從而大大降低了系統待機能耗。電路如圖5所示。

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圖5 微控制器電路

2? 標識卡軟件設計

2.1? 低功耗程序設計

低功耗除了要在硬件設計上考慮外，程序設計的好壞更是起著極大的作用，因此程序設計上要重點考慮。

MSP430F2011芯片工作電壓僅為1.8～3.6 V，掉電工作模式下消耗電流為0.1 μA，等待工作模式下消耗電流僅為0.5 μA。本設計中，MSP430F2011被長時間置于掉電工作模式，通過中斷喚醒的方式使其短暫進入工作狀態，以節省電能。MSP430F2011具有3組獨立的時鐘源：片內VLO、片外晶振、DCO。這里采用內部超低功耗、12 kHz典型頻率的低頻振蕩器作為MCU休眠（LPM3模式）的時鐘源，使用內部數控振蕩器（DCO），配置為1 MHz 作為MCU喚醒后的系統時鐘；MSP430F2011具有LPM0～LPM4五種低功耗模式，本設計中，MSP430F2011在上電配置完畢后將直接進入LPM3模式，同時開啟中斷，等待外部中斷信號。

此外，程序設計盡可能優化工作時序和精簡冗余指令等，實現低功耗。

nRF24L01具有五種工作模式：RX，TX，StandbyⅡ，Standby Ⅰ， PowerDown模式，在3 V電壓下工作，芯片典型接收時工作電流12.3 mA，0 dBm功率發射時為11.3 mA，掉電模式（PowerDown）時僅為900 nA。因此軟件設計是使標識卡在大部分時間處于休眠狀態，每隔2 s發送一次，每隔約5 s接收一次（持續一段時間），其余時間工作于掉電模式。同時設計傳輸速率為2 Mb/s，這樣既可以保證信息能正常傳輸，同時把接收和發射時間壓縮在最短。

2.2? 主程序設計

綜合低功耗設計和軟件功能的需要，設計系統的主程序流程如圖6所示。

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圖6 主程序流程

控制器上電后先進行控制器的初始化，如定時器、時鐘、I/O口等，再初始化nRF24L01，然后從信息存儲區內取出ID號，開放定時中斷和I/O口中斷，MSP430F2011進入LPM3低功耗模式。當定時器或是外部中斷時，控制器退出LPM3低功耗狀態，執行完中斷服務程序后返回到主程序中從進入LPM3語句后面的程序開始執行。檢測是按鍵狀態，檢測電源電壓，判斷2 s時間是否到了，如到了則啟動發送，將本標識卡的ID號加載上按鍵狀態和電壓狀態無線發射出去。接著判斷5 s到了嗎，如果到了啟動一次接收，接收到的信息進行存儲并分析，當接收到的信息有緊急呼叫或是單獨呼叫本標識卡ID的話，驅動發光二極管和蜂鳴器進行顯示和報警。

2.3? nRF24L01射頻模塊無線收發程序設計

為了降低功耗和系統功能需要，nRF24L01射頻模塊大部分時間工作于掉電模式，每2 s啟動一次發射模式，每5 s啟動一次接收模式。同時設置工作于增強型ShockBurstTM模式，使得在MSP430F2011將數據低速送入nRF24L01片內FIFO，卻以2 Mb/s高速發射出去。這樣降低了對單片機的速度要求，縮短了一次發射的時間，既降低了功耗，又提高了效率，增強了系統防沖突和應付移動目標能力。

nRF24L01射頻模塊無線發送和接收流程如圖7，圖8所示，發送和接收使用了不同頻率，發送采用0A頻段，接收采用08頻段。

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圖7 nRF24L01射頻模塊無線發送流程

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圖8 nRF24L01射頻模塊無線接收流程

2.4? 定時中斷程序設計

定時器采用定時器Timer_A，16位定時器，工作在連續計數模式，此模式下定時器從0累加到比較器TACCR0，時鐘采用內部低速VLO，12 kHz，因此比較寄存器TACCR0的值為12 000，即可定時為1 s。

3? 系統性能測試

3.1? 標識卡功耗測試

標識卡的總功耗可根據總電流乘以電源電壓計算，總電流又可通過串入采樣電阻實現把電流轉換成電壓進行測量。為了產生的電壓易于測量，并且電阻大小不能引入過多的壓降，本系統在測試時選取采樣電阻精度為l‰、阻值為1 Ω的電阻。由于標識卡大部分時間處于休眠狀態，每2 s發送一次，每5 s接收一次，不易測量，因此為測量功耗編寫了兩個測試程序，一個測試程序一直處于發送狀態測量發射時的系統電流，另一個測試程序一直處于接收狀態測量接收電流。采用泰克公司的TDSl012B數字存儲示波器進行測量，通過測量發送時工作電流約為12 mA，接收電流約為12.9 mA。與預期基本一致。

3.2? 系統功能測試

系統的功能測試是在實訓樓的走廊內模擬巷道的環境對標識卡進行測試。測試時間為2 h，測試標識卡30張。按照不同距離分別放置在5個不同的距離的點，每個點5張標識卡。測得的監測分站讀取標識卡的結果如表1所示。

表1 監測分站讀取標識卡測試結果

[標識卡ID＼&；測試距離 /m＼&；讀取次數

（理論讀取次數3 600）＼&；讀取率 /%＼&；1001～1005＼&；5＼&；3 600＼&；100＼&；1006～1010＼&；10＼&；3 600＼&；100＼&；1011～1015＼&；15＼&；3 600＼&；100＼&；1016～1020＼&；20＼&；3 591＼&；100＼&；1021～1025＼&；25＼&；3 560＼&；99.7＼&；1026～1030＼&；30＼&；3 412＼&；98.8＼&；]

由實驗測得的結果可知，監測分站讀取標識卡的距離在20 m內讀取率可達100%，超過這個距離讀取率會下降，距離越遠，讀取率越低。

在位移速度不小于5 m/s時，對讀取率沒有影響；但身體阻擋，特別是標識卡剛好被身體完全阻擋時，讀取率大大減小，漏讀率增加。

3.3? 標識卡實物圖及介紹

圖9（a）和圖9（b）是兩種標識卡的實物圖，兩張標識卡采用了不同的板載天線，測試效果基本相同。由圖中與一元硬幣對比可以看出標識卡的體積很小，結構簡單，非常易于攜帶。

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圖9 標識卡實物圖

4? 結? 語

采用單片集成無線收發模塊nRF24L01為射頻前端，以低功耗單片機MSP430F2011為控制器，以LED和蜂鳴器為狀態指示，設計了一種新型人員定位標識卡。配合人員定位監測分站進行了標識卡性能的測試，測試效果基本達到設計要求。標識卡在距離監測分站20 m時，讀取率為100%，漏讀率為0%；距離監測分站25 m時，讀取率為99.7%，漏讀率為0.3%。讀取距離的測試是在實驗室的環境中進行的，還需在煤礦井下巷道進行實際的現場測試，不斷地改善系統的性能。

參考文獻

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[6] 黃剛，溫澤源.礦井人員定位系統硬件電路應用設計[J].西安科技大學學報，2013，11（45）：320?324.

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[9] 劉宇.礦井人員定位、管理、搜救系統的設計[D].北京：北京郵電大學，2008.

[10] 姜拓.井下人員定位與考勤系統設計[D].太原：中北大學，2008.

[11] 彭璇.基于CAN總線的井下通信系統研究[D].重慶：重慶大學，2013.

[12] 李崇.井下人員定位管理系統在中小型煤礦中的應用與改進[J].煤炭技術，2012，31（1）：104?106.

nRF24L01射頻模塊無線發送和接收流程如圖7，圖8所示，發送和接收使用了不同頻率，發送采用0A頻段，接收采用08頻段。

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圖7 nRF24L01射頻模塊無線發送流程

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圖8 nRF24L01射頻模塊無線接收流程

2.4? 定時中斷程序設計

定時器采用定時器Timer_A，16位定時器，工作在連續計數模式，此模式下定時器從0累加到比較器TACCR0，時鐘采用內部低速VLO，12 kHz，因此比較寄存器TACCR0的值為12 000，即可定時為1 s。

3? 系統性能測試

3.1? 標識卡功耗測試

標識卡的總功耗可根據總電流乘以電源電壓計算，總電流又可通過串入采樣電阻實現把電流轉換成電壓進行測量。為了產生的電壓易于測量，并且電阻大小不能引入過多的壓降，本系統在測試時選取采樣電阻精度為l‰、阻值為1 Ω的電阻。由于標識卡大部分時間處于休眠狀態，每2 s發送一次，每5 s接收一次，不易測量，因此為測量功耗編寫了兩個測試程序，一個測試程序一直處于發送狀態測量發射時的系統電流，另一個測試程序一直處于接收狀態測量接收電流。采用泰克公司的TDSl012B數字存儲示波器進行測量，通過測量發送時工作電流約為12 mA，接收電流約為12.9 mA。與預期基本一致。

3.2? 系統功能測試

系統的功能測試是在實訓樓的走廊內模擬巷道的環境對標識卡進行測試。測試時間為2 h，測試標識卡30張。按照不同距離分別放置在5個不同的距離的點，每個點5張標識卡。測得的監測分站讀取標識卡的結果如表1所示。

表1 監測分站讀取標識卡測試結果

[標識卡ID＼&；測試距離 /m＼&；讀取次數

（理論讀取次數3 600）＼&；讀取率 /%＼&；1001～1005＼&；5＼&；3 600＼&；100＼&；1006～1010＼&；10＼&；3 600＼&；100＼&；1011～1015＼&；15＼&；3 600＼&；100＼&；1016～1020＼&；20＼&；3 591＼&；100＼&；1021～1025＼&；25＼&；3 560＼&；99.7＼&；1026～1030＼&；30＼&；3 412＼&；98.8＼&；]

由實驗測得的結果可知，監測分站讀取標識卡的距離在20 m內讀取率可達100%，超過這個距離讀取率會下降，距離越遠，讀取率越低。

在位移速度不小于5 m/s時，對讀取率沒有影響；但身體阻擋，特別是標識卡剛好被身體完全阻擋時，讀取率大大減小，漏讀率增加。

3.3? 標識卡實物圖及介紹

圖9（a）和圖9（b）是兩種標識卡的實物圖，兩張標識卡采用了不同的板載天線，測試效果基本相同。由圖中與一元硬幣對比可以看出標識卡的體積很小，結構簡單，非常易于攜帶。

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圖9 標識卡實物圖

4? 結? 語

采用單片集成無線收發模塊nRF24L01為射頻前端，以低功耗單片機MSP430F2011為控制器，以LED和蜂鳴器為狀態指示，設計了一種新型人員定位標識卡。配合人員定位監測分站進行了標識卡性能的測試，測試效果基本達到設計要求。標識卡在距離監測分站20 m時，讀取率為100%，漏讀率為0%；距離監測分站25 m時，讀取率為99.7%，漏讀率為0.3%。讀取距離的測試是在實驗室的環境中進行的，還需在煤礦井下巷道進行實際的現場測試，不斷地改善系統的性能。

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[12] 李崇.井下人員定位管理系統在中小型煤礦中的應用與改進[J].煤炭技術，2012，31（1）：104?106.

nRF24L01射頻模塊無線發送和接收流程如圖7，圖8所示，發送和接收使用了不同頻率，發送采用0A頻段，接收采用08頻段。

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圖7 nRF24L01射頻模塊無線發送流程

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圖8 nRF24L01射頻模塊無線接收流程

2.4? 定時中斷程序設計

定時器采用定時器Timer_A，16位定時器，工作在連續計數模式，此模式下定時器從0累加到比較器TACCR0，時鐘采用內部低速VLO，12 kHz，因此比較寄存器TACCR0的值為12 000，即可定時為1 s。

3? 系統性能測試

3.1? 標識卡功耗測試

標識卡的總功耗可根據總電流乘以電源電壓計算，總電流又可通過串入采樣電阻實現把電流轉換成電壓進行測量。為了產生的電壓易于測量，并且電阻大小不能引入過多的壓降，本系統在測試時選取采樣電阻精度為l‰、阻值為1 Ω的電阻。由于標識卡大部分時間處于休眠狀態，每2 s發送一次，每5 s接收一次，不易測量，因此為測量功耗編寫了兩個測試程序，一個測試程序一直處于發送狀態測量發射時的系統電流，另一個測試程序一直處于接收狀態測量接收電流。采用泰克公司的TDSl012B數字存儲示波器進行測量，通過測量發送時工作電流約為12 mA，接收電流約為12.9 mA。與預期基本一致。

3.2? 系統功能測試

系統的功能測試是在實訓樓的走廊內模擬巷道的環境對標識卡進行測試。測試時間為2 h，測試標識卡30張。按照不同距離分別放置在5個不同的距離的點，每個點5張標識卡。測得的監測分站讀取標識卡的結果如表1所示。

表1 監測分站讀取標識卡測試結果

[標識卡ID＼&；測試距離 /m＼&；讀取次數

（理論讀取次數3 600）＼&；讀取率 /%＼&；1001～1005＼&；5＼&；3 600＼&；100＼&；1006～1010＼&；10＼&；3 600＼&；100＼&；1011～1015＼&；15＼&；3 600＼&；100＼&；1016～1020＼&；20＼&；3 591＼&；100＼&；1021～1025＼&；25＼&；3 560＼&；99.7＼&；1026～1030＼&；30＼&；3 412＼&；98.8＼&；]

由實驗測得的結果可知，監測分站讀取標識卡的距離在20 m內讀取率可達100%，超過這個距離讀取率會下降，距離越遠，讀取率越低。

在位移速度不小于5 m/s時，對讀取率沒有影響；但身體阻擋，特別是標識卡剛好被身體完全阻擋時，讀取率大大減小，漏讀率增加。

3.3? 標識卡實物圖及介紹

圖9（a）和圖9（b）是兩種標識卡的實物圖，兩張標識卡采用了不同的板載天線，測試效果基本相同。由圖中與一元硬幣對比可以看出標識卡的體積很小，結構簡單，非常易于攜帶。

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圖9 標識卡實物圖

4? 結? 語

采用單片集成無線收發模塊nRF24L01為射頻前端，以低功耗單片機MSP430F2011為控制器，以LED和蜂鳴器為狀態指示，設計了一種新型人員定位標識卡。配合人員定位監測分站進行了標識卡性能的測試，測試效果基本達到設計要求。標識卡在距離監測分站20 m時，讀取率為100%，漏讀率為0%；距離監測分站25 m時，讀取率為99.7%，漏讀率為0.3%。讀取距離的測試是在實驗室的環境中進行的，還需在煤礦井下巷道進行實際的現場測試，不斷地改善系統的性能。

參考文獻

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