基于UWB 超寬帶的煤礦定位系統設計

2020-08-21 08:02:12肖開泰

煤礦安全 2020年8期

肖開泰

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司,遼寧撫順1131222；煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧撫順113122）

根據國家相關要求所有煤礦必須建設完善煤礦井下安全避險“六大系統”[1]，人員定位系統是六大系統之一。人員定位可通過GPS、GSM 和CDMA 移動蜂窩網絡、WiFi、RFID、藍牙、紅外線超聲波混合、Zigbee 等無線技術實現[2]，并在各自領域成功應用，部分技術也在煤礦井下成功應用，但受煤礦井下空間有限、信號屏蔽物較多、高溫多濕、粉塵浮游物含量高、電磁環境復雜多變等諸多因素影響，普遍存在定位距離近、精度差的問題，難以滿足煤礦對高精度定位的新需求。UWB（Ultra Wide Band）超寬帶技術具有信道容量大、功率消耗低、多徑分辨能力強、穿透能力強、抗干擾能力強、隱蔽性好和定位精度高的特點[3]，可滿足煤礦高精度定位需求。

1 UWB 定位原理

UWB（Ultra Wide Band）是近年來新興的、與傳統通信技術有極大差異的通信無線新技術[4]。受其工作方式影響使之天生具有超高的分辨率，且因其工作頻率高、信號占空比極低，故形成的窄脈沖的多徑信號在時間上不易重疊，可保證其多徑信號在時間上得到分離[5]，而無線通信技術正是通過計算已知節點（定位基站）和未知節點（定位標簽）之間的距離實現定位，在時間分量得到保證的情況下，實現的定位精度自然會高。UWB 定位原理示意圖圖1。

圖1 UWB 定位原理示意圖Fig.1 UWB positioning principle diagram

圖1 中定位基站A1（x1，y1，z1）、定位基站A2（x2，y2，z2）、定位基站A3（x3，y3，z3）為3 個位置已知點，定位標簽T（x，y，z）為位置未知點，無線信號自T 發出到被A1、A2和A3成功接收所消耗的時間為ti（i=1，2，3），由此可計算出T 至A1、A2和A3的距離di（i=1，2，3)=ti×C（C 為無線電波在空氣中的傳播速度），分別以A1、A2和A3圓心，di為半徑畫圓，可得到3 個相交的平面圓形，相交區域即為T 的坐標區域，利用平面幾何知識可得式（1）：

將di（i=1，2，3）=ti×C 代入式（1），可得出定位標簽T（x，y，z）的坐標，從而實現對定位標簽T 的定位。

2 定位系統硬件

定位基站和定位標簽的硬件主體結構基本一致，由stm32 模塊、DW1000 模塊、電源轉換模塊、液晶顯示模組和相關配套電路元件組合而成，定位基站相比定位標簽增加了以太網模塊、485 通信模塊和usb 模塊，主控模塊stm32 和dw1000 通過spi 通信進行數據交互[6]，硬件主體結構電路框圖如2。

圖2 硬件主體結構電路框圖Fig.2 Circuit design block diagram

1）主控單元STM32 模塊。主控單元選擇使用高性能ARM32CortexTM -M3 內核的意法半導體STM32F107RC[7]，可以在低功耗、短啟動時間和多種喚醒事件之間達到最佳平衡[8]，工作電壓2～3.6 V，主頻率為72 MHz，包括3 個SPI、1 個USB OTG、5個USART、2 個CAN 和1 個百兆等多個標準通信接口，支持睡眠、停機、待機3 種低功耗模式，具有處理速率高、功率低、體積小、成本低、適應性強等特點。芯片共外接12 MHz 和32.678 kHz 2 個晶振，其中32.678 kHz 為外部晶振，連接于芯片的3、4 腳，用于控制NRST 復位引腳（7 腳）為RTC 提供時鐘服務；12 MHz 晶振為主頻晶振，連接于芯片的5、6腳，為芯片工作提供時鐘服務。20、21、22、23 腳為SPI 1 接口，用來讀寫操作射頻模塊DW1000；26 腳與DW1000 的23 腳相連，配置為外部輸出引腳用來喚醒休眠的DW1000 模塊；29、30、33、34、36 腳連接LCD 控制器；57 腳配置外部中斷，連接到DW1000的22 腳，接收DW1000 發出的允許進行測距電平信號。

2）射頻DW1000 模塊。射頻模塊選用基于UWB通信的DW1000[9]，支持EEE802.15.4-2011 標準的射頻收發模塊，相比其它模塊更經濟、準確，可達到厘米級別的測距性能。芯片的1、2、13、14 腳為空；3、4 腳為外部晶振引腳，本電路中選用8.4 MHz 晶振；16、17 腳連接射頻天線；23 腳是外部喚醒接口與主控芯片STM32F107RC 的26 腳相連，用于喚醒休眠狀態或深度休眠狀態的DW1000；24 腳是SPI 芯片選擇引腳，有效的低電平從高到低轉換可以表示1 個新的SPICSn 事務的開始，也可以作為信號喚醒休眠狀態下的或者深度休眠下的DW1000；27 腳是重置復位引腳，低電平有效，可通外部漏極驅動器拉低以重置DW1000；30～38 腳是6 個通用的I/O 端口，39、40、41、24 腳是SPI 的4 個端口，分別跟主控模塊STM32F107RC 的SPI 1 相連，用以讀寫DW1000 中的數據，其余為電源或I/O 管腳。

3）射頻天線。定位基站考慮到覆蓋問題，采用外置式全向天線；定位標簽考慮便攜問題，采用陶瓷板載天線；工作頻率是3.5～6.5 GHz，與射頻電路共同組成用于無線信號收發的天線模塊[10]。

3 定位系統通信

定位基站和標簽上電后，STM32F107RC 首先進行自身初始化（通過調用peripherals_init（）函數實現），其次訪問DW1000（通過調用writetospi（）函數實現）對其SPI 接口進行初始化，完成后STM32F107RC 通過SPI 對DW1000 的寄存器進行讀寫操作，調用dwt_initialise（）和dwt_configure（）函數對DW1000 進行信道的選擇、發射功率和發射速度進行相關配置完成設備初始化，初始化流程如圖3。

圖3 系統初始化流程圖Fig.3 Flow chart of system initialization

通信幀的設計采用IEEE802.15.4 協議標準格式，由前導碼和SFD 組成同步頭、數據率物理頭和數據有效負載長度一起組成。前導碼的作用是讓定位基站識別，SFD 是定界符，表示前導碼的結束和有效負荷的開始，物理頭用于為指定的接收端提供各種有效載荷。在測距過程中設定poll message、response message 和final message 3 種通信幀，分別表示輪詢、應答和結束消息，定位標簽會廣播輪詢消息，收到輪詢消息的定位基站會在規定時間內返回應答消息，超時未返回的無效，定位標簽收到定位基站應答消息后，廣播發送結束消息給所有定位基站，定位基站基站收到結束消息后根據其中的時間戳信息計算距離，從而實現對定位標簽的測距定位。

定位信息能否獲得取決于通信幀是否成功收發，首先定位標簽主控模塊STM32F107RC 對DW1000 進行初始化，成功后DW1000 就處于等待指令的空閑狀態，主控模塊STM32F107RC 將待發數據寫到DW1000 的寄存器對前導碼長度、脈沖重復頻率以及數據傳輸率等信息進行設置，設置不成功重復上面寫入配置操作，設置成功后發送通信幀，DW1000 收到發送指令后馬上按設置將通信幀發送出去，如果發送成功，DW1000 會返回1 個發送成功信號給主控模塊STM32F107RC，如果沒有發送成功，DW1000 會重新執行發送操作，直到發送成功為止，若需要再次發送則重復以上過程，否則休眠，通信幀的發送流程圖如圖4。

圖4 通信幀的發送流程圖Fig.4 Communication frame delivery flow chart

通信幀接收由DW1000 的接收機完成，接收前需要將DW1000 的工作模式設置為接收（通過STM32F107RC 通過SPI 1 對DW1000 進行配置完成），接收流程從搜索前導碼開始，DW1000 接收機搜索前導碼并對成功接收到的前導碼進行檢測，檢測失敗則對前導碼檢測是否超時進行判斷，超時則對接收機進行重新配置，未超時就繼續檢測前導碼，如果檢測成功則獲取前導碼及定界符對前導碼獲取是否完成進行判斷，如果前導碼獲取未完成則對定界符獲取是否超時進行判斷，超時則對接收機進行重新配置，未超時則繼續獲取前導碼及定界符，如果前導碼獲取完成則獲取幀數據并對幀數據是否接收完成進行判斷，如果未接收完成則對幀接收時間進行判斷，超時則對接收機進行重新配置，未超時繼續獲取幀數據，重復上述操作直至獲得所有幀數據，幀數據接收完成后進行休眠或繼續接收通信幀判斷，通信幀接收流程圖如圖5。

4 性能測試

測試場地為長7.8 m，寬6 m 的小型會議室;測試設備：定位基站和定位標簽各4 個、移動電源4臺、交換機1 臺、筆記本電腦1 臺。測試過程如下：將定位基站分別放在室內的4 個角落，將4 個定位標簽分別放置在（4.1，3.2），（7.5，5.5），（1.3，5.5），（1.3，1.8）位置上，通過UWB 測試系統進行相關參數配置，配置完成后進行測距，對每個定位標簽位置測量20 次。

圖5 通信幀的接收流程圖Fig.5 Communication frame of receiving flow chart

從室內測試結果來看，基于UWB 超寬帶的定位系統的定位精度在未進行算法優化的情況下即可達到10～30 cm，后續加入優化算法后定位精度將會進一步提高，可滿足煤礦場景高精度定位的需求。

5 結語