一種多模定位信息礦燈標識卡設計與實現

戴劍波

（1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400039）

2019 年10 月12 日，山東省出臺《煤礦人員精確定位技術要求（試行）》文件，2019 年12 月9 日山東省煤監局及山東能源集團公司再次出臺文件“關于加快井下人員精確定位、無線通信及應急廣播系統建設”，其中，明確提出“優先選擇與礦燈一體化的標識卡”。2019 年11 月由中國礦業大學（北京）孫繼平起草的《煤礦井下人員定位系統通用技術條件》發布征求意見稿，文件對人員定位系統技術指標要求較AQ6210 標準內容要求均有很大提升。

目前，煤礦井下作業人員大部分攜帶RFID 技術區域標識卡，將RFID 人員管理系統一次性升級為精確人員定位系統，系統產品需要全部更換，改造成本過高。信息礦燈在充電過程中因為充電架電壓、電流不穩定容易造成內置標識卡損壞，導致工作電流增大，縮短礦燈照明時間，影響礦工井下安全作業。為此，設計了一種低功耗、過壓、過流自診斷保護特點的多模定位礦燈標識卡，該礦燈標識卡可以提高礦燈安全可靠性，減輕作業人員下井攜帶負擔，煤礦企業可以從局部改造逐步實現全礦井精確覆蓋，降低企業經濟負擔，提高生命安全保障[1-3]。

1 標識卡原理框圖

定位標識卡主要由：過壓保護電路、過流保護電路、指示燈電路、ZigBee 射頻電路、ZigBee 功率放大電路、RFID 射頻電路、按鍵幾部分組成。多模定位礦燈標識卡硬件設計原理框圖如圖1。

圖1 多模標識卡硬件設計原理框圖Fig.1 Principle block diagram of a multi-mode lamp identification card

ZigBee 射頻電路及ZigBee 功放電路實現精確定位測距、RFID 射頻電路實現區域人員管理，RFID射頻電路與ZigBee 射頻電路通過ATSAMR21G18A單芯片集中控制。

2 標識卡硬件

2.1 過壓保護電路

標識卡具有過壓自診斷保護功能。礦燈電池在充電架充電或充電異常時，峰值電壓可能超出正常工作范圍，采用寬范圍輸入DC-DC 電源芯片或LDO 芯片穩壓其靜態電流過大不能滿足低功耗，因此，設計使用分立元件實現對后級電路限壓保護，滿足低功耗、低成本要求。過壓保護電路如圖2。

圖2 過壓保護電路Fig.2 Over voltage protection circuit

圖2 中，Z1為5.1 V 穩壓管，三極管Q1導通電壓為0.7 V，MOS 管Q3開啟電壓最低為0.7 V，當標識卡輸入電壓高于1.4 V，低于5.87 V 時，三極管Q1、Q2均處于截止狀態，MOS 管Q3柵極電壓為源極電壓1/2，Q3處于導通狀態，礦燈電池供標識卡正常工作；當標識卡輸入電壓高于5.87 V 時，三極管Q1基極鉗位電壓大于0.7 V，處于導通狀態，同時，Q2導通，MOS 管Q3柵極電壓與源極電壓相等，處于關斷狀態，對后級電路實現過壓保護功能。

2.2 過流保護電路

礦燈充電頻率較高，在充放電過程中或工作異常時會出現負載電流過大情況，不加以保護會直接損壞礦燈標識卡，同時縮短礦燈照明正常使用時間，影響礦工井下安全作業。標識卡設計增加電流監測電路，在負載超出設定正常電流值時，自動關斷后級電路供電，同時指示燈常亮提示故障。過流保護電路如圖3。

圖3 過流保護電路Fig.3 Over current protection circuit

圖3 中，U1為ZXCT1010 電流監測芯片，采樣電阻Rs產生電壓差即可將其轉換為同比例電流Iout輸出，通過R7轉換成電壓值，過流保護值可以根據應用需求設置。標識卡最大峰值脈沖電流為0.135 A，過流保護值設為0.2 A，當Is=0.2 A時，URs=Rs×Is=0.1×0.2=0.02 V，Utemp=0.01×URs×R7=0.01×0.02×3.5×1 000=0.7 V。當Is低于0.2 A 時，Utemp＜0.7 V，三極管Q4截止，MOS 管Q5、Q6導通，標識卡正常工作；當異常狀態Is＞0.2 A 時，三極管Q4導通，MOS 管Q5、Q6關斷，Uout=0 V，負載自動斷電，D1指示燈處于常亮狀態提示，從而整個電路實現過流自動保護。

2.3 射頻功率放大電路

RFID 射頻部分在井下原有網絡中工作，不需要單獨增加功放延長通信距離，僅實現井下作業人員區域管理功能。ZigBee 射頻部分進行精確測距，射頻電路選用Microchip 公司ATSAMR21G18A 主芯片設計，內部集成AT86RF233 無線收發器及MCU，芯片采用AOA 定位算法，通過在接收端對發射端依次產生的相同初相位不同頻率的射頻信號進行相位測量，從而計算出節點間的距離。延長標識卡與基站之間通信距離，可降低煤礦企業成本。因此，在射頻輸出端設計增加功率放大器[4-6]。

功率放大的選型通過自由空間傳播無線通信距離式（1）理論分析出功率放大芯片所需放大倍數。已知：ATSAMR21G18A 射頻芯片接收靈敏度Pr為－99 dBm，中心頻率f 為2.45 GHz，通信距離D 設計為400 m，發射天線增益Gt為2 dBi，接收天線增益Gr為5 dBi，發射功率未知，利用自由空間傳播時的無線通信距離D 的計算公式為：

式中：Pt為發射功率，dBm；Gt為發射天線增益，dB；Gr為接收天線增益，dB；Pr為接收靈敏度，dBm；35 為大氣衰減，dB；D 為通信距離，km；f 為中心頻率，MHz。

根據式（1）計算出發射功率Pt＝21.5 dBm，設計選用Skyworks 公司的SE2431L 射頻功率放大芯片，輸出增益可達21 dB（3.0 V DC）。射頻功率放大器電路如圖4。

圖4 射頻功率放大設計電路Fig.4 Design circuit of RF power amplifier

圖4 中，U2為ZigBee 射頻主芯片，RFN 和RFP管腳為射頻信號差分輸出，功率放大芯片U4為單端射頻輸入，U3為寬帶射頻傳輸線變壓器2450BM15A0015，可以將差分輸出信號轉換為單端輸入信號，通過對U4管腳CSD、CPS、CTX 不同組合配置，功率放大器可以工作在休眠、收/發旁路、低噪聲放大接收、功率放大發送幾種不同狀態，從而達到延長通信距離和降低系統功耗的目的。C8、C9、L1組成π 型網絡，調整射頻輸出與天線之間阻抗匹配。RFID 射頻電路通過SPI 接口與ATSAMR21G18A 主芯片通信，完成數據收發。

2.4 倒F 微帶天線

根據計算值建立仿真模型，經過仿真優化，最終確定倒F 天線設計尺寸天線高度H 為4 mm，諧振長度L 為15 mm，2 條豎直臂之間距離D 為4 mm，將仿真結果導出.dxf 文件，再導入cadence 畫圖軟件，可以直接制板設計應用。

3 標識卡軟件

定位標識卡軟件主要實現：電池電壓、振動傳感器檢測、超低功耗休眠管理、ZigBee 定位測距、RFID定位測距等功能。標識卡采用周期性主動喚醒并廣播入網請求，發送數據時間極短，休眠時間遠遠大于發送數據時間，RFID 與ZigBee 射頻單元根據周圍網絡環境自適應選擇1 種工作，在有RFID 網絡時，關閉ZigBee 射頻部分電路；在有ZigBee 網絡時，關閉RFID 射頻部分電路，可以大大降低功耗；標識卡廣播入網請求后，選擇RFID 入網或ZigBee 入網，如果ZigBee 入網成功，在規定的測距周期里采用AOA測距算法與基站進行測距，通過計算相對方向角獲得位置信息，并發送基站測距信息，如果RFID 入網成功，根據無線通信信號強度值反推出其所處的大概區域。軟件設計流程示意圖如圖5。

圖5 軟件設計流程示意圖Fig.5 Software design flow chart

4 測試結果

1）發射功率測試。射頻輸出功率是衡量無線傳輸設計好壞的重要指標之一。標識卡通過增大發射信號功率和接收信號靈敏度設計，提高無線傳輸可靠性與傳輸距離，從而有效保證定位精度的穩定性。采用頻譜分析儀對標識卡ZigBee 射頻電路發射功率進行測試，發射功率為22 dBm，理論計算為：射頻芯片輸出4.0 dBm，功率放大芯片增益在3.0 VDC輸出21 dB，理論計算應輸出25 dBm，考慮射頻饋線損耗、天線轉接頭損耗、PCB 加工誤差等因素，實測輸出結果22 dBm 基本符合理論設計需求。

2）通信距離及定位精度測試。通過對ZigBee 射頻單元進行功率放大設計和倒F 微帶天線設計，加工樣品模塊，在靜止、可視無遮擋狀態下，將10 張定位標識卡放在400 m 處，對標識卡通信距離及精度進行了測試，基站以1 s 的測距周期與標識卡進行測距，一共采集了2 000 個數據，測試結果為在±2 m的范圍內的個數為2 000 個，可以達到100.00%；在±1 m 的范圍內的個數為1 682 個，可以達到84.1%。通過增加射頻功率放大芯片和軟件濾波算法處理，實現有效覆蓋范圍達到400 m，測距精度±2 m，完全適用煤礦精確定位需要[9-10]。由于RFID 射頻部分和ZigBee 射頻部分均工作在2.4 GHz，相互之間存在射頻信號干擾，標識卡采用L 型結構設計，分別安裝礦燈電池盒側位和電池盒上蓋位置，并保留10 mm 天線凈空區。

5 結 語

設計一種低功耗多模定位礦燈標識卡，標識卡具有過壓、過流自診斷及保護功能，保證礦燈正常使用時間。多模定位礦燈標識卡將RFID 及ZigBee 定位功能集成礦燈中，既兼容傳統RFID 系統，又適用ZigBee 定位系統，有助于煤礦人員定位系統逐步升級改造，滿足現場不同環境下差異化定位場景的需求。目前已經取得煤礦本質安全認證，在山東煤礦進行工業性試驗。煤礦人員定位系統從傳統的區域人員管理升級為人員精確定位，可以準確統計井下作業人員數量及位置信息，緊急情況下快速撤離及響應，提升生命安全保障。