基于UWB技術的礦用移動式讀卡器設計

張立群

（1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京 100013）

目前煤礦人員定位系統主要采用RFID、WIFI、ZigBee等區域定位技術，普遍存在著定位精度不足、傳輸距離短、漏卡、易受周圍環境影響等問題[1]。這使得在礦難發生時，難以準確確定井下人員的位置來開展救援。隨著智慧化礦山的建設，目前UWB精確人員定位系統已在逐步的替換傳統區域定位系統。在國家安監局最新印發的AQ 6210—2020《煤礦井下人員定位系統通用技術條件》(送審稿)中，對精確人員定位系統的各項指標做了具體要求，其中系統應有便攜式的讀卡設備實現脫網定位功能作為強制性條款，使之在應急救援及系統維護等方面發揮重要作用。超寬帶（Ultra Wide Band,UWB）技術是一種使用1 GHz以上頻率帶寬的無線載波通信技術，通過發送和接收納秒級非正弦波窄脈沖來傳輸數據信號，具有很強的時間分辨力，可實現厘米級的精確定位[2]，具有定位精度高、抗多徑衰落能力強、穿透能力強、功耗低等優點，非常適合在復雜環境的井下實現精確定位。

鑒于此，設計了一種基于UWB技術和SDSTWR雙邊雙程測距算法的礦用移動式讀卡器，實現在較大范圍內快速識別多張定位卡的精確位置和人員信息，對系統維護以及災后開展科學救援，提高救援的時效性具有重要的現實意義，符合智慧礦山建設的發展趨勢。

1 UWB精確測距原理

設計的移動式讀卡器的精確測距原理基于到達時間（Time of Arrival,TOA）方法的SDS-TWR雙邊雙程測距算法。該方法利用射頻信號在空氣傳播時的速度已知，通過測量射頻信號從定位卡到讀卡器的飛行時間，從而確定2點間的距離。該方法幾乎不受射頻信號強度大幅變動的影響[3]。雙邊雙程精確測距算法原理示意圖如圖1，整個過程分為2個階段，發現階段和測距階段。

圖1 雙邊雙程精確測距算法原理示意圖Fig.1 SDSTWR accurate ranging algorithm principle diagram

在發現階段，定位卡定期向周圍發送簡短的入網消息(眨眼信號)，并等待來自移動式讀卡器的回應，并按照回應的信息進行初始配置，如時隙、喚醒周期等[4]。此后進入測距階段，定位卡在t1時刻向移動讀卡器發送含有該定位卡卡號和t1時間戳的起始消息幀，移動讀卡器在t2時刻收到消息幀，延遲響應一定時間后，在t3時刻向該定位卡發送回復幀，定位卡在t4時刻收到回復幀并延遲響應一定時間后，在t5時刻再次給移動讀卡器發送包含t1、t4、t5時間戳的終止消息幀，移動讀卡器在t6時刻收到終止消息幀，即完成了1次測距過程。此過程中定位卡從發送起始幀到接收到回復幀的往返時間為t4-t1，期間的延遲響應時間為t3-t2，移動式讀卡器從發送回復幀到接收到終止幀的往返時間為t6-t3，期間的延遲響應時間為t5-t4，總計2次往返，由此可計算出定位卡到移動式讀卡器的飛行時間，進而由式（1）轉換為2點間的距離D。

式中：C為電磁波在空氣中的傳播速度，約為3×108m/s。

采用雙邊雙程（SDS-TWR）測距算法規避了定位卡和移動讀卡器之間不同時鐘時基帶來的不確定性，兩者無需精確的時鐘同步，并能有效降低時鐘頻率漂移所帶來的計時誤差。

2 移動式讀卡器硬件

移動式讀卡器以ARM主控器STM32F429和UWB無線收發芯片DW1000為設計核心，整個電路設計為本質安全型，采用模塊化結構，由UWB無線收發電路、觸摸液晶屏顯示電路、鋰電池充電管理電路、鋰電池電量計電路、電源電路、Flash存儲電路、USB電路、按鍵輸入電路等組成，實現在較大范圍內快速識別多張定位卡的精確位置，檢測定位卡的狀態，查詢定位卡人員的詳細信息。移動式讀卡器硬件總體結構圖如圖2。

圖2 移動式讀卡器硬件總體結構圖Fig.2 Hardware general structure diagram of portable card reader

ARM STM32F429是移動式讀卡器的處理核心，由鋰電池供電，電源適配器經USB口，通過TP4056X組成的充電電路對鋰電池實現充電管理，CW2015鋰電池電量計對電池進行采集，通過I2C將電池的剩余電量、剩余工作時間傳給ARM，鋰電池經電源電路進行電壓變換后分成2部分，一部分升壓到5 V給液晶觸摸屏供電，另一部分經低壓差LDO降壓到+3.3 V及+1.8 V給ARM及相關外設和DW1000供電，ARM與UWB無線模塊采用SPI通信來發送和接收UWB信號，計算出與定位卡的精確距離。ARM通過UART與觸摸液晶屏通信，實時顯示定位卡的測距信息及狀態，查詢定位卡對應人員的姓名、部門、照片等詳細信息。Flash W25Q256用來存儲DW1000的模式、參數等配置信息和定位卡的人員信息。

UWB無線收發電路以DW1000為核心，DW1000是一個集成度非常高的低功耗、單芯片CMOS射頻收發器，兼容IEEE802.15.4-2011 UWB標準[5]。UWB無線收發電路如圖3。

圖3 UWB無線收發電路圖Fig.3 UWB wireless transceiver circuit diagram

DW1000無線收發器采用嚴格的接口要求，從而確?？煽康碾娫?、射頻和定時信號。DW1000有8個電源引腳，每個引腳都需要0.1μF的去耦電容，發射機功放的外部電源引腳18腳、19腳VDDPA1、VDDPA2各需要0.1μF、10 pF、330 pF 3個去耦電容。電源電路提供的1.8 V電壓給26腳VDDLDOD、48腳VDDLDOA以實現更高的功效。ARM通過SPI控制DW1000芯片進行數據收發，DW1000的差分引腳16腳RF_P和17腳RF_N輸出UWB信號經巴倫轉換器HHM1595A1，將差分信號轉換成單端射頻信號，經RF放大電路進行放大后，經天線發射出去[6]，實現與定位卡測距的功能。

移動式讀卡器作為一種手持便攜式設備，對鋰電池進行充電管理，延長電池使用壽命是設計的重要環節，鋰電池充電管理的硬件設計電路圖如圖4。

圖4 鋰電池充電管理電路圖Fig.4 Lithium battery charging management circuit diagram

TP4056X是一款完整的單節鋰離子電池采用恒定電流/恒定電壓線性充電器[7]，其內部具有防倒充電路，高達1 000 mA的可編程充電電流。TP4056X的第2引腳PROG接電阻R3，可通過R3的不同阻值對充電電流進行設定，TP4056X的7腳（CHRG）和6腳（STDBY）連接LED燈實現充電指示。正在充電狀態，紅燈D2亮，電池充滿狀態，綠燈D1亮。設計的充電電流為1 000 mA，為縮短充電時間，需增加0.4Ω的熱耗散電阻R6。

電池的剩余電量是手持設備的重要參考，設計采用專用電量計芯片CW2015，鋰電池電量計電路如圖5。

圖5 鋰電池電量計電路Fig.5 Lithium battery capacity measurement circuit diagram

CW2015是專門應用在手持及便攜式設備的擁有小封裝、低成本，無需電流校準和充放電學習的鋰電池電量計[8]。CW2015的第2引腳VCELL持續監測電池在充電/放電狀態下的電壓，運行專利“Fast－Cali”電量計算法，結合電池建模信息，可準確計算電池電壓、剩余電池電量、剩余工作時間，采用I2C總線與ARM通信，將電池信息傳給ARM。當電池電壓低時，5腳輸出低電平，提示低壓報警。

3 移動式讀卡器軟件

設計采用RT-Thread操作系統，移動式讀卡器程序流程圖如圖6。

圖6 移動式讀卡器程序流程圖Fig.6 Process flow chart of portable card reader

系統對ARM進行時鐘、UART、SPI、I2C等硬件資源進行初始化及DW1000參數的配置，之后進入監聽狀態，等待定位卡廣播發送的入網消息[9]。識別到定位卡后，通過SDS-TWR測距算法來計算定位卡與移動式讀卡器之間的距離，并將定位卡的數量、卡號、電壓、距離、人員信息以及讀卡器的鋰電池信息通過液晶屏顯示出來。

4 試驗測試

對移動式讀卡器分別進行最大并發量、最大位移速度、最大距離與測距精度試驗，來驗證其性能。設計的移動式讀卡機DM1000通信參數設置為110 kbps數據速率、16 MHz PRF、1 024個符號前導碼[10]。設計的最大并發量為80張定位卡，最大位移速度為7 m/s。

最大位移速度與最大并發量試驗，在空曠的道路，將80張定位卡放在車上，車以25 km/h勻速通過移動式讀卡器的識別區，以滿足最大并發數量的定位卡（80張）處于最大位移速度（7 m/s）的要求，測量20次，觀察移動式讀卡器能否正確讀到全部定位卡。經20次測量，移動式讀卡機全部正確讀出定位卡，漏讀率為0。因此，最大并發量為80張定位卡，最大位移速度為7 m/s，滿足測試要求。

最大距離與測距精度試驗，將最大并發量80張定位卡均勻設置在移動式讀卡器定位區內，在空曠的道路上，定位卡分別放在實際50、100、210、300、400、52.3、154.6、216.5、313.7、379.8 m，總計5個整數點和5個非整數點的位置，每個位置放8張卡，移動式讀卡器測量所有定位卡位置，并計算所有定位卡測量位置與實際位置的差值，每個位置取100條數據，其最大值為最大靜態誤差。

經試驗，在DW1000的此參數配置下，移動式讀卡器可實現最大靜態誤差不大于30 cm，最遠距離達到400 m，滿足礦方對移動式讀卡器的精確定位要求。

5 結語

分析了UWB通信技術和SDSTWR雙邊雙程測距算法實現精確測距的原理。以主控ARM芯片STM32F429和UWB無線收發芯片DW1000為核心，設計了一種基于UWB技術和SDS-TWR測距算法的手持移動式讀卡器。測試結果表明，該移動式讀卡器最大靜態測距誤差不大于0.3 m，有效測距距離400 m，最大并發識別數量80張定位卡，最大位移速度不小于7 m/s，滿足煤礦對精確人員定位系統維護以及應急救援中對遇難人員精準定位要求。