基于UWB和RFID多源融合的煤礦人員精準定位系統設計

陳代偉

（鎮江中煤電子有限公司）

目前，礦山物聯網技術在智慧礦山建設中得到不斷發展，對于煤礦井下作業人員、機電設備、交通運輸工具等目標的實時狀態監測、大數據采集、應急聯動等各種信息的需求日益劇增。現在煤礦在用的大部分人員管理系統均采用區域定位的方式，如RFID、Zigbee、WiFi和藍牙等技術原理的系統。由于某些煤礦管理不到位和員工工作狀態不規范，在煤礦發生安全事故時，無法精準掌握受困人員的具體位置和精準指引受困人員的逃生路線，從而影響了救援工作的開展，延誤了寶貴的救援時間，造成無法及時有效地實施救援工作。未來煤礦安全生產應該朝著智能化、集成化、信息化的方向邁進，監控系統要采用先進的傳感器，縮短巡檢周期，增多控制功能，增強大數據分析能力，特別要做到與井下人員定位系統的融合以及應急聯動［1-2］。為此，在基于RFID技術的KJ106煤礦人員管理系統基礎上，再融合基于UWB技術的KJ1385煤礦人員定位系統，設計一種多源融合的定位分站，不但可以進行區域人員定位，還可以滿足人員精準定位，既能滿足新文件規定的遠距離測量和高精度定位要求，又能降低客戶進行設備升級改造的成本。

1 UWB和RFID技術應用理論

1.1 UWB技術測距原理

UWB（Ultra Wide Band，超寬帶）是一種無線載波通信技術，它是利用納秒級或者亞納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據，因此其所占的頻譜范圍較寬。UWB定位的常用方法有如下4種：飛行時間法（TOF）、到達時間差法（TDOA）、到達角度法（AOA）、接收到信號強度指示法（RSSI）。鑒于對比各自的優缺點后，決定采用TOF飛行時間定位法，其基本原理是通過測量標識卡與定位模塊之間無線載波信號往返的飛行時間乘以電磁波速度來計算距離，屬于雙向雙程測距技術。

見圖1，Tx為發射信號，Rx為接收信號，標識卡在t1時刻發出無線載波信號；讀卡分站天線在t2時刻接收到載波信號，經UWB射頻模塊確認完數據后，在t3時刻回傳載波信號；標識卡在t4時刻接收到載波信號，處理完分站的回傳信號后，在t5時刻再次發送載波信號；讀卡分站天線在t6時刻接收到載波信號，繼續由UWB射頻模塊進行處理。標識卡和讀卡分站完成1次信號交互往返的時間為t6與t1之差，但是，t3與t2時間差為讀卡分站處理信號的反應時間，t5與t4時間差為標識卡處理信號的反應時間，因此標識卡到分站天線的距離d可以表示為

式中，c為無線電信號在空氣中的傳播速度，為3×108m/s。

1.2 UWB技術方向判定原理

讀卡分站采用雙測距模塊設計，內置了2塊相同的射頻模塊。射頻模塊通過礦用阻燃射頻同軸電纜與1根增益為12 dBi的全向天線配接，2根天線距離s為4 m［3］。標識卡采用了雙向雙程測距法，如圖2所示，標識卡與讀卡分站的天線距離為d1和d2。標識卡相對于讀卡分站的方向判定原則如下：①當d1＞d2時，標識卡在分站的右邊，距離為d2；②當d1＜d2時，標識卡在分站的左邊，距離為d2；③當d1＜s且d2＜s時，標識卡在定位讀卡器的右邊，距離為d2［4］。由此可見，天線1可以被視作是判定標識卡方向而設定的，天線2可以被視作是測量距離而設定的。

1.3 RFID技術

RFID（Radio Frequency Identification，射頻識別技術）是一種無線射頻信號，通過空間耦合，實現無線信息傳遞，并通過所傳遞的信息達到識別目標的技術。在人員定位領域，RFID技術的優點有技術簡單實用、高效性、高唯一性、低成本、市場應用廣泛。缺點則有檢測距離短，不能顯示人員具體位置，只能用于區域定位和人員考勤管理，功能和技術指標已經不能完全滿足社會發展的需要。

2 系統設計方案與硬件要求

2.1 系統框架

本系統網絡架構由物理層、網絡層和應用層組成［5］，其連接如圖3所示。物理層由標識卡（標簽卡）、讀卡分站、本安型直流電源組成，完成無線測距信息的收發，并且在讀卡分站上計算出標識卡位置信息。網絡層包括讀卡分站、礦用萬兆交換機組成的工業以太環網傳輸平臺，讀卡分站具備RJ45接口和光纖通信接口，它可以將光纖模塊級聯，最后將定位信息接入萬兆以太環網，上傳到應用層中心監控計算機進行處理，并實時顯示被監測目標的具體位置信息。

2.2 物理層

（1）RFID標簽卡專用于讀卡分站識別井下人員和移動設備的位置、身份的電子標簽。它是一種有源射頻標簽卡，采用本質安全型電路設計，能夠間歇性發射自身信息數據包。80個以上標識卡可在讀卡分站信號覆蓋范圍內同時被識別，并具有無線微功率、穩定可靠、體積小、便于攜帶等優點。基于無線射頻識別技術的標簽卡除了具備定位功能外，還應具有緊急求救、震動報警、欠電指示、通信指示等功能。此卡是基于RFID技術的舊式人員管理系統所有，在系統升級為精準定位系統時可以繼續被利舊使用，不造成浪費。

（2）UWB標識卡是內置了RFID芯片和DW1000定位芯片的有源射頻標識卡。采用周期性地發送無線載波信號，讀卡分站接收到信號后，回復給標識卡包含信號飛行時隙的數據包，標識卡接收到讀卡分站的回傳信號后再次發送確認信號，讀卡分站第2次接收到信號為止，即完成一個信號飛行周期。標識卡與讀卡分站呼叫應答成功后，在特定的時間段分別與讀卡分站的2個內置DW1000射頻模塊進行測距。開始由讀卡分站的2號射頻模塊主動發起測距，經標識卡自身計算與2號射頻模塊的距離，然后由標識卡主動發起測距，采用同樣的方式與讀卡分站的1號射頻模塊進行測距，由讀卡分站根據2次距離測量值進行比較，最后識別出標識卡的方向。標識卡的外觀結構可根據煤礦的特殊環境設計出以下幾種型式：佩戴腰間式、智能手環式、綜合信息礦燈式、墨水屏工牌式等，這些結構都可以做到IP65外殼防護等級。

（3）綜合讀卡分站是系統的核心組成部件，其功能結構如圖4所示，包括STM32系列主微控制器、UWB射頻模塊、RFID射頻模塊、光電通信模塊、液晶顯示模塊、存儲模塊、本安電源模塊等。其中主微控制器CPU選用ST公司的STM32系列F4處理器。UWB射頻模塊選用DecaWave公司的DW1000無線收發芯片，因為需要進行方向判定，故而用到2塊芯片。RFID射頻模塊選用的TI公司的CC2500芯片，其中心頻率為2.4 GHz，它是集成了數字無線收發一體的FSK芯片。通信模塊是采用了兩光三電的光端機模塊，可以做到32臺以內的讀卡分站之間進行光纖級聯，最后接入工業以太環網的主通信網絡中。存儲模塊是為了支持系統在發生故障后，每個分站能夠獨立存儲2 h以上數據，在系統恢復正常工作后，繼續上傳丟失數據并由服務器補存至系統數據庫中，以保證人員位置信息的連續完整性。分站饋線采用MSYV-50-7以上規格的煤礦用阻燃同軸電纜，天線采用增益為12 dBi的全向天線。

2.3 網絡層

萬兆交換機是網絡層的核心設備，可以實現資源共享與優化配置，提高礦井通信的效率［6］。為了早日建成智慧礦山的目標，現在要打破傳統的“專網專用”模式，開始邁向“一網一站”的新里程，即各種井下測量數據進入統一的綜合通信分站，再由分站接入高速工業以太環網，上傳至服務器，最后發送給各個信息終端。

2.4 應用層

應用層主要是服務器中的應用軟件。系統除了滿足AQ6210—2007標準的軟件功能要求以外，還做到了能與安全監控、應急廣播系統、無線通信系統、車輛管理系統融合，能與GIS技術融合；具有唯一性檢測功能，當出現下井人員攜帶多張（含2張）標識卡、不攜帶卡或非本人卡等情況時，系統應識別并報警，可采用人臉識別、虹膜識別等技術；系統組成中應包含便攜式定位儀，且系統應具有使用便攜式定位儀脫網定位功能；系統還應具備發生故障斷網后，能自恢復續傳分站存儲數據功能。

3 試驗與結果

為了檢驗系統最大測量距離和直線測距靜態誤差，按照最簡單系統試驗方案布置，需要1臺筆記本電腦，1臺讀卡分站，80張標識卡，讀卡分站天線安裝高度為2 m，標識卡放置高度為1.2 m。測點的選取原則：在最大測試距離400 m內選取10個測點，必須選取1個10 m以內的測點和400 m的測點，其余測點可以隨機選取。系統通電運行，待讀取所有標識卡信息運行穩定后，清空系統讀卡數據庫，同時開始計時，讀取每個標識卡數據不少于125次，此為一個檢驗周期。試驗后，調取數據庫，查看清空數據庫時間點開始后每張標識卡的125條數據（至少含卡號、時間、位置信息），所有位置信息與對應標識卡實際位置直線距離差值Δd的絕對值即為直線測距靜態誤差。

試驗測試驗證結果：卡號為1 001～1 080的80張標識卡測量了3個檢驗周期，最大檢測距離是400 m，經過比較位置數據得出最大的|Δd|為0.21 m，小于0.3 m，滿足驗證要求。圖5所示是以400 m位置為例，檢測3個周期后統計出來的8張標識卡靜態誤差測量結果，每一條曲線代表的是一個周期內8張標識卡的測量位置結果。

4 結 論

詳細闡述了一種新型的多源融合的煤礦人員精準定位系統方案，設計了系統框架、組網方式和硬件架構，并對方案進行多次現場驗證。根據測試效果，確定了天線和饋線的規格以及天線之間的最佳參考距離。系統定位靜態測距誤差最終穩定保持在0.3 m以內，滿足了設計指標和應用需求。給出了系統軟件功能的設計思路，實現新舊人員定位系統的融合，達到了區域定位和精確定位同時實現的目的。