基于超寬帶的礦井內人員定位系統設計

陳文博,何景峰,林柏宇

(西京學院 理學院,陜西 西安 710123)

0 引言

煤炭是我國重要的能源,為國民經濟的發展提供強有力的保障[1]。但煤礦開采過程中事故頻發,解決煤礦安全生產問題迫在眉睫。因此,采用先進的高精度定位技術和通信手段設計的礦井下人員定位系統尤為重要。礦工人員位置信息可采用超寬技術對其進行精確定位,在意外發生時,可迅速采取相應救援措施,降低人員的傷亡率[2]。目前,通信中使用的無線電波是遵循一定速度起伏波動的電磁場,電磁場起伏波動的速度即為通信的頻率,電磁波的頻率從低速到高速構成了頻譜。無線電波的頻率通常不是某個頻率值,而是一段頻率范圍,這個頻率范圍即為帶寬。與常見的通信技術不同,超寬帶在頻譜中的頻率范圍較寬,從而具備更快的傳輸速度,同時兼備低功耗的特性。

1 系統整體設計

該系統主由上位機、定位基站J0、定位基站J1、定位基站J2和目標節點M0組成。其中,目標節點M0安裝固定于礦井人員頭戴的礦井安全帽上,定位系統整體框架如圖1所示。目標節點采用雙邊飛行時間算法分別向3個定位基站發起時間戳測距信號。定位基站與目標節點相互之間完成測距后,系統通過三邊定位法解算出目標節點的坐標并將測距結果匯總于定位基站J0。定位基站J0同時擔任通信節點,負責將所測結果通過串口發送至上位機應用軟件層。考慮到礦井實際作業環境具有較高危險性,礦工下井時必須攜帶安全帽,目標節點裝置必須具備體積小、重量輕、攜帶方便的特點。本設計將目標節點裝置安裝在礦帽上,使得工人免于額外攜帶目標節點裝置,更加適用實際應用。系統整體框架如圖1所示。

圖1 系統整體框架

2 系統硬件設計

根據系統的實際應用需求選擇最適合的核心處理單元及射頻定位模塊,進而按照供電需求選取電源管理模塊。定位系統的硬件設計部分主要包括所有節點的硬件電路設計與實現,考慮到硬件成本、體積、功耗等因素。本系統所設計的定位基站和目標節點的硬件結構只由必要的模塊單元組成。定位基站和目標節點的硬件主要包括電源管理模塊、STM32主控模塊、DWM1000射頻模塊,系統硬件設計如圖2所示。

圖2 系統硬件設計

2.1 主控模塊

根據定位系統對中央處理單元的需求,采用意法公司出廠的STM32F4系列的STM32F411CE芯片作為主控核心,并結合對應的晶振、復位電路等組成系統的中央處理單元,晶振電路及復位電路如圖3所示。主控單元處理速度高達100 MHz,足以滿足定位系統對通信數據處理的需求。芯片擁有512 KB的存儲,128 KB的SRAM。存儲外設資源豐富,3個USARTs (2×12.5 Mbit/s,1×6.25 Mbit/s),11個定時器,81個具有中斷能力的I/O端口,其內部存儲空間完全能夠滿足定位系統設計程序的運行和實現,STM32系列單片機相對于其他類型單片機具備市場占有率大、運算處理能力強、性能較為穩定、功耗低等優點。

圖3 晶振電路及復位電路

2.2 DWM1000射頻模塊

本設計的無線射頻模塊采用Decawave公司基于DWM1000芯片的射頻模組,通過SPI與主控模塊引腳連接[3]。該模塊產品采用側邊城堡型封裝,易于集成,射頻模組輸出功率可調,支持AON數據存儲,傳輸效率高達6.8 Mbps,可傳輸數據量較大,符合美國和歐盟的超寬帶通信標準。模塊且同時具備功耗低的特性和較強的抗干擾能力,大大延長產品生命周期。電源部分由3.3 V電源進行供電,射頻模塊的EXTON引腳接入主控單元的PA1引腳,可控制芯片由運行狀態進入休眠狀態;引腳WAKEUP接入到主控單元的PA3引腳,可控制芯片從休眠狀態進入工作狀態;引腳RESET接入主控單元的PA2引腳,可控制芯片系統復位;引腳IRQ/GPIO8接入主控單元的PA0引腳,可用于中斷信號的控制。無線射頻模塊原理如圖4所示。

圖4 無線射頻模塊原理

2.3 電源管理模塊

電源的穩定供應是保障設備的正常工作的先決條件,定位基站和目標節點的USB供電電壓為5 V。本設計采用Sipex半導體公司生產的SP6205低壓差調節芯片,將5 V輸入轉化為穩定輸出3.3 V電壓供給STM32主控芯片及射頻DWM1000模塊。SP6205芯片擁有較低靜態電流(100 μA Typ.)具備噪聲低、輸出電壓精度高、輸出電流平穩等特點。電源管理模塊如圖5所示。

圖5 電源管理模塊

3 定位系統通信設計

(1)對設備的核心處理單元時鐘系統和SPI接口進行初始化。

(2)目標節點M0向各個定位基站發送包含地址的問詢幀請求并且記錄當前時間ta。

(3)對應地址的定位基站接收到問詢幀請求后記錄當前時間tb,該定位基站回復應答信息并記錄當前時間tc。

(4)目標節點收到該定位基站的回復信息后,記錄當前時刻td,并發送最終消息。

(5)對應定位基站接收到最終消息,并記錄當前時間tf。

(6)定位基站和目標節點通過雙邊飛行時間算法獲得對應的距離值,在經過匯總后發給同時擔任通信節點的定位基站J0。

(7)定位基站J0通過串口將數據發送給上位機,上位機程序系統獲得關于目標節點M0所對應的距離信息通過三邊定位算法解算出目標節點的位置坐標。定位系統軟件設計如圖6所示。

圖6 定位系統軟件設計

4 結語

我國作為能源使用大國,煤炭依舊是我國十分重要的基礎能源。如何通過技術創新的科技手段保障煤礦的安全生產是一個重要問題。定位控制系統的硬件電路設計包括以STM32F411CE為核心的主控最小系統、UWB射頻無線收發模塊、電源管理模塊、LED指示電路及相關外圍電路構成。設計以SP6205芯片為核心的降壓電路為系統穩定供給5 V以及3.3 V穩定電能供給,采用性能卓越的核心處理單元進行數據傳輸和處理,主控核心通過SPI與UWB射頻無線收發模塊進行通信。定位系統通信設計首先對所有的定位基站和目標節點進行系統初始化配置,由目標節點向所有定位基站發送數據問詢通信幀,記錄相關數據,定位基站收到問詢信息后,記錄相關信息。定位基站和目標節點通信后,通過雙邊飛行時間算法獲得對應距離值數據,通過擔任通信節點的定位基站J0發送給上位機系統,將距離信息通過三邊定位算法解算出目標節點的最終位置坐標。本設計將目標節點裝置安裝在礦帽上,對其便攜性有很大提高。這種新型高精度的礦井下人員位置定位系統,希望在煤礦的系統性安全生產管理和意外事故發生后進行緊急救援中發揮重要作用。