基于MLX90614和UWB技術(shù)的礦工體溫監(jiān)測與定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李晨晨 苗曙光 夏書娟

摘 ?要：設(shè)計(jì)一款基于MLX90614和UWB技術(shù)的礦工體溫監(jiān)測與定位系統(tǒng).系統(tǒng)采用便攜式設(shè)計(jì)，采用MLX90614采集礦工體溫?cái)?shù)據(jù)，UWB定位技術(shù)，通過無線傳輸方式上傳至上位機(jī).測試結(jié)果表明，體溫監(jiān)測功能基本誤差控制在0.02 ℃范圍以內(nèi)，定位誤差為0.20米，綜合平均誤差為0.09米，可實(shí)現(xiàn)人員體溫監(jiān)測與精確定位功能.

關(guān)鍵詞：體溫監(jiān)測；定位系統(tǒng)；UWB技術(shù)

[ ? 中圖分類號 ? ?]TP277 [ ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 ? ] ?A

Design of Miners' Body Temperature Monitoring and Positioning System Based on MLX90614 and UWB Technology

LI Chenchen，MIAO Shuguang*，XIA Shujuan，LIU Xiang，F(xiàn)U Jinnan

（School of Physics and Electronic Information， Huaibei Normal University， Huaibei， 235000， China）

Abstract： Design a miner temperature monitoring and positioning system based on MLX90614 and UWB technology.The system adopts portable design. The temperature monitoring adopts MLX90614 to collect miners' temperature data. The positioning adopts UWB positioning technology. The information is uploaded to the upper computer through wireless transmission. The test results show that the basic error of the temperature monitoring function is controlled within 0.02 ℃， the positioning error is 0.20m， and the comprehensive average error is 0.09m， which can realize the temperature monitoring and accurate positioning of personnel.

Key words： body temperature monitoring； positioning system； UWB technology

當(dāng)前我國煤礦安全生產(chǎn)情況依然十分嚴(yán)峻，如何預(yù)防疫情聚集性風(fēng)險(xiǎn)和礦難事故，并對煤礦井下的“人”“機(jī)”“環(huán)”進(jìn)行有效快速感知，成為亟待解決的問題.本文設(shè)計(jì)一款基于MLX90614和UWB技術(shù)的礦工體溫監(jiān)測與定位系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)礦工遠(yuǎn)距離體溫監(jiān)測與精確定位.

1 系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)具有疫情防控和人員精確定位兩種功能.系統(tǒng)主板主控芯片采用STM32F103ZET6，搭載紅外體溫傳感器MLX90614，實(shí)現(xiàn)體溫采集.副板采用STM32F103C8T6芯片，利用UWB定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)人員精確定位.[1]在主控芯片收到體溫?cái)?shù)據(jù)以及定位數(shù)據(jù)后，通過搭載的無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)界面顯示.[2]顯示界面通過不同顏色區(qū)分采集數(shù)據(jù)是否達(dá)到閾值，從而有效提醒工作人員進(jìn)行判別，實(shí)現(xiàn)對井下人員體溫監(jiān)測與精確定位.系統(tǒng)分?jǐn)?shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)顯示四個(gè)部分.整體設(shè)計(jì)見圖1.

數(shù)據(jù)采集部分 ?MLX90614紅外體溫傳感器通過紅外輻射能量采集溫度，使用IIC協(xié)議與主控芯片相互通信，其熱電堆傳感器輸出的溫度信號經(jīng)運(yùn)算放大后，進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再通過低通數(shù)字濾波器存儲在RAM存儲單元中，并通過自帶SMBus方式讀取輸出.[3]定位模塊中，副板基站與標(biāo)簽之間通過板載DW1000芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集以及通信，C8T6芯片負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.

數(shù)據(jù)處理部分 體溫監(jiān)測由體溫傳感器直接采集，采集到的數(shù)據(jù)由主板芯片處理，實(shí)現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的整合及格式修改.定位信息采集完畢后，同步發(fā)送至串口WIFI模塊.定位信息模塊由副板芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.由于噪聲、井下環(huán)境復(fù)雜等會(huì)造成數(shù)據(jù)誤差，采用卡爾曼濾波對數(shù)據(jù)進(jìn)行限幅或補(bǔ)償.[3]數(shù)據(jù)采集處理完畢后，定位數(shù)據(jù)將傳輸給主控芯片.

數(shù)據(jù)傳輸部分 ?體溫監(jiān)測傳感器與主板采用有線連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.定位標(biāo)簽依靠C8T6最小系統(tǒng)板將采集的位置數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給主板.主板與上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)采用ESP8266芯片，AP工作模式，利用UDP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.[4]

數(shù)據(jù)顯示部分 主機(jī)端接收到信息后，在上位機(jī)顯示界面顯示.上位機(jī)監(jiān)測窗口可通過不同顏色的變換，實(shí)時(shí)提醒監(jiān)測人員當(dāng)前礦工體溫以及位置信息.

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 精確定位技術(shù)

設(shè)計(jì)采用UWB 定位技術(shù).DW1000芯片通過SPI總線協(xié)議與單片機(jī)建立通信，穩(wěn)定抗干擾.定位技術(shù)采用TOA算法中的雙邊雙向測距定位算法，通過基站與標(biāo)簽的三次信息交互并記錄信號發(fā)送和接收的時(shí)間計(jì)算出兩者的距離[5]（圖2）.

標(biāo)簽A發(fā)送測距信號并記錄此時(shí)的時(shí)間戳[TAt1]，經(jīng)過一段時(shí)間，基站B接收到信號并記錄此時(shí)的時(shí)間戳[TBr1]，延時(shí)一段時(shí)間[TreplyB]后向標(biāo)簽A發(fā)送應(yīng)答信號并記錄此時(shí)的時(shí)間戳[TBt]，標(biāo)簽接收到應(yīng)答信號并記錄此時(shí)的時(shí)間戳[TAr]，經(jīng)過一段時(shí)間延時(shí)[TreplyA]后發(fā)送最終的測距信息信號，標(biāo)簽記錄此時(shí)的時(shí)間戳[TAt2]，基站在接收到測距信號后記錄此時(shí)時(shí)間戳，至此三次信息交互完成.由于UWB信號的傳播速度近似為光速，即為已知，只需計(jì)算出信號飛行時(shí)間[TTOF]便可求出兩者距離.

[TroundA=TreplyB+2TTOFTroundB=TreplyA+2TTOF] ?. ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

由式 （1）得：

[TroundA?TroundB?TreplyA?TreplyB ?=4T2TOF+2TTOF?TreplyA+2TTOF?TreplyBTroundA+TroundB+TreplyB+TreplyB=4TTOF+2TreplyA+2TreplyB] . ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

由式（2）可得無線信號在基站與標(biāo)簽之間的傳播時(shí)間為：

[TTOF=TroundA?TroundB?TreplyA?TreplyBTroundA+B+Treply1+TreplyB] ?. ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

無線信號傳播速度近似于光速c，因此，基站與標(biāo)簽的距離為：

[D=c?TTOF] ?. ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

由式（3）可知，時(shí)間差根據(jù)自身的時(shí)間戳進(jìn)行計(jì)算，因此，不需要基站和標(biāo)簽的時(shí)間同步即可實(shí)現(xiàn)距離的測量.[6]

通過TOA時(shí)間定位法，得到標(biāo)簽到各基站的距離后，再以不同基站為圓心，相對于標(biāo)簽距離為半徑畫圓，通過三邊定位算法求出標(biāo)簽所在位置.三邊定位原理圖如圖3所示.

假設(shè)[（Xi，Yi）]是定位基站的坐標(biāo)，[（X，Y）]是定位標(biāo)簽的坐標(biāo)，[Di]是標(biāo)簽到各基站之間的距離，由圖3可得到以下方程.

對公式（5）（6）（7）進(jìn)行線化之后可得到方程[AZ＝B].

[Z＝XY]，[ ? Ａ＝2X1?X32Y1?Y32X2?X32Y2?Y3]， ? [Ｂ＝X2 1-X2 3+Y1 2-Y2 3+D23-D21X2 2-X2 3+Y2 2-Y2 3+D23-D22] .

進(jìn)而得到[Z＝A?1B]，最終得到當(dāng)前標(biāo)簽P所在位置坐標(biāo).[7]

2.2 濾波處理

采用卡爾曼濾波對信號的到達(dá)時(shí)間測量值進(jìn)行處理，以消除TOA測量值中的誤差.對經(jīng)過處理的TOA測量值重新進(jìn)行TOA定位.[9]計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)表明，該定位算法優(yōu)于其他定位算法.

3 實(shí)驗(yàn)測試與分析

對體溫傳感器進(jìn)行測試，該體溫監(jiān)測傳感器解析精度為0.01 ℃，誤差控制在0.02 ℃以內(nèi)，較市面上其他測溫傳感器精確度和靈敏度更高，在測溫方面具有良好的穩(wěn)定性及適應(yīng)性.[10]

定位測試開始前需要配置基站坐標(biāo)，設(shè)置電子圍欄禁區(qū).測試均采用同一組基站坐標(biāo)和相同電子圍欄禁區(qū).基站坐標(biāo)分別是（0.00，0.00），（15.02，0.00）和（0.00，13.63），電子圍欄設(shè)置為（5.00，5.00，5.00，5.00）.通過定位測試可知，隨著標(biāo)簽的移動(dòng)，定位誤差也會(huì)不同，這是由于不同位置標(biāo)簽采集數(shù)據(jù)受不同環(huán)境影響的結(jié)果，當(dāng)標(biāo)簽位置處在測試邊緣位置時(shí)，絕對誤差越大，最大為0.22米；越靠近中心位置，絕對誤差越小，最小為0.02米.結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，平均誤差0.09米，達(dá)到預(yù)期效果.

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一款用于體溫監(jiān)測和人員精確定位功能的井下監(jiān)測系統(tǒng)，采用體溫傳感器MLX90614，實(shí)現(xiàn)對礦工體溫狀態(tài)的監(jiān)測，具有精度高、易安裝、非接觸的特點(diǎn).采用UWB超寬帶技術(shù)定位，具有抗干擾性強(qiáng)、靈敏度高、定位精確度高等優(yōu)勢.采用ESP8266WIFI網(wǎng)絡(luò)模塊，將采集的體溫和位置信息無線傳輸至地面上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程顯示，既保證了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，也可以有效避免井下環(huán)境復(fù)雜帶來的布線困難等問題.該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確監(jiān)測礦工體溫變化，及時(shí)提供礦工的定位信息，對保障礦工生命安全具有重要意義.

參考文獻(xiàn)

[1]周仁斌.基于UWB技術(shù)的煤礦井下人員精確位置監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2022，43（06）：181-184.

[2]孫培民，孫鑫.基于單片機(jī)的通信系統(tǒng)[J].牡丹江師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009（03）：29-30.

[3]陶杰，王欣，孫慧賢，等.基于MLX90614的溫度實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017（21）：75.

[4]黃文杰. 基于UDP的可靠高效數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2019.

[5]鄭昊，王琴，劉俊昊，等.TOA算法在UWB定位系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2021，11：128-129.

[6]喬欣，孔兵.井下巷道TOA和TDOA聯(lián)合估計(jì)的UWB定位算法[J].煤炭技術(shù)，2022，41（05）：168-171..

[7]潘忠祥，江劍.基于UWB的三邊優(yōu)化算法研究[J].國外電子測量技術(shù)，2019，38（02）：25-29.

[8]胡敬，田俊曦，鄒世明，等.基于自適應(yīng)卡爾曼濾波的聯(lián)合RSS/TOA/INS無人機(jī)定位算法[J].無人系統(tǒng)技術(shù)，2022，5（02）：62-70

[9]任昊譽(yù)，郭晨霞，楊瑞峰.卡爾曼濾波提高UWB測距精度研究[J].電子測量技術(shù)，2021，44（18）：111-115.

[10]苗曙光，李淮江，李崢，趙小敏，楊一軍.基于PIC18F4580的CAN總線多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].牡丹江師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013（04）：19-20.

編輯：琳莉