精確人員定位感應一體化識別卡的設計與實現(xiàn)

摘 要 針對煤礦井下識別卡功耗過高采用充電電池設計，周期性維護充電麻煩，配套充電器成本高，人員靠近工作面危險設備無提示報警功能，入井時唯一性檢測不準確等問題，設計了低功耗精確定位及近距離感應報警一體化識別卡。采用動態(tài)調壓技術控制射頻前端功放供電電壓及動態(tài)掃描偵聽低頻感應信號降低功耗，一次性鋰錳軟包電池供電，單節(jié)電池使用壽命可達1年以上，3D低頻感應無線接收芯片實現(xiàn)3 m范圍內可調近距離感應，人員接近危險設備感應報警提示，近距離低頻感應輔助提高入井唯一性檢測成功率，為智能化礦山安全生產建設提供技術支撐。

關鍵詞 人員定位 低頻感應 動態(tài)調壓 動態(tài)掃描 超寬帶

中圖分類號 TD65" "文獻標志碼 A" "文章編號 10003932（2025）02025906

我國應急管理部批準的安全生產行業(yè)標準AQ 1119—2023《煤礦井下人員定位系統(tǒng)通用技術條件》明確要求，可更換電池定位卡的電池壽命應不小于6個月，精確定位系統(tǒng)無遮擋最大靜態(tài)定位誤差應不大于0.3 m，定位卡與定位分站之間的無遮擋無線傳輸距離應不小于400 m，每位下井人員攜帶一張本人定位卡的唯一性檢測功能等；《煤礦安全規(guī)程》第五百零五條規(guī)定：人員位置監(jiān)測系統(tǒng)應當具備檢測識別卡是否正常和唯一性的功能；新疆維吾爾自治區(qū)和山西、河南、貴州等省份陸續(xù)出臺煤礦智能化建設驗收管理辦法，均要求礦井建設有安全標志的人員精準定位系統(tǒng)，滿足最大靜態(tài)定位誤差不大于0.3 m，設備應具備人員接近識別和預警功能，實現(xiàn)危險區(qū)域人員接近、違章作業(yè)報警，聯(lián)動停機保護等功能［1～4］。

由于識別卡功耗過大，一般采用可充電電池供電，行業(yè)標準要求采用的可充電電池連續(xù)工作時間不小于7天，煤礦工人下井作業(yè)必須攜帶人員定位識別卡，而頻繁充電，會造成礦方維護工作量大，成本過高。煤礦井下發(fā)生人機作業(yè)擠壓碰撞事故，往往是因為井下作業(yè)空間狹窄，設備操作人員視線、聽力受阻，無法精確感知設備周圍人員的位置。目前在井下杜絕人員靠近作業(yè)設備，一般拉警戒線并由監(jiān)護人員來看護，但仍不能從根源上解決安全問題。入井人員攜帶識別卡時出現(xiàn)未帶卡、人卡不符及一人多卡等現(xiàn)象，容易導致煤礦超定員生產或事故發(fā)生后不能及時準確掌握井下被困人員數(shù)量、位置信息，增加事故救援難度。基于以上情況，筆者在設計人員定位感應一體化識別卡時，通過降低識別卡功耗，采用一次性電池供電，大幅降低識別卡維護工作量和成本；通過低頻喚醒無線技術，人員接近危險源時，安裝在危險設備上的讀卡器通過低頻無線觸發(fā)識別卡聲、光、振動報警提示，從而有效防止人員誤入危險區(qū)域，從根本上杜絕傷亡事故的隱患；通過低頻喚醒無線技術，人員經過入井唯一性檢卡裝置時，安裝在檢卡設備上的讀卡器通過低頻無線喚醒識別卡，獲取識別卡卡號，距離可控，實現(xiàn)入井檢卡的唯一性［5～9］。

1 識別卡整機設計

依照現(xiàn)場應用需求進行識別卡整機設計，識別卡硬件主要由電池組件、本質安全處理電路、電源管理電路、動態(tài)調壓電路、低頻感應收發(fā)電路、UWB射頻收發(fā)電路、蜂鳴器、指示燈、振動馬達、液晶顯示電路、按鍵電路、電壓檢測、無線程序升級電路等部分組成。整機硬件設計原理如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 電池選型設計

一般煤礦井下便攜式設備使用電池有一次性鋰錳紐扣電池、一次性鋰亞硫酰氯電池、一次性鋰錳軟包電池、可充電錳酸鋰電池及可充電鎳氫電池等。

行業(yè)標準AQ 1119—2023《煤礦井下人員定位系統(tǒng)通用技術條件》要求，可充電電池連續(xù)工作時間不小于7天，可更換電池定位卡的電池壽命不小于6個月。可充電錳酸鋰軟包電池和可充電鎳氫電池需要周期性充電，長時間不充電電池容易損壞，同時，單次充滿電后單次使用時間越來越短。識別卡射頻收發(fā)數(shù)據時，脈沖電流過高，一次性鋰錳紐扣電池、一次性鋰亞硫酰氯電池因脈沖放電電流過低不滿足使用要求。綜合性能考慮，設計選用一次性鋰錳軟包電池，通過限流保護電路實現(xiàn)電池本安輸出，滿足GB/T 3836防爆國家標準［10，11］。

2.2 精確定位低功耗電路設計

《煤礦安全規(guī)程》要求入井作業(yè)人員必須攜帶定位識別卡，AQ 1119—2023行業(yè)標準對識別卡技術指標明確要求通信距離不低于400 m，定位精度小于0.3 m。識別卡定位主芯片采用DW1000設計，雙向測距或到達時間差測距方法理論定位精度均可達0.1 m，利用自由空間傳播時的無線通信距離計算公式估算，通信距離滿足400 m以上，需外置射頻功率放大器。硬件設計采用國產化集成式射頻前端收發(fā)一體放大器和動態(tài)調壓技術控制射頻前端功放供電電壓，從這兩方面降低功耗。如圖2所示，U1為集成式功率放大器，采用低電壓3.3 V供電，自帶低噪聲放大器，發(fā)送數(shù)據時脈沖電流小于150 mA，低于傳統(tǒng)分立式功率放大器發(fā)送數(shù)據時的脈沖電流270 mA。GPIO4和GPIO5管腳分別控制UWB數(shù)據的發(fā)送與接收。EXT管腳通過Q6 MOS管關斷或開啟U1功率放大器供電，在識別卡沒有數(shù)據收發(fā)時，功率放大器供電均處于關閉狀態(tài)，從而大幅降低U1的工作功耗。C4、L1、L2組成Π型高通濾波器，濾掉信號中不必要的低頻成分干擾。U3為巴倫芯片，實現(xiàn)射頻差分信號到單端信號的轉換。

2.3 低頻感應電路設計

識別卡低頻感應接收采用Si3933國產芯片，具有三通道低功耗ASK接收機，可用于檢測15～150 kHz低頻載波頻率的數(shù)字信號，并產生喚醒信號，可以使用1個、2個或者3個通道工作，每個通道都具有頻率檢測功能和數(shù)字RSSI計算功能。讀卡設備周期性產生125 kHz激勵信號，當識別卡在讀卡設備通信距離范圍內時，識別卡被感應激活，通過SPI接口與MCU通信，預警提示已靠近危險源，其電路設計原理如圖3所示。

低頻感應芯片Si3933內部集成了天線調諧電路，通過對寄存器配置內部電容控制連接和斷開，改變諧振器的并聯(lián)電容，實現(xiàn)天線U1與LC振蕩器的調諧。根據不同距離應用場景的需求，通過外部射頻電路匹配和內部寄存器配置電容調諧，實現(xiàn)U1天線與LC振蕩器調諧輸出接近載波頻率，提高識別卡感應接收靈敏度，使通信距離更長，圖3中U2芯片DAT管腳輸出頻率與讀卡設備載波頻率值越接近，其感應通信距離越遠。

3 軟件設計

識別卡軟件從測距時動態(tài)調整射頻前端供電電壓和采用掃描模式偵聽載波信號兩種方式降低功耗，延長識別卡使用時間。

3.1 識別卡測距軟件設計

識別卡射頻前端收發(fā)數(shù)據與讀卡設備測距時功耗最大，軟件合理優(yōu)化UWB定位射頻芯片工作時間，動態(tài)調整功率放大器工作電壓可大幅降低整機功耗。識別卡在非測距時處于定時休眠狀態(tài)，當計數(shù)器計時到達，中斷喚醒，開啟定位芯片發(fā)送通道，同時控制功率放大器開啟3.3 V（DC）供電電壓，識別卡向讀卡設備發(fā)送UWB入網請求幀，發(fā)送完成后關閉發(fā)送通道，開啟接收通道，收到讀卡設備響應確認幀后，入網成功，開始與讀卡設備進行測距，若未接收到讀卡設備響應確認幀，則關閉收發(fā)通道并斷開功率放大器供電電壓，進入休眠狀態(tài)，等待中斷喚醒重新請求入網進行測距；測距成功后，關閉收發(fā)通道并斷開功率放大器供電電壓，進入休眠狀態(tài)，等待中斷喚醒進行下一次測距。通過動態(tài)調整射頻前端供電電壓，識別卡只在收、發(fā)數(shù)據時有電流消耗，其余時間消耗電流近似于休眠狀態(tài)，整機功耗大幅降低。圖4為識別卡測距軟件設計流程。

3.2 低頻感應信號偵聽軟件設計

低頻感應芯片3個通道可以工作在全部監(jiān)聽模式和掃描模式兩種狀態(tài)，為降低識別卡功耗，軟件采用掃描模式設計。通道開啟持續(xù)時間為1 ms，當其中一個通道開啟時間結束即變?yōu)殛P閉，下一個通道變成活躍。通道掃描初始化，3個通道均關閉，開啟通道1為活躍，進行載波信號偵聽，如未偵聽到載波信號，則關閉通道1，同時開啟通道2為活躍，進行載波信號偵聽，依次掃描循環(huán)工作，直到其中一個通道檢測到載波信號。只要有1個通道檢測到載波信號，3個通道同時變?yōu)榛钴S，通道選擇器將比較出RSSI值最大的通道，并關閉RSSI值較小的通道，最大RSSI值的通道將連接至解調器，接收載波信號。掃描模式只用單個通道的電流消耗來完成3個通道的監(jiān)聽，靈敏度與3個通道同時工作一樣，從而降低低頻感應功耗。圖5為低功耗掃描模式工作流程示意圖。

4 實驗測試與結果分析

4.1 識別卡功耗測試

采用德科技MSOX4054A示波器對識別卡發(fā)送狀態(tài)持續(xù)時間、脈沖電流，接收狀態(tài)持續(xù)時間、脈沖電流，待機狀態(tài)持續(xù)時間、工作電流等參數(shù)進行詳細測試，識別卡與讀卡設備測距周期為2 s，測試結果見表1。

采用4 000 mA·h一次性鋰錳軟包電池，根據電池放電曲線和識別卡工作電壓范圍，電池實際放電容量為0.8C，由式（1）可計算出電池使用時間由優(yōu)化前的7.5個月提升為優(yōu)化后的13.5個月，遠大于標準要求的6個月。通過低功耗設計，采用一次性鋰錳軟包電池供電，減少了識別卡充電維護工作量，還不需要配接充電器，降低了產品成本。

4.2 低頻感應距離測試

低頻感應通信距離可以通過提高讀卡設備激勵源工作電壓和內部電容微調實現(xiàn)天線調諧兩種方法調節(jié)，識別卡用于大型設備時接近感應報警一般要求距離3 m范圍需要提示，用于入井作業(yè)唯一性檢測時一般要求檢測距離為1 m范圍內。根據不同應用場景需求，軟件調節(jié)Si3933芯片內部電容，對20張（編號1～20）用于接近感應和20張（編號1～20）用于唯一性檢測識別卡通信距離分別進行測試，測試結果如圖6所示。用于接近感應設定標準距離值3 m，測試20張識別卡距離誤差均小于0.5 m；用于唯一性檢測設定標準距離值1 m，測試20張識別卡距離誤差均小于0.3 m，滿足不同距離應用場景需求。

5 結束語

從硬件、軟件兩方面對定位及感應一體化識別卡進行優(yōu)化設計，采用一次性鋰錳軟包電池供電，整機工作時間達1年以上，應用于煤礦井下作業(yè)人員位置跟蹤、接近危險設備報警提示及入井唯一性檢測，經國家礦用產品安全標志中心外場測試及煤礦現(xiàn)場工業(yè)性試驗，識別卡在靜止條件下與讀卡設備進行測距定位誤差不大于0.3 m，正常行走條件下精度不大于1 m，在井下大巷通信距離達600 m以上，感應距離3 m范圍內可調，并取得檢驗報告，符合AQ 1119—2023人員定位系統(tǒng)行業(yè)標準要求，解決了井下作業(yè)人員定位軌跡不連續(xù)、丟失軌跡、接近危險設備無提示及入井唯一性檢測準確率低等問題，可為煤礦安全生產提供重要技術支撐。

參 考 文 獻

［1］ 中華人民共和國應急管理部.煤礦井下人員定位系統(tǒng)通用技術條件：AQ 1119—2023［S］.北京：應急管理出版社，2023.

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（收稿日期：2024-07-15，修回日期：2024-12-31）

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