基于電力載波通信的精確定位讀卡器設計

摘 要 針對采用CAN、RS485等總線通信方式的讀卡器，通信速率低，并發識別數少，易導致丟卡、漏卡，采用網絡通信方式功耗大，無法實現2 km的遠距離供電需求的問題，采用電力載波通信和精確定位技術，設計了精確定位讀卡器。經應用測試：基于電力載波通信技術的讀卡器通信速度可達20.0 Mb/s以上，在2 s的巡檢周期條件下，并發識別數不小于200，滿足了煤礦智能化建設，可為井下人、機、物等提供高精度、高并發、低時延的位置服務。

關鍵詞 定位讀卡器 電力載波 精確定位 高速通信

中圖分類號 TP216" "文獻標志碼 B" "文章編號 10003932（2025）02028306

定位系統作為國內煤礦井下安全生產保駕護航的“六大系統”之一，在工作人員日常管理、應急救援及事故調查等方面發揮著重要作用。隨著智能化礦山建設的推進，要求人員定位系統在提供日常人員管理的基礎上，能夠為煤礦智能物資管理、智能協同作業、機器人巡檢、無人駕駛及智能導航等智能化應用提供位置服務［1～3］。現階段，井下人員定位管理系統已經發展到了第3代，即基于超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）的精確定位系統，其具有定位精度高、定位速度快、傳輸距離遠及抗干擾能力強等優點，使人員定位系統為智能化應用提供高精度、高速率的位置服務成為可能［4～6］。為規范行業內精確定位系統的功能指標，2021年8月國家安標中心頒發《煤礦井下人員定位系統安全技術要求（試行）》，對煤礦井下人員精確定位系統應滿足的功能和技術參數進行了明確要求，其中要求系統巡檢周期不大于2 s，并發識別數不小于200。而讀卡器與分站之間RS485、CAN等總線式通信技術，已無法滿足基于UWB的定位系統高數據并發量、高實時性傳輸的應用要求。基于此，筆者研究了基于電路載波通信技術的精確定位讀卡器，讀卡器與分站之間的通信速度可以達到20.0 Mb/s，遠高于總線式的通信速率，可滿足應用需求。

1 電力載波通信

1.1 電力載波通信技術

電力載波通信（Power Line Communication，PLC）技術最早應用于電力行業，是以電力線為傳輸媒介進行語音、圖像或其他數據傳輸的一種通信方式［7，8］。其利用現有電力網將發送數據經過數字調制得到適合電力線傳輸的信號，輸出并耦合至電力線后，接收端從電力線中分離出通信信號，完成解調操作，實現語音、圖像及其他數據等信息的傳輸［9～12］。其具有組網方式靈活、通信速率快、功耗低、可中繼的優點，同時可采用常用的礦用通信電纜線或同軸電纜線作為通信載體，非常適用于煤礦井下人員定位分站與讀卡器之間的數據通信。HDPLC通信技術與常用的通信方式RS485、CAN的對比見表1。

1.2 拓撲結構

載波通信具有主、從兩種工作模式的節點。主節點負責組建、維護局域網絡以及上傳從節點傳輸的數據；從節點具有網絡中繼功能，負責將采集的數據上傳至主節點并中繼下游節點數據。通過設置，主、從節點可以點對點模式或組建局域網絡模式工作。一個局域網絡只能有一個主節點，從節點數量不限制；網絡拓撲結構可為星型、總線型、樹形和混合型；從節點可以直接連接至主節點，也可連接至上級從節點進行中繼傳輸至主節點。載波通信網絡拓撲結構如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 載波電路

載波電路供電采用12 V（DC）供電輸入，輸入電源一部分給線性驅動電路供電，保證較高的發射功率，一部分通過DC/DC轉換為3.3 V（DC），給通信、控制部分電路供電。供電應在10～12 V（DC）范圍內，過高存在燒毀電路的風險，過低會降低模擬發送電路發射信號的功率，導致通信距離減小。信號放大和線路驅動電路，用于放大高頻通信信號，并可直接驅動同軸、雙絞線和電力線傳輸媒體。載波信號采用OFDM并行轉換調制技術，通過串并轉換將一組高速傳輸信號轉換為一組并行數據流，并行數據依托多路正交子載波實現信號調制解調，大幅提高了頻帶利用率和抗干擾能力。通信控制器通過MII接口和以太網物理層接口芯片連接。物理層接口芯片將MII信號轉換為網絡信號，將電力載波傳輸的數據轉換為網絡數據傳輸。載波通信信號不需要在高壓電力線上進行數據傳輸，因此不需要耦合電路進行隔離耦合。載波通信電路結構如圖2所示。

文中讀卡器的載波信號不需要耦合在電力線，因此無需設計隔離電源信號的隔離耦合電路。煤礦井下存在大量大型機電設備，會產生較為嚴重的電磁干擾信號，因此需針對煤礦井下干擾信號的特點設計抗擾電路，提高載波電路的抗干擾能力［13～15］。圖3為載波電路的外圍收發處理電路。C5、C11用于隔離干擾信號耦合載波信號，實現低頻干擾信號的濾除作用；共模電感L2可去除共模干擾信號，提高信號的接收處理能力；R13、R14為阻抗匹配電阻，能夠提高載波信號發送、接收電路的效率，通信線的輸入阻抗與負載、線路、載波信號的頻率等因素有關，負載類型不同，不同頻率對應的阻抗變化也不同，而且具有時變特性，因此，選用適合的阻抗十分重要。

2.2 讀卡器設計

讀卡器的核心功能模塊包括：本安電源模塊、UWB定位模塊、網絡PHY芯片、PLC通信模塊、時鐘、Flash存儲模塊，可以實現UWB讀卡定位、PLC載波通信上傳及斷線存儲等功能。讀卡器硬件設計框圖如圖4所示。

中央處理器（MCU）采用STM32F407芯片，其具有低功耗、高性能的優點。載波通信電路與MCU通過以太網PHY電路進行物理連接。定位部分采用DW1000射頻UWB收發芯片，其遵循IEEE 802.15.42011UWB標準，具有低能耗、低成本的特點，可支持高精度定位和同步數據傳輸，定位精度可達0.1 m。UWB的外圍電路采用DW1000的無線通信距離與數據傳輸速率成反比，在850 kb/s的通信速率條件下（不考慮損耗），DWM1000的直線可視通信距離最遠為150 m，無法滿足系統井下低成本覆蓋的應用要求，因此在發射路徑上添加功率放大器PA提高射頻信號的發射功率，接收路徑上添加合適的低噪聲放大器改善接收靈敏度，增加UWB基站與標識卡的通信距離，提高系統的實用性。

3 軟件設計

3.1 定位算法研究設計

定位采用UWB單基站定位模式下的DSTWR（Double SideTwo Way Ranging）算法，具有精度高、測距時間短、基站與終端無需時鐘同步、易于實現的優點。終端主動發送定位申請POLL幀，并記錄發送時間T1；基站接收后發送應答RESP幀，并記錄信號接收時間T2及發送時間T3；終端接收應答RESP幀后，發送定位應答Final幀。測距時序圖如圖5所示。

3.2 讀卡器軟件設計

融合定位分站上電后，初始化MCU外設和外掛外設，然后讀取配置信息進行配置加載。分站根據標識卡發送的信號類型回復標識卡入網響應，之后分站根據標識卡的信號類型選擇定位算法對標識卡進行測距定位，并將標識卡定位信息通過網絡的方式上傳至中心站，整體流程如圖6所示。UWB測距通過雙向測距方法進行，由標識卡發起測距請求。標識卡發起POLL幀，分站接收POLL幀后回復RESP幀，標識卡接收RESP幀后發送PreFinal幀，5 ms后發送Final幀，標識卡接收到PreFinal和Final幀后讀取時間戳信息進行測距計算和測距方向判斷，最后將測距信息存入發送緩存等待中心站獲取信息，測距處理流程如圖7所示。

4 測試分析

為了驗證讀卡器的性能，在煤礦按照圖8所

示系統結構，安裝布置定位系統進行實驗驗證，定位分站和讀卡器都內置電力載波通信模塊，定位分站為主模式，讀卡器為從模式。分站與讀卡器按照常用的樹形、總線式拓撲結構進行連接，任意兩個定位設備之間按照標準800 m間距進行布點，對通信速率、誤碼率、并發識別數進行測試。

圖9為通過通信帶寬測試工具測試結果的截圖，可看出基于載波通信的讀卡器通信速率不小于20.0 Mb/s，可滿足2 s刷新周期前提下并發識別數200的要求，遠高于總線技術讀卡器并發識別數80。

5 結束語

基于載波通信和UWB精確定位技術，設計了一種高帶寬精確定位讀卡器，解決了傳統總線模式下無法定位高數據并發量、高實時性傳輸的應用需求。經實驗驗證，基于載波通信的讀卡器，通信帶寬可達20.0 Mb/s以上，并發識別數200情況下，巡檢周期小于2 s。

參 考 文 獻

［1］ 劉亞輝.多定位技術協議融合定位系統設計［J］.煤礦安全，2021，52（8）：167-170.

［2］ 霍振龍.礦井定位技術現狀和發展趨勢［J］.工礦自動化，2018，44（2）：51-55.

［3］ 王國法.煤礦智能化最新技術進展與問題探討［J］.煤炭科學技術，2022，50（1）：1-27.

［4］ 孫繼平，江嬴.礦井車輛無人駕駛關鍵技術研究［J］.工礦自動化，2022，48（5）：1-5；31.

［5］ 常琳.煤礦井下無線定位技術及系統的應用現狀和發展方向［J］.煤礦安全，2021，52（7）：94-98.

［6］ 馬書敏，劉亞輝.ZigBee與UWB融合定位移動終端設計［J］.自動化與儀器儀表，2021（8）：176-179.

［7］ 吳靜然，崔冉，趙志凱，等.礦井人員融合定位系統［J］.工礦自動化，2018，44（4）：74-79.

［8］ 楊軍勝，王森，王承民，等.多頻帶自適應技術在電力載波方面的研究［J］.電測與儀表，2019，56（8）：137-

143.

［9］ 呂劍，李森.電力線載波通信技術的發展及特點［J］.通信電源技術，2020，37（12）：144-146.

［10］ 宋士剛，武占俠，洪海敏，等.電力載波通信中的干擾特性與抑制技術探究［J］.電子測試，2022，36（9）：60-62；131.

［11］ 黃吉濤，武占俠，王強，等.電力載波通信技術分析和應用［J］.信息記錄材料，2020，21（8）：133-135.

［12］ 宋佳，王艷麗，呂海翠.基于電力載波技術的糧倉溫度監測系統［J］.電子測量技術，2020，43（21）：173- 176.

［13］ 辛中華，張曉冬，劉濤，等.井下電磁干擾特性及智能設備電磁兼容標準研究［J］.煤炭科學技術，2020，

48（7）：255-261.

［14］ 雷興，鄒德東.抗電磁干擾技術在煤礦人員管理系統中的應用設計［J］.煤炭技術，2021，40（12）：199- 201.

［15］ 沈莉.煤礦用傳感器開關電源電磁干擾抑制方法研究［J］.低碳世界，2018（11）：88-89.

（收稿日期：2024-08-11，修回日期：2025-02-15）