采用射頻Soc nRF9E5礦井人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言：
煤礦是我國(guó)安全生產(chǎn)事故多發(fā)行業(yè)，百萬(wàn)噸死亡率高達(dá)7.86,對(duì)井下工作人員進(jìn)行定位跟蹤已顯得十分重要。目前國(guó)內(nèi)的礦井人員定位系統(tǒng)大多采用RFID技術(shù)進(jìn)行人員定位。用傳統(tǒng)RFID進(jìn)行定位的缺點(diǎn)是：功能單一，僅具編碼識(shí)別功能；信號(hào)傳輸可靠性低；信號(hào)識(shí)別距離短；漏讀率高。鑒此，本文采用射頻Soc nRF9E5來(lái)設(shè)計(jì)礦井人員定位系統(tǒng)。通過(guò)軟件編程，使得nRF9E5芯片在實(shí)現(xiàn)RFID功能的基礎(chǔ)上，還能實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)報(bào)警功能。
1. 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及工作原理：   
1.1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)及功能：
礦井人員定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為井上和井下兩部分，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1。
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圖1  礦井人員無(wú)線(xiàn)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
其中智能定位基站負(fù)責(zé)采集處理礦井人員的身份編碼，坑道氣體濃度，溫濕度等信息，并將它們送給地面監(jiān)控主機(jī)；智能卡里保存有員工的身份編碼，并不斷得向周?chē)l(fā)送該編碼，礦難發(fā)生時(shí)可發(fā)無(wú)線(xiàn)報(bào)警信號(hào)；數(shù)據(jù)接口負(fù)責(zé)將井下現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS-232信號(hào)；HUB用于地面設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接；監(jiān)控主機(jī)用來(lái)運(yùn)行管理軟件，在計(jì)算機(jī)屏幕上直觀(guān)動(dòng)態(tài)顯示井下人員的分布情況，使管理者一目了然；服務(wù)器里存放數(shù)據(jù)庫(kù)，供監(jiān)管部門(mén)通過(guò)INTERNET遠(yuǎn)程監(jiān)控；打印機(jī)主要用來(lái)打印人員監(jiān)測(cè)管理等報(bào)表。
正常情況下，該系統(tǒng)為煤礦管理人員提供人員實(shí)時(shí)監(jiān)控、進(jìn)出限制、考勤作業(yè)等多方面的管理信息。當(dāng)發(fā)生安全事故時(shí)，搜救人員通過(guò)該系統(tǒng)立刻可知被困人員的位置，保證搶險(xiǎn)救災(zāi)和安全救護(hù)工作的高效運(yùn)作。             
1.2 定位原理：
井下智能定位基站里的讀卡器不斷地向其周?chē)l(fā)送無(wú)線(xiàn)信號(hào)。每個(gè)讀卡器都有一個(gè)有效的信號(hào)覆蓋區(qū)。礦工隨身攜帶的智能卡進(jìn)入這些信號(hào)覆蓋區(qū)后被激活，將保存在其內(nèi)的員工數(shù)據(jù)信息發(fā)送給讀卡器；定位基站經(jīng)讀卡器接收到該數(shù)據(jù)后，將代表巷道地理位置的基站編碼連同收到的員工數(shù)據(jù)一起打包送至地面計(jì)算機(jī)；地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)收到此信息后，經(jīng)相應(yīng)的監(jiān)控軟件分析計(jì)算工作人員所在具體位置。
2.硬件設(shè)計(jì)：
本系統(tǒng)的智能卡和智能定位基站里的讀卡器是基于nRF9E5設(shè)計(jì)的。一對(duì)nRF9E5就能組成一人員定位終端。該終端用于礦工的身份識(shí)別，以對(duì)礦工進(jìn)行定位，是系統(tǒng)的核心部分。
2.1  nRF9E5 芯片簡(jiǎn)介：
nRF9E5是Nordic VLSI公司于2004年推出的系統(tǒng)級(jí)RF芯片，該芯片內(nèi)置nRF905 433/868/915MHz收發(fā)器、8051兼容微控制器和4輸入10位80ksps A/D轉(zhuǎn)換器，QFN5×5mm封裝。相關(guān)文獻(xiàn)資料表明，1GHz附近頻段無(wú)線(xiàn)電波最適于進(jìn)行井下無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。空曠地nRF9E5最大收發(fā)距離可達(dá)300米，樓道內(nèi)收發(fā)也能達(dá)100米，其最大發(fā)射功率僅10DBm（10毫瓦），收發(fā)狀態(tài)切換時(shí)間小于650微秒，非常適于井下人員定位。
2.2  基于nRF9E5的智能卡硬件設(shè)計(jì)
智能卡采用nRF9E5無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片作為射頻通信芯片。智能卡里保存有員工的身份編碼，該編碼唯一在監(jiān)控主機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)里，與該編碼對(duì)應(yīng)存放著員工的姓名、籍貫、年齡、民族等相關(guān)信息。智能卡的電路原理圖如圖2。
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其中ANT1和ANT2為天線(xiàn)連接引腳,外接單天線(xiàn)終端裝置，晶振工作頻率為16MHz。25AA320為EEPROM，在nRF9E5上電后，系統(tǒng)根據(jù)引導(dǎo)程序，把25AA320中的程序代碼拷貝到nRF9E5的4KB RAM中。LM1117為電源管理模塊，把5V電平轉(zhuǎn)化為nRF9E5可用的3.3V。外部中斷P03，P04口接兩按鍵，用于無(wú)線(xiàn)報(bào)警。AN0～AN3為外部A/D輸入口，可擴(kuò)展4路A/D輸入，用于溫度，濕度，瓦斯?jié)舛鹊刃盘?hào)的采集。                   
2.3  基于nRF9E5的讀卡器硬件設(shè)計(jì)：
讀卡器在定位基站里，主要負(fù)責(zé)采集智能卡發(fā)出的員工身份編碼及無(wú)線(xiàn)報(bào)警信號(hào)，并將采集到的信號(hào)送定位基站的微處理器處理。讀卡器里存著定位基站編碼，該編碼唯一，與井上監(jiān)控主機(jī)所顯示電子地圖里的坑道位置相關(guān)。讀卡器硬件電路與智能卡硬件電路相似。不同之處是去掉了兩按鍵，nRF9E5的P01、P02口通過(guò)1K電阻與單片機(jī)串口連接。
3．軟件設(shè)計(jì)：
3.1  無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通訊協(xié)議：
   多點(diǎn)通信時(shí)，防止各節(jié)點(diǎn)之間通信數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞是關(guān)鍵。常見(jiàn)的避免無(wú)線(xiàn)通信沖突的方法有：頻分多址技術(shù)（FDMA），載波監(jiān)聽(tīng)技術(shù)（CSMA），時(shí)分多址技術(shù)（TDMA）。本系統(tǒng)采用TDMA技術(shù)。TDMA技術(shù)將點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信方式轉(zhuǎn)化為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，因此必然要考慮主接收點(diǎn)與各移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間建立通信連接時(shí)的地址匹配問(wèn)題。由于主接收點(diǎn)與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的通信可能會(huì)受到其它數(shù)據(jù)終端或外界環(huán)境的干擾而發(fā)生錯(cuò)誤，因此，需要通過(guò)通訊協(xié)議來(lái)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?br />nRF9E5規(guī)定一幀數(shù)據(jù)由前導(dǎo)碼( PREAMBLE )，本機(jī)物理地址（ADDR），有效數(shù)據(jù)（PAYLOAD），CRC校驗(yàn)碼（CRC）組成。其幀結(jié)構(gòu)如圖3。
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圖 3  nRF9E5數(shù)據(jù)通訊幀
其中前導(dǎo)碼，CRC校驗(yàn)碼各占一字節(jié)，由芯片硬件自動(dòng)產(chǎn)生。本機(jī)物理地址和有效數(shù)據(jù)可以根據(jù)應(yīng)用設(shè)置。nRF9E5只有檢測(cè)到與自己物理地址相吻合的數(shù)據(jù)才能接收處理，所以為了保證智能卡與各讀卡器之間通信暢通，系統(tǒng)中所有nRF9E5芯片都采用其默認(rèn)地址0XE7。有效數(shù)據(jù)由本機(jī)邏輯地址（ID）和報(bào)警信息（ALARM）組成。其中ID占兩字節(jié)，ALARM占一字節(jié)。正常情況下有效數(shù)據(jù)只含本機(jī)邏輯地址部分。系統(tǒng)所有讀卡器的本機(jī)邏輯地址均為0xEE,0xEE。智能卡的本機(jī)邏輯地址為各員工的身份編碼。當(dāng)有報(bào)警信號(hào)時(shí)，有效數(shù)據(jù)增加報(bào)警信息部分，報(bào)警信息為員工的按鍵值，不同的值代表不同的報(bào)警信號(hào)。
3.2  應(yīng)用程序設(shè)計(jì)：
本系統(tǒng)定位基站里的讀卡器每5s發(fā)一次同步信號(hào)（0xee,0xee）。智能卡接到該同步信號(hào)后，根據(jù)自己的ID產(chǎn)生一延時(shí)以等待屬于自己的時(shí)間片，延時(shí)到立即將自己的一幀數(shù)據(jù)發(fā)送給讀卡器。報(bào)警信息的按鍵值是在按鍵中斷程序里設(shè)置的。該中斷程序里還會(huì)設(shè)置一報(bào)警標(biāo)志（Sign），以供智能卡主程序判斷。讀卡器主程序和智能卡的主程序流程圖如圖4，圖5。
可以看出，使用TDMA技術(shù)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，各智能卡已固定了自己的發(fā)送時(shí)段，ID比較靠后的卡不管前面是否有卡要發(fā)數(shù)據(jù)，都要等到自己的發(fā)送時(shí)段。nRF9E5收發(fā)6字節(jié)的數(shù)據(jù)需要5ms，讀卡器5s內(nèi)可接收1000張智能卡發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)。如果一讀卡器在井下的信號(hào)覆蓋范圍100米，人員以5m/s的速度行進(jìn)的話(huà)，那么該智能卡可以被該讀卡器識(shí)別4次，不會(huì)發(fā)生漏讀情況。讀卡器的同步信號(hào)之間的時(shí)間間隔要視礦山企業(yè)的員工數(shù)而定，員工越多，間隔越大，漏讀的可能性也越大。 
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圖4 讀卡器主程序流程圖
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圖5 智能卡主程序流程
4.結(jié)語(yǔ)
實(shí)驗(yàn)表明，采用nRF9E5芯片設(shè)計(jì)的井下人員定位系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足人員定位的要求。與傳統(tǒng)井下定位系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有通信距離遠(yuǎn)、功耗低、兼容性好、功能擴(kuò)展性強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。只需對(duì)nRF9E5應(yīng)用電路稍做修改，便可應(yīng)用于智能家居、智能RFID、無(wú)線(xiàn)傳感等領(lǐng)域，故而有著廣泛的市場(chǎng)需求和良好的市場(chǎng)推廣前景。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：
[1] 作者創(chuàng)新地采用射頻Soc nRF9E5設(shè)計(jì)井下人員定位系統(tǒng)中的定位終端，開(kāi)發(fā)出的定位系統(tǒng)不但具有類(lèi)似傳統(tǒng)RFID的身份識(shí)別功能，而且還增加了礦工無(wú)線(xiàn)報(bào)警功能。
[2] 結(jié)合系統(tǒng)要求，運(yùn)用TDMA技術(shù)有效地解決了目前國(guó)內(nèi)礦井人員定位系統(tǒng)中常見(jiàn)的井下快速移動(dòng)人員漏讀率高的問(wèn)題。