當(dāng)前礦井人員管理系統(tǒng)以考勤為主,進行精確定位管理投入成本過高。根據(jù)礦井現(xiàn)場應(yīng)用需求,提出一種基于超寬帶（UWB）和射頻識別（RFID）相融合的礦井人員定位系統(tǒng)設(shè)計方案。闡述了系統(tǒng)的總體架構(gòu)和工作原理。針對礦井一維線性空間,采用飛行時間（TOF）測量方法,利用已知的定位基站之間的距離計算出標(biāo)志卡位置,并對定位誤差進行了詳細分析。分析結(jié)果表明,定位誤差與標(biāo)志卡與定位基站之間的距離沒有直接關(guān)系,定位基站之間無需進行時鐘同步。給出了定位基站和標(biāo)志卡的硬件設(shè)計方案和軟件功能實現(xiàn)思路,采用集成無線發(fā)送和接受的無線芯片DW1000實現(xiàn)UWB精確定位,采用nRF24L01無線射頻芯片實現(xiàn)區(qū)域定位,解決了如何同時實現(xiàn)區(qū)域定位和精確定位問題。實踐表明,該系統(tǒng)定位精度達到了0.3 m以內(nèi),兼容RFID區(qū)域定位功能,在進行系統(tǒng)升級時可降低成本,滿足礦方需求。 

【文章來源】：自動化儀表. 2020,41(08)

【文章頁數(shù)】：5 頁

【部分圖文】：

礦井人員定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

礦井巷道一般為狹長形狀,可抽象成一維線性空間。標(biāo)志卡與定位基站之間采用TOF技術(shù)實現(xiàn)無線信息交互。定位基站A和定位基站B的距離為d,定位原理如圖2所示。在標(biāo)志卡C與定位基站A之間進行TOF測距過程中,標(biāo)志卡C往返一次所需的時間為T4-T1,定位基站處理數(shù)據(jù)所耗費時間為T3-T2。同理,在標(biāo)志卡C與定位基站B進行TOF測距過程中,標(biāo)志卡C往返一次所需的時間為T8-T5,定位基站B處理數(shù)據(jù)所耗費的時間為T7-T6,標(biāo)志卡C將所需的計時數(shù)據(jù)在T9時刻發(fā)送到定位基站A。標(biāo)志卡C到定位基站A之間的距離計算公式為:

定位基站是系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。其構(gòu)成框圖如圖3所示,包括基站微控制器、UWB定位模塊、RFID模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊和電源模塊等。定位基站CPU選用STM32系列的Cortex-M4內(nèi)核微處理器作為控制核心。UWB定位模塊選用DW1000無線芯片,它符合IEEE802.15.4-2011超寬帶標(biāo)準(zhǔn),定位精度可達10 cm,抗多徑衰落能力強,支持TOF測距和TDOA精確定位[14]。RFID模塊擬選用集成了無線發(fā)射和接收功能的nRF24L01芯片。該芯片工作頻段為2.4 GHz,采用高斯頻移鍵控(Gauss frequency shift keying,GFSK)調(diào)制,具有自動重發(fā)及自動應(yīng)答功能,數(shù)據(jù)傳輸速率為1 Mbit/s或2 Mbit/s,工作電壓為1.9～3.6 V,符合低功耗設(shè)計要求。網(wǎng)絡(luò)通信模塊實現(xiàn)定位基站之間的光纖級聯(lián),電源模塊負(fù)責(zé)芯片的供電控制。定位基站軟件流程如圖4所示。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于UWB的礦井人員精準(zhǔn)定位技術(shù)[J]. 劉世森.  煤礦安全. 2019(06)
[2]基于UWB技術(shù)的煤礦井下無線定位系統(tǒng)[J]. 申偉光.  煤礦安全. 2018(10)
[3]煤礦井下人員定位系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[J]. 付萬寶.  煤炭與化工. 2018(04)
[4]礦井定位技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]. 霍振龍.  工礦自動化. 2018(02)
[5]基于TOF技術(shù)的煤礦井下精確定位系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 王飛.  煤炭技術(shù). 2015(10)
[6]基于超寬帶技術(shù)的井下人員定位系統(tǒng)[J]. 劉書倫,王樹森.  工礦自動化. 2014(10)
[7]基于WiFi和計時誤差抑制的TOA煤礦井下目標(biāo)定位方法[J]. 孫繼平,李晨鑫.  煤炭學(xué)報. 2014(01)
[8]基于RFID技術(shù)在井下人員定位系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]. 侯大勇,周莉.  煤礦機械. 2013(01)
[9]UWB技術(shù)在消防員位置定位系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J]. 祖軍,郝潤科,楊光.  計算機系統(tǒng)應(yīng)用. 2012(08)
[10]基于Zigbee的井下人員定位監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與研究[J]. 王同泉,崔建明.  電氣技術(shù). 2012(04)

碩士論文
[1]巷道內(nèi)人員高精度定位技術(shù)研究[D]. 柯彬.電子科技大學(xué) 2014
[2]基于UWB的室內(nèi)定位技術(shù)研究[D]. 張忠娟.天津大學(xué) 2012
[3]具有靈活頻譜特性的認(rèn)知超寬帶信號生成技術(shù)的研究[D]. 梁冰.北京郵電大學(xué) 2010



本文編號：3616548