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

引言：
煤礦是我國安全生產(chǎn)事故多發(fā)行業(yè)，百萬噸死亡率高達(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來設(shè)計(jì)礦井人員定位系統(tǒng)。通過軟件編程，使得nRF9E5芯片在實(shí)現(xiàn)RFID功能的基礎(chǔ)上，還能實(shí)現(xiàn)無線報(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)簡圖如圖1。

圖1 礦井人員無線定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖
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，并不斷得向周圍發(fā)送該編碼，礦難發(fā)生時(shí)可發(fā)無線報(bào)警信號(hào)；數(shù)據(jù)接口負(fù)責(zé)將井下現(xiàn)場總線信號(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)用來運(yùn)行管理軟件，在計(jì)算機(jī)屏幕上直觀動(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，供監(jiān)管部門通過INTERNET遠(yuǎn)程監(jiān)控；打印機(jī)主要用來打印人員監(jiān)測管理等報(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圍發(fā)送無線信號(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附近頻段無線電波最適于進(jìn)行井下無線數(shù)據(jù)傳輸?？諘绲豱RF9E5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無線收發(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。

其中ANT1和ANT2為天線連接引腳,外接單天線終端裝置，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，用于無線報(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線報(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1K電阻與單片機(jī)串口連接。
3．軟件設(shè)計(jì)：
3.1 無線數(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。常見的避免無線通信沖突的方法有：頻分多址技術(shù)（FDMA），載波監(jiān)聽技術(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，需要通過通訊協(xié)議來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/span>