基于UWB和RFID多源融合的煤礦人員精準(zhǔn)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳代偉

（鎮(zhèn)江中煤電子有限公司）

目前，礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧礦山建設(shè)中得到不斷發(fā)展，對于煤礦井下作業(yè)人員、機(jī)電設(shè)備、交通運(yùn)輸工具等目標(biāo)的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測、大數(shù)據(jù)采集、應(yīng)急聯(lián)動(dòng)等各種信息的需求日益劇增?，F(xiàn)在煤礦在用的大部分人員管理系統(tǒng)均采用區(qū)域定位的方式，如RFID、Zigbee、WiFi和藍(lán)牙等技術(shù)原理的系統(tǒng)。由于某些煤礦管理不到位和員工工作狀態(tài)不規(guī)范，在煤礦發(fā)生安全事故時(shí)，無法精準(zhǔn)掌握受困人員的具體位置和精準(zhǔn)指引受困人員的逃生路線，從而影響了救援工作的開展，延誤了寶貴的救援時(shí)間，造成無法及時(shí)有效地實(shí)施救援工作。未來煤礦安全生產(chǎn)應(yīng)該朝著智能化、集成化、信息化的方向邁進(jìn)，監(jiān)控系統(tǒng)要采用先進(jìn)的傳感器，縮短巡檢周期，增多控制功能，增強(qiáng)大數(shù)據(jù)分析能力，特別要做到與井下人員定位系統(tǒng)的融合以及應(yīng)急聯(lián)動(dòng)［1-2］。為此，在基于RFID技術(shù)的KJ106煤礦人員管理系統(tǒng)基礎(chǔ)上，再融合基于UWB技術(shù)的KJ1385煤礦人員定位系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一種多源融合的定位分站，不但可以進(jìn)行區(qū)域人員定位，還可以滿足人員精準(zhǔn)定位，既能滿足新文件規(guī)定的遠(yuǎn)距離測量和高精度定位要求，又能降低客戶進(jìn)行設(shè)備升級(jí)改造的成本。

1 UWB和RFID技術(shù)應(yīng)用理論

1.1 UWB技術(shù)測距原理

UWB（Ultra Wide Band，超寬帶）是一種無線載波通信技術(shù)，它是利用納秒級(jí)或者亞納秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，因此其所占的頻譜范圍較寬。UWB定位的常用方法有如下4種：飛行時(shí)間法（TOF）、到達(dá)時(shí)間差法（TDOA）、到達(dá)角度法（AOA）、接收到信號(hào)強(qiáng)度指示法（RSSI）。鑒于對比各自的優(yōu)缺點(diǎn)后，決定采用TOF飛行時(shí)間定位法，其基本原理是通過測量標(biāo)識(shí)卡與定位模塊之間無線載波信號(hào)往返的飛行時(shí)間乘以電磁波速度來計(jì)算距離，屬于雙向雙程測距技術(shù)。

見圖1，Tx為發(fā)射信號(hào)，Rx為接收信號(hào)，標(biāo)識(shí)卡在t1時(shí)刻發(fā)出無線載波信號(hào)；讀卡分站天線在t2時(shí)刻接收到載波信號(hào)，經(jīng)UWB射頻模塊確認(rèn)完數(shù)據(jù)后，在t3時(shí)刻回傳載波信號(hào)；標(biāo)識(shí)卡在t4時(shí)刻接收到載波信號(hào)，處理完分站的回傳信號(hào)后，在t5時(shí)刻再次發(fā)送載波信號(hào)；讀卡分站天線在t6時(shí)刻接收到載波信號(hào)，繼續(xù)由UWB射頻模塊進(jìn)行處理。標(biāo)識(shí)卡和讀卡分站完成1次信號(hào)交互往返的時(shí)間為t6與t1之差，但是，t3與t2時(shí)間差為讀卡分站處理信號(hào)的反應(yīng)時(shí)間，t5與t4時(shí)間差為標(biāo)識(shí)卡處理信號(hào)的反應(yīng)時(shí)間，因此標(biāo)識(shí)卡到分站天線的距離d可以表示為

式中，c為無線電信號(hào)在空氣中的傳播速度，為3×108m/s。

1.2 UWB技術(shù)方向判定原理

讀卡分站采用雙測距模塊設(shè)計(jì)，內(nèi)置了2塊相同的射頻模塊。射頻模塊通過礦用阻燃射頻同軸電纜與1根增益為12 dBi的全向天線配接，2根天線距離s為4 m［3］。標(biāo)識(shí)卡采用了雙向雙程測距法，如圖2所示，標(biāo)識(shí)卡與讀卡分站的天線距離為d1和d2。標(biāo)識(shí)卡相對于讀卡分站的方向判定原則如下：①當(dāng)d1＞d2時(shí)，標(biāo)識(shí)卡在分站的右邊，距離為d2；②當(dāng)d1＜d2時(shí)，標(biāo)識(shí)卡在分站的左邊，距離為d2；③當(dāng)d1＜s且d2＜s時(shí)，標(biāo)識(shí)卡在定位讀卡器的右邊，距離為d2［4］。由此可見，天線1可以被視作是判定標(biāo)識(shí)卡方向而設(shè)定的，天線2可以被視作是測量距離而設(shè)定的。

1.3 RFID技術(shù)

RFID（Radio Frequency Identification，射頻識(shí)別技術(shù)）是一種無線射頻信號(hào)，通過空間耦合，實(shí)現(xiàn)無線信息傳遞，并通過所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目標(biāo)的技術(shù)。在人員定位領(lǐng)域，RFID技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有技術(shù)簡單實(shí)用、高效性、高唯一性、低成本、市場應(yīng)用廣泛。缺點(diǎn)則有檢測距離短，不能顯示人員具體位置，只能用于區(qū)域定位和人員考勤管理，功能和技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)不能完全滿足社會(huì)發(fā)展的需要。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案與硬件要求

2.1 系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由物理層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成［5］，其連接如圖3所示。物理層由標(biāo)識(shí)卡（標(biāo)簽卡）、讀卡分站、本安型直流電源組成，完成無線測距信息的收發(fā)，并且在讀卡分站上計(jì)算出標(biāo)識(shí)卡位置信息。網(wǎng)絡(luò)層包括讀卡分站、礦用萬兆交換機(jī)組成的工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)傳輸平臺(tái)，讀卡分站具備RJ45接口和光纖通信接口，它可以將光纖模塊級(jí)聯(lián)，最后將定位信息接入萬兆以太環(huán)網(wǎng)，上傳到應(yīng)用層中心監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，并實(shí)時(shí)顯示被監(jiān)測目標(biāo)的具體位置信息。

2.2 物理層

（1）RFID標(biāo)簽卡專用于讀卡分站識(shí)別井下人員和移動(dòng)設(shè)備的位置、身份的電子標(biāo)簽。它是一種有源射頻標(biāo)簽卡，采用本質(zhì)安全型電路設(shè)計(jì)，能夠間歇性發(fā)射自身信息數(shù)據(jù)包。80個(gè)以上標(biāo)識(shí)卡可在讀卡分站信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)同時(shí)被識(shí)別，并具有無線微功率、穩(wěn)定可靠、體積小、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)?；跓o線射頻識(shí)別技術(shù)的標(biāo)簽卡除了具備定位功能外，還應(yīng)具有緊急求救、震動(dòng)報(bào)警、欠電指示、通信指示等功能。此卡是基于RFID技術(shù)的舊式人員管理系統(tǒng)所有，在系統(tǒng)升級(jí)為精準(zhǔn)定位系統(tǒng)時(shí)可以繼續(xù)被利舊使用，不造成浪費(fèi)。

（2）UWB標(biāo)識(shí)卡是內(nèi)置了RFID芯片和DW1000定位芯片的有源射頻標(biāo)識(shí)卡。采用周期性地發(fā)送無線載波信號(hào)，讀卡分站接收到信號(hào)后，回復(fù)給標(biāo)識(shí)卡包含信號(hào)飛行時(shí)隙的數(shù)據(jù)包，標(biāo)識(shí)卡接收到讀卡分站的回傳信號(hào)后再次發(fā)送確認(rèn)信號(hào)，讀卡分站第2次接收到信號(hào)為止，即完成一個(gè)信號(hào)飛行周期。標(biāo)識(shí)卡與讀卡分站呼叫應(yīng)答成功后，在特定的時(shí)間段分別與讀卡分站的2個(gè)內(nèi)置DW1000射頻模塊進(jìn)行測距。開始由讀卡分站的2號(hào)射頻模塊主動(dòng)發(fā)起測距，經(jīng)標(biāo)識(shí)卡自身計(jì)算與2號(hào)射頻模塊的距離，然后由標(biāo)識(shí)卡主動(dòng)發(fā)起測距，采用同樣的方式與讀卡分站的1號(hào)射頻模塊進(jìn)行測距，由讀卡分站根據(jù)2次距離測量值進(jìn)行比較，最后識(shí)別出標(biāo)識(shí)卡的方向。標(biāo)識(shí)卡的外觀結(jié)構(gòu)可根據(jù)煤礦的特殊環(huán)境設(shè)計(jì)出以下幾種型式：佩戴腰間式、智能手環(huán)式、綜合信息礦燈式、墨水屏工牌式等，這些結(jié)構(gòu)都可以做到IP65外殼防護(hù)等級(jí)。

（3）綜合讀卡分站是系統(tǒng)的核心組成部件，其功能結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括STM32系列主微控制器、UWB射頻模塊、RFID射頻模塊、光電通信模塊、液晶顯示模塊、存儲(chǔ)模塊、本安電源模塊等。其中主微控制器CPU選用ST公司的STM32系列F4處理器。UWB射頻模塊選用DecaWave公司的DW1000無線收發(fā)芯片，因?yàn)樾枰M(jìn)行方向判定，故而用到2塊芯片。RFID射頻模塊選用的TI公司的CC2500芯片，其中心頻率為2.4 GHz，它是集成了數(shù)字無線收發(fā)一體的FSK芯片。通信模塊是采用了兩光三電的光端機(jī)模塊，可以做到32臺(tái)以內(nèi)的讀卡分站之間進(jìn)行光纖級(jí)聯(lián)，最后接入工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的主通信網(wǎng)絡(luò)中。存儲(chǔ)模塊是為了支持系統(tǒng)在發(fā)生故障后，每個(gè)分站能夠獨(dú)立存儲(chǔ)2 h以上數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)恢復(fù)正常工作后，繼續(xù)上傳丟失數(shù)據(jù)并由服務(wù)器補(bǔ)存至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，以保證人員位置信息的連續(xù)完整性。分站饋線采用MSYV-50-7以上規(guī)格的煤礦用阻燃同軸電纜，天線采用增益為12 dBi的全向天線。

2.3 網(wǎng)絡(luò)層

萬兆交換機(jī)是網(wǎng)絡(luò)層的核心設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)資源共享與優(yōu)化配置，提高礦井通信的效率［6］。為了早日建成智慧礦山的目標(biāo)，現(xiàn)在要打破傳統(tǒng)的“專網(wǎng)專用”模式，開始邁向“一網(wǎng)一站”的新里程，即各種井下測量數(shù)據(jù)進(jìn)入統(tǒng)一的綜合通信分站，再由分站接入高速工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，上傳至服務(wù)器，最后發(fā)送給各個(gè)信息終端。

2.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要是服務(wù)器中的應(yīng)用軟件。系統(tǒng)除了滿足AQ6210—2007標(biāo)準(zhǔn)的軟件功能要求以外，還做到了能與安全監(jiān)控、應(yīng)急廣播系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、車輛管理系統(tǒng)融合，能與GIS技術(shù)融合；具有唯一性檢測功能，當(dāng)出現(xiàn)下井人員攜帶多張（含2張）標(biāo)識(shí)卡、不攜帶卡或非本人卡等情況時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)識(shí)別并報(bào)警，可采用人臉識(shí)別、虹膜識(shí)別等技術(shù)；系統(tǒng)組成中應(yīng)包含便攜式定位儀，且系統(tǒng)應(yīng)具有使用便攜式定位儀脫網(wǎng)定位功能；系統(tǒng)還應(yīng)具備發(fā)生故障斷網(wǎng)后，能自恢復(fù)續(xù)傳分站存儲(chǔ)數(shù)據(jù)功能。

3 試驗(yàn)與結(jié)果

為了檢驗(yàn)系統(tǒng)最大測量距離和直線測距靜態(tài)誤差，按照最簡單系統(tǒng)試驗(yàn)方案布置，需要1臺(tái)筆記本電腦，1臺(tái)讀卡分站，80張標(biāo)識(shí)卡，讀卡分站天線安裝高度為2 m，標(biāo)識(shí)卡放置高度為1.2 m。測點(diǎn)的選取原則：在最大測試距離400 m內(nèi)選取10個(gè)測點(diǎn)，必須選取1個(gè)10 m以內(nèi)的測點(diǎn)和400 m的測點(diǎn)，其余測點(diǎn)可以隨機(jī)選取。系統(tǒng)通電運(yùn)行，待讀取所有標(biāo)識(shí)卡信息運(yùn)行穩(wěn)定后，清空系統(tǒng)讀卡數(shù)據(jù)庫，同時(shí)開始計(jì)時(shí)，讀取每個(gè)標(biāo)識(shí)卡數(shù)據(jù)不少于125次，此為一個(gè)檢驗(yàn)周期。試驗(yàn)后，調(diào)取數(shù)據(jù)庫，查看清空數(shù)據(jù)庫時(shí)間點(diǎn)開始后每張標(biāo)識(shí)卡的125條數(shù)據(jù)（至少含卡號(hào)、時(shí)間、位置信息），所有位置信息與對應(yīng)標(biāo)識(shí)卡實(shí)際位置直線距離差值Δd的絕對值即為直線測距靜態(tài)誤差。

試驗(yàn)測試驗(yàn)證結(jié)果：卡號(hào)為1 001～1 080的80張標(biāo)識(shí)卡測量了3個(gè)檢驗(yàn)周期，最大檢測距離是400 m，經(jīng)過比較位置數(shù)據(jù)得出最大的|Δd|為0.21 m，小于0.3 m，滿足驗(yàn)證要求。圖5所示是以400 m位置為例，檢測3個(gè)周期后統(tǒng)計(jì)出來的8張標(biāo)識(shí)卡靜態(tài)誤差測量結(jié)果，每一條曲線代表的是一個(gè)周期內(nèi)8張標(biāo)識(shí)卡的測量位置結(jié)果。

4 結(jié) 論

詳細(xì)闡述了一種新型的多源融合的煤礦人員精準(zhǔn)定位系統(tǒng)方案，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)框架、組網(wǎng)方式和硬件架構(gòu)，并對方案進(jìn)行多次現(xiàn)場驗(yàn)證。根據(jù)測試效果，確定了天線和饋線的規(guī)格以及天線之間的最佳參考距離。系統(tǒng)定位靜態(tài)測距誤差最終穩(wěn)定保持在0.3 m以內(nèi)，滿足了設(shè)計(jì)指標(biāo)和應(yīng)用需求。給出了系統(tǒng)軟件功能的設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)新舊人員定位系統(tǒng)的融合，達(dá)到了區(qū)域定位和精確定位同時(shí)實(shí)現(xiàn)的目的。