煤礦井下車輛乘人防漏識(shí)別讀卡基站設(shè)計(jì)

任高建，戴劍波

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039）

2021 年版《煤礦智能化建設(shè)指南》中要求“采用精確定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)目標(biāo)精確定位，井下復(fù)雜巷道全覆蓋[1]”。隨著精確人員定位系統(tǒng)在部分煤礦升級(jí)改造運(yùn)行，精確定位功能大部分能夠?qū)崿F(xiàn)，但也暴露出共性不足之處：對(duì)于井下作業(yè)人員乘坐交通運(yùn)輸工具時(shí)，由于車輛移動(dòng)速度、電磁屏蔽等原因造成井下作業(yè)人員標(biāo)識(shí)卡漏識(shí)別，不能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)井下人員位置信息，出現(xiàn)監(jiān)測(cè)信息不連續(xù)、定位軌跡跳變；同時(shí)，無(wú)法統(tǒng)計(jì)車輛內(nèi)乘人準(zhǔn)確數(shù)量，對(duì)于車輛超載違規(guī)行駛不能做到有效管控。針對(duì)存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種讀卡基站，采用超高頻RFID 近距離無(wú)源識(shí)別技術(shù)與UWB 精確定位技術(shù)相結(jié)合的方法，通過(guò)巷道內(nèi)讀卡基站與車輛讀卡基站直接通信測(cè)距，同時(shí)與乘車人員攜帶標(biāo)識(shí)卡間接通信測(cè)距，從而有效解決車輛乘人容易漏識(shí)別問(wèn)題，能準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)車輛內(nèi)乘車人數(shù)[2-4]。

1 讀卡基站原理

讀卡基站根據(jù)AQ 6210—2020 煤礦井下人員定位系統(tǒng)通用技術(shù)條件（征求意見(jiàn)稿）中內(nèi)容規(guī)定本安及抗干擾等級(jí)要求設(shè)計(jì)，主要由EMC 電源輸入保護(hù)電路、電源轉(zhuǎn)換電路、語(yǔ)音提示模塊、主控制MCU、LED 顯示電路、超高頻讀卡模塊、UWB 人員測(cè)距模塊、UWB 車輛測(cè)距模塊、車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)模塊、不同增益內(nèi)、外置全向天線等電路組成。讀卡基站整機(jī)設(shè)計(jì)原理框圖如圖1。

圖1 整機(jī)設(shè)計(jì)原理框圖Fig.1 Block diagram of the whole card reading base station

2 關(guān)鍵電路

2.1 EMC 電源保護(hù)單元

EMC 電源輸入保護(hù)設(shè)計(jì)原理圖如圖2。

圖2 EMC 電源輸入保護(hù)設(shè)計(jì)原理圖Fig.2 Schematic diagram of EMC power input protection design

讀卡基站對(duì)電源輸入部分按照要求進(jìn)行了電磁兼容防浪涌、群脈沖保護(hù)設(shè)計(jì)。電源輸入保護(hù)分為2級(jí)保護(hù)：前級(jí)保護(hù)為GDT1陶瓷氣體放電管，當(dāng)浪涌、脈沖群電壓達(dá)到其動(dòng)作電壓值，GDT1呈關(guān)閉導(dǎo)通狀態(tài)，導(dǎo)通后通過(guò)C2、C3電容泄放大部分沿電源線感應(yīng)、傳導(dǎo)而來(lái)的浪涌、脈沖群電流；由于氣體放電管響應(yīng)時(shí)間在微秒級(jí)別，其浪涌殘余電壓還可能有幾百伏，后極電源芯片無(wú)法承受，因此增加后級(jí)保護(hù)，TVS1為瞬態(tài)抑制二極管，響應(yīng)時(shí)間在皮秒級(jí)別，箝位電壓低，滿足后級(jí)電源芯片工作電壓范圍。在GDT1放電管和TVS1瞬態(tài)抑制二極管之間增加電感L1，利用阻交流通直流的瞬態(tài)特性，對(duì)浪涌、脈沖群形成阻礙作用，從而進(jìn)行延時(shí)與分壓，將電壓箝位在后級(jí)電源轉(zhuǎn)換芯片承受范圍之內(nèi)。C2、C3、C6、C7電容在本安端與外殼之間起絕緣隔離作用，C5、C8電容為濾波作用。通過(guò)測(cè)試，讀卡基站電源輸入端口能通過(guò)GB/T 17626.4—2018 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的嚴(yán)酷等級(jí)為2級(jí)、評(píng)價(jià)等級(jí)為A 的電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)，能通過(guò)GB/T 17626.5—2019 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的嚴(yán)酷等級(jí)為2級(jí)、評(píng)價(jià)等級(jí)為B 的浪涌（沖擊）抗擾度試驗(yàn)[5-6]。

2.2 超高頻讀卡單元

超高頻讀卡單元設(shè)計(jì)原理圖如圖3。

圖3 超高頻讀卡單元設(shè)計(jì)原理圖Fig.3 Schematic diagram of UHF card reading unit

讀卡基站設(shè)計(jì)超高頻RFID 讀卡模塊，通過(guò)近距離非接觸識(shí)別標(biāo)識(shí)卡內(nèi)置無(wú)源標(biāo)簽。超高頻讀卡模塊選用840～930 MHz 頻率范圍RF200 模塊，通信協(xié)議兼容ISO18000-6C/EPC Gen2，通過(guò)TTL 串口直接與主控制MCU 傳輸數(shù)據(jù)，通訊速率可達(dá)57 600 bps，讀卡基站內(nèi)置3dBi 雙饋點(diǎn)陶瓷天線RF915A，利用射頻信號(hào)和空間耦合傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)識(shí)卡內(nèi)置無(wú)源標(biāo)簽的識(shí)別。讀卡模塊首先通過(guò)天線向無(wú)源標(biāo)簽發(fā)射出電磁波，無(wú)源標(biāo)簽從電磁波中提取工作所需要的能量，電磁波遇到無(wú)源標(biāo)簽后并散射一部分電磁波到讀卡模塊，讀卡模塊接收信號(hào)并解調(diào)后獲得無(wú)源標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息。無(wú)源標(biāo)簽數(shù)據(jù)傳輸可以分為從讀卡模塊到無(wú)源標(biāo)簽前向鏈路，無(wú)源標(biāo)簽到讀卡模塊后向鏈路2 部分，前向鏈路與后向鏈路采用半雙工方式通信，數(shù)據(jù)傳輸采用ASK 調(diào)制，前向鏈路采用PIE 碼，后向鏈路采用Miller 碼，軟件采用CRC-16 校驗(yàn)碼和特殊防沖突算法保證無(wú)源標(biāo)簽卡號(hào)識(shí)別正確。通過(guò)車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)傳感器，在檢測(cè)到車輛靜止時(shí)，主控制器PC0 管腳置低電平，關(guān)閉RF200 模塊工作，檢測(cè)到車輛啟動(dòng)時(shí)，主控制器PC0管腳置高電平，開啟RF200 模塊工作，用以區(qū)分車輛靜止時(shí)識(shí)別到周圍人員無(wú)源標(biāo)簽誤判為乘車，同時(shí)降低整機(jī)功耗。

2.3 UWB 測(cè)距單元

UWB 測(cè)距單元設(shè)計(jì)原理圖如圖4。

圖4 UWB 測(cè)距單元設(shè)計(jì)原理圖Fig.4 Schematic diagram of UWB ranging unit

讀卡基站設(shè)計(jì)了車內(nèi)乘人UWB測(cè)距模塊和車輛UWB 測(cè)距模塊[7-10]。車內(nèi)乘人UWB測(cè)距模塊U3未加射頻功率放大器，通過(guò)GD32F405 MCU 芯片配置DW1000 射頻芯片內(nèi)部寄存器控制輸出發(fā)射功率，同時(shí)采用內(nèi)置增益較小全向天線，縮短讀卡基站與車內(nèi)乘人通信距離；車輛UWB 測(cè)距模塊U6增加射頻功率放大器，采用外置高增益全向天線，車內(nèi)乘人測(cè)距信息通過(guò)車輛UWB 測(cè)距模塊天線傳輸給巷道內(nèi)讀卡基站，巷道內(nèi)讀卡基站只需與車輛UWB測(cè)距模塊通信實(shí)現(xiàn)測(cè)距，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)車內(nèi)乘人間接測(cè)距，而不會(huì)出現(xiàn)車輛在運(yùn)動(dòng)行駛過(guò)程中漏識(shí)別乘人測(cè)距信息。

3 讀卡基站軟件

讀卡基站軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)、無(wú)源標(biāo)簽卡號(hào)識(shí)別，車內(nèi)乘人UWB 測(cè)距、讀卡基站與巷道基站UWB 測(cè)距等功能。讀卡基站軟件設(shè)計(jì)示意框圖如圖5。

圖5 軟件設(shè)計(jì)示意框圖Fig.5 Schematic block diagram of software design

讀卡基站首先通過(guò)車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)傳感器檢測(cè)車輛是靜止還是啟動(dòng)狀態(tài)，如果車輛靜止，讀卡基站超高頻RFID 讀卡模塊斷電關(guān)閉，巷道基站與讀卡基站建立直接測(cè)距鏈路，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛進(jìn)行測(cè)距定位；如果車輛運(yùn)動(dòng)，超高頻RFID 讀卡模塊讀取乘人標(biāo)識(shí)卡內(nèi)置無(wú)源標(biāo)簽信息，根據(jù)無(wú)源標(biāo)簽信息，乘人UWB 測(cè)距模塊向指定標(biāo)識(shí)卡廣播入網(wǎng)請(qǐng)求幀，接收到入網(wǎng)請(qǐng)求幀的標(biāo)識(shí)卡可以確認(rèn)為已上車，若10 s內(nèi)沒(méi)有接收到入網(wǎng)請(qǐng)求幀則判定為乘人已下車或在車外。已上車的乘人，通過(guò)讀卡基站乘人UWB 測(cè)距模塊與標(biāo)識(shí)卡建立直接測(cè)距鏈路，巷道基站與車輛UWB 測(cè)距模塊建立標(biāo)識(shí)卡間接測(cè)距鏈路，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛乘人定位；巷道中行人或已下車乘人通過(guò)巷道基站與標(biāo)識(shí)卡建立直接測(cè)距鏈路進(jìn)行定位。

4 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種讀卡基站煤礦井下車輛乘人防漏識(shí)別讀卡基站。讀卡基站通過(guò)超高頻RFID 識(shí)別、乘人UWB 測(cè)距、車輛UWB 測(cè)距3 種不同方式組合實(shí)現(xiàn)車輛內(nèi)乘人不受車輛移動(dòng)速度、電磁屏蔽等原因影響，可有效區(qū)分車輛內(nèi)乘人與巷道內(nèi)行人，掌握車輛乘人具體數(shù)量及實(shí)時(shí)位置信息，提高了煤礦井下人員定位連續(xù)性和可靠性；讀卡基站可以有效管控車輛超載違規(guī)行駛行為，為煤礦企業(yè)實(shí)現(xiàn)以人為本，持續(xù)穩(wěn)定、健康發(fā)展，提高安全生產(chǎn)管理效率的目標(biāo)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。