一種基于TOF測(cè)距的礦井精確定位設(shè)計(jì)

曾永華

【摘 要】為了提高礦山井下定位系統(tǒng)的精度，本文提出了一種基于TOF測(cè)距算法的精確定位設(shè)計(jì)。本文闡述了無(wú)線測(cè)距方式的選擇、無(wú)線測(cè)距設(shè)計(jì)及基于nRF2401芯片精確定位收/發(fā)模塊的設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】精確定位；TOF測(cè)距；nRF2401

0 引言

隨著礦山自動(dòng)化、信息化建設(shè)的不斷深入，礦山行業(yè)對(duì)井下人員/機(jī)車等動(dòng)目標(biāo)的定位管理要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的區(qū)域定位已經(jīng)難以滿足礦山建設(shè)的需要。與區(qū)域定位只能定位一個(gè)大的區(qū)域范圍不同，精確定位能將井下動(dòng)目標(biāo)準(zhǔn)確定位到具體位置，能直觀展現(xiàn)井下動(dòng)目標(biāo)的確切位置，對(duì)礦井的安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 無(wú)線測(cè)距方式選擇

1.1 小區(qū)定位測(cè)距

采用泄漏電纜，以多點(diǎn)連續(xù)的射頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)巷道長(zhǎng)距離信號(hào)連續(xù)覆蓋，在重點(diǎn)及關(guān)鍵區(qū)域密集設(shè)置定位器，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)精確定位。

小區(qū)定位的定位精度較低，定位參照點(diǎn)多，數(shù)據(jù)量大，系統(tǒng)可靠性和可維護(hù)性較差。

1.2 RSSI定位測(cè)距

Zigbee和WiFi網(wǎng)絡(luò)通常采用RSSI定位方法，通過(guò)無(wú)線信號(hào)的傳輸損耗模型計(jì)算移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)間的距離：[p（d）]dBm=[p（d0）]dBm-10nlg（d/d0）+XdBm

p（d）為距離發(fā)射點(diǎn)d米處的接受信號(hào)強(qiáng)度，即RSSI值；p（d0）為參考距離為d0的信號(hào)功率；n為實(shí)際的路徑損耗指數(shù)，障礙物越多，n值越大；X為0均值的高斯分布隨機(jī)變量。

無(wú)線信號(hào)的傳輸損耗模型受環(huán)境影響大，礦山井下巷道狹窄、不規(guī)范，環(huán)境濕度大，巷道壁及巷道內(nèi)設(shè)備對(duì)信號(hào)有吸收、反射、折射等影響，定位誤差較難控制。

1.3 TOF測(cè)距定位

TOF（飛行時(shí)間，Time of Flight）。根據(jù)IEEE802.15.4a規(guī)范，定義了兩種測(cè)距標(biāo)準(zhǔn)： TW-TOA和SDS-TW-TOA。

TW-TOA測(cè)距方式：節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送測(cè)距幀、節(jié)點(diǎn)B向節(jié)點(diǎn)A返回響應(yīng)幀，Tab為節(jié)點(diǎn)A發(fā)出幀到收幀間的時(shí)間，Tdb為節(jié)點(diǎn)B自身延時(shí)，節(jié)點(diǎn)AB間的距離dAB=0.5*c*（Tab-Tdb），其中c=3*108m/s。

SDS-TW-TOA測(cè)距方式：在TW-TOA的基礎(chǔ)上增加了節(jié)點(diǎn)A 向節(jié)點(diǎn)B的二次響應(yīng)幀，Tba為節(jié)點(diǎn)B發(fā)出幀到收到幀的時(shí)間，Tda為節(jié)點(diǎn)A自身延時(shí)，節(jié)點(diǎn)AB間的距離dAB=0.25*c*（Tab+Tba-Tdb-Tda）。

TOF兩種測(cè)距方法都具有精度高、抗擾強(qiáng)、功耗低等特點(diǎn)，符合在礦山井下應(yīng)用的環(huán)境要求。

考慮節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B的晶振誤差限度，SDS-TW-TOA方式理論上能更好地控制不同發(fā)射器間晶振頻率差異引起的測(cè)距誤差。

通過(guò)以上比較，本次設(shè)計(jì)采用SDS-TW-TOA方式的TOF測(cè)距方式。

2 無(wú)線測(cè)距設(shè)計(jì)

礦山井下動(dòng)目標(biāo)的定位測(cè)距，一般通過(guò)在礦井巷道安裝定位測(cè)距接收器、動(dòng)目標(biāo)配備發(fā)射器來(lái)實(shí)現(xiàn)。發(fā)射器發(fā)出標(biāo)識(shí)碼信號(hào)，通過(guò)天線發(fā)射，再由接收器接收。由于被測(cè)目標(biāo)是移動(dòng)的，要求信號(hào)必須具備傳送速度快、容量大、信息傳送可靠的特點(diǎn)。與一般通信系統(tǒng)類似，發(fā)射端必需將信號(hào)編碼、調(diào)制，接收端必需將信號(hào)解調(diào)、譯碼。本次采用FM調(diào)制，編碼、解碼、調(diào)制、解調(diào)均由NRF2401芯片自動(dòng)完成。

TOF測(cè)距是一個(gè)連續(xù)的通訊過(guò)程，節(jié)點(diǎn)間的訪問(wèn)沖突會(huì)導(dǎo)致測(cè)距產(chǎn)生嚴(yán)重偏差甚至測(cè)距失敗。因此，在SDS-TW-TOA測(cè)距中需要設(shè)計(jì)一套無(wú)線空中協(xié)議來(lái)協(xié)調(diào)所有發(fā)射器的測(cè)距和通訊。本次采用TDMA時(shí)分多路存儲(chǔ)方法來(lái)協(xié)調(diào)多個(gè)發(fā)射器的測(cè)距和定位。

空中協(xié)議實(shí)現(xiàn)過(guò)程：

1）接收器廣播空閑時(shí)隙數(shù)據(jù)幀，通知所有發(fā)射器開(kāi)始分配時(shí)隙；

2）發(fā)射器收到后發(fā)送時(shí)隙申請(qǐng)；

3）接收器接受時(shí)隙申請(qǐng)后，確定各定位時(shí)隙并廣播；

4）分配到時(shí)隙的發(fā)射器在規(guī)定時(shí)間完成測(cè)距，然后重新進(jìn)入休眠；未分配到時(shí)隙的發(fā)射器也進(jìn)入休眠；

5）接收器在所有定位時(shí)隙執(zhí)行完后，重新進(jìn)入階段1）。

在無(wú)線通信協(xié)議的物理層加入CCA空閑信道評(píng)估機(jī)制，能減少無(wú)線信道碰撞、增加了無(wú)線并發(fā)數(shù)、降低漏讀率。

根據(jù)定位參照點(diǎn)數(shù)量可分為單點(diǎn)、兩點(diǎn)和多點(diǎn)定位。單點(diǎn)定位只采用一臺(tái)接收器，能定位某個(gè)發(fā)射器到收發(fā)器的距離，不區(qū)分方向。兩點(diǎn)定位采用一臺(tái)收發(fā)器定位、一臺(tái)作為參考點(diǎn)，既定位距離又可區(qū)分方向。由于礦山井下巷道的特殊性（線性特征），只需采用單點(diǎn)定位或兩點(diǎn)定位。

3 基于nRF2401的收發(fā)設(shè)計(jì)

3.1 發(fā)射器設(shè)計(jì)

發(fā)射器采用nFR2401芯片實(shí)現(xiàn)射頻收發(fā)。nRF2401是單片射頻收發(fā)芯片，由頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成，輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置。內(nèi)置地址解碼器、先入先出堆棧區(qū)、解調(diào)處理器、時(shí)鐘處理器、GFSK濾波器、低噪聲放大器、頻率合成器、功率放大器等功能模塊，只需要增加很少外部器件就可組成無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)。芯片功耗低，以-5dBm的功率發(fā)射時(shí)工作電流只有10.5mA，接收時(shí)工作電流只有18mA。

本設(shè)計(jì)采用ShockBurstTM收發(fā)模式，可降低功耗、減少碰撞，自動(dòng)處理字頭和CRC校驗(yàn)碼。

本設(shè)計(jì)采用外部晶振為16MHz，空閑模式工作電流為32uA。

3.2 接收器設(shè)計(jì)

接收器由主控、電源、通信、定位等模塊組成。主控模塊采用LPC2114芯片，電源模塊將18V電源輸入經(jīng)隔離轉(zhuǎn)換成5V和3.3V，通信模塊通過(guò)RS485總線實(shí)現(xiàn)收發(fā)器與上位機(jī)通信。定位模塊采用nRF24E1芯片，其自帶2.4GHz無(wú)線收發(fā)器nRF2401和增強(qiáng)型8051內(nèi)核。

4 結(jié)語(yǔ)

本文所提出的采用TOF（SDS-TW-TOA方式）測(cè)距的精確定位設(shè)計(jì)，經(jīng)測(cè)試能夠?qū)崿F(xiàn)3-5m精度的定位，適應(yīng)礦山井下的應(yīng)用環(huán)境，是一種可行的礦井精確定位設(shè)計(jì)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王琦.基于RSSI測(cè)距的定位算法的實(shí)現(xiàn)[M].電子科技出版社，2012.

[2]范平志，鄧平，劉林. 蜂窩網(wǎng)無(wú)線定位[M].電子工業(yè)出版社，2002.

[3]黃智偉.單片無(wú)線發(fā)射與接收電路設(shè)計(jì)[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2009.

[4]鄭啟忠，朱宏輝，耿四軍.2.4GHz射頻收發(fā)芯片nRF2401及其應(yīng)用[J].武漢理工大學(xué)，2009.

[責(zé)任編輯：田吉捷]