基于UWB 技術(shù)的煤礦井下定位系統(tǒng)研究與設(shè)計

肖玉龍

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)信息化中心， 山西 大同 037000）

引言

煤炭開采主要以井下開采方式為主，生產(chǎn)設(shè)備的種類、數(shù)量較多，清點整理工作較難開展[1]。在日常的設(shè)備管理過程中，設(shè)備的位置信息模糊，透明度較低，無法進(jìn)行科學(xué)的調(diào)度與利用，導(dǎo)致出現(xiàn)部分工作面設(shè)備冗余，部分工作面無設(shè)備可用的局面[2-3]?；谏鲜鰡栴}可知，設(shè)計一種設(shè)備的定位系統(tǒng)，建立科學(xué)的設(shè)備管理體系，對煤礦的安全、高效發(fā)展具有重要意義。目前，井下的定位系統(tǒng)多采用RFID、WIFI、ZigBee 及藍(lán)牙通信的無線定位技術(shù)，但是這幾種技術(shù)的環(huán)境適應(yīng)性較差，易受到噪聲干擾，傳輸距離無法滿足井下長距離的傳輸需求。本文針對上述問題，提出了一種基于超寬帶技術(shù)（UWB）的井下無線定位系統(tǒng)，相較于傳統(tǒng)無線通信技術(shù)，UWB 無線通信采用GHz 帶寬的脈沖信號實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，可適應(yīng)井下復(fù)雜環(huán)境，實現(xiàn)井下設(shè)備的精確定位。

1 定位系統(tǒng)總體方案

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于UWB 技術(shù)的無線定位系統(tǒng)框架如圖1 所示。系統(tǒng)可分為井上與井下兩部分，井下部分主要由定位分站、讀卡器與定位標(biāo)簽組成。定位標(biāo)簽體積較小，方便攜帶，一次充電最多可連續(xù)使用6 個月，并配有加速度傳感器，用于判斷物體的運動狀態(tài)。讀卡器安裝于固定位置，且位置信息儲存于系統(tǒng)中，讀卡器以一定周期向周圍的定位標(biāo)簽發(fā)送UWB 信號，用于喚醒周邊的定位標(biāo)簽，標(biāo)簽向讀卡器發(fā)送自己的ID 信息，讀卡器將對定位標(biāo)簽進(jìn)行測距，且將測距數(shù)據(jù)綁定ID 信息發(fā)送到定位分站。定位分站對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的分析，并將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)轿恢媒馑惴?wù)器。井上部分主要由主機、位置解算服務(wù)器等組成，服務(wù)器利用定位算法對井下的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析，確定各定位標(biāo)簽的具體位置坐標(biāo)。將位置坐標(biāo)存儲于數(shù)據(jù)庫，方便對標(biāo)簽歷史軌跡進(jìn)行回放與查詢。定位結(jié)果通過上位機進(jìn)行顯示，實現(xiàn)目標(biāo)的實時跟蹤。

圖1 系統(tǒng)總體方案結(jié)構(gòu)

1.2 UWB 技術(shù)

UWB 是一種短距離無載波的無線通信技術(shù)，頻譜寬度為所有無線通信中的最大值。本系統(tǒng)利用UWB 技術(shù)進(jìn)行無線通信與位置測定，其中標(biāo)簽的位置測定采用基于信號強度的測距算法。系統(tǒng)中讀卡器的位置已知，標(biāo)簽的位置未知，通過測量定位標(biāo)簽與讀卡器之間信號的強弱，利用信號強度與傳播環(huán)境衰減模型，估算出讀卡器與定位標(biāo)簽之間的距離。為了保證測量精度，需要估算同一標(biāo)簽與周邊三個讀卡器的距離，利用三邊測量法對標(biāo)簽的具體位置進(jìn)行二維定位。測距算法的具體原理如公式1 所示：

式中：Pr（d）為讀卡器接收到的信號強度值，dBm；P為標(biāo)簽發(fā)射信號的功率，W；G 為標(biāo)簽發(fā)射端增益，dBm；Gr為讀卡器接收端增益，dBm；λ 為路徑損耗系數(shù)；d 為發(fā)射端與接收端之間的距離，m。

由上式可知，當(dāng)各參數(shù)已知的情況下，接受到的信號強度值只與距離有關(guān)，且呈反比例關(guān)系。該測距算法結(jié)構(gòu)簡單，搭建安裝容易，UWB 信號的超寬帶寬可有效增加信號抗干擾能力，保證測距的精度。

2 定位分站設(shè)計

定位分站為系統(tǒng)井下層與井上層的通訊媒介，通過RS485 串口通信與讀卡器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過工業(yè)以太網(wǎng)與井上服務(wù)器進(jìn)行通信，同時需要將對讀卡器的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單分析。定位分站主要包括處理器模塊、電源模塊、RS485 通信模塊與以太網(wǎng)接口電路等，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。處理器選用TI 公司的MCU 處理器，型號為STM32F103，內(nèi)部配有高速存儲電路，具有正常、睡眠、待機三種工作模式，在定位標(biāo)簽處于靜止?fàn)顟B(tài)，定位分站處于待機模式，有效降低功耗。為了實時反映目標(biāo)軌跡，分站處理器采用MII 以太網(wǎng)接口，及時將信息傳輸?shù)骄衔恢梅?wù)器。RS485 通信模塊采用5 V 直流電源供電，分站處理器與以太網(wǎng)接口電路采用3.3 V 直流電源供電，轉(zhuǎn)換電路采用AMS1117-3.3 低壓差線性穩(wěn)壓芯片，最大可提供1 A 電流。

圖2 定位分站結(jié)構(gòu)設(shè)計

3 讀卡器設(shè)計

讀卡器是定位標(biāo)簽與定位分站之間的通信中轉(zhuǎn)站，通過測距算法與定位標(biāo)簽完成UWB 信號的交互，并利用RS485 總線將測得的位置數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉ㄎ环终?。讀卡器采用的硬件結(jié)構(gòu)類似于定位分站，具體結(jié)構(gòu)如圖3 所示，采用MCU 微處理器，通過SPI接口與UWB 信號收發(fā)電路連接。讀卡器利用DW1000 模塊實現(xiàn)UWB 信號的接收與發(fā)送，保證讀卡器與定位標(biāo)簽之間的信號連接。DW1000 模塊集成度高、體積小，方便安裝，傳輸信號的抗干擾能力強，直線傳輸距離可達(dá)180 m，在井下巷道中依舊可保持35 m 左右的傳輸距離，為標(biāo)簽的精確定位提供保障。DW1000 芯片具有睡眠、喚醒、發(fā)射與接收四種工作模式。在睡眠模式下，工作電流為幾百納安，可有效降低功耗，提高使用壽命。DW1000 芯片通過SPI 接口與MCU 處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，處理器通過中斷請求接收DW1000 芯片的事件。

圖3 讀卡器結(jié)構(gòu)設(shè)計

4 定位標(biāo)簽設(shè)計

定位標(biāo)簽固定于目標(biāo)設(shè)備，采用鋰電池進(jìn)行供電，為了保證標(biāo)簽可持續(xù)工作，系統(tǒng)采用低功耗設(shè)計，同樣采用MCU 微處理器，無線模塊采用DW1000 芯片，除此之外，定位標(biāo)簽配有加速度傳感器用于檢測目標(biāo)運動狀態(tài)，當(dāng)目標(biāo)處于靜止?fàn)顟B(tài)時，開啟處理器模塊與無線通信模塊的睡眠模式，可降低定位標(biāo)簽功耗，延長電池使用壽命。定位標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。加速度傳感器采用MPU6050 芯片，正常運行電流為300 μA，通過QFN 封裝，占用空間較小，滿足定位標(biāo)簽尺寸要求，采用I2C 接口輸出9軸信號與MCU 處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。定位標(biāo)簽采用可充電式的鋰電池供電，輸出3.7 V 直流電源，經(jīng)過升壓電路與穩(wěn)壓電路后輸出3.3 V 直流電源，為無線通信模塊與加速度傳感器提供電源。

圖4 定位標(biāo)簽結(jié)構(gòu)設(shè)計

5 應(yīng)用效果分析

在系統(tǒng)應(yīng)用于實際工況前，需要進(jìn)行一系列調(diào)試試驗，通過在實驗環(huán)境下模擬巷道環(huán)境，布置若干個定位分站、讀卡器與定位標(biāo)簽，測試系統(tǒng)的定位精度。試驗過程采用靜態(tài)定位的方式，將3 個讀卡器與1 個定位標(biāo)簽布置于實驗室環(huán)境中，并施加一定的射頻干擾信號，每組坐標(biāo)測量10 次，定位試驗結(jié)果如下頁表1 所示。試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)的定位誤差均小于0.5 m，方差小于0.3 m，較為穩(wěn)定，滿足礦井設(shè)備的定位精度需求。

表1 系統(tǒng)定位試驗結(jié)果 m

6 結(jié)語

本文設(shè)計了一種基于UWB 技術(shù)的井下定位系統(tǒng)，采用信號強度測距算法，測量定位標(biāo)簽與讀卡器之間距離，利用三邊測量法進(jìn)行二維定位，通過調(diào)試試驗證明，系統(tǒng)的定位精度滿足井下設(shè)備定位需求，有助于提高煤礦的科學(xué)、安全管理水平。