基于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的礦下定位卡設計與實(shí)現

井下人員定位技術(shù)不僅是煤礦智能化考勤和信息化管理的—個(gè)重要組成部分，更是煤礦中搶險救災、最大限度地拯救井下人員生命的關(guān)鍵技術(shù)之一，因此該技術(shù)的研究得到世界各國政府和科技工作者的廣泛關(guān)注。
煤礦井下人員定位系統，其基本目標就是要實(shí)現井下工作人員的實(shí)時(shí)位置定位。就定位問(wèn)題來(lái)說(shuō)，目前主要有基于已經(jīng)存在的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)及GPS的定位技術(shù)。由于井下巷道是一個(gè)深埋在地下的限定非自由空間，GPS信號以及地面蜂窩移動(dòng)網(wǎng)的信號不能到達，所以這些技術(shù)都不能在井下應用。要實(shí)現井下人員無(wú)線(xiàn)定位及跟蹤，需要采用不同的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，井下可應用的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)及可行的定位技術(shù)主要有紅外技術(shù)、RFID技術(shù)、透地通信技術(shù)、漏泄通信技術(shù)及無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)WLAN(Wireless Local Area Network)技術(shù)等。
文中介紹基于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的礦下定位系統中定位卡的設計與實(shí)現技術(shù)。

1 硬件電路設計
定位卡，也稱(chēng)做移動(dòng)臺Mobile Station(MS)，配置給礦井工作人員隨身攜帶，必須滿(mǎn)足重量輕、體積小的要求。在取電方面，采用鈕扣電池供電，可以避免從礦燈中取電存在的安全隱患，采用低功耗設計，實(shí)現電池長(cháng)期工作。
定位卡載有惟一可被識別的數字信息，卡片發(fā)放時(shí)，在地面監控中心的數據庫內建立該卡片內的惟一信息和定位卡攜帶者身份對應的關(guān)系。整個(gè)系統的硬件體系結構，如圖1所示。

1．1 電源
在定位卡中，由于工作環(huán)境比較惡劣及無(wú)線(xiàn)定位卡本身體積要求，通常對電池的性能一般要求達到如下標準：
(1)使用溫度范圍廣，一般要求-30°～50°。
(2)使用壽命長(cháng)，一般要求3年以上。
(3)電池單體電壓高。
(4)約為10 mA的脈沖放電能力。
(5)部分對定位卡體積有特別要求的廠(chǎng)家，要求電池厚度小至3 mm。
為此，選擇型號為CR2450的鋰電池為定位卡供電，CR2450是重量約為6 g，尺寸為35 mm×24．5 mm×5．0 mm的扣式電池，能夠滿(mǎn)足上述要求。
1．2 控制處理單元設計
定位卡的控制處理單元負責對程序的可執行文件的存儲、運行和管理。選擇TI公司生產(chǎn)的16位的微控制器MSP430F2001，該控制器具有如下特性：工作在低電壓狀態(tài)，電壓范圍為1．8～3．6 V、極低的電能消耗等。
整個(gè)硬件控制系統主要包括看門(mén)狗電路、主控芯片和欠壓指示電路組成。
(1)看門(mén)狗電路，其功能就是保證程序能夠正常運行，一旦程序運行出錯時(shí)，它能夠對處理器進(jìn)行及時(shí)復位?？撮T(mén)狗電路分為內置和外置兩種，其中內置電路置于主控芯片內部，作為內置外設的一部分；外置電路可通過(guò)MAX6866芯片組成—個(gè)微電流監視電路。
(2)主控電路，由于定位卡采用一次性電池供電，且要求使用壽命長(cháng)，故能夠以低功耗狀態(tài)工作是選擇主控電路的重要標準，而且定位卡需要存儲的數據量不大。因此，對主控電路的存儲空間要求不苛刻。
(3)欠壓提示設計，為防止因電池能量不足而造成定位卡功能失效，影響整個(gè)定位與管理系統的功能，特設計定位卡具有欠壓提示功能。該功能設計從定位卡現場(chǎng)欠壓提示和欠壓信息上傳中心站兩方面來(lái)考慮。在定位卡現場(chǎng)欠壓提示功能方面，硬件電路由微處理器內置的模擬信號比較器、外圍的1個(gè)電容和1個(gè)發(fā)光二極管組成，如圖2所示。

該模擬信號比較器能夠按電池電壓Vcc的一定比例產(chǎn)生參考電壓Vref或固定值0．85 V。工作時(shí)，比較器首先被配置成按電池電壓Vcc的一定比例產(chǎn)生參考電壓Vref，按此參考電壓對外圍電容充電，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，使電容Vc≈Vref，然后再次配置比較器，對Vc與0．85 V進(jìn)行比較，根據比較結果，若電池達到欠壓狀態(tài)，則通過(guò)發(fā)光二極管定時(shí)閃爍來(lái)提示電池電量不足，需要近期更換電池。在欠壓信息上傳中心站方面，在通訊協(xié)議中通過(guò)設置電壓狀態(tài)標志位顯卡電池能量狀態(tài)信息上傳的功能。
1．3 射頻電路設計
由煤礦無(wú)線(xiàn)通訊特點(diǎn)知，在甚高頻和特高頻段，隨著(zhù)頻率的增大，衰減變小，傳輸距離可達很遠，巷道截面尺寸大于波長(cháng)，巷道對無(wú)線(xiàn)傳輸的影響隨著(zhù)頻率的增高而變小。由于2．4 GHz頻段在巷道中衰減較小，傳輸距離遠，傳輸數據快，具有高數據吞吐量，同時(shí)識別快速移動(dòng)多目標的能力強，適合煤礦環(huán)境。因此選用基于2．4 GHz頻段Connectone公司的Mini Socket iWiFi模塊，起到連接串口和802．11 b／g無(wú)線(xiàn)LAN的作用。該模塊包括iChipTM C02128 IPCommunication ControllerTM芯片和Marven 88 W8686 WiFi芯片組．被封裝成RoHS兼容的緊湊結構—兼容標準的SocketModem管腳。
Mini Socket iWiFi支持針對Socket通訊的SSL3／TLS1、HTTPS、FTPS、WEP、WPA和WPA2 WiFi加密。Mini Socket iWiFi不需要更改主處理器的硬件配置，容易和主配置的PCB連接。并還帶有一個(gè)外接的天線(xiàn)接口。Mini Secure Socket iWiFi不需要或者很少的軟件配置就可以訪(fǎng)問(wèn)無(wú)線(xiàn)LAN。Connectone的高層AT+iTM API使主處理器設備不需要增加WiFi設備、網(wǎng)絡(luò )和安全協(xié)議。AT+i SerialNET操作模式提供一種真正的“即插即用”，使主處理器不需要任何修改。Mini Secure Socket iWiFi固件(IP協(xié)議棧和Intemet配置參數)存貯在外部Flash中。iWiFi是一種節能的模塊，當I／O工作在3．3 V時(shí)，內核工作在1．2 V，節能模式下，功耗將更少。
1．4 天線(xiàn)及其匹配電路設計
天線(xiàn)性能的優(yōu)劣直接決定系統性能的好壞，考慮到定位卡小型化、高靈活性、低價(jià)位的基于2．4 GHz的近距離無(wú)線(xiàn)傳輸的特點(diǎn)，長(cháng)度為λ／4的單極天線(xiàn)射頻系統的組件，和發(fā)射模塊設計在同一塊電路板上，不僅設計方便，還可以通過(guò)改變天線(xiàn)的長(cháng)度來(lái)細調射頻系統的性能。
為了保證模塊產(chǎn)生的高頻信號最有效地發(fā)射出去，實(shí)現信號的較遠距離傳輸，必須在天線(xiàn)和模塊的ANT1、ANT2端提供天線(xiàn)的匹配網(wǎng)絡(luò )，該網(wǎng)絡(luò )有L1，L2，L3，C3，C4，C7，C8，C9等器件組成，能夠與天線(xiàn)形成諧振，保證所有能量全部加在天線(xiàn)上。
結合應用實(shí)際，定位卡采用1．6 mm厚的RF4材質(zhì)的雙層板，在板的頂部和底部均有地層以保證所有器件良好接地。另外，在每個(gè)關(guān)鍵的模擬器件的周?chē)加谐浞值慕拥貐^域，頂層和底層之間通過(guò)大量地過(guò)孔連接，以增強卡片的抗干擾能力。

2 定位卡軟件設計
定位卡硬件系統設計主要是圍繞抗干擾、低功耗等方面進(jìn)行重點(diǎn)設計的。因而，軟件設計也需要圍繞這幾個(gè)方面進(jìn)行，采用模塊化設計思想運用C語(yǔ)言編程實(shí)現定位卡功能。
2．1 軟件功能流程設計
定位卡軟件主要有以下3部分組成：主程序模塊、電源低電壓檢測程序模塊、組織發(fā)送數據程序模塊。主程序模塊實(shí)現對微處理器MCU和Mini Socket iWiFi模塊的初始化配置，然后進(jìn)入掉電模式，以節省電能；電源低電壓檢測程序模塊負責對電池電壓的定時(shí)監測，在定位卡上完成欠壓指示功能的同時(shí)，把欠壓信息送入發(fā)射緩沖區，做為定位卡發(fā)送數據包的一部分進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸；組織發(fā)送數據程序模塊完成接收地址、定位卡MAC地址、無(wú)線(xiàn)信號強度信息及電池狀態(tài)等有效信息由微處理器到發(fā)射模塊Mini Socket iWiFi模塊傳遞。其中，電源低電壓檢測程序和組織發(fā)送數據程序共同構成定位卡的中斷程序。
2．2 主程序設計
首先，關(guān)閉內部看門(mén)狗，防止主程序在對器件配置期間引起復位中斷。由前面硬件部分知，微處理器可以通過(guò)選擇不同的振蕩源來(lái)降低本身功耗。該型處理器有4種基本的時(shí)鐘源，在此通過(guò)配置時(shí)鐘系統寄存器采用內部低功率，低頻率振蕩器Vloclk，能夠產(chǎn)生12 kHz典型頻率。對發(fā)射模塊Mini Socket iWiFi模塊的初始化設置主要包括：測試模塊是否工作正常、設置連接參數等；然后，為電源檢測計數器、指示1min閃爍次數計數器等寄存器賦初值；打開(kāi)內部看門(mén)狗；設置定時(shí)及其初始；為節省能量，使程序進(jìn)入掉電模式，等待定時(shí)器中斷喚醒，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，如圖3所示。