采用射頻Soc nRF9E5礦井人員定位系統的設計

引言：
煤礦是我國安全生產(chǎn)事故多發(fā)行業(yè)，百萬(wàn)噸死亡率高達7.86,對井下工作人員進(jìn)行定位跟蹤已顯得十分重要。目前國內的礦井人員定位系統大多采用RFID技術(shù)進(jìn)行人員定位。用傳統RFID進(jìn)行定位的缺點(diǎn)是：功能單一，僅具編碼識別功能；信號傳輸可靠性低；信號識別距離短；漏讀率高。鑒此，本文采用射頻Soc nRF9E5來(lái)設計礦井人員定位系統。通過(guò)軟件編程，使得nRF9E5芯片在實(shí)現RFID功能的基礎上，還能實(shí)現無(wú)線(xiàn)報警功能。
1. 系統整體結構及工作原理：
1.1 系統的整體結構及功能：
礦井人員定位系統結構分為井上和井下兩部分，其結構簡(jiǎn)圖如圖1。

圖1 礦井人員無(wú)線(xiàn)定位系統結構簡(jiǎn)圖
其中智能定位基站負責采集處理礦井人員的身份編碼，坑道氣體濃度，溫濕度等信息，并將它們送給地面監控主機；智能卡里保存有員工的身份編碼，并不斷得向周?chē)l(fā)送該編碼，礦難發(fā)生時(shí)可發(fā)無(wú)線(xiàn)報警信號；數據接口負責將井下現場(chǎng)總線(xiàn)信號轉換為RS-232信號；HUB用于地面設備網(wǎng)絡(luò )連接；監控主機用來(lái)運行管理軟件，在計算機屏幕上直觀(guān)動(dòng)態(tài)顯示井下人員的分布情況，使管理者一目了然；服務(wù)器里存放數據庫，供監管部門(mén)通過(guò)INTERNET遠程監控；打印機主要用來(lái)打印人員監測管理等報表。
正常情況下，該系統為煤礦管理人員提供人員實(shí)時(shí)監控、進(jìn)出限制、考勤作業(yè)等多方面的管理信息。當發(fā)生安全事故時(shí)，搜救人員通過(guò)該系統立刻可知被困人員的位置，保證搶險救災和安全救護工作的高效運作。
1.2 定位原理：
井下智能定位基站里的讀卡器不斷地向其周?chē)l(fā)送無(wú)線(xiàn)信號。每個(gè)讀卡器都有一個(gè)有效的信號覆蓋區。礦工隨身攜帶的智能卡進(jìn)入這些信號覆蓋區后被激活，將保存在其內的員工數據信息發(fā)送給讀卡器；定位基站經(jīng)讀卡器接收到該數據后，將代表巷道地理位置的基站編碼連同收到的員工數據一起打包送至地面計算機；地面監控計算機收到此信息后，經(jīng)相應的監控軟件分析計算工作人員所在具體位置。
2.硬件設計：
本系統的智能卡和智能定位基站里的讀卡器是基于nRF9E5設計的。一對nRF9E5就能組成一人員定位終端。該終端用于礦工的身份識別，以對礦工進(jìn)行定位，是系統的核心部分。
2.1 nRF9E5 芯片簡(jiǎn)介：
nRF9E5是Nordic VLSI公司于2004年推出的系統級RF芯片，該芯片內置nRF905 433/868/915MHz收發(fā)器、8051兼容微控制器和4輸入10位80ksps A/D轉換器，QFN5×5mm封裝。相關(guān)文獻資料表明，1GHz附近頻段無(wú)線(xiàn)電波最適于進(jìn)行井下無(wú)線(xiàn)數據傳輸?？諘绲豱RF9E5最大收發(fā)距離可達300米，樓道內收發(fā)也能達100米，其最大發(fā)射功率僅10DBm（10毫瓦），收發(fā)狀態(tài)切換時(shí)間小于650微秒，非常適于井下人員定位。
2.2 基于nRF9E5的智能卡硬件設計
智能卡采用nRF9E5無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片作為射頻通信芯片。智能卡里保存有員工的身份編碼，該編碼唯一在監控主機數據庫里，與該編碼對應存放著(zhù)員工的姓名、籍貫、年齡、民族等相關(guān)信息。智能卡的電路原理圖如圖2。

其中ANT1和ANT2為天線(xiàn)連接引腳,外接單天線(xiàn)終端裝置，晶振工作頻率為16MHz。25AA320為EEPROM，在nRF9E5上電后，系統根據引導程序，把25AA320中的程序代碼拷貝到nRF9E5的4KB RAM中。LM1117為電源管理模塊，把5V電平轉化為nRF9E5可用的3.3V。外部中斷P03，P04口接兩按鍵，用于無(wú)線(xiàn)報警。AN0～AN3為外部A/D輸入口，可擴展4路A/D輸入，用于溫度，濕度，瓦斯濃度等信號的采集。
2.3 基于nRF9E5的讀卡器硬件設計：
讀卡器在定位基站里，主要負責采集智能卡發(fā)出的員工身份編碼及無(wú)線(xiàn)報警信號，并將采集到的信號送定位基站的微處理器處理。讀卡器里存著(zhù)定位基站編碼，該編碼唯一，與井上監控主機所顯示電子地圖里的坑道位置相關(guān)。讀卡器硬件電路與智能卡硬件電路相似。不同之處是去掉了兩按鍵，nRF9E5的P01、P02口通過(guò)1K電阻與單片機串口連接。
3．軟件設計：
3.1 無(wú)線(xiàn)數據通訊協(xié)議：
多點(diǎn)通信時(shí)，防止各節點(diǎn)之間通信數據發(fā)生碰撞是關(guān)鍵。常見(jiàn)的避免無(wú)線(xiàn)通信沖突的方法有：頻分多址技術(shù)（FDMA），載波監聽(tīng)技術(shù)（CSMA），時(shí)分多址技術(shù)（TDMA）。本系統采用TDMA技術(shù)。TDMA技術(shù)將點(diǎn)對多點(diǎn)的通信方式轉化為點(diǎn)對點(diǎn)的通信，因此必然要考慮主接收點(diǎn)與各移動(dòng)節點(diǎn)之間建立通信連接時(shí)的地址匹配問(wèn)題。由于主接收點(diǎn)與移動(dòng)節點(diǎn)之間的通信可能會(huì )受到其它數據終端或外界環(huán)境的干擾而發(fā)生錯誤，因此，需要通過(guò)通訊協(xié)議來(lái)保證數據傳輸的可靠性。