基于LoRa 的礦用精確定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐麗均，黃永勝

（1.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶402260；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400039）

1 引言

近年來(lái)多種精確定位技術(shù)[1-5]廣泛應(yīng)用于煤礦井下人員定位系統(tǒng)中，但這些技術(shù)往往導(dǎo)致設(shè)備成本高、覆蓋半徑小和功耗大等缺點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的礦用精確人員定位系統(tǒng)中，采用基于LoRa（Long Range）的定位技術(shù)，在滿足礦用定位精度要求的前提下，同時(shí)擴(kuò)大了定位系統(tǒng)的覆蓋距離、降低定位系統(tǒng)功耗與設(shè)備成本，有利于精確定位系統(tǒng)在煤礦井下的推廣。

2 精確定位系統(tǒng)

2.1 精確定位技術(shù)

現(xiàn)有煤礦井下常用的精確定位系統(tǒng)[6-9]，大多采用超寬帶（UWB： Ultra Wide Band）定位技術(shù)[10-11]和線性調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)(CSS： Chirp Spread Spectrum)定位技術(shù)[12-15]，這兩種定位技術(shù)雖然定位精度較高，但是都存在設(shè)備價(jià)格高、覆蓋半徑較小、功耗相對(duì)較大等缺點(diǎn)，限制了精確定位系統(tǒng)在煤礦井下的推廣應(yīng)用。

（1）UWB 技術(shù)

UWB 定位技術(shù)通過(guò)在3G-8GHZ 頻譜上傳送極低功率的超寬帶脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了較高的實(shí)時(shí)定位精度，但是使用較寬的頻譜也導(dǎo)致了使用該技術(shù)的相關(guān)設(shè)備造價(jià)較高。

支持UWB 定位技術(shù)的主要代表芯片為DW1000。該芯片使用3.5GHz-6.5GHz 的超寬帶脈沖信號(hào)進(jìn)行定位，最大輸出功率為-9dB·m，接收靈敏度為-106dB·m，定位精度可以達(dá)到1m 以下，但是其定位設(shè)備的覆蓋半徑較小，功耗較高。在文獻(xiàn)[10]及文獻(xiàn)[11]介紹的基于UWB 定位技術(shù)的精確定位系統(tǒng)中，使用DW1000 芯片、平衡-不平衡變換器、特高頻功率放大器和低噪聲放大器等器件構(gòu)成射頻放大電路，可使該精確定位系統(tǒng)的覆蓋距離進(jìn)一步擴(kuò)展到200m，但使用功率放大器等外部電路同時(shí)進(jìn)一步增加了整個(gè)定位系統(tǒng)的功耗和成本。

（2）CSS 技術(shù)

CSS 技術(shù)利用脈沖壓縮技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)信息，使得接收脈沖能量非常集中，因此提高了無(wú)線通信的抗干擾和多路徑效應(yīng)能力。

支持CSS 定位技術(shù)的主要代表芯片為NA5TR1。NA5TR1 芯片工作頻率為2.4GHz，最大輸出功率為0dB·m，接收靈敏度-93dB·m，定位精度可以達(dá)到3m。在文獻(xiàn)[12]至文獻(xiàn)[15]中介紹的基于CSS 定位技術(shù)的精確定位系統(tǒng)，以NA5TR1 芯片為核心，另外還采用了2.4GHz 功率放大器和平衡-不平衡變換器等器件構(gòu)成射頻電路，雖然使該精確定位系統(tǒng)的最大覆蓋距離擴(kuò)展到250m，但額外的射頻電路也導(dǎo)致整個(gè)定位系統(tǒng)的功耗和成本增加，并縮短終端設(shè)備電池的使用壽命。

（3）LoRa 技術(shù)

LoRa (Long Range)是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸技術(shù)。LoRa 調(diào)制技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行獨(dú)有的頻譜擴(kuò)寬處理，使其最大接收靈敏度達(dá)到-139dB·m。LoRa 系統(tǒng)發(fā)射功率非常小，但通信鏈路預(yù)算達(dá)到144dB·m，因此通信設(shè)備可用較低的發(fā)射功率，就能實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的無(wú)線通信，而不需要添加額外的射頻放大電路。同時(shí)，低發(fā)射功率也能大大延長(zhǎng)終端設(shè)備電池的使用壽命。

2.2 精確定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本精確定位系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心、分站、基站和人員標(biāo)簽組成。其中監(jiān)控中心主要用于管理井下人員，以及井下各個(gè)基站參數(shù)配置管理等功能；分站收集各個(gè)基站采集的數(shù)據(jù)并通過(guò)以太網(wǎng)上傳到地面監(jiān)控中心；基站主要負(fù)責(zé)收集人員標(biāo)簽的位置信息等數(shù)據(jù)；工作人員通過(guò)攜帶人員標(biāo)簽與基站完成定位。

圖1 精確定位系統(tǒng)示意圖

2.3 人員標(biāo)簽設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基于LoRa 技術(shù)的人員標(biāo)簽，相對(duì)與基于CSS 技術(shù)和UWB 的人員標(biāo)簽來(lái)說(shuō)，由于減少了射頻放大電路，使其電路結(jié)構(gòu)更加精簡(jiǎn)，人員標(biāo)簽原理圖如圖2 所示。

圖2 人員標(biāo)簽原理圖

人員標(biāo)簽由四部分組成：電源管理模塊、微控制器、LoRa 定位模塊和天線。其中電源管理模塊由電池和電源控制芯片電路構(gòu)成，主要功能為人員標(biāo)簽提供電能；定位模塊由LoRa 定位芯片和射頻匹配電路構(gòu)成，使用LoRa 無(wú)線技術(shù)向基站發(fā)送其位置數(shù)據(jù)；微控制器主要功能為分析從定位模塊中獲取的數(shù)據(jù)，并控制定位模塊與基站進(jìn)行位置信息交換；天線采用陶瓷貼片天線替代外置天線，進(jìn)一步減少了人員標(biāo)簽的尺寸。

2.4 基站設(shè)計(jì)

基站的作用為組建底層網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)井下工作人員攜帶的人員標(biāo)簽的數(shù)據(jù)匯聚和初步處理功能，完成與上層網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互?；局饕善卟糠纸M成：電源管理模塊、微控制器、定位算法模塊、存儲(chǔ)設(shè)備、LoRa 定位模塊、天線和以太網(wǎng)接口。

其中，電源管理模塊將12V 外接本安電源轉(zhuǎn)換為基站內(nèi)部各個(gè)模塊需要的額定電壓；LoRa 定位模塊采用LoRa 無(wú)線技術(shù)獲取基站覆蓋范圍內(nèi)所有人員標(biāo)簽的位置信息；微控制器完成對(duì)定位模塊、定位算法模塊和存儲(chǔ)設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行控制，并通過(guò)以太網(wǎng)接口與監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行通信；定位算法模塊由高速微控制器構(gòu)成，用于初步處理和修正基站收到的各個(gè)人員標(biāo)簽的位置信息；以太網(wǎng)接口為100M 自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，支持10M和100M 兩種通信速度；存儲(chǔ)設(shè)備采用大容量鐵電存儲(chǔ)器，用于保存每個(gè)人員標(biāo)簽的相關(guān)位置數(shù)據(jù)，避免掉電或通信失敗時(shí)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況；基站采用平面扇形天線，位于基站頂部以避免天線被遮擋，即可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線信號(hào)多角度的覆蓋，同時(shí)也有利于基站在井下的部署（圖3）。

圖3 基站原理框圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)在長(zhǎng)度為400 米的模擬巷道中進(jìn)行，在巷道區(qū)域（0m～400m）內(nèi)同時(shí)部署了LoRa 人員標(biāo)簽、CSS 人員標(biāo)簽和UWB 人員標(biāo)簽，LoRa 基站、CSS 基站和UWB 基站均位于（0m）處。

圖4 展示了LoRa 精確定位系統(tǒng)、CSS 精確定位系統(tǒng)以及UWB 精確定位系統(tǒng)分別在其覆蓋區(qū)域內(nèi)的定位精度。從測(cè)試結(jié)果可以得到LoRa 精確定位系統(tǒng)的定位精度在5 米之內(nèi)，覆蓋半徑達(dá)到400 米；CSS 精確定位系統(tǒng)的定位精度在3m 之內(nèi)，覆蓋半徑為250m；UWB 精度定位系統(tǒng)的定位精度在1m 之內(nèi)，覆蓋半徑為200m。

圖4 各個(gè)精確定位系統(tǒng)的定位精度對(duì)比

圖5 LoRa 人員標(biāo)簽的平均測(cè)距電流

圖6 CSS 人員標(biāo)簽的平均測(cè)距電流

圖7 UWB 人員標(biāo)簽的平均測(cè)距電流

圖5 展示了LoRa 人員標(biāo)簽在測(cè)距時(shí)的平均電流。從圖中可以看到，LoRa 人員標(biāo)簽測(cè)距的持續(xù)時(shí)間為25ms，平均測(cè)距電流為23.8mA，如果每十秒進(jìn)行一次測(cè)距，則LoRa 人員標(biāo)簽的平均工作電流約為59.5μA。當(dāng)LoRa 人員標(biāo)簽采用520mAh的CR2450 紐扣電池供電時(shí)，電池的使用壽命可達(dá)到1 年左右。

圖6 展示了CSS 人員標(biāo)簽在測(cè)距時(shí)的平均電流。從圖中可以看到CSS 人員標(biāo)簽員標(biāo)簽測(cè)距的持續(xù)時(shí)間為30ms，平均測(cè)距電流為83.8mA，如果每十秒進(jìn)行一次測(cè)距，則CSS 人員標(biāo)簽的平均工作電流約為251.4μA。當(dāng)CSS 人員標(biāo)簽采用520mAh 的CR2450 紐扣電池供電時(shí)，電池的使用壽命約為3 個(gè)月左右。

圖7 展示了UWB 人員標(biāo)簽在測(cè)距時(shí)的平均電流。從圖中可以看到UWB 人員標(biāo)簽員標(biāo)簽測(cè)距的持續(xù)時(shí)間為35ms，平均測(cè)距電流為163.3mA，如果每十秒進(jìn)行一次測(cè)距，則UWB 人員標(biāo)簽的平均工作電流約為571.6μA。當(dāng)UWB 人員標(biāo)簽采用520mAh 的CR2450 紐扣電池供電時(shí)，電池的使用壽命約為1 個(gè)半月左右。

3.2 試驗(yàn)對(duì)比分析

本文采用基于LoRa 的定位技術(shù)，與基于UWB[10-11]和CSS[12-15]的定位技術(shù)相比，有著覆蓋距離遠(yuǎn)、功耗小、成本低等優(yōu)勢(shì)，如表1 所示。

表1 礦用精確人員定位技術(shù)對(duì)比分析

從表1 的數(shù)據(jù)看出，技術(shù)LoRa 的定位技術(shù)的覆蓋距離比CSS 定位技術(shù)和UWB 定位技術(shù)的覆蓋距離遠(yuǎn)，覆蓋相同長(zhǎng)度的礦井所需布置的基站數(shù)量就相對(duì)較少，不但減少了設(shè)備成本，也降低了井下部署的工作量；而且LoRa 技術(shù)的主要芯片價(jià)格也比CSS 定位技術(shù)和UWB 定位技術(shù)的芯片價(jià)格要低數(shù)倍，所開(kāi)發(fā)的設(shè)備成本就會(huì)更低；人員標(biāo)簽的電池使用時(shí)間長(zhǎng)，可避免經(jīng)常更換電池，因此基于LoRa 定位技術(shù)能有效降低定位系統(tǒng)的維護(hù)成本。

4 結(jié)語(yǔ)

基于LoRa 技術(shù)的礦用精確定位系統(tǒng)覆蓋面積大、測(cè)距誤差較小，易于部署。在實(shí)際應(yīng)用中，與采用CSS 定位技術(shù)和UWB 定位技術(shù)的精確定位系統(tǒng)相比，采用LoRa 定位技術(shù)的精確定位系統(tǒng)的整體部署成本相對(duì)較低，在一定程度上有利于促進(jìn)精確定位系統(tǒng)在煤礦井下的推廣應(yīng)用。