一種多模定位信息礦燈標(biāo)識卡設(shè)計與實現(xiàn)

戴劍波

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400039）

2019 年10 月12 日，山東省出臺《煤礦人員精確定位技術(shù)要求（試行）》文件，2019 年12 月9 日山東省煤監(jiān)局及山東能源集團公司再次出臺文件“關(guān)于加快井下人員精確定位、無線通信及應(yīng)急廣播系統(tǒng)建設(shè)”，其中，明確提出“優(yōu)先選擇與礦燈一體化的標(biāo)識卡”。2019 年11 月由中國礦業(yè)大學(xué)（北京）孫繼平起草的《煤礦井下人員定位系統(tǒng)通用技術(shù)條件》發(fā)布征求意見稿，文件對人員定位系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)要求較AQ6210 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容要求均有很大提升。

目前，煤礦井下作業(yè)人員大部分攜帶RFID 技術(shù)區(qū)域標(biāo)識卡，將RFID 人員管理系統(tǒng)一次性升級為精確人員定位系統(tǒng)，系統(tǒng)產(chǎn)品需要全部更換，改造成本過高。信息礦燈在充電過程中因為充電架電壓、電流不穩(wěn)定容易造成內(nèi)置標(biāo)識卡損壞，導(dǎo)致工作電流增大，縮短礦燈照明時間，影響礦工井下安全作業(yè)。為此，設(shè)計了一種低功耗、過壓、過流自診斷保護特點的多模定位礦燈標(biāo)識卡，該礦燈標(biāo)識卡可以提高礦燈安全可靠性，減輕作業(yè)人員下井?dāng)y帶負擔(dān)，煤礦企業(yè)可以從局部改造逐步實現(xiàn)全礦井精確覆蓋，降低企業(yè)經(jīng)濟負擔(dān)，提高生命安全保障[1-3]。

1 標(biāo)識卡原理框圖

定位標(biāo)識卡主要由：過壓保護電路、過流保護電路、指示燈電路、ZigBee 射頻電路、ZigBee 功率放大電路、RFID 射頻電路、按鍵幾部分組成。多模定位礦燈標(biāo)識卡硬件設(shè)計原理框圖如圖1。

圖1 多模標(biāo)識卡硬件設(shè)計原理框圖Fig.1 Principle block diagram of a multi-mode lamp identification card

ZigBee 射頻電路及ZigBee 功放電路實現(xiàn)精確定位測距、RFID 射頻電路實現(xiàn)區(qū)域人員管理，RFID射頻電路與ZigBee 射頻電路通過ATSAMR21G18A單芯片集中控制。

2 標(biāo)識卡硬件

2.1 過壓保護電路

標(biāo)識卡具有過壓自診斷保護功能。礦燈電池在充電架充電或充電異常時，峰值電壓可能超出正常工作范圍，采用寬范圍輸入DC-DC 電源芯片或LDO 芯片穩(wěn)壓其靜態(tài)電流過大不能滿足低功耗，因此，設(shè)計使用分立元件實現(xiàn)對后級電路限壓保護，滿足低功耗、低成本要求。過壓保護電路如圖2。

圖2 過壓保護電路Fig.2 Over voltage protection circuit

圖2 中，Z1為5.1 V 穩(wěn)壓管，三極管Q1導(dǎo)通電壓為0.7 V，MOS 管Q3開啟電壓最低為0.7 V，當(dāng)標(biāo)識卡輸入電壓高于1.4 V，低于5.87 V 時，三極管Q1、Q2均處于截止?fàn)顟B(tài)，MOS 管Q3柵極電壓為源極電壓1/2，Q3處于導(dǎo)通狀態(tài)，礦燈電池供標(biāo)識卡正常工作；當(dāng)標(biāo)識卡輸入電壓高于5.87 V 時，三極管Q1基極鉗位電壓大于0.7 V，處于導(dǎo)通狀態(tài)，同時，Q2導(dǎo)通，MOS 管Q3柵極電壓與源極電壓相等，處于關(guān)斷狀態(tài)，對后級電路實現(xiàn)過壓保護功能。

2.2 過流保護電路

礦燈充電頻率較高，在充放電過程中或工作異常時會出現(xiàn)負載電流過大情況，不加以保護會直接損壞礦燈標(biāo)識卡，同時縮短礦燈照明正常使用時間，影響礦工井下安全作業(yè)。標(biāo)識卡設(shè)計增加電流監(jiān)測電路，在負載超出設(shè)定正常電流值時，自動關(guān)斷后級電路供電，同時指示燈常亮提示故障。過流保護電路如圖3。

圖3 過流保護電路Fig.3 Over current protection circuit

圖3 中，U1為ZXCT1010 電流監(jiān)測芯片，采樣電阻Rs產(chǎn)生電壓差即可將其轉(zhuǎn)換為同比例電流Iout輸出，通過R7轉(zhuǎn)換成電壓值，過流保護值可以根據(jù)應(yīng)用需求設(shè)置。標(biāo)識卡最大峰值脈沖電流為0.135 A，過流保護值設(shè)為0.2 A，當(dāng)Is=0.2 A時，URs=Rs×Is=0.1×0.2=0.02 V，Utemp=0.01×URs×R7=0.01×0.02×3.5×1 000=0.7 V。當(dāng)Is低于0.2 A 時，Utemp＜0.7 V，三極管Q4截止，MOS 管Q5、Q6導(dǎo)通，標(biāo)識卡正常工作；當(dāng)異常狀態(tài)Is＞0.2 A 時，三極管Q4導(dǎo)通，MOS 管Q5、Q6關(guān)斷，Uout=0 V，負載自動斷電，D1指示燈處于常亮狀態(tài)提示，從而整個電路實現(xiàn)過流自動保護。

2.3 射頻功率放大電路

RFID 射頻部分在井下原有網(wǎng)絡(luò)中工作，不需要單獨增加功放延長通信距離，僅實現(xiàn)井下作業(yè)人員區(qū)域管理功能。ZigBee 射頻部分進行精確測距，射頻電路選用Microchip 公司ATSAMR21G18A 主芯片設(shè)計，內(nèi)部集成AT86RF233 無線收發(fā)器及MCU，芯片采用AOA 定位算法，通過在接收端對發(fā)射端依次產(chǎn)生的相同初相位不同頻率的射頻信號進行相位測量，從而計算出節(jié)點間的距離。延長標(biāo)識卡與基站之間通信距離，可降低煤礦企業(yè)成本。因此，在射頻輸出端設(shè)計增加功率放大器[4-6]。

功率放大的選型通過自由空間傳播無線通信距離式（1）理論分析出功率放大芯片所需放大倍數(shù)。已知：ATSAMR21G18A 射頻芯片接收靈敏度Pr為－99 dBm，中心頻率f 為2.45 GHz，通信距離D 設(shè)計為400 m，發(fā)射天線增益Gt為2 dBi，接收天線增益Gr為5 dBi，發(fā)射功率未知，利用自由空間傳播時的無線通信距離D 的計算公式為：

式中：Pt為發(fā)射功率，dBm；Gt為發(fā)射天線增益，dB；Gr為接收天線增益，dB；Pr為接收靈敏度，dBm；35 為大氣衰減，dB；D 為通信距離，km；f 為中心頻率，MHz。

根據(jù)式（1）計算出發(fā)射功率Pt＝21.5 dBm，設(shè)計選用Skyworks 公司的SE2431L 射頻功率放大芯片，輸出增益可達21 dB（3.0 V DC）。射頻功率放大器電路如圖4。

圖4 射頻功率放大設(shè)計電路Fig.4 Design circuit of RF power amplifier

圖4 中，U2為ZigBee 射頻主芯片，RFN 和RFP管腳為射頻信號差分輸出，功率放大芯片U4為單端射頻輸入，U3為寬帶射頻傳輸線變壓器2450BM15A0015，可以將差分輸出信號轉(zhuǎn)換為單端輸入信號，通過對U4管腳CSD、CPS、CTX 不同組合配置，功率放大器可以工作在休眠、收/發(fā)旁路、低噪聲放大接收、功率放大發(fā)送幾種不同狀態(tài)，從而達到延長通信距離和降低系統(tǒng)功耗的目的。C8、C9、L1組成π 型網(wǎng)絡(luò)，調(diào)整射頻輸出與天線之間阻抗匹配。RFID 射頻電路通過SPI 接口與ATSAMR21G18A 主芯片通信，完成數(shù)據(jù)收發(fā)。

2.4 倒F 微帶天線

根據(jù)計算值建立仿真模型，經(jīng)過仿真優(yōu)化，最終確定倒F 天線設(shè)計尺寸天線高度H 為4 mm，諧振長度L 為15 mm，2 條豎直臂之間距離D 為4 mm，將仿真結(jié)果導(dǎo)出.dxf 文件，再導(dǎo)入cadence 畫圖軟件，可以直接制板設(shè)計應(yīng)用。

3 標(biāo)識卡軟件

定位標(biāo)識卡軟件主要實現(xiàn)：電池電壓、振動傳感器檢測、超低功耗休眠管理、ZigBee 定位測距、RFID定位測距等功能。標(biāo)識卡采用周期性主動喚醒并廣播入網(wǎng)請求，發(fā)送數(shù)據(jù)時間極短，休眠時間遠遠大于發(fā)送數(shù)據(jù)時間，RFID 與ZigBee 射頻單元根據(jù)周圍網(wǎng)絡(luò)環(huán)境自適應(yīng)選擇1 種工作，在有RFID 網(wǎng)絡(luò)時，關(guān)閉ZigBee 射頻部分電路；在有ZigBee 網(wǎng)絡(luò)時，關(guān)閉RFID 射頻部分電路，可以大大降低功耗；標(biāo)識卡廣播入網(wǎng)請求后，選擇RFID 入網(wǎng)或ZigBee 入網(wǎng)，如果ZigBee 入網(wǎng)成功，在規(guī)定的測距周期里采用AOA測距算法與基站進行測距，通過計算相對方向角獲得位置信息，并發(fā)送基站測距信息，如果RFID 入網(wǎng)成功，根據(jù)無線通信信號強度值反推出其所處的大概區(qū)域。軟件設(shè)計流程示意圖如圖5。

圖5 軟件設(shè)計流程示意圖Fig.5 Software design flow chart

4 測試結(jié)果

1）發(fā)射功率測試。射頻輸出功率是衡量無線傳輸設(shè)計好壞的重要指標(biāo)之一。標(biāo)識卡通過增大發(fā)射信號功率和接收信號靈敏度設(shè)計，提高無線傳輸可靠性與傳輸距離，從而有效保證定位精度的穩(wěn)定性。采用頻譜分析儀對標(biāo)識卡ZigBee 射頻電路發(fā)射功率進行測試，發(fā)射功率為22 dBm，理論計算為：射頻芯片輸出4.0 dBm，功率放大芯片增益在3.0 VDC輸出21 dB，理論計算應(yīng)輸出25 dBm，考慮射頻饋線損耗、天線轉(zhuǎn)接頭損耗、PCB 加工誤差等因素，實測輸出結(jié)果22 dBm 基本符合理論設(shè)計需求。

2）通信距離及定位精度測試。通過對ZigBee 射頻單元進行功率放大設(shè)計和倒F 微帶天線設(shè)計，加工樣品模塊，在靜止、可視無遮擋狀態(tài)下，將10 張定位標(biāo)識卡放在400 m 處，對標(biāo)識卡通信距離及精度進行了測試，基站以1 s 的測距周期與標(biāo)識卡進行測距，一共采集了2 000 個數(shù)據(jù)，測試結(jié)果為在±2 m的范圍內(nèi)的個數(shù)為2 000 個，可以達到100.00%；在±1 m 的范圍內(nèi)的個數(shù)為1 682 個，可以達到84.1%。通過增加射頻功率放大芯片和軟件濾波算法處理，實現(xiàn)有效覆蓋范圍達到400 m，測距精度±2 m，完全適用煤礦精確定位需要[9-10]。由于RFID 射頻部分和ZigBee 射頻部分均工作在2.4 GHz，相互之間存在射頻信號干擾，標(biāo)識卡采用L 型結(jié)構(gòu)設(shè)計，分別安裝礦燈電池盒側(cè)位和電池盒上蓋位置，并保留10 mm 天線凈空區(qū)。

5 結(jié) 語

設(shè)計一種低功耗多模定位礦燈標(biāo)識卡，標(biāo)識卡具有過壓、過流自診斷及保護功能，保證礦燈正常使用時間。多模定位礦燈標(biāo)識卡將RFID 及ZigBee 定位功能集成礦燈中，既兼容傳統(tǒng)RFID 系統(tǒng)，又適用ZigBee 定位系統(tǒng)，有助于煤礦人員定位系統(tǒng)逐步升級改造，滿足現(xiàn)場不同環(huán)境下差異化定位場景的需求。目前已經(jīng)取得煤礦本質(zhì)安全認證，在山東煤礦進行工業(yè)性試驗。煤礦人員定位系統(tǒng)從傳統(tǒng)的區(qū)域人員管理升級為人員精確定位，可以準(zhǔn)確統(tǒng)計井下作業(yè)人員數(shù)量及位置信息，緊急情況下快速撤離及響應(yīng)，提升生命安全保障。