基于藍牙傳輸的便攜式定位儀設計與實現

王 偉，陳 賢，金業(yè)勇

（1.中煤科工集團常州研究院有限公司，江蘇常州 213015；2.天地（常州）自動化股份有限公司，江蘇常州 213015）

安標國家礦用產品安全標志中心于2021 年7月發(fā)布的《煤礦井下人員定位系統(tǒng)安全技術要求》（試行）推動了煤礦井下人員定位系統(tǒng)由區(qū)域定位向精確定位的全面升級。文件中對便攜式定位儀提出了明確要求，因此現有的標識卡搜索儀和手持終端須向符合新標準的便攜式定位儀進行升級[1-2]。

現有的標識卡搜索儀一般采用單片機作為主控并結合無線定位模塊實現搜卡功能，使用實體按鍵與顯示屏作為人機交互接口，并配有專用的充電器。此類設備在使用上操作簡單、成本較低，但其結構較復雜、功能單一且可擴展性差?，F有的人員定位手持終端一般采用定制的礦用安卓智能手機或平板電腦作為人機接口的載體，該手機或平板電腦通過定制的供電和通信接口與無線定位組件連接[3-4]。此類手持終端具有友好的人機交互界面，功能豐富且可擴展性強，但其定制成本高，特別是智能手機和平板電腦更新換代極快，而此類礦用產品體量較小，在安標資質5 年周期的中后期，容易出現原設計使用的智能手機和平板電腦已經停產，進而導致無法生產的困境。

綜合分析上述標識卡搜索儀和人員定位手持終端的優(yōu)缺點，設計了一種基于藍牙傳輸的便攜式定位儀，其可單獨使用，也可以配合礦用智能手機使用，具有結構簡單、成本低、兼容性高和擴展性好等優(yōu)點，同時滿足煤礦企業(yè)從局部改造逐步實現全礦井精確覆蓋的需求，可降低企業(yè)經濟負擔，提高安全管理水平。

1 定位儀結構組成

便攜式定位儀硬件設計原理框圖如圖1。定位儀主要由錳酸鋰電池、本安保護電路、充電電路、主控MCU 電路、RFID 射頻電路、UWB 射頻電路、藍牙射頻電路、6 軸陀螺儀電路、OLED 屏、指示燈、按鍵等幾部分組成。定位儀從硬件上可以劃分為電池組件、定位組件和藍牙組件3 個主要組成部分。

圖1 定位儀電氣原理框圖Fig.1 Electrical block diagram of locator

2 關鍵組件

2.1 電池組件

設計采用3.7 V/2 500 mAh 單節(jié)錳酸鋰電池與本安保護電路連接組成本安電池，同時將整個電池組件澆封。本安保護電路采用雙重半導體限流，限流電阻和熔斷器達到Ia 級三重化保護，以滿足標準中對使用于人員定位系統(tǒng)中的便攜式定位儀應符合EPL Ma 的要求。電池組件原理圖如圖2。

圖2 電池組件原理圖Fig.2 Schematic diagram of battery components

設計選用3 個0.18 Ω、2 W 的正偏值限流電阻串聯，等效電阻0.54 Ω、6 W，熔斷器選用1.5 A 一次性快速保險絲，冷態(tài)電阻為0.115 Ω。錳酸鋰電池最大輸出電壓4.2 V，電池的最大輸出功率P=U2/R=4.2×4.2/（0.54+0.115）=26.9 W，參照GB 3836.4—2010 標準10.5.3 規(guī)定的單體電池的峰值開路電壓小于4.5 V，單體電池端子處的最大輸出電壓和瞬態(tài)電流的乘積不超過33 W，滿足上述要求。限流電阻功率要求1.5×（In×1.7）2×限流器件的最大電阻=1.5×（1.5×1.7）2×0.54=5.3 W＜6 W，滿足功率要求[5-6]。半導體限流電路采用典型的鋰電池集成保護芯片S8261，具有對鋰電池進行過充電、過放電和過電流等全面的保護功能，本安部分主要采用其ms 級的過電流保護功能，使用雙重半導體限流組成一個可靠的組件。

充電接口采用主流的Type-C 接口，以兼容現使用最廣泛的手機充電設備，充電電路中設置3 只阻塞二極管串聯，防止向充電觸點釋放足以點燃的能量。

2.2 藍牙組件

藍牙組件是定位組件與礦用智能手機之間數據交互的中間紐帶，為兩者提供一種無線數據交互的方法[7-8]，藍牙組件原理框圖如圖3。

圖3 藍牙組件原理框圖Fig.3 Schematic diagram of Bluetooth components

藍牙組件工作狀態(tài)由3 種工作模式組成，分別為休眠模式、廣播模式、透傳模式。各個工作模式的詳細說明如下：

1）休眠模式。該模式下藍牙芯片處于SYSTEMOFF 最低功耗模式，系統(tǒng)的內核和所有在運行的任務都會停止，僅響應GPIO 電平喚醒。休眠模式下電流小于1 μA，功耗極小，用于定位儀在倉儲過程中和作為備用機等長時間不使用的情況。在休眠模式下，當定位組件檢測到按鍵電平變化或陀螺儀振動產生的中斷信號時，向藍牙組件IO 口輸出電平變化，使其退出休眠模式，進入廣播模式。

2）廣播模式。該模式下藍牙組件工作在從設備模式，發(fā)送廣播包等待礦用智能手機藍牙主機的連接，連接成功后進入透傳模式；當藍牙廣播狀態(tài)超時未連接時，藍牙模組進入休眠模式。該模式下廣播間隔100 ms，廣播超時300 s，藍牙組件的平均工作電流在150 μA 左右，工作時間短，1 個廣播周期的功耗對整機續(xù)航時間不會造成影響。

3）透傳模式。礦用智能手機主動連接廣播模式下的藍牙組件建立連接，藍牙組件通過IO 口的電平變化通知定位組件藍牙的連接狀態(tài)，該模式下，藍牙組件采用透傳機制傳輸定位組件與礦用智能手機之間的通信數據。當手機端主動斷開或藍牙組件檢測到長時間無藍牙數據通信時斷開藍牙連接，退出透傳模式，進入廣播模式。透傳模式下藍牙組件的平均工作電流在2 mA 以內。

藍牙工作模式切換過程如圖4。

圖4 藍牙工作模式切換過程Fig.4 Bluetooth working mode switching process

外設功能如下：①串口：與定位組件主控的串口連接，雙向數據傳輸，通過藍牙組件實現數據透傳；②喚醒信號輸入：定位組件IO 口輸出，用于藍牙組件休眠后喚醒；③連接狀態(tài)輸出：通過高低電平向定位組件指示藍牙連接狀態(tài)，藍牙未連接，定位組件工作在原有功能；藍牙連接時，定位組件通過串口收發(fā)數據，實現功能擴展；④LED 指示燈：常亮表示藍牙已連接，藍牙組件工作在透傳模式，閃爍表示藍牙組件工作在廣播模式，熄滅表示藍牙組件處于休眠模式。

2.3 定位組件

定位組件原理框圖如圖5。定位組件是實現定位儀功能的核心部分。主控采用STM32L431 芯片，兼顧低功耗和運算能力，通過SPI1-3 分別與UWB射頻電路，RFID 射頻電路以及6 軸陀螺儀連接，使用3 個實體按鍵和1 個單色OLED 屏作為人機交互接口，同時具有充電檢測和電池采集電路，串口用于與藍牙組件通信。

圖5 定位組件原理框圖Fig.5 Schematic diagram of positioning components

定位組件主要有2 種操作方式：①單機定位模式；②與手機聯機模式。

單機模式下，藍牙處于未連接狀態(tài)，3 個按鍵用于選擇、翻頁、退出等操作，配合屏幕可實現定位組件工作模式切換，電量顯示，定位數據顯示等功能。

聯機模式下，藍牙處于連接狀態(tài)，利用藍牙傳輸的透傳機制，定位組件的主控通過串口直接與礦用智能手機配套的app 數據交互，配合手機友好的人機交互能力，一方面可以將定位儀的功能更好地展現與操作，如與標識卡之間的雙向報警、標識卡定位數據篩選顯示和特定標識卡查找等功能。另一方面，智能手機具有的可擴展性強、通用性好以及計算能力強等優(yōu)勢，可實現的功能有：將定位組件的6 軸陀螺儀原始數據傳輸給手機處理，融合UWB 定位數據，實現井下的慣性導航[9-10]；應對礦方提出的差異化的需求，通過智能手機終端對人員定位相關設備的參數設置和軟件升級。

3 結 語

設計了一種符合新標準的礦用便攜式定位儀，并結合煤礦精確定位系統(tǒng)的具體需求對其功能、低功耗、接口和兼容性等屬性進行重點設計。利用藍牙技術作為定位儀和礦用智能手機之間的通訊媒介，借用智能手機的優(yōu)勢將定位儀的功能得到擴展和提升。

隨著煤礦井下精確定位和5G 等技術的不斷發(fā)展和完善，各種基于精確定位的新應用會不斷出現，如全礦井3D GIS 展示、礦用智能可穿戴產品和井下實時導航等。設計提出的定位儀可作為基礎位置服務端對上述應用提供實時位置信息，從而得到更廣泛的應用。