煤礦井下定位系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

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摘要：針對(duì)煤礦井下設(shè)備管理不規(guī)范，使用效率不高的問題，提出了一種基于UWB技術(shù)的井下設(shè)備定位系統(tǒng)。根據(jù)井下實(shí)際環(huán)境，建立無線定位系統(tǒng)整體方案，讀卡器與定位標(biāo)簽之間通過UWB進(jìn)行無線通信，利用信號(hào)強(qiáng)度與三邊測(cè)定法進(jìn)行定位標(biāo)簽的二維定位，并對(duì)定位分站、讀卡器與定位標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M巷道環(huán)境，對(duì)系統(tǒng)的定位精度進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)的定位誤差小于0.5m，具有一定的抗干擾能力，滿足井下設(shè)備的定位需求。

關(guān)鍵詞：井下定位;定位標(biāo)簽;UWB

煤炭開采主要以井下開采方式為主，生產(chǎn)設(shè)備的種類、數(shù)量較多，清點(diǎn)整理工作較難開展[1]。在日常的設(shè)備管理過程中，設(shè)備的位置信息模糊，透明度較低，無法進(jìn)行科學(xué)的調(diào)度與利用，導(dǎo)致出現(xiàn)部分工作面設(shè)備冗余，部分工作面無設(shè)備可用的局面[2-3]。基于上述問題可知，設(shè)計(jì)一種設(shè)備的定位系統(tǒng)，建立科學(xué)的設(shè)備管理體系，對(duì)煤礦的安全、高效發(fā)展具有重要意義。目前，井下的定位系統(tǒng)多采用RFID、WIFI、ZigBee及藍(lán)牙通信的無線定位技術(shù)，但是這幾種技術(shù)的環(huán)境適應(yīng)性較差，易受到噪聲干擾，傳輸距離無法滿足井下長(zhǎng)距離的傳輸需求。本文針對(duì)上述問題，提出了一種基于超寬帶技術(shù)（UWB）的井下無線定位系統(tǒng)，相較于傳統(tǒng)無線通信技術(shù)，UWB無線通信采用GHz帶寬的脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，可適應(yīng)井下復(fù)雜環(huán)境，實(shí)現(xiàn)井下設(shè)備的精確定位。

1定位系統(tǒng)總體方案

1.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于UWB技術(shù)的無線定位系統(tǒng)框架如圖1所示。系統(tǒng)可分為井上與井下兩部分，井下部分主要由定位分站、讀卡器與定位標(biāo)簽組成。定位標(biāo)簽體積較小，方便攜帶，一次充電最多可連續(xù)使用6個(gè)月，并配有加速度傳感器，用于判斷物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。讀卡器安裝于固定位置，且位置信息儲(chǔ)存于系統(tǒng)中，讀卡器以一定周期向周圍的定位標(biāo)簽發(fā)送UWB信號(hào)，用于喚醒周邊的定位標(biāo)簽，標(biāo)簽向讀卡器發(fā)送自己的ID信息，讀卡器將對(duì)定位標(biāo)簽進(jìn)行測(cè)距，且將測(cè)距數(shù)據(jù)綁定ID信息發(fā)送到定位分站。定位分站對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的分析，并將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)轿恢媒馑惴?wù)器。井上部分主要由主機(jī)、位置解算服務(wù)器等組成，服務(wù)器利用定位算法對(duì)井下的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，確定各定位標(biāo)簽的具體位置坐標(biāo)。將位置坐標(biāo)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫，方便對(duì)標(biāo)簽歷史軌跡進(jìn)行回放與查詢。定位結(jié)果通過上位機(jī)進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤。

1.2UWB技術(shù)

UWB是一種短距離無載波的無線通信技術(shù)，頻譜寬度為所有無線通信中的最大值。本系統(tǒng)利用UWB技術(shù)進(jìn)行無線通信與位置測(cè)定，其中標(biāo)簽的位置測(cè)定采用基于信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)距算法。系統(tǒng)中讀卡器的位置已知，標(biāo)簽的位置未知，通過測(cè)量定位標(biāo)簽與讀卡器之間信號(hào)的強(qiáng)弱，利用信號(hào)強(qiáng)度與傳播環(huán)境衰減模型，估算出讀卡器與定位標(biāo)簽之間的距離。為了保證測(cè)量精度，需要估算同一標(biāo)簽與周邊三個(gè)讀卡器的距離，利用三邊測(cè)量法對(duì)標(biāo)簽的具體位置進(jìn)行二維定位。測(cè)距算法的具體原理如公式1所示:為標(biāo)簽發(fā)射信號(hào)的功率，W；G為標(biāo)簽發(fā)射端增益，dBm；Gr為讀卡器接收端增益，dBm；λ為路徑損耗系數(shù)；d為發(fā)射端與接收端之間的距離，m。由上式可知，當(dāng)各參數(shù)已知的情況下，接受到的信號(hào)強(qiáng)度值只與距離有關(guān)，且呈反比例關(guān)系。該測(cè)距算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，搭建安裝容易，UWB信號(hào)的超寬帶寬可有效增加信號(hào)抗干擾能力，保證測(cè)距的精度。

2定位分站設(shè)計(jì)

定位分站為系統(tǒng)井下層與井上層的通訊媒介，通過RS485串口通信與讀卡器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過工業(yè)以太網(wǎng)與井上服務(wù)器進(jìn)行通信，同時(shí)需要將對(duì)讀卡器的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。定位分站主要包括處理器模塊、電源模塊、RS485通信模塊與以太網(wǎng)接口電路等，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。處理器選用TI公司的MCU處理器，型號(hào)為STM32F103，內(nèi)部配有高速存儲(chǔ)電路，具有正常、睡眠、待機(jī)三種工作模式，在定位標(biāo)簽處于靜止?fàn)顟B(tài)，定位分站處于待機(jī)模式，有效降低功耗。為了實(shí)時(shí)反映目標(biāo)軌跡，分站處理器采用MII以太網(wǎng)接口，及時(shí)將信息傳輸?shù)骄衔恢梅?wù)器。RS485通信模塊采用5V直流電源供電，分站處理器與以太網(wǎng)接口電路采用3.3V直流電源供電，轉(zhuǎn)換電路采用AMS1117-3.3低壓差線性穩(wěn)壓芯片，最大可提供1A電流。

3讀卡器設(shè)計(jì)

讀卡器是定位標(biāo)簽與定位分站之間的通信中轉(zhuǎn)站，通過測(cè)距算法與定位標(biāo)簽完成UWB信號(hào)的交互，并利用RS485總線將測(cè)得的位置數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉ㄎ环终尽Ｗx卡器采用的硬件結(jié)構(gòu)類似于定位分站，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，采用MCU微處理器，通過SPI接口與UWB信號(hào)收發(fā)電路連接。讀卡器利用DW1000模塊實(shí)現(xiàn)UWB信號(hào)的接收與發(fā)送，保證讀卡器與定位標(biāo)簽之間的信號(hào)連接。DW1000模塊集成度高、體積小，方便安裝，傳輸信號(hào)的抗干擾能力強(qiáng)，直線傳輸距離可達(dá)180m，在井下巷道中依舊可保持35m左右的傳輸距離，為標(biāo)簽的精確定位提供保障。DW1000芯片具有睡眠、喚醒、發(fā)射與接收四種工作模式。在睡眠模式下，工作電流為幾百納安,可有效降低功耗，提高使用壽命。DW1000芯片通過SPI接口與MCU處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，處理器通過中斷請(qǐng)求接收DW1000芯片的事件。

4定位標(biāo)簽設(shè)計(jì)

定位標(biāo)簽固定于目標(biāo)設(shè)備，采用鋰電池進(jìn)行供電，為了保證標(biāo)簽可持續(xù)工作，系統(tǒng)采用低功耗設(shè)計(jì)，同樣采用MCU微處理器，無線模塊采用DW1000芯片，除此之外，定位標(biāo)簽配有加速度傳感器用于檢測(cè)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)目標(biāo)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，開啟處理器模塊與無線通信模塊的睡眠模式，可降低定位標(biāo)簽功耗，延長(zhǎng)電池使用壽命。定位標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)如圖4所示。加速度傳感器采用MPU6050芯片，正常運(yùn)行電流為300μA，通過QFN封裝，占用空間較小，滿足定位標(biāo)簽尺寸要求，采用I2C接口輸出9軸信號(hào)與MCU處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。定位標(biāo)簽采用可充電式的鋰電池供電，輸出3.7V直流電源，經(jīng)過升壓電路與穩(wěn)壓電路后輸出3.3V直流電源，為無線通信模塊與加速度傳感器提供電源。

5應(yīng)用效果分析

在系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際工況前，需要進(jìn)行一系列調(diào)試試驗(yàn)，通過在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下模擬巷道環(huán)境，布置若干個(gè)定位分站、讀卡器與定位標(biāo)簽，測(cè)試系統(tǒng)的定位精度。試驗(yàn)過程采用靜態(tài)定位的方式，將3個(gè)讀卡器與1個(gè)定位標(biāo)簽布置于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，并施加一定的射頻干擾信號(hào)，每組坐標(biāo)測(cè)量10次，定位試驗(yàn)結(jié)果如下頁表1所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)的定位誤差均小于0.5m，方差小于0.3m，較為穩(wěn)定，滿足礦井設(shè)備的定位精度需求。

6結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于UWB技術(shù)的井下定位系統(tǒng)，采用信號(hào)強(qiáng)度測(cè)距算法，測(cè)量定位標(biāo)簽與讀卡器之間距離，利用三邊測(cè)量法進(jìn)行二維定位，通過調(diào)試試驗(yàn)證明，系統(tǒng)的定位精度滿足井下設(shè)備定位需求，有助于提高煤礦的科學(xué)、安全管理水平。

參考文獻(xiàn)

[1]鄧瑤，宿夢(mèng)嘉.基于WSN的煤礦數(shù)據(jù)采集監(jiān)控及井下定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2019，27（20）：84-87.

[2]尚超，王峰，聶百勝，等.煤礦井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)三維定位算法研究[J].煤田地質(zhì)與勘探，2016（1）：116-122.

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作者：肖玉龍 單位：晉能控股煤業(yè)集團(tuán)信息化中心