采用射频Soc nRF9E5矿井人员定位系统的设计

引言：
煤矿是我国安全生产事故多发行业，百万吨死亡率高达7.86,对井下工作人员进行定位跟踪已显得十分重要。目前国内的矿井人员定位系统大多采用RFID技术进行人员定位。用传统RFID进行定位的缺点是：功能单一，仅具编码识别功能；信号传输可靠性低；信号识别距离短；漏读率高。鉴此，本文采用射频Soc nRF9E5来设计矿井人员定位系统。通过软件编程，使得nRF9E5芯片在实现RFID功能的基础上，还能实现无线报警功能。
1. 系统整体结构及工作原理：   
1.1 系统的整体结构及功能：
矿井人员定位系统结构分为井上和井下两部分，其结构简图如图1。
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图1  矿井人员无线定位系统结构简图
其中智能定位基站负责采集处理矿井人员的身份编码，坑道气体浓度，温湿度等信息，并将它们送给地面监控主机；智能卡里保存有员工的身份编码，并不断得向周围发送该编码，矿难发生时可发无线报警信号；数据接口负责将井下现场总线信号转换为RS-232信号；HUB用于地面设备网络连接；监控主机用来运行管理软件，在计算机屏幕上直观动态显示井下人员的分布情况，使管理者一目了然；服务器里存放数据库，供监管部门通过INTERNET远程监控；打印机主要用来打印人员监测管理等报表。
正常情况下，该系统为煤矿管理人员提供人员实时监控、进出限制、考勤作业等多方面的管理信息。当发生安全事故时，搜救人员通过该系统立刻可知被困人员的位置，保证抢险救灾和安全救护工作的高效运作。             
1.2 定位原理：
井下智能定位基站里的读卡器不断地向其周围发送无线信号。每个读卡器都有一个有效的信号覆盖区。矿工随身携带的智能卡进入这些信号覆盖区后被激活，将保存在其内的员工数据信息发送给读卡器；定位基站经读卡器接收到该数据后，将代表巷道地理位置的基站编码连同收到的员工数据一起打包送至地面计算机；地面监控计算机收到此信息后，经相应的监控软件分析计算工作人员所在具体位置。
2.硬件设计：
本系统的智能卡和智能定位基站里的读卡器是基于nRF9E5设计的。一对nRF9E5就能组成一人员定位终端。该终端用于矿工的身份识别，以对矿工进行定位，是系统的核心部分。
2.1  nRF9E5 芯片简介：
nRF9E5是Nordic VLSI公司于2004年推出的系统级RF芯片，该芯片内置nRF905 433/868/915MHz收发器、8051兼容微控制器和4输入10位80ksps A/D转换器，QFN5×5mm封装。相关文献资料表明，1GHz附近频段无线电波最适于进行井下无线数据传输。空旷地nRF9E5最大收发距离可达300米，楼道内收发也能达100米，其最大发射功率仅10DBm（10毫瓦），收发状态切换时间小于650微秒，非常适于井下人员定位。
2.2  基于nRF9E5的智能卡硬件设计
智能卡采用nRF9E5无线收发芯片作为射频通信芯片。智能卡里保存有员工的身份编码，该编码唯一在监控主机数据库里，与该编码对应存放着员工的姓名、籍贯、年龄、民族等相关信息。智能卡的电路原理图如图2。
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其中ANT1和ANT2为天线连接引脚,外接单天线终端装置，晶振工作频率为16MHz。25AA320为EEPROM，在nRF9E5上电后，系统根据引导程序，把25AA320中的程序代码拷贝到nRF9E5的4KB RAM中。LM1117为电源管理模块，把5V电平转化为nRF9E5可用的3.3V。外部中断P03，P04口接两按键，用于无线报警。AN0～AN3为外部A/D输入口，可扩展4路A/D输入，用于温度，湿度，瓦斯浓度等信号的采集。                   
2.3  基于nRF9E5的读卡器硬件设计：
读卡器在定位基站里，主要负责采集智能卡发出的员工身份编码及无线报警信号，并将采集到的信号送定位基站的微处理器处理。读卡器里存着定位基站编码，该编码唯一，与井上监控主机所显示电子地图里的坑道位置相关。读卡器硬件电路与智能卡硬件电路相似。不同之处是去掉了两按键，nRF9E5的P01、P02口通过1K电阻与单片机串口连接。
3．软件设计：
3.1  无线数据通讯协议：
   多点通信时，防止各节点之间通信数据发生碰撞是关键。常见的避免无线通信冲突的方法有：频分多址技术（FDMA），载波监听技术（CSMA），时分多址技术（TDMA）。本系统采用TDMA技术。TDMA技术将点对多点的通信方式转化为点对点的通信，因此必然要考虑主接收点与各移动节点之间建立通信连接时的地址匹配问题。由于主接收点与移动节点之间的通信可能会受到其它数据终端或外界环境的干扰而发生错误，因此，需要通过通讯协议来保证数据传输的可靠性。
nRF9E5规定一帧数据由前导码( PREAMBLE )，本机物理地址（ADDR），有效数据（PAYLOAD），CRC校验码（CRC）组成。其帧结构如图3。
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图 3  nRF9E5数据通讯帧
其中前导码，CRC校验码各占一字节，由芯片硬件自动产生。本机物理地址和有效数据可以根据应用设置。nRF9E5只有检测到与自己物理地址相吻合的数据才能接收处理，所以为了保证智能卡与各读卡器之间通信畅通，系统中所有nRF9E5芯片都采用其默认地址0XE7。有效数据由本机逻辑地址（ID）和报警信息（ALARM）组成。其中ID占两字节，ALARM占一字节。正常情况下有效数据只含本机逻辑地址部分。系统所有读卡器的本机逻辑地址均为0xEE,0xEE。智能卡的本机逻辑地址为各员工的身份编码。当有报警信号时，有效数据增加报警信息部分，报警信息为员工的按键值，不同的值代表不同的报警信号。
3.2  应用程序设计：
本系统定位基站里的读卡器每5s发一次同步信号（0xee,0xee）。智能卡接到该同步信号后，根据自己的ID产生一延时以等待属于自己的时间片，延时到立即将自己的一帧数据发送给读卡器。报警信息的按键值是在按键中断程序里设置的。该中断程序里还会设置一报警标志（Sign），以供智能卡主程序判断。读卡器主程序和智能卡的主程序流程图如图4，图5。
可以看出，使用TDMA技术发数据时，各智能卡已固定了自己的发送时段，ID比较靠后的卡不管前面是否有卡要发数据，都要等到自己的发送时段。nRF9E5收发6字节的数据需要5ms，读卡器5s内可接收1000张智能卡发来的数据。如果一读卡器在井下的信号覆盖范围100米，人员以5m/s的速度行进的话，那么该智能卡可以被该读卡器识别4次，不会发生漏读情况。读卡器的同步信号之间的时间间隔要视矿山企业的员工数而定，员工越多，间隔越大，漏读的可能性也越大。 
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图4 读卡器主程序流程图
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图5 智能卡主程序流程
4.结语
实验表明，采用nRF9E5芯片设计的井下人员定位系统能够满足人员定位的要求。与传统井下定位系统相比，该系统具有通信距离远、功耗低、兼容性好、功能扩展性强、数据传输稳定性高等优点。只需对nRF9E5应用电路稍做修改，便可应用于智能家居、智能RFID、无线传感等领域，故而有着广泛的市场需求和良好的市场推广前景。

本文作者创新点：
[1] 作者创新地采用射频Soc nRF9E5设计井下人员定位系统中的定位终端，开发出的定位系统不但具有类似传统RFID的身份识别功能，而且还增加了矿工无线报警功能。
[2] 结合系统要求，运用TDMA技术有效地解决了目前国内矿井人员定位系统中常见的井下快速移动人员漏读率高的问题。