基于无线局域网的矿下定位卡设计与实现

井下人员定位技术不仅是煤矿智能化考勤和信息化管理的—个重要组成部分，更是煤矿中抢险救灾、最大限度地拯救井下人员生命的关键技术之一，因此该技术的研究得到世界各国政府和科技工作者的广泛关注。
    煤矿井下人员定位系统，其基本目标就是要实现井下工作人员的实时位置定位。就定位问题来说，目前主要有基于已经存在的移动蜂窝网及GPS的定位技术。由于井下巷道是一个深埋在地下的限定非自由空间，GPS信号以及地面蜂窝移动网的信号不能到达，所以这些技术都不能在井下应用。要实现井下人员无线定位及跟踪，需要采用不同的无线通信技术，井下可应用的无线通信技术及可行的定位技术主要有红外技术、RFID技术、透地通信技术、漏泄通信技术及无线局域网WLAN(Wireless Local Area Network)技术等。
    文中介绍基于无线局域网的矿下定位系统中定位卡的设计与实现技术。

1 硬件电路设计
    定位卡，也称做移动台Mobile Station(MS)，配置给矿井工作人员随身携带，必须满足重量轻、体积小的要求。在取电方面，采用钮扣电池供电，可以避免从矿灯中取电存在的安全隐患，采用低功耗设计，实现电池长期工作。
    定位卡载有惟一可被识别的数字信息，卡片发放时，在地面监控中心的数据库内建立该卡片内的惟一信息和定位卡携带者身份对应的关系。整个系统的硬件体系结构，如图1所示。

1．1 电源
    在定位卡中，由于工作环境比较恶劣及无线定位卡本身体积要求，通常对电池的性能一般要求达到如下标准：
    (1)使用温度范围广，一般要求-30°～50°。
    (2)使用寿命长，一般要求3年以上。
    (3)电池单体电压高。
    (4)约为10 mA的脉冲放电能力。
    (5)部分对定位卡体积有特别要求的厂家，要求电池厚度小至3 mm。
    为此，选择型号为CR2450的锂电池为定位卡供电，CR2450是重量约为6 g，尺寸为35 mm×24．5 mm×5．0 mm的扣式电池，能够满足上述要求。
1．2 控制处理单元设计
    定位卡的控制处理单元负责对程序的可执行文件的存储、运行和管理。选择TI公司生产的16位的微控制器MSP430F2001，该控制器具有如下特性：工作在低电压状态，电压范围为1．8～3．6 V、极低的电能消耗等。
    整个硬件控制系统主要包括看门狗电路、主控芯片和欠压指示电路组成。
    (1)看门狗电路，其功能就是保证程序能够正常运行，一旦程序运行出错时，它能够对处理器进行及时复位。看门狗电路分为内置和外置两种，其中内置电路置于主控芯片内部，作为内置外设的一部分；外置电路可通过MAX6866芯片组成—个微电流监视电路。
    (2)主控电路，由于定位卡采用一次性电池供电，且要求使用寿命长，故能够以低功耗状态工作是选择主控电路的重要标准，而且定位卡需要存储的数据量不大。因此，对主控电路的存储空间要求不苛刻。
    (3)欠压提示设计，为防止因电池能量不足而造成定位卡功能失效，影响整个定位与管理系统的功能，特设计定位卡具有欠压提示功能。该功能设计从定位卡现场欠压提示和欠压信息上传中心站两方面来考虑。在定位卡现场欠压提示功能方面，硬件电路由微处理器内置的模拟信号比较器、外围的1个电容和1个发光二极管组成，如图2所示。

    该模拟信号比较器能够按电池电压Vcc的一定比例产生参考电压Vref或固定值0．85 V。工作时，比较器首先被配置成按电池电压Vcc的一定比例产生参考电压Vref，按此参考电压对外围电容充电，经过一段时间，使电容Vc≈Vref，然后再次配置比较器，对Vc与0．85 V进行比较，根据比较结果，若电池达到欠压状态，则通过发光二极管定时闪烁来提示电池电量不足，需要近期更换电池。在欠压信息上传中心站方面，在通讯协议中通过设置电压状态标志位显卡电池能量状态信息上传的功能。
1．3 射频电路设计
    由煤矿无线通讯特点知，在甚高频和特高频段，随着频率的增大，衰减变小，传输距离可达很远，巷道截面尺寸大于波长，巷道对无线传输的影响随着频率的增高而变小。由于2．4 GHz频段在巷道中衰减较小，传输距离远，传输数据快，具有高数据吞吐量，同时识别快速移动多目标的能力强，适合煤矿环境。因此选用基于2．4 GHz频段Connectone公司的Mini Socket iWiFi模块，起到连接串口和802．11 b／g无线LAN的作用。该模块包括iChipTM C02128 IPCommunication ControllerTM芯片和Marven 88 W8686 WiFi芯片组．被封装成RoHS兼容的紧凑结构—兼容标准的SocketModem管脚。
    Mini Socket iWiFi支持针对Socket通讯的SSL3／TLS1、HTTPS、FTPS、WEP、WPA和WPA2 WiFi加密。Mini Socket iWiFi不需要更改主处理器的硬件配置，容易和主配置的PCB连接。并还带有一个外接的天线接口。Mini Secure Socket iWiFi不需要或者很少的软件配置就可以访问无线LAN。Connectone的高层AT+iTM API使主处理器设备不需要增加WiFi设备、网络和安全协议。AT+i SerialNET操作模式提供一种真正的“即插即用”，使主处理器不需要任何修改。Mini Secure Socket iWiFi固件(IP协议栈和Intemet配置参数)存贮在外部Flash中。iWiFi是一种节能的模块，当I／O工作在3．3 V时，内核工作在1．2 V，节能模式下，功耗将更少。
1．4 天线及其匹配电路设计
    天线性能的优劣直接决定系统性能的好坏，考虑到定位卡小型化、高灵活性、低价位的基于2．4 GHz的近距离无线传输的特点，长度为λ／4的单极天线射频系统的组件，和发射模块设计在同一块电路板上，不仅设计方便，还可以通过改变天线的长度来细调射频系统的性能。
为了保证模块产生的高频信号最有效地发射出去，实现信号的较远距离传输，必须在天线和模块的ANT1、ANT2端提供天线的匹配网络，该网络有L1，L2，L3，C3，C4，C7，C8，C9等器件组成，能够与天线形成谐振，保证所有能量全部加在天线上。
    结合应用实际，定位卡采用1．6 mm厚的RF4材质的双层板，在板的顶部和底部均有地层以保证所有器件良好接地。另外，在每个关键的模拟器件的周围都有充分的接地区域，顶层和底层之间通过大量地过孔连接，以增强卡片的抗干扰能力。

2 定位卡软件设计
    定位卡硬件系统设计主要是围绕抗干扰、低功耗等方面进行重点设计的。因而，软件设计也需要围绕这几个方面进行，采用模块化设计思想运用C语言编程实现定位卡功能。
2．1 软件功能流程设计
    定位卡软件主要有以下3部分组成：主程序模块、电源低电压检测程序模块、组织发送数据程序模块。主程序模块实现对微处理器MCU和Mini Socket iWiFi模块的初始化配置，然后进入掉电模式，以节省电能；电源低电压检测程序模块负责对电池电压的定时监测，在定位卡上完成欠压指示功能的同时，把欠压信息送入发射缓冲区，做为定位卡发送数据包的一部分进行无线传输；组织发送数据程序模块完成接收地址、定位卡MAC地址、无线信号强度信息及电池状态等有效信息由微处理器到发射模块Mini Socket iWiFi模块传递。其中，电源低电压检测程序和组织发送数据程序共同构成定位卡的中断程序。
2．2 主程序设计
    首先，关闭内部看门狗，防止主程序在对器件配置期间引起复位中断。由前面硬件部分知，微处理器可以通过选择不同的振荡源来降低本身功耗。该型处理器有4种基本的时钟源，在此通过配置时钟系统寄存器采用内部低功率，低频率振荡器Vloclk，能够产生12 kHz典型频率。对发射模块Mini Socket iWiFi模块的初始化设置主要包括：测试模块是否工作正常、设置连接参数等；然后，为电源检测计数器、指示1min闪烁次数计数器等寄存器赋初值；打开内部看门狗；设置定时及其初始；为节省能量，使程序进入掉电模式，等待定时器中断唤醒，进入中断服务程序，如图3所示。

2．3 中断程序设计
    中断服务程序是定位卡软件的核心部分，它控制着定位卡的无线信号强度信息的收集、发送和电池能量的低电压检测功能，其流程图如图4所示。

2．4 数据发送模块设计
    数据发送模块是定位卡软件的核心部分，它直接影响定位卡的性能和数据无线传输的准确性。发射模块定时初始化的前提下，该模块根据电池状态和自身的标识号组织要发送的数据和校验码。如图5所示。

3 非功能性需求设计
3．1 抗干扰设计
    在煤矿井下密闭巷道中，定位卡受到干扰主要有对卡片本身的干扰和对卡片发送数据的干扰。其中，对卡片本身的干扰源主要来自于井下大功率的高压变频设备，这种设备产生强电磁场，使定位卡程序混乱，出现“死机”问题。阻止这种干扰要从PCB设计考虑，芯片布局时使微处理器和发射模块的数字引脚尽量靠近，并且用地线包围来增加屏蔽效果。另一方面，降低功耗性能的指标，采用外部晶振和外部独立的看门狗。
    目前，最可能引入干扰的部分是数据在空间无线传输。数据在空间无线传输时，遇到强躁声干扰，使有用信号衰减到无线AP接收灵敏度以下，出现漏卡。如果有用信号在强噪声的干扰下，出现信号异常，这种异常信号恰好能被读卡器接收，就出现多卡，强噪声有两种：一种是煤矿井下的高频设备产生的电磁场。另一种是上班高峰时，多张卡片云集，形成多径干扰，考虑到卡片差异性，弱信号在强信号的反射、折射等信号的干扰下失真。针对这两种问题从以下方面设计：
    (1)选择质量好的电感L1，L2和L3，促进匹配网络与天线的和谐，尽量使发射的有用信号全部加载在天线上，增强空中有效信号的强度，提高信噪比，减少卡片在有效信号强度方面的差异。
    (2)在通讯协议方面，由于异或校验不满足实际环境要求，在空间无线数据传输方面采用CRC校验方式。
3．2 微低功耗的设计
    微低功耗是定位卡的重要指标，它关系到定位卡使用寿命的长短。对该指标的设计从以下3方面进行：
    (1)硬件方面，采用工作和待机时功耗消耗均比较低的模块。
    (2)软件方面，采用间隔发送模式，间隔时间为1 s，设计使卡片工作时间远小于掉电省电时间，实现发送时间尽量短，尽快进入掉电模式。
    (3)在欠压指示方面，尽量减少电压比较器的利用率，设计长的检测周期，本设计周期采用7．28 h。

4 结束语
    定位卡是矿下定位系统的重要组成部分，为了得到高效、准确的定位信息，定位卡的软硬件设计必须考虑多方面的因素。针对基于无线局域网的矿下定位系统中定位卡设计的各个方面进行了较为深入的探讨，并通过在实际的矿井定位系统应用中出现的问题，提出了若干解决非功能性需求的设计方法。