基于无线局域网的矿下定位卡设计与实现

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        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。

硬件体系结构

  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。

欠压提示设计

  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。

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