井下人員定位技術(shù)不僅是煤礦智能化考勤和信息化管理的—個(gè)重要組成部分,，更是煤礦中搶險(xiǎn)救災(zāi),、最大限度地拯救井下人員生命的關(guān)鍵技術(shù)之一，因此該技術(shù)的研究得到世界各國政府和科技工作者的廣泛關(guān)注,。
    煤礦井下人員定位系統(tǒng),，其基本目標(biāo)就是要實(shí)現(xiàn)井下工作人員的實(shí)時(shí)位置定位,。就定位問題來說，目前主要有基于已經(jīng)存在的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)及GPS的定位技術(shù),。由于井下巷道是一個(gè)深埋在地下的限定非自由空間,，GPS信號以及地面蜂窩移動(dòng)網(wǎng)的信號不能到達(dá)，所以這些技術(shù)都不能在井下應(yīng)用,。要實(shí)現(xiàn)井下人員無線定位及跟蹤,，需要采用不同的無線通信技術(shù)，井下可應(yīng)用的無線通信技術(shù)及可行的定位技術(shù)主要有紅外技術(shù),、RFID技術(shù),、透地通信技術(shù)、漏泄通信技術(shù)及無線局域網(wǎng)WLAN(Wireless Local Area Network)技術(shù)等,。
    文中介紹基于無線局域網(wǎng)的礦下定位系統(tǒng)中定位卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù),。

1 硬件電路設(shè)計(jì)
    定位卡，也稱做移動(dòng)臺Mobile Station(MS),，配置給礦井工作人員隨身攜帶,，必須滿足重量輕、體積小的要求,。在取電方面,，采用鈕扣電池供電，可以避免從礦燈中取電存在的安全隱患,，采用低功耗設(shè)計(jì),，實(shí)現(xiàn)電池長期工作。
    定位卡載有惟一可被識別的數(shù)字信息,，卡片發(fā)放時(shí),，在地面監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫內(nèi)建立該卡片內(nèi)的惟一信息和定位卡攜帶者身份對應(yīng)的關(guān)系。整個(gè)系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu),，如圖1所示,。

1．1 電源
    在定位卡中，由于工作環(huán)境比較惡劣及無線定位卡本身體積要求,，通常對電池的性能一般要求達(dá)到如下標(biāo)準(zhǔn)：
    (1)使用溫度范圍廣,，一般要求-30°～50°。
    (2)使用壽命長,，一般要求3年以上。
    (3)電池單體電壓高,。
    (4)約為10 mA的脈沖放電能力,。
    (5)部分對定位卡體積有特別要求的廠家，要求電池厚度小至3 mm,。
    為此,，選擇型號為CR2450的鋰電池為定位卡供電,，CR2450是重量約為6 g，尺寸為35 mm×24．5 mm×5．0 mm的扣式電池,，能夠滿足上述要求,。
1．2 控制處理單元設(shè)計(jì)
    定位卡的控制處理單元負(fù)責(zé)對程序的可執(zhí)行文件的存儲、運(yùn)行和管理,。選擇TI公司生產(chǎn)的16位的微控制器MSP430F2001,，該控制器具有如下特性：工作在低電壓狀態(tài)，電壓范圍為1．8～3．6 V,、極低的電能消耗等,。
    整個(gè)硬件控制系統(tǒng)主要包括看門狗電路、主控芯片和欠壓指示電路組成,。
    (1)看門狗電路,，其功能就是保證程序能夠正常運(yùn)行，一旦程序運(yùn)行出錯(cuò)時(shí),，它能夠?qū)μ幚砥鬟M(jìn)行及時(shí)復(fù)位,。看門狗電路分為內(nèi)置和外置兩種,，其中內(nèi)置電路置于主控芯片內(nèi)部,，作為內(nèi)置外設(shè)的一部分；外置電路可通過MAX6866芯片組成—個(gè)微電流監(jiān)視電路,。
    (2)主控電路,，由于定位卡采用一次性電池供電，且要求使用壽命長,，故能夠以低功耗狀態(tài)工作是選擇主控電路的重要標(biāo)準(zhǔn),，而且定位卡需要存儲的數(shù)據(jù)量不大。因此,，對主控電路的存儲空間要求不苛刻,。
    (3)欠壓提示設(shè)計(jì)，為防止因電池能量不足而造成定位卡功能失效,，影響整個(gè)定位與管理系統(tǒng)的功能,，特設(shè)計(jì)定位卡具有欠壓提示功能。該功能設(shè)計(jì)從定位卡現(xiàn)場欠壓提示和欠壓信息上傳中心站兩方面來考慮,。在定位卡現(xiàn)場欠壓提示功能方面,，硬件電路由微處理器內(nèi)置的模擬信號比較器、外圍的1個(gè)電容和1個(gè)發(fā)光二極管組成,，如圖2所示,。

    該模擬信號比較器能夠按電池電壓Vcc的一定比例產(chǎn)生參考電壓Vref或固定值0．85 V。工作時(shí),，比較器首先被配置成按電池電壓Vcc的一定比例產(chǎn)生參考電壓Vref,，按此參考電壓對外圍電容充電,，經(jīng)過一段時(shí)間，使電容Vc≈Vref,，然后再次配置比較器,，對Vc與0．85 V進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果,，若電池達(dá)到欠壓狀態(tài),，則通過發(fā)光二極管定時(shí)閃爍來提示電池電量不足，需要近期更換電池,。在欠壓信息上傳中心站方面,，在通訊協(xié)議中通過設(shè)置電壓狀態(tài)標(biāo)志位顯卡電池能量狀態(tài)信息上傳的功能。
1．3 射頻電路設(shè)計(jì)
    由煤礦無線通訊特點(diǎn)知,，在甚高頻和特高頻段,，隨著頻率的增大，衰減變小,，傳輸距離可達(dá)很遠(yuǎn),，巷道截面尺寸大于波長，巷道對無線傳輸的影響隨著頻率的增高而變小,。由于2．4 GHz頻段在巷道中衰減較小,，傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸數(shù)據(jù)快,，具有高數(shù)據(jù)吞吐量,，同時(shí)識別快速移動(dòng)多目標(biāo)的能力強(qiáng)，適合煤礦環(huán)境,。因此選用基于2．4 GHz頻段Connectone公司的Mini Socket iWiFi模塊,，起到連接串口和802．11 b／g無線LAN的作用。該模塊包括iChipTM C02128 IPCommunication ControllerTM芯片和Marven 88 W8686 WiFi芯片組．被封裝成RoHS兼容的緊湊結(jié)構(gòu)—兼容標(biāo)準(zhǔn)的SocketModem管腳,。
    Mini Socket iWiFi支持針對Socket通訊的SSL3／TLS1,、HTTPS、FTPS,、WEP,、WPA和WPA2 WiFi加密。Mini Socket iWiFi不需要更改主處理器的硬件配置,，容易和主配置的PCB連接,。并還帶有一個(gè)外接的天線接口。Mini Secure Socket iWiFi不需要或者很少的軟件配置就可以訪問無線LAN,。Connectone的高層AT+iTM API使主處理器設(shè)備不需要增加WiFi設(shè)備,、網(wǎng)絡(luò)和安全協(xié)議。AT+i SerialNET操作模式提供一種真正的“即插即用”，使主處理器不需要任何修改,。Mini Secure Socket iWiFi固件(IP協(xié)議棧和Intemet配置參數(shù))存貯在外部Flash中。iWiFi是一種節(jié)能的模塊,，當(dāng)I／O工作在3．3 V時(shí),，內(nèi)核工作在1．2 V，節(jié)能模式下,，功耗將更少,。
1．4 天線及其匹配電路設(shè)計(jì)
    天線性能的優(yōu)劣直接決定系統(tǒng)性能的好壞，考慮到定位卡小型化,、高靈活性,、低價(jià)位的基于2．4 GHz的近距離無線傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，長度為λ／4的單極天線射頻系統(tǒng)的組件,，和發(fā)射模塊設(shè)計(jì)在同一塊電路板上,，不僅設(shè)計(jì)方便，還可以通過改變天線的長度來細(xì)調(diào)射頻系統(tǒng)的性能,。
為了保證模塊產(chǎn)生的高頻信號最有效地發(fā)射出去,，實(shí)現(xiàn)信號的較遠(yuǎn)距離傳輸，必須在天線和模塊的ANT1,、ANT2端提供天線的匹配網(wǎng)絡(luò),，該網(wǎng)絡(luò)有L1，L2,，L3,，C3，C4,，C7,，C8，C9等器件組成,，能夠與天線形成諧振,，保證所有能量全部加在天線上。
    結(jié)合應(yīng)用實(shí)際,，定位卡采用1．6 mm厚的RF4材質(zhì)的雙層板,，在板的頂部和底部均有地層以保證所有器件良好接地。另外,，在每個(gè)關(guān)鍵的模擬器件的周圍都有充分的接地區(qū)域,，頂層和底層之間通過大量地過孔連接，以增強(qiáng)卡片的抗干擾能力,。

2 定位卡軟件設(shè)計(jì)
    定位卡硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是圍繞抗干擾,、低功耗等方面進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)的。因而，軟件設(shè)計(jì)也需要圍繞這幾個(gè)方面進(jìn)行,，采用模塊化設(shè)計(jì)思想運(yùn)用C語言編程實(shí)現(xiàn)定位卡功能,。
2．1 軟件功能流程設(shè)計(jì)
    定位卡軟件主要有以下3部分組成：主程序模塊、電源低電壓檢測程序模塊,、組織發(fā)送數(shù)據(jù)程序模塊,。主程序模塊實(shí)現(xiàn)對微處理器MCU和Mini Socket iWiFi模塊的初始化配置，然后進(jìn)入掉電模式,，以節(jié)省電能,；電源低電壓檢測程序模塊負(fù)責(zé)對電池電壓的定時(shí)監(jiān)測，在定位卡上完成欠壓指示功能的同時(shí),，把欠壓信息送入發(fā)射緩沖區(qū),，做為定位卡發(fā)送數(shù)據(jù)包的一部分進(jìn)行無線傳輸；組織發(fā)送數(shù)據(jù)程序模塊完成接收地址,、定位卡MAC地址,、無線信號強(qiáng)度信息及電池狀態(tài)等有效信息由微處理器到發(fā)射模塊Mini Socket iWiFi模塊傳遞。其中,，電源低電壓檢測程序和組織發(fā)送數(shù)據(jù)程序共同構(gòu)成定位卡的中斷程序,。
2．2 主程序設(shè)計(jì)
    首先，關(guān)閉內(nèi)部看門狗,，防止主程序在對器件配置期間引起復(fù)位中斷,。由前面硬件部分知，微處理器可以通過選擇不同的振蕩源來降低本身功耗,。該型處理器有4種基本的時(shí)鐘源,，在此通過配置時(shí)鐘系統(tǒng)寄存器采用內(nèi)部低功率，低頻率振蕩器Vloclk,，能夠產(chǎn)生12 kHz典型頻率,。對發(fā)射模塊Mini Socket iWiFi模塊的初始化設(shè)置主要包括：測試模塊是否工作正常、設(shè)置連接參數(shù)等,；然后,，為電源檢測計(jì)數(shù)器、指示1min閃爍次數(shù)計(jì)數(shù)器等寄存器賦初值,；打開內(nèi)部看門狗,；設(shè)置定時(shí)及其初始；為節(jié)省能量,，使程序進(jìn)入掉電模式,，等待定時(shí)器中斷喚醒，進(jìn)入中斷服務(wù)程序,，如圖3所示,。

2．3 中斷程序設(shè)計(jì)
    中斷服務(wù)程序是定位卡軟件的核心部分,，它控制著定位卡的無線信號強(qiáng)度信息的收集、發(fā)送和電池能量的低電壓檢測功能,，其流程圖如圖4所示,。

2．4 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊設(shè)計(jì)
    數(shù)據(jù)發(fā)送模塊是定位卡軟件的核心部分，它直接影響定位卡的性能和數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)臏?zhǔn)確性,。發(fā)射模塊定時(shí)初始化的前提下,，該模塊根據(jù)電池狀態(tài)和自身的標(biāo)識號組織要發(fā)送的數(shù)據(jù)和校驗(yàn)碼。如圖5所示,。

3 非功能性需求設(shè)計(jì)
3．1 抗干擾設(shè)計(jì)
    在煤礦井下密閉巷道中，定位卡受到干擾主要有對卡片本身的干擾和對卡片發(fā)送數(shù)據(jù)的干擾,。其中,，對卡片本身的干擾源主要來自于井下大功率的高壓變頻設(shè)備，這種設(shè)備產(chǎn)生強(qiáng)電磁場,，使定位卡程序混亂,，出現(xiàn)“死機(jī)”問題。阻止這種干擾要從PCB設(shè)計(jì)考慮,，芯片布局時(shí)使微處理器和發(fā)射模塊的數(shù)字引腳盡量靠近,，并且用地線包圍來增加屏蔽效果。另一方面,，降低功耗性能的指標(biāo),，采用外部晶振和外部獨(dú)立的看門狗。
    目前,，最可能引入干擾的部分是數(shù)據(jù)在空間無線傳輸,。數(shù)據(jù)在空間無線傳輸時(shí)，遇到強(qiáng)躁聲干擾,，使有用信號衰減到無線AP接收靈敏度以下,，出現(xiàn)漏卡。如果有用信號在強(qiáng)噪聲的干擾下,，出現(xiàn)信號異常,，這種異常信號恰好能被讀卡器接收，就出現(xiàn)多卡,，強(qiáng)噪聲有兩種：一種是煤礦井下的高頻設(shè)備產(chǎn)生的電磁場,。另一種是上班高峰時(shí)，多張卡片云集,，形成多徑干擾,，考慮到卡片差異性，弱信號在強(qiáng)信號的反射,、折射等信號的干擾下失真,。針對這兩種問題從以下方面設(shè)計(jì)：
    (1)選擇質(zhì)量好的電感L1,，L2和L3，促進(jìn)匹配網(wǎng)絡(luò)與天線的和諧,，盡量使發(fā)射的有用信號全部加載在天線上,，增強(qiáng)空中有效信號的強(qiáng)度，提高信噪比,，減少卡片在有效信號強(qiáng)度方面的差異,。
    (2)在通訊協(xié)議方面，由于異或校驗(yàn)不滿足實(shí)際環(huán)境要求,，在空間無線數(shù)據(jù)傳輸方面采用CRC校驗(yàn)方式,。
3．2 微低功耗的設(shè)計(jì)
    微低功耗是定位卡的重要指標(biāo)，它關(guān)系到定位卡使用壽命的長短,。對該指標(biāo)的設(shè)計(jì)從以下3方面進(jìn)行：
    (1)硬件方面,，采用工作和待機(jī)時(shí)功耗消耗均比較低的模塊。
    (2)軟件方面,，采用間隔發(fā)送模式,，間隔時(shí)間為1 s，設(shè)計(jì)使卡片工作時(shí)間遠(yuǎn)小于掉電省電時(shí)間,，實(shí)現(xiàn)發(fā)送時(shí)間盡量短,，盡快進(jìn)入掉電模式。
    (3)在欠壓指示方面,，盡量減少電壓比較器的利用率,，設(shè)計(jì)長的檢測周期，本設(shè)計(jì)周期采用7．28 h,。

4 結(jié)束語
    定位卡是礦下定位系統(tǒng)的重要組成部分,，為了得到高效、準(zhǔn)確的定位信息,，定位卡的軟硬件設(shè)計(jì)必須考慮多方面的因素,。針對基于無線局域網(wǎng)的礦下定位系統(tǒng)中定位卡設(shè)計(jì)的各個(gè)方面進(jìn)行了較為深入的探討，并通過在實(shí)際的礦井定位系統(tǒng)應(yīng)用中出現(xiàn)的問題,，提出了若干解決非功能性需求的設(shè)計(jì)方法,。