任高建，戴剑波

（1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039）

2021 年版《煤矿智能化建设指南》中要求“采用精确定位技术，实现动目标精确定位，井下复杂巷道全覆盖[1]”。随着精确人员定位系统在部分煤矿升级改造运行，精确定位功能大部分能够实现，但也暴露出共性不足之处：对于井下作业人员乘坐交通运输工具时，由于车辆移动速度、电磁屏蔽等原因造成井下作业人员标识卡漏识别，不能够实时动态监测井下人员位置信息，出现监测信息不连续、定位轨迹跳变；同时，无法统计车辆内乘人准确数量，对于车辆超载违规行驶不能做到有效管控。针对存在的问题，设计一种读卡基站，采用超高频RFID 近距离无源识别技术与UWB 精确定位技术相结合的方法，通过巷道内读卡基站与车辆读卡基站直接通信测距，同时与乘车人员携带标识卡间接通信测距，从而有效解决车辆乘人容易漏识别问题，能准确统计车辆内乘车人数[2-4]。

1 读卡基站原理

读卡基站根据AQ 6210—2020 煤矿井下人员定位系统通用技术条件（征求意见稿）中内容规定本安及抗干扰等级要求设计，主要由EMC 电源输入保护电路、电源转换电路、语音提示模块、主控制MCU、LED 显示电路、超高频读卡模块、UWB 人员测距模块、UWB 车辆测距模块、车辆运动状态检测模块、不同增益内、外置全向天线等电路组成。读卡基站整机设计原理框图如图1。

图1 整机设计原理框图Fig.1 Block diagram of the whole card reading base station

2 关键电路

2.1 EMC 电源保护单元

EMC 电源输入保护设计原理图如图2。

图2 EMC 电源输入保护设计原理图Fig.2 Schematic diagram of EMC power input protection design

读卡基站对电源输入部分按照要求进行了电磁兼容防浪涌、群脉冲保护设计。电源输入保护分为2级保护：前级保护为GDT1陶瓷气体放电管，当浪涌、脉冲群电压达到其动作电压值，GDT1呈关闭导通状态，导通后通过C2、C3电容泄放大部分沿电源线感应、传导而来的浪涌、脉冲群电流；由于气体放电管响应时间在微秒级别，其浪涌残余电压还可能有几百伏，后极电源芯片无法承受，因此增加后级保护，TVS1为瞬态抑制二极管，响应时间在皮秒级别，箝位电压低，满足后级电源芯片工作电压范围。在GDT1放电管和TVS1瞬态抑制二极管之间增加电感L1，利用阻交流通直流的瞬态特性，对浪涌、脉冲群形成阻碍作用，从而进行延时与分压，将电压箝位在后级电源转换芯片承受范围之内。C2、C3、C6、C7电容在本安端与外壳之间起绝缘隔离作用，C5、C8电容为滤波作用。通过测试，读卡基站电源输入端口能通过GB/T 17626.4—2018 标准规定的严酷等级为2级、评价等级为A 的电快速瞬变脉冲群抗扰度试验，能通过GB/T 17626.5—2019 标准规定的严酷等级为2级、评价等级为B 的浪涌（冲击）抗扰度试验[5-6]。

2.2 超高频读卡单元

超高频读卡单元设计原理图如图3。

图3 超高频读卡单元设计原理图Fig.3 Schematic diagram of UHF card reading unit

读卡基站设计超高频RFID 读卡模块，通过近距离非接触识别标识卡内置无源标签。超高频读卡模块选用840～930 MHz 频率范围RF200 模块，通信协议兼容ISO18000-6C/EPC Gen2，通过TTL 串口直接与主控制MCU 传输数据，通讯速率可达57 600 bps，读卡基站内置3dBi 双馈点陶瓷天线RF915A，利用射频信号和空间耦合传输特性，实现对标识卡内置无源标签的识别。读卡模块首先通过天线向无源标签发射出电磁波，无源标签从电磁波中提取工作所需要的能量，电磁波遇到无源标签后并散射一部分电磁波到读卡模块，读卡模块接收信号并解调后获得无源标签数据信息。无源标签数据传输可以分为从读卡模块到无源标签前向链路，无源标签到读卡模块后向链路2 部分，前向链路与后向链路采用半双工方式通信，数据传输采用ASK 调制，前向链路采用PIE 码，后向链路采用Miller 码，软件采用CRC-16 校验码和特殊防冲突算法保证无源标签卡号识别正确。通过车辆运动状态检测传感器，在检测到车辆静止时，主控制器PC0 管脚置低电平，关闭RF200 模块工作，检测到车辆启动时，主控制器PC0管脚置高电平，开启RF200 模块工作，用以区分车辆静止时识别到周围人员无源标签误判为乘车，同时降低整机功耗。

2.3 UWB 测距单元

UWB 测距单元设计原理图如图4。

图4 UWB 测距单元设计原理图Fig.4 Schematic diagram of UWB ranging unit

读卡基站设计了车内乘人UWB测距模块和车辆UWB 测距模块[7-10]。车内乘人UWB测距模块U3未加射频功率放大器，通过GD32F405 MCU 芯片配置DW1000 射频芯片内部寄存器控制输出发射功率，同时采用内置增益较小全向天线，缩短读卡基站与车内乘人通信距离；车辆UWB 测距模块U6增加射频功率放大器，采用外置高增益全向天线，车内乘人测距信息通过车辆UWB 测距模块天线传输给巷道内读卡基站，巷道内读卡基站只需与车辆UWB测距模块通信实现测距，即可实现对车内乘人间接测距，而不会出现车辆在运动行驶过程中漏识别乘人测距信息。

3 读卡基站软件

读卡基站软件设计主要实现车辆运动状态检测、无源标签卡号识别，车内乘人UWB 测距、读卡基站与巷道基站UWB 测距等功能。读卡基站软件设计示意框图如图5。

图5 软件设计示意框图Fig.5 Schematic block diagram of software design

读卡基站首先通过车辆运动状态检测传感器检测车辆是静止还是启动状态，如果车辆静止，读卡基站超高频RFID 读卡模块断电关闭，巷道基站与读卡基站建立直接测距链路，实现对车辆进行测距定位；如果车辆运动，超高频RFID 读卡模块读取乘人标识卡内置无源标签信息，根据无源标签信息，乘人UWB 测距模块向指定标识卡广播入网请求帧，接收到入网请求帧的标识卡可以确认为已上车，若10 s内没有接收到入网请求帧则判定为乘人已下车或在车外。已上车的乘人，通过读卡基站乘人UWB 测距模块与标识卡建立直接测距链路，巷道基站与车辆UWB 测距模块建立标识卡间接测距链路，从而实现对车辆乘人定位；巷道中行人或已下车乘人通过巷道基站与标识卡建立直接测距链路进行定位。

4 结 语

设计了一种读卡基站煤矿井下车辆乘人防漏识别读卡基站。读卡基站通过超高频RFID 识别、乘人UWB 测距、车辆UWB 测距3 种不同方式组合实现车辆内乘人不受车辆移动速度、电磁屏蔽等原因影响，可有效区分车辆内乘人与巷道内行人，掌握车辆乘人具体数量及实时位置信息，提高了煤矿井下人员定位连续性和可靠性；读卡基站可以有效管控车辆超载违规行驶行为，为煤矿企业实现以人为本，持续稳定、健康发展，提高安全生产管理效率的目标奠定坚实基础。