陈代伟

（镇江中煤电子有限公司）

目前，矿山物联网技术在智慧矿山建设中得到不断发展，对于煤矿井下作业人员、机电设备、交通运输工具等目标的实时状态监测、大数据采集、应急联动等各种信息的需求日益剧增。现在煤矿在用的大部分人员管理系统均采用区域定位的方式，如RFID、Zigbee、WiFi和蓝牙等技术原理的系统。由于某些煤矿管理不到位和员工工作状态不规范，在煤矿发生安全事故时，无法精准掌握受困人员的具体位置和精准指引受困人员的逃生路线，从而影响了救援工作的开展，延误了宝贵的救援时间，造成无法及时有效地实施救援工作。未来煤矿安全生产应该朝着智能化、集成化、信息化的方向迈进，监控系统要采用先进的传感器，缩短巡检周期，增多控制功能，增强大数据分析能力，特别要做到与井下人员定位系统的融合以及应急联动［1-2］。为此，在基于RFID技术的KJ106煤矿人员管理系统基础上，再融合基于UWB技术的KJ1385煤矿人员定位系统，设计一种多源融合的定位分站，不但可以进行区域人员定位，还可以满足人员精准定位，既能满足新文件规定的远距离测量和高精度定位要求，又能降低客户进行设备升级改造的成本。

1 UWB和RFID技术应用理论

1.1 UWB技术测距原理

UWB（Ultra Wide Band，超宽带）是一种无线载波通信技术，它是利用纳秒级或者亚纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围较宽。UWB定位的常用方法有如下4种：飞行时间法（TOF）、到达时间差法（TDOA）、到达角度法（AOA）、接收到信号强度指示法（RSSI）。鉴于对比各自的优缺点后，决定采用TOF飞行时间定位法，其基本原理是通过测量标识卡与定位模块之间无线载波信号往返的飞行时间乘以电磁波速度来计算距离，属于双向双程测距技术。

见图1，Tx为发射信号，Rx为接收信号，标识卡在t1时刻发出无线载波信号；读卡分站天线在t2时刻接收到载波信号，经UWB射频模块确认完数据后，在t3时刻回传载波信号；标识卡在t4时刻接收到载波信号，处理完分站的回传信号后，在t5时刻再次发送载波信号；读卡分站天线在t6时刻接收到载波信号，继续由UWB射频模块进行处理。标识卡和读卡分站完成1次信号交互往返的时间为t6与t1之差，但是，t3与t2时间差为读卡分站处理信号的反应时间，t5与t4时间差为标识卡处理信号的反应时间，因此标识卡到分站天线的距离d可以表示为

式中，c为无线电信号在空气中的传播速度，为3×108m/s。

1.2 UWB技术方向判定原理

读卡分站采用双测距模块设计，内置了2块相同的射频模块。射频模块通过矿用阻燃射频同轴电缆与1根增益为12 dBi的全向天线配接，2根天线距离s为4 m［3］。标识卡采用了双向双程测距法，如图2所示，标识卡与读卡分站的天线距离为d1和d2。标识卡相对于读卡分站的方向判定原则如下：①当d1＞d2时，标识卡在分站的右边，距离为d2；②当d1＜d2时，标识卡在分站的左边，距离为d2；③当d1＜s且d2＜s时，标识卡在定位读卡器的右边，距离为d2［4］。由此可见，天线1可以被视作是判定标识卡方向而设定的，天线2可以被视作是测量距离而设定的。

1.3 RFID技术

RFID（Radio Frequency Identification，射频识别技术）是一种无线射频信号，通过空间耦合，实现无线信息传递，并通过所传递的信息达到识别目标的技术。在人员定位领域，RFID技术的优点有技术简单实用、高效性、高唯一性、低成本、市场应用广泛。缺点则有检测距离短，不能显示人员具体位置，只能用于区域定位和人员考勤管理，功能和技术指标已经不能完全满足社会发展的需要。

2 系统设计方案与硬件要求

2.1 系统框架

本系统网络架构由物理层、网络层和应用层组成［5］，其连接如图3所示。物理层由标识卡（标签卡）、读卡分站、本安型直流电源组成，完成无线测距信息的收发，并且在读卡分站上计算出标识卡位置信息。网络层包括读卡分站、矿用万兆交换机组成的工业以太环网传输平台，读卡分站具备RJ45接口和光纤通信接口，它可以将光纤模块级联，最后将定位信息接入万兆以太环网，上传到应用层中心监控计算机进行处理，并实时显示被监测目标的具体位置信息。

2.2 物理层

（1）RFID标签卡专用于读卡分站识别井下人员和移动设备的位置、身份的电子标签。它是一种有源射频标签卡，采用本质安全型电路设计，能够间歇性发射自身信息数据包。80个以上标识卡可在读卡分站信号覆盖范围内同时被识别，并具有无线微功率、稳定可靠、体积小、便于携带等优点。基于无线射频识别技术的标签卡除了具备定位功能外，还应具有紧急求救、震动报警、欠电指示、通信指示等功能。此卡是基于RFID技术的旧式人员管理系统所有，在系统升级为精准定位系统时可以继续被利旧使用，不造成浪费。

（2）UWB标识卡是内置了RFID芯片和DW1000定位芯片的有源射频标识卡。采用周期性地发送无线载波信号，读卡分站接收到信号后，回复给标识卡包含信号飞行时隙的数据包，标识卡接收到读卡分站的回传信号后再次发送确认信号，读卡分站第2次接收到信号为止，即完成一个信号飞行周期。标识卡与读卡分站呼叫应答成功后，在特定的时间段分别与读卡分站的2个内置DW1000射频模块进行测距。开始由读卡分站的2号射频模块主动发起测距，经标识卡自身计算与2号射频模块的距离，然后由标识卡主动发起测距，采用同样的方式与读卡分站的1号射频模块进行测距，由读卡分站根据2次距离测量值进行比较，最后识别出标识卡的方向。标识卡的外观结构可根据煤矿的特殊环境设计出以下几种型式：佩戴腰间式、智能手环式、综合信息矿灯式、墨水屏工牌式等，这些结构都可以做到IP65外壳防护等级。

（3）综合读卡分站是系统的核心组成部件，其功能结构如图4所示，包括STM32系列主微控制器、UWB射频模块、RFID射频模块、光电通信模块、液晶显示模块、存储模块、本安电源模块等。其中主微控制器CPU选用ST公司的STM32系列F4处理器。UWB射频模块选用DecaWave公司的DW1000无线收发芯片，因为需要进行方向判定，故而用到2块芯片。RFID射频模块选用的TI公司的CC2500芯片，其中心频率为2.4 GHz，它是集成了数字无线收发一体的FSK芯片。通信模块是采用了两光三电的光端机模块，可以做到32台以内的读卡分站之间进行光纤级联，最后接入工业以太环网的主通信网络中。存储模块是为了支持系统在发生故障后，每个分站能够独立存储2 h以上数据，在系统恢复正常工作后，继续上传丢失数据并由服务器补存至系统数据库中，以保证人员位置信息的连续完整性。分站馈线采用MSYV-50-7以上规格的煤矿用阻燃同轴电缆，天线采用增益为12 dBi的全向天线。

2.3 网络层

万兆交换机是网络层的核心设备，可以实现资源共享与优化配置，提高矿井通信的效率［6］。为了早日建成智慧矿山的目标，现在要打破传统的“专网专用”模式，开始迈向“一网一站”的新里程，即各种井下测量数据进入统一的综合通信分站，再由分站接入高速工业以太环网，上传至服务器，最后发送给各个信息终端。

2.4 应用层

应用层主要是服务器中的应用软件。系统除了满足AQ6210—2007标准的软件功能要求以外，还做到了能与安全监控、应急广播系统、无线通信系统、车辆管理系统融合，能与GIS技术融合；具有唯一性检测功能，当出现下井人员携带多张（含2张）标识卡、不携带卡或非本人卡等情况时，系统应识别并报警，可采用人脸识别、虹膜识别等技术；系统组成中应包含便携式定位仪，且系统应具有使用便携式定位仪脱网定位功能；系统还应具备发生故障断网后，能自恢复续传分站存储数据功能。

3 试验与结果

为了检验系统最大测量距离和直线测距静态误差，按照最简单系统试验方案布置，需要1台笔记本电脑，1台读卡分站，80张标识卡，读卡分站天线安装高度为2 m，标识卡放置高度为1.2 m。测点的选取原则：在最大测试距离400 m内选取10个测点，必须选取1个10 m以内的测点和400 m的测点，其余测点可以随机选取。系统通电运行，待读取所有标识卡信息运行稳定后，清空系统读卡数据库，同时开始计时，读取每个标识卡数据不少于125次，此为一个检验周期。试验后，调取数据库，查看清空数据库时间点开始后每张标识卡的125条数据（至少含卡号、时间、位置信息），所有位置信息与对应标识卡实际位置直线距离差值Δd的绝对值即为直线测距静态误差。

试验测试验证结果：卡号为1 001～1 080的80张标识卡测量了3个检验周期，最大检测距离是400 m，经过比较位置数据得出最大的|Δd|为0.21 m，小于0.3 m，满足验证要求。图5所示是以400 m位置为例，检测3个周期后统计出来的8张标识卡静态误差测量结果，每一条曲线代表的是一个周期内8张标识卡的测量位置结果。

4 结 论

详细阐述了一种新型的多源融合的煤矿人员精准定位系统方案，设计了系统框架、组网方式和硬件架构，并对方案进行多次现场验证。根据测试效果，确定了天线和馈线的规格以及天线之间的最佳参考距离。系统定位静态测距误差最终稳定保持在0.3 m以内，满足了设计指标和应用需求。给出了系统软件功能的设计思路，实现新旧人员定位系统的融合，达到了区域定位和精确定位同时实现的目的。