基于nRF24L01的人员定位系统标识卡的设计

摘 ； 要： 人员定位系统由标识卡、监测分站和监控中心三部分构成，当井下人员经过安装在各个采区口的监测分站时，随身携带的标识卡将卡片中的个人信息发送出去，由监测分站采集到信息并存储，当监控中心主机发送命令来获取数据时，通过总线送到地面控制中心。这里主要介绍标识卡的设计方法。标识卡采用单片集成无线收发模块nRF24L01为射频前端，以低功耗单片机MSP430F2011为控制器，以LED和蜂鸣器为状态指示。介绍了硬件设计和软件的编程方法，最后进行了验证。

关键词： 人员定位； 标识卡； 监测分站； nRF24L01

中图分类号： TN919?34 ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； 文献标识码： A ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； 文章编号： 1004?373X（2014）23?0033?04

Abstract： The device is composed of radio frequency identification card， monitoring sub?station and control center. When a miner passes through a monitoring sub?station， his portable identification card will send his information out， and monitoring sub?station collects the information. It waits for request of monitoring center′s PC after saving information， and uploads data in memory to the PC once receiving commands. The nRF24L01 is adopted as the RF front?end which is a single chip wireless transceiver， lo? power consumption MSP430f2011 as the main controller， LED and buzzer as the status indication. The hardware design and software programming methods are introduce in this paper. They passed the verification.

keywords： personnel location； identification card； monitoring sub?station； nRF24L01

0 ； 引 ； 言

煤是工业不可缺少的粮食之一，煤炭是工业发展的基础。由于煤矿生产的特殊性，煤矿井下人员在工作过程中，各种人为操作失误和自然环境时刻都在威胁着工作人员的生命安全，矿井重大灾害及伤亡事故时有发生。国家为此推出了“AQl048?2007 煤矿井下作业人员管理系统使用与管理规范”和“AQ6210?2007 煤矿井下作业人员管理系统通用技术条件”2个强制执行标准。因此，开发新型的矿井人员管理系统，实现对煤矿入井人员的实时跟踪和定位，消除地面管理人员对井下作业人员的视野盲区，随时清楚掌握每个井下作业人员的位置及活动轨迹，有着重要的现实意义。

1 ； 标识卡硬件设计

定位系统的系统组成框图如图1所示。系统的工作原理如下：在煤矿井下各个坑道交叉口及作业区域附近安装适量监测分站，具体数量和位置根据现场实际工况和实现的功能要求而定，每个监测分站分配一个固定的地址，并且将监测分站通过RS 485总线与地面的监测主机联网。同时，在每个下井工作人员身上佩带一个标识卡，每个标识卡具有惟一的ID对应相应的工作人员，当携带RFID 标识卡的工作人员通过某个监测分站时，其身上的标识卡会向监测分站发送其ID 号，监测分站将采集到的ID 信息和当前时间作为一条记录保存到数据存储器中，当监测主机发送命令来获取数据时，监测分站将数据存储器中的数据添加上监测分站的地址发送给监测主机，监测主机将得到的数据做适当处理后保存在数据库中，最后将数据库中的数据记录经过分析、演算来完成井下人员定位工作。由此可见标识卡的设计是该系统的关键部分。

首先是无线通信方式的选择，目前井下无线定位技术主要有无源RFID、有源RFID、WiFi和ZigBee。这几种技术各有优缺点，WiFi带宽，通信数据率高，缺点是功耗高，成本也较高；有源RFID优点是传输距离远，数据率高，成本较低，缺点是功耗稍高；无源RFID的优点是标签不需要供电，价格最低，缺点是传输距离短；ZigBee优点是可自组网，价格低廉，缺点是数据率低，价格稍高。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼29t1.tif>；

图1 人员定位系统组成框图

由于标识卡的数量大且是易耗品，因此成本要求必须低廉，功耗低。综合各方面考虑，选取使用nRF24L01为无线通信模块的有源RFID作为标识卡的方案。

由于标识卡采用电池供电，因此电路设计时需要考虑低功耗设计以增强电池的续航能力。标识卡由无线发射芯片、MCU、按键、状态指示灯和电源组成。对于标识卡来言，由于用量很大，选择功能满足、成本较低的单片机作为控制芯片有极大的经济意义。所以MCU选取了TI公司的以超低功耗著称的MSP430F2011单片机。标识卡的无线发射芯片采用NORDIC公司的nRF24L01芯片。在选取电源时考虑到人员的移动性和标签携带的方便性，所以电源采用钮扣电池，由于nRF24L01及MSP430F2011的功耗都很低，所以钮扣电池能够满足要求。另外芯片工作时的电流只有几毫安，所以满足井下安全要求，无需添加防爆外壳，可以使标签体积更小，携带更方便。标识卡的组成如图2所示。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼29t2.tif>；

图2 标识卡的组成框图

1.1 ； 无线射频模块电路设计

射频模块nRF24L01是Nordic公司开发的2.4 GHz超低功耗单片无线收发芯片，射频模块电路原理图如图3所示。图3中，nRF24L01的MOSI，MISO和SCK组成SPI接口，连接单片机。nRF24L01的工作频率为16 MHz，若处于发射模式，CE信号从1变为0时，nRF24L01就把从单片机收到的数据以2 Mb/s的速率发射出去；若系统设为接收模式，nRF24L01就一直在监测天线上的信号，若有同频的信号，就收下并打开信息包读取地址，地址与自己的相同就取出信息包里的有用数据，并使IRQ信号为低电平，上传单片机进行处理。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼29t3.tif>；

图3 射频模块电路原理图

1.2 ； 低电压检测电路

标识卡是使用电池供电，为了防止因电池没电而造成标识卡无法使用而带来的意外情况发生，需要实时监测电池电量，同时上传给监测分站。在电路设计上采用了以R3111H251C为核心的电压检测电路，如图4所示。当电池电压低于2.5 V时，芯片的1脚输出低电平，控制器检测到P1.5脚为低电平后，红色指示灯亮，蜂鸣器鸣叫，直到电池没电，同时无线发送低压指示信号给监测分站。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼29t4.tif>；

图4 低电压检测电路

1.3 ； 微控制器电路及按键和LED显示电路

MSP430是TI公司一种超低功耗微控制器系列，片内组合了不同的功能模块，可适应不同应用层次的需求。这里采用MSP430F2011单片机作为微控制器，芯片共有10个通用输入/输出口，DOUT，IRQ，CE，CS，CLK和DIN作为与nRF24L01通信的I/O口，采用模拟的方式实现串行SPI通信。LEDG和LEDR是红绿双色LED显示电路的控制I/O口，其中蜂鸣器和红色LED共用I/O口，P2.6作为按键输入I/O口，P1.5作为低电压检测输入I/O口。TEST作为程序下载I/O口。MSP430F2011单片机的全部I/O口都充分使用。时钟采用单片机内部时钟。此外，系统没有数据交换时，自动进入低功耗模式；检测到有数据接收时，系统迅速从低功耗模式激活，进行数据交换，从而大大降低了系统待机能耗。电路如图5所示。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼29t5.tif>；

图5 微控制器电路

2 ； 标识卡软件设计

2.1 ； 低功耗程序设计

低功耗除了要在硬件设计上考虑外，程序设计的好坏更是起着极大的作用，因此程序设计上要重点考虑。

MSP430F2011芯片工作电压仅为1.8～3.6 V，掉电工作模式下消耗电流为0.1 μA，等待工作模式下消耗电流仅为0.5 μA。本设计中，MSP430F2011被长时间置于掉电工作模式，通过中断唤醒的方式使其短暂进入工作状态，以节省电能。MSP430F2011具有3组独立的时钟源：片内VLO、片外晶振、DCO。这里采用内部超低功耗、12 kHz典型频率的低频振荡器作为MCU休眠（LPM3模式）的时钟源，使用内部数控振荡器（DCO），配置为1 MHz 作为MCU唤醒后的系统时钟；MSP430F2011具有LPM0～LPM4五种低功耗模式，本设计中，MSP430F2011在上电配置完毕后将直接进入LPM3模式，同时开启中断，等待外部中断信号。

此外，程序设计尽可能优化工作时序和精简冗余指令等，实现低功耗。

nRF24L01具有五种工作模式：RX，TX，StandbyⅡ，Standby Ⅰ， PowerDown模式，在3 V电压下工作，芯片典型接收时工作电流12.3 mA，0 dBm功率发射时为11.3 mA，掉电模式（PowerDown）时仅为900 nA。因此软件设计是使标识卡在大部分时间处于休眠状态，每隔2 s发送一次，每隔约5 s接收一次（持续一段时间），其余时间工作于掉电模式。同时设计传输速率为2 Mb/s，这样既可以保证信息能正常传输，同时把接收和发射时间压缩在最短。

2.2 ； 主程序设计

综合低功耗设计和软件功能的需要，设计系统的主程序流程如图6所示。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼29t6.tif>；

图6 主程序流程

控制器上电后先进行控制器的初始化，如定时器、时钟、I/O口等，再初始化nRF24L01，然后从信息存储区内取出ID号，开放定时中断和I/O口中断，MSP430F2011进入LPM3低功耗模式。当定时器或是外部中断时，控制器退出LPM3低功耗状态，执行完中断服务程序后返回到主程序中从进入LPM3语句后面的程序开始执行。检测是按键状态，检测电源电压，判断2 s时间是否到了，如到了则启动发送，将本标识卡的ID号加载上按键状态和电压状态无线发射出去。接着判断5 s到了吗，如果到了启动一次接收，接收到的信息进行存储并分析，当接收到的信息有紧急呼叫或是单独呼叫本标识卡ID的话，驱动发光二极管和蜂鸣器进行显示和报警。

2.3 ； nRF24L01射频模块无线收发程序设计

为了降低功耗和系统功能需要，nRF24L01射频模块大部分时间工作于掉电模式，每2 s启动一次发射模式，每5 s启动一次接收模式。同时设置工作于增强型ShockBurstTM模式，使得在MSP430F2011将数据低速送入nRF24L01片内FIFO，却以2 Mb/s高速发射出去。这样降低了对单片机的速度要求，缩短了一次发射的时间，既降低了功耗，又提高了效率，增强了系统防冲突和应付移动目标能力。

nRF24L01射频模块无线发送和接收流程如图7，图8所示，发送和接收使用了不同频率，发送采用0A频段，接收采用08频段。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼29t7.tif>；

图7 nRF24L01射频模块无线发送流程

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼29t8.tif>；

图8 nRF24L01射频模块无线接收流程

2.4 ； 定时中断程序设计

定时器采用定时器Timer_A，16位定时器，工作在连续计数模式，此模式下定时器从0累加到比较器TACCR0，时钟采用内部低速VLO，12 kHz，因此比较寄存器TACCR0的值为12 000，即可定时为1 s。

3 ； 系统性能测试

3.1 ； 标识卡功耗测试

标识卡的总功耗可根据总电流乘以电源电压计算，总电流又可通过串入采样电阻实现把电流转换成电压进行测量。为了产生的电压易于测量，并且电阻大小不能引入过多的压降，本系统在测试时选取采样电阻精度为l‰、阻值为1 Ω的电阻。由于标识卡大部分时间处于休眠状态，每2 s发送一次，每5 s接收一次，不易测量，因此为测量功耗编写了两个测试程序，一个测试程序一直处于发送状态测量发射时的系统电流，另一个测试程序一直处于接收状态测量接收电流。采用泰克公司的TDSl012B数字存储示波器进行测量，通过测量发送时工作电流约为12 mA，接收电流约为12.9 mA。与预期基本一致。

3.2 ； 系统功能测试

系统的功能测试是在实训楼的走廊内模拟巷道的环境对标识卡进行测试。测试时间为2 h，测试标识卡30张。按照不同距离分别放置在5个不同的距离的点，每个点5张标识卡。测得的监测分站读取标识卡的结果如表1所示。

表1 监测分站读取标识卡测试结果

[标识卡ID＼&；测试距离 /m＼&；读取次数

（理论读取次数3 600）＼&；读取率 /%＼&；1001～1005＼&；5＼&；3 600＼&；100＼&；1006～1010＼&；10＼&；3 600＼&；100＼&；1011～1015＼&；15＼&；3 600＼&；100＼&；1016～1020＼&；20＼&；3 591＼&；100＼&；1021～1025＼&；25＼&；3 560＼&；99.7＼&；1026～1030＼&；30＼&；3 412＼&；98.8＼&；]

由实验测得的结果可知，监测分站读取标识卡的距离在20 m内读取率可达100%，超过这个距离读取率会下降，距离越远，读取率越低。

在位移速度不小于5 m/s时，对读取率没有影响；但身体阻挡，特别是标识卡刚好被身体完全阻挡时，读取率大大减小，漏读率增加。

3.3 ； 标识卡实物图及介绍

图9（a）和图9（b）是两种标识卡的实物图，两张标识卡采用了不同的板载天线，测试效果基本相同。由图中与一元硬币对比可以看出标识卡的体积很小，结构简单，非常易于携带。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼29t9.tif>；

图9 标识卡实物图

4 ； 结 ； 语

采用单片集成无线收发模块nRF24L01为射频前端，以低功耗单片机MSP430F2011为控制器，以LED和蜂鸣器为状态指示，设计了一种新型人员定位标识卡。配合人员定位监测分站进行了标识卡性能的测试，测试效果基本达到设计要求。标识卡在距离监测分站20 m时，读取率为100%，漏读率为0%；距离监测分站25 m时，读取率为99.7%，漏读率为0.3%。读取距离的测试是在实验室的环境中进行的，还需在煤矿井下巷道进行实际的现场测试，不断地改善系统的性能。

参考文献

[1] 徐立军.基于RFID的煤矿井下人员定位系统[D].沈阳：辽宁工程技术大学，2007.

[2] 李照清.单片机原理及接口技术（简明修订版）[M].北京：北京航空航天大学出版社，1998.

[3] 李鹤.井下通信及人员定位的自动化技术研究[J].煤矿现代化，2013（4）：43?46.

[4] 孙广军.大型煤矿自动化控制系统的设计与应用[J].中国煤炭工业，2010（8）：56?57.

[5] 严林祥，张红雨.基于nRF24L01的防拆卸有源电子标签设计[J].电子技术应用，2013，39（8）：44?46.

[6] 黄刚，温泽源.矿井人员定位系统硬件电路应用设计[J].西安科技大学学报，2013，11（45）：320?324.

[7] 张文矿.煤矿井下人员定位考勤系统的通信模式探讨[J].科技情报开发与经济，2009，19（36）：90?92.

[8] 张楠.基于CAN总线的煤矿综合监控系统的设计与实现[J].山西大同大学学报：自然科学版，2012，28（4）：58?61.

[9] 刘宇.矿井人员定位、管理、搜救系统的设计[D].北京：北京邮电大学，2008.

[10] 姜拓.井下人员定位与考勤系统设计[D].太原：中北大学，2008.

[11] 彭璇.基于CAN总线的井下通信系统研究[D].重庆：重庆大学，2013.

[12] 李崇.井下人员定位管理系统在中小型煤矿中的应用与改进[J].煤炭技术，2012，31（1）：104?106.