煤矿井下高精度定位节点设计

摘要：针对现有RFID定位系统定位精度不足的问题，设计了一种基于Chirp 扩频（chirp spread spectrum， CSS）技术的精确定位节点。该节点核心部件由NA5TR1芯片、控制器-STM32L单片机系统， 以及具有低压差、低功耗性能的LDO电源芯片所构成，在煤矿井下恶劣环境中使用此节点进行定位，其覆盖距离能够达到150 m以上，定位精度能够达到3 m以内。

关键词：Chirp扩频； 精确定位； NA5TR1

中图分类号：TD76文献标识码：A文章编号：1005-3824（2014）03-0080-03

0引言

近年来，随着射频识别（radio frequency identification，RFID）技术的迅猛发展，基于有源RFID的定位系统在各个煤矿中得到了广泛应用。然而现有的煤矿RFID定位系统功能较为简单，仅仅是一种考勤记录系统，即使具备简单的跟踪作用，也只能提供某些特定区域内的节点分布信息和节点的粗略移动轨迹，在煤矿井下的恶劣环境中，完全不能实时获取各个目标节点的准确位置及其精确的运动轨迹[12]。

针对现有定位系统用于煤矿环境时存在上述问题，本文采用基于CSS（chirp spread spectrum）技术的NA5TR1芯片，设计了一种在煤矿井下恶劣环境中能正常工作的定位节点，该节点能够实现覆盖距离大于150 m，定位精度小于3 m。

1Chirp扩频

CSS[34]是一种采用军用小孔径雷达Chirp技术，实现在2.4 GHz频段上的信号传输技术。该技术使得接收脉冲能量非常集中，很容易被检测出来，从而提高了系统的抗干扰和抗多径效应能力；同时由于脉冲压缩技术有很好的抗频率偏移特性，接收机端可以直接捕获压缩脉冲，不需要进行频率同步。因此CSS技术具有抗衰减能力强，抗频率偏移能力强，传输距离远等特点，使得CSS技术能够适用于高湿度、高粉尘、地形复杂的煤矿井下环境。

2精确定位系统

应用于煤矿井下的精确定位系统由中心节点和目标节点构成，中心节点固定安装在煤矿井下需要实现精确定位的工作区域，目标节点由生产人员随身携带。一旦生产人员进入中心节点的覆盖区域时，中心节点将对目标节点进行实时定位，并将获取的距离信息传给上位机，完成对煤矿井下工作人员的精确定位。

由于煤矿井下环境恶劣，因此要求定位节点必须具有很强的抗干扰和抗衰减能力、覆盖距离远和低功耗等高性能指标。本文所设计的定位节点主要由NA5TR1射频系统、STM32L单片机小系统以及电源等部件组成。

2.1NA5TR1射频系统

NA5TR1芯片[5]是采用CSS技术的具有高精度测距的射频芯片。该芯片在硬件上支持测距功能，并采用对称双边两路测距方法[6]（SDSTWR），测距精度可达到±3 m。同时该芯片具有低功耗的掉电模式，掉电模式的最小工作电流≤2 μA。由于该芯片的输出功率只有0 dBm，因此在恶劣的煤矿井下环境中需要外加20 dBm的射频功放来增加测距范围。NA5TR1射频系统如图1所示。

定位节点采用3 V的大容量锂锰电池进行供电，而整个系统的工作电压为2.5 V，峰值电流达到250 mA。因此本系统需采用压差低、输出电流能力强、静态电流低的LDO进行电压转换。ISL9021A电源芯片电流输出能达到250 mA，静态电流≤50 μA、同时输出输入压差Vdrop≤0.25 V，因此满足定位节点的要求。特别注意的是定位节点在NA5TR1芯片进入发射状态时会产生250 mA的峰值电流，会造成LDO的输出电压出现瞬间跌落导致STM32L单片机无法正常工作，因此在LDO的输入端需要添加较大电容进行续流，图3中C92电容选值为47 μF。

为了验证该精确定位节点在实际应用环境中的运行效果，在某煤矿的采煤面处搭建了由一个中心节点和多个目标节点构成的精确定位系统，该系统中的中心节点和目标节点均采用本文所设计的精确定位节点。最后对该精确定位系统进行了多次实测，获取了精确定位节点的覆盖范围、定位精度、轨迹跟踪等性能参数，具体测试结果如图4―6所示。

4结束语

本文采用CSS技术，设计了一种大发射功率、低功耗的精确定位节点，通过实测数据验证，在煤矿井下高湿度、高粉尘、多障碍物的恶劣环境中，该节点能够达到150 m以上的覆盖范围，3 m以内的定位精度。

从实验结果来看，本精确定位节点可大大提高人员定位系统的定位精度以及轨道交通自动化跟踪水平，因此该节点能够在人员定位系统以及轨道交通系统中具有非常广阔的应用前景。