一种基于TOF测距的矿井精确定位设计

【摘 要】为了提高矿山井下定位系统的精度，本文提出了一种基于TOF测距算法的精确定位设计。本文阐述了无线测距方式的选择、无线测距设计及基于nRF2401芯片精确定位收/发模块的设计。

【关键词】精确定位；TOF测距；nRF2401

0 引言

随着矿山自动化、信息化建设的不断深入，矿山行业对井下人员/机车等动目标的定位管理要求越来越高，传统的区域定位已经难以满足矿山建设的需要。与区域定位只能定位一个大的区域范围不同，精确定位能将井下动目标准确定位到具置，能直观展现井下动目标的确切位置，对矿井的安全生产具有重要意义。

1 无线测距方式选择

1.1 小区定位测距

采用泄漏电缆，以多点连续的射频信号实现巷道长距离信号连续覆盖，在重点及关键区域密集设置定位器，实现准精确定位。

小区定位的定位精度较低，定位参照点多，数据量大，系统可靠性和可维护性较差。

1.2 RSSI定位测距

Zigbee和WiFi网络通常采用RSSI定位方法，通过无线信号的传输损耗模型计算移动节点与节点间的距离：[p（d）]dBm=[p（d0）]dBm-10nlg（d/d0）+XdBm

p（d）为距离发射点d米处的接受信号强度，即RSSI值；p（d0）为参考距离为d0的信号功率；n为实际的路径损耗指数，障碍物越多，n值越大；X为0均值的高斯分布随机变量。

无线信号的传输损耗模型受环境影响大，矿山井下巷道狭窄、不规范，环境湿度大，巷道壁及巷道内设备对信号有吸收、反射、折射等影响，定位误差较难控制。

1.3 TOF测距定位

TOF（飞行时间，Time of Flight）。根据IEEE802.15.4a规范，定义了两种测距标准： TW-TOA和SDS-TW-TOA。

TW-TOA测距方式：节点A向节点B发送测距帧、节点B向节点A返回响应帧，Tab为节点A发出帧到收帧间的时间，Tdb为节点B自身延时，节点AB间的距离dAB=0.5*c*（Tab-Tdb），其中c=3*108m/s。

SDS-TW-TOA测距方式：在TW-TOA的基础上增加了节点A 向节点B的二次响应帧，Tba为节点B发出帧到收到帧的时间，Tda为节点A自身延时，节点AB间的距离dAB=0.25*c*（Tab+Tba-Tdb-Tda）。

TOF两种测距方法都具有精度高、抗扰强、功耗低等特点，符合在矿山井下应用的环境要求。

考虑节点A和节点B的晶振误差限度，SDS-TW-TOA方式理论上能更好地控制不同发射器间晶振频率差异引起的测距误差。

通过以上比较，本次设计采用SDS-TW-TOA方式的TOF测距方式。

2 无线测距设计

矿山井下动目标的定位测距，一般通过在矿井巷道安装定位测距接收器、动目标配备发射器来实现。发射器发出标识码信号，通过天线发射，再由接收器接收。由于被测目标是移动的，要求信号必须具备传送速度快、容量大、信息传送可靠的特点。与一般通信系统类似，发射端必需将信号编码、调制，接收端必需将信号解调、译码。本次采用FM调制，编码、解码、调制、解调均由NRF2401芯片自动完成。

TOF测距是一个连续的通讯过程，节点间的访问冲突会导致测距产生严重偏差甚至测距失败。因此，在SDS-TW-TOA测距中需要设计一套无线空中协议来协调所有发射器的测距和通讯。本次采用TDMA时分多路存储方法来协调多个发射器的测距和定位。

空中协议实现过程：

1）接收器广播空闲时隙数据帧，通知所有发射器开始分配时隙；

2）发射器收到后发送时隙申请；

3）接收器接受时隙申请后，确定各定位时隙并广播；

4）分配到时隙的发射器在规定时间完成测距，然后重新进入休眠；未分配到时隙的发射器也进入休眠；

5）接收器在所有定位时隙执行完后，重新进入阶段1）。

在无线通信协议的物理层加入CCA空闲信道评估机制，能减少无线信道碰撞、增加了无线并发数、降低漏读率。

根据定位参照点数量可分为单点、两点和多点定位。单点定位只采用一台接收器，能定位某个发射器到收发器的距离，不区分方向。两点定位采用一台收发器定位、一台作为参考点，既定位距离又可区分方向。由于矿山井下巷道的特殊性（线性特征），只需采用单点定位或两点定位。

3 基于nRF2401的收发设计

3.1 发射器设计

发射器采用nFR2401芯片实现射频收发。nRF2401是单片射频收发芯片，由频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。内置地址解码器、先入先出堆栈区、解调处理器、时钟处理器、GFSK滤波器、低噪声放大器、频率合成器、功率放大器等功能模块，只需要增加很少外部器件就可组成无线收发系统。芯片功耗低，以-5dBm的功率发射时工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA。

本设计采用ShockBurstTM收发模式，可降低功耗、减少碰撞，自动处理字头和CRC校验码。

本设计采用外部晶振为16MHz，空闲模式工作电流为32uA。

3.2 接收器设计

接收器由主控、电源、通信、定位等模块组成。主控模块采用LPC2114芯片，电源模块将18V电源输入经隔离转换成5V和3.3V，通信模块通过RS485总线实现收发器与上位机通信。定位模块采用nRF24E1芯片，其自带2.4GHz无线收发器nRF2401和增强型8051内核。

4 结语

本文所提出的采用TOF（SDS-TW-TOA方式）测距的精确定位设计，经测试能够实现3-5m精度的定位，适应矿山井下的应用环境，是一种可行的矿井精确定位设计。

【参考文献】

[1]王琦.基于RSSI测距的定位算法的实现[M].电子科技出版社，2012.

[2]范平志，邓平，刘林. 蜂窝网无线定位[M].电子工业出版社，2002.

[3]黄智伟.单片无线发射与接收电路设计[M].西安电子科技大学出版社，2009.

[4]郑启忠，朱宏辉，耿四军.2.4GHz射频收发芯片nRF2401及其应用[J].武汉理工大学，2009.