一种多模定位信息矿灯标识卡设计与实现

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）

2019 年10 月12 日，山东省出台《煤矿人员精确定位技术要求（试行）》文件，2019 年12 月9 日山东省煤监局及山东能源集团公司再次出台文件“关于加快井下人员精确定位、无线通信及应急广播系统建设”，其中，明确提出“优先选择与矿灯一体化的标识卡”。2019 年11 月由中国矿业大学（北京）孙继平起草的《煤矿井下人员定位系统通用技术条件》发布征求意见稿，文件对人员定位系统技术指标要求较AQ6210 标准内容要求均有很大提升。

目前，煤矿井下作业人员大部分携带RFID 技术区域标识卡，将RFID 人员管理系统一次性升级为精确人员定位系统，系统产品需要全部更换，改造成本过高。信息矿灯在充电过程中因为充电架电压、电流不稳定容易造成内置标识卡损坏，导致工作电流增大，缩短矿灯照明时间，影响矿工井下安全作业。为此，设计了一种低功耗、过压、过流自诊断保护特点的多模定位矿灯标识卡，该矿灯标识卡可以提高矿灯安全可靠性，减轻作业人员下井携带负担，煤矿企业可以从局部改造逐步实现全矿井精确覆盖，降低企业经济负担，提高生命安全保障[1-3]。

1 标识卡原理框图

定位标识卡主要由：过压保护电路、过流保护电路、指示灯电路、ZigBee 射频电路、ZigBee 功率放大电路、RFID 射频电路、按键几部分组成。多模定位矿灯标识卡硬件设计原理框图如图1。

图1 多模标识卡硬件设计原理框图Fig.1 Principle block diagram of a multi-mode lamp identification card

ZigBee 射频电路及ZigBee 功放电路实现精确定位测距、RFID 射频电路实现区域人员管理，RFID射频电路与ZigBee 射频电路通过ATSAMR21G18A单芯片集中控制。

2 标识卡硬件

2.1 过压保护电路

标识卡具有过压自诊断保护功能。矿灯电池在充电架充电或充电异常时，峰值电压可能超出正常工作范围，采用宽范围输入DC-DC 电源芯片或LDO 芯片稳压其静态电流过大不能满足低功耗，因此，设计使用分立元件实现对后级电路限压保护，满足低功耗、低成本要求。过压保护电路如图2。

图2 过压保护电路Fig.2 Over voltage protection circuit

图2 中，Z1为5.1 V 稳压管，三极管Q1导通电压为0.7 V，MOS 管Q3开启电压最低为0.7 V，当标识卡输入电压高于1.4 V，低于5.87 V 时，三极管Q1、Q2均处于截止状态，MOS 管Q3栅极电压为源极电压1/2，Q3处于导通状态，矿灯电池供标识卡正常工作；当标识卡输入电压高于5.87 V 时，三极管Q1基极钳位电压大于0.7 V，处于导通状态，同时，Q2导通，MOS 管Q3栅极电压与源极电压相等，处于关断状态，对后级电路实现过压保护功能。

2.2 过流保护电路

矿灯充电频率较高，在充放电过程中或工作异常时会出现负载电流过大情况，不加以保护会直接损坏矿灯标识卡，同时缩短矿灯照明正常使用时间，影响矿工井下安全作业。标识卡设计增加电流监测电路，在负载超出设定正常电流值时，自动关断后级电路供电，同时指示灯常亮提示故障。过流保护电路如图3。

图3 过流保护电路Fig.3 Over current protection circuit

图3 中，U1为ZXCT1010 电流监测芯片，采样电阻Rs产生电压差即可将其转换为同比例电流Iout输出，通过R7转换成电压值，过流保护值可以根据应用需求设置。标识卡最大峰值脉冲电流为0.135 A，过流保护值设为0.2 A，当Is=0.2 A时，URs=Rs×Is=0.1×0.2=0.02 V，Utemp=0.01×URs×R7=0.01×0.02×3.5×1 000=0.7 V。当Is低于0.2 A 时，Utemp＜0.7 V，三极管Q4截止，MOS 管Q5、Q6导通，标识卡正常工作；当异常状态Is＞0.2 A 时，三极管Q4导通，MOS 管Q5、Q6关断，Uout=0 V，负载自动断电，D1指示灯处于常亮状态提示，从而整个电路实现过流自动保护。

2.3 射频功率放大电路

RFID 射频部分在井下原有网络中工作，不需要单独增加功放延长通信距离，仅实现井下作业人员区域管理功能。ZigBee 射频部分进行精确测距，射频电路选用Microchip 公司ATSAMR21G18A 主芯片设计，内部集成AT86RF233 无线收发器及MCU，芯片采用AOA 定位算法，通过在接收端对发射端依次产生的相同初相位不同频率的射频信号进行相位测量，从而计算出节点间的距离。延长标识卡与基站之间通信距离，可降低煤矿企业成本。因此，在射频输出端设计增加功率放大器[4-6]。

功率放大的选型通过自由空间传播无线通信距离式（1）理论分析出功率放大芯片所需放大倍数。已知：ATSAMR21G18A 射频芯片接收灵敏度Pr为－99 dBm，中心频率f 为2.45 GHz，通信距离D 设计为400 m，发射天线增益Gt为2 dBi，接收天线增益Gr为5 dBi，发射功率未知，利用自由空间传播时的无线通信距离D 的计算公式为：

式中：Pt为发射功率，dBm；Gt为发射天线增益，dB；Gr为接收天线增益，dB；Pr为接收灵敏度，dBm；35 为大气衰减，dB；D 为通信距离，km；f 为中心频率，MHz。

根据式（1）计算出发射功率Pt＝21.5 dBm，设计选用Skyworks 公司的SE2431L 射频功率放大芯片，输出增益可达21 dB（3.0 V DC）。射频功率放大器电路如图4。

图4 射频功率放大设计电路Fig.4 Design circuit of RF power amplifier

图4 中，U2为ZigBee 射频主芯片，RFN 和RFP管脚为射频信号差分输出，功率放大芯片U4为单端射频输入，U3为宽带射频传输线变压器2450BM15A0015，可以将差分输出信号转换为单端输入信号，通过对U4管脚CSD、CPS、CTX 不同组合配置，功率放大器可以工作在休眠、收/发旁路、低噪声放大接收、功率放大发送几种不同状态，从而达到延长通信距离和降低系统功耗的目的。C8、C9、L1组成π 型网络，调整射频输出与天线之间阻抗匹配。RFID 射频电路通过SPI 接口与ATSAMR21G18A 主芯片通信，完成数据收发。

2.4 倒F 微带天线

根据计算值建立仿真模型，经过仿真优化，最终确定倒F 天线设计尺寸天线高度H 为4 mm，谐振长度L 为15 mm，2 条竖直臂之间距离D 为4 mm，将仿真结果导出.dxf 文件，再导入cadence 画图软件，可以直接制板设计应用。

3 标识卡软件

定位标识卡软件主要实现：电池电压、振动传感器检测、超低功耗休眠管理、ZigBee 定位测距、RFID定位测距等功能。标识卡采用周期性主动唤醒并广播入网请求，发送数据时间极短，休眠时间远远大于发送数据时间，RFID 与ZigBee 射频单元根据周围网络环境自适应选择1 种工作，在有RFID 网络时，关闭ZigBee 射频部分电路；在有ZigBee 网络时，关闭RFID 射频部分电路，可以大大降低功耗；标识卡广播入网请求后，选择RFID 入网或ZigBee 入网，如果ZigBee 入网成功，在规定的测距周期里采用AOA测距算法与基站进行测距，通过计算相对方向角获得位置信息，并发送基站测距信息，如果RFID 入网成功，根据无线通信信号强度值反推出其所处的大概区域。软件设计流程示意图如图5。

图5 软件设计流程示意图Fig.5 Software design flow chart

4 测试结果

1）发射功率测试。射频输出功率是衡量无线传输设计好坏的重要指标之一。标识卡通过增大发射信号功率和接收信号灵敏度设计，提高无线传输可靠性与传输距离，从而有效保证定位精度的稳定性。采用频谱分析仪对标识卡ZigBee 射频电路发射功率进行测试，发射功率为22 dBm，理论计算为：射频芯片输出4.0 dBm，功率放大芯片增益在3.0 VDC输出21 dB，理论计算应输出25 dBm，考虑射频馈线损耗、天线转接头损耗、PCB 加工误差等因素，实测输出结果22 dBm 基本符合理论设计需求。

2）通信距离及定位精度测试。通过对ZigBee 射频单元进行功率放大设计和倒F 微带天线设计，加工样品模块，在静止、可视无遮挡状态下，将10 张定位标识卡放在400 m 处，对标识卡通信距离及精度进行了测试，基站以1 s 的测距周期与标识卡进行测距，一共采集了2 000 个数据，测试结果为在±2 m的范围内的个数为2 000 个，可以达到100.00%；在±1 m 的范围内的个数为1 682 个，可以达到84.1%。通过增加射频功率放大芯片和软件滤波算法处理，实现有效覆盖范围达到400 m，测距精度±2 m，完全适用煤矿精确定位需要[9-10]。由于RFID 射频部分和ZigBee 射频部分均工作在2.4 GHz，相互之间存在射频信号干扰，标识卡采用L 型结构设计，分别安装矿灯电池盒侧位和电池盒上盖位置，并保留10 mm 天线净空区。

5 结 语

设计一种低功耗多模定位矿灯标识卡，标识卡具有过压、过流自诊断及保护功能，保证矿灯正常使用时间。多模定位矿灯标识卡将RFID 及ZigBee 定位功能集成矿灯中，既兼容传统RFID 系统，又适用ZigBee 定位系统，有助于煤矿人员定位系统逐步升级改造，满足现场不同环境下差异化定位场景的需求。目前已经取得煤矿本质安全认证，在山东煤矿进行工业性试验。煤矿人员定位系统从传统的区域人员管理升级为人员精确定位，可以准确统计井下作业人员数量及位置信息，紧急情况下快速撤离及响应，提升生命安全保障。