一种低功耗综采工作面人员定位系统设计

陈 贤 ，周 澍

（1.中煤科工集团常州研究院有限公司，江苏 常州 213015；2.天地（常州）自动化股份有限公司，江苏 常州 213015）

采煤工作面是煤矿井下最重要、最危险的第一生产现场，对综采工作面内人员位置准确监控，可以有效提高危险区域的安全管控能力，保障工作面自动化作业时的生产安全。随着UWB 无线定位技术的逐步成熟，已在矿用人员精确定位系统中得到了广泛应用，采用人员定位卡作为标签节点，定位分站作为锚节点的布局模式，可实现厘米级的高精度定位[1-2]，使得井下工作面精确定位成为可能。在综采工作面布置定位系统时，由于工作面有大范围的金属物遮挡，大多采取增加定位分站数量的方法来避免遮挡物对定位精度造成的影响，实现二维定位，但该策略在实施过程中还会遇到其他诸多不利因素。其一，综采工作面环境复杂，由于工作面并不是简单的平直环境，且工作面液压支护位置会随着采煤作业不断变化，导致液压支架上安装的分站位置变化对定位效果产生影响，加上大量金属物遮挡，实现工作面的高精度二维定位难度极大，如果大密度地安装定位分站，那么又面临成本，供电，通信等问题；其二，现场安装的难度极大，虽然液压支架间隔通常只有1.8 m 左右，但是相邻的液压支架之间又是相互独立的，相邻的液压支架现场布线长度实际不低于7 m，从而导致从进风巷一端引入通信线缆总长有上千米，且多定位分站的布局，无论采用以太网、RS485、CAN 等常用通信方式，网络拓扑结构都极其复杂，后期维护困难[3-4]。综上所述，基于人员定位卡+定位分站的布局模式难以在工作面定位应用中实施，工作面定位需求的本身并不是人员位置的准确坐标，而是对人员在综采工作面危险区域的准确识别。考虑到工作面同时作业人员数量有限，那么设计一种采用基于蓝牙的低功耗定位与LoRa 低功耗远距离无线技术的综采工作面定位系统，施工无需拉线，定位无需定标，可以很好地满足工作面定位的现有需求。

1 系统原理

蓝牙信号在传播过程中，会出现衰减现象，且随着距离的增加，信号的衰减程度也会加深。基于RSSI 的测距算法与距离存在一定的函数关系，通过此函数关系可测量出发送端与接收端的距离。此函数关系可用对数距离路径损耗模型表示，表达式如下：

式中：RSSI 为信号强度；PL（d） 为发送端与接收端之间的距离d为时RSSI 的值；d为发送端与接收端之间的距离；PL（d0） 为发送端与接收端之间的距离为1 m 时RSSI 的值；d0=1 m；n为路径损失比例系数；ε为随着距离的增加，信号的损失程度，与定位环境有关，表示均值为0 时的高斯分布随机变量。

令A=PL（d0），根据式（1）可求出d值：

在部署设备前，PL（d0）和n的值需要根据工作面真实环境进行测量并拟合[5-6]。蓝牙RSSI 定位精度一般在2～5 m，根据铺设定位信标的铺设密度，越密定位精度越高。在工作面人员到达区域合理布置蓝牙发射端，人员携带的接收端实时扫描周围的蓝牙信号，根据蓝牙信号强度测算具体位置，从而识别人员在综采工作面的准确位置。

LoRa 技术在低速数据的无线传输方面具有低功耗、长距离、抗干扰、多连接等优势，特别适合空间狭小、设备较多的工作面应用,可以保证人员定位数据的可靠传输[7-8]。

2 系统设计

综采工作面定位系统主要由工作面定位分站、区域定位器、信息矿灯、矿用智能手机、交换机等组成，系统框架如图1。

图1 工作面定位系统框图Fig.1 Block diagram of positioning system for coal face

在工作面液压支架的人行通道和架前区域合理布置区域定位器，人员携带的信息矿灯持续扫描定位器广播的蓝牙广播信号，信息矿灯将单位时间内接收到蓝牙RSSI 最强的定位器信息通过LoRa 无线模块发送给工作面两端的定位分站，分站通过光纤环网将信息矿灯的位置信息上报至上层分析系统，分析系统处理完毕后将最终轨迹展示在定位系统界面上。

2.1 区域定位器

区域定位器作为定位信标，采用大容量一次性锂电池供电，结构抗压可靠，设计磁吸安装和底板焊接2 种安装方式。区域定位器原理框图如图2。

图2 区域定位器原理框图Fig.2 Schematic diagram of area locator

主控采用NORDIC nRF52832 芯片，作为发送端工作在蓝牙从机模式，beacon 信标帧按设定的间隔持续广播，功耗极低，若按1 s 1 次的广播间隔，平均工作电流小于1 mA，工作时长达3 年以上。通过矿用智能手机蓝牙近距离扫描区域定位器的广播信息，可通过配套的APP 软件直接采集定位器的识别信息，电量信息等，以便录入人员定位系统。同时手机与定位器蓝牙连接后，可通过APP 对广播内容，发送间隔，发送信号强度，设备MAC 地址等信息进行配置。

2.2 信息矿灯

2.2.1 原理及功能

人员定位卡在现有RFID 区域定位与UWB 精确定位功能的基础上，针对工作面定位的特殊性，融合蓝牙定位技术和LoRa 无线技术，与矿灯结合组成信息矿灯。矿灯电池选用单节3.7 V、6 000 mAh 锰酸锂电池，保证≥11 h 照明时长的同时，仍有足够电量供人员定位卡使用。人员定位卡硬件部分主控采用NORDICnRF52832 芯片，外围由UWB 射频模块、3 轴加速度计、LoRa 模组、按键、蜂鸣器、指示灯、单色OLED 屏等部分组成，人员定位卡原理框图图如图3。

图3 人员定位卡原理框图Fig.3 Schematic diagram of personnel positioning card

1）UWB 射频模块。用于与精确定位系统下UWB 定位分站通信，实现在现有精确定位系统下的定位功能兼容。

2）蓝牙射频电路。nRF52832 是一颗超低功耗蓝牙SoC，支持多种协议，并且在运行时按需切换，其中2.4G ESD 功能可与基于nRF24L01 的RFID 区域定位兼容，蓝牙定位时定位卡作为接收端工作在蓝牙主机模式[9-10]。

3）LoRa 无线模块。与定位分站的LoRa 模组通信，主要负责发送人员定位卡的蓝牙定位信息和接收定位系统的下行消息。设计采用基于SEMTECH 射频集成芯片SX1276 的射频模块，中心频率为860～935 MHz，接收电流≤13 mA，睡眠电流≤2 μA，有效通信距离5 km@250 bps，可以很好地胜任工作面的低速数据无线传输。

4）3 轴加速度计。主要用于振动及放置方向检测，当信息矿灯长时间静止时人员定位卡进入低功耗模式，避免电池无效的能量损耗，保证矿灯更长的待机时间。

2.2.2 人员定位卡定位工作模式

人员定位卡定位工作模式由UWB 定位模式和蓝牙定位模式2 种工作模式组成。

1）UWB 定位模式。UWB 定位模式下LoRa 无线模块处于睡眠状态，蓝牙射频电路使用2.4G ESB 通信功能，工作在RFID 区域定位标签模式，实现对原有RFID 区域定位的兼容。UWB 射频模块工作在标签模式，按照设定时间间隔与周围的定位分站UWB 定位模组完成测距工作，两次测距之间主控关闭外围电路，使定位卡处于休眠状态以降低功耗。当定位卡与安装在工作面两端的工作面定位分站测距成功，且距离小于一定值时，定位卡切换到蓝牙定位模式。

2）蓝牙定位模式。进入蓝牙定位模式时LoRa无线模块退出休眠，主动与上级设备通信申请信道，防止节点数据并发发生丢包。在该模式下蓝牙射频电路关闭2.4G ESB 通信功能，工作在蓝牙主机模式，接收常开，实时嗅探扫描周边从机设备的MAC 地址、接收信号强度RSSI 值等信息，并将单位时间内RSSI 值最大的从机设备信息通过LoRa 无线模块打包发送给工作面定位分站，LoRa 无线模块发送成功后，打开一定时间的接收窗口，用于接收分站下发的消息。该模式下，UWB 定位功能按正常的间隔正常工作。当蓝牙超过规定时间都扫描不到从机信息时，定位卡退出蓝牙定位模式。

定位卡工作模式切换流程如图4。

图4 定位卡工作模式切换流程Fig.4 Positioning card working mode switching process

2.3 工作面定位分站

工作面定位分站以原有UWB 定位分站为基础，将原有的2 个UWB 定位模组的改为LoRa 网关模组与UWB 定位模组的方式，工作面定位分站原理框图如图5。

图5 工作面定位分站原理框图Fig.5 Schematic diagram of positioning substation for coal face

UWB 定位模组负责与人员定位卡的UWB 射频模块测距通信，当小于一定距离时，指示人员定位卡进入工作面定位模式，LoRa 网关模组主要负责接收工作面人员定位卡上传的定位数据和发送人员定位系统下发的报警信息。

按区域定位器蓝牙广播周期200 ms,信息矿灯定位信息上报周期500 ms 进行现场实测，人员进入液压支架人行通道，所在支架数与定位主机界面上显示支架数基本一致，定位误差不大于1 架，定位延时不大于2 s。

3 结 语

随着基于UWB 定位技术的矿用人员精确定位系统逐步普及，对煤矿井下最后1 km 的人员定位提出了新的要求。针对现有UWB 定位模式在工作面实施的困难，设计了一种采用基于蓝牙定位与LoRa 无线技术的综采工作面定位系统，成本低，施工简单，运维方便，能满足工作面定位的现有需求，同时人员定位卡与现有人员定位系统兼容。但工作面区域定位器不具备声光报警功能和急停开关控制，后期需要完善与液压支架控制器之间的联动通信。