引言：
煤礦是我國安全生產(chǎn)事故多發(fā)行業(yè)，百萬噸死亡率高達7.86,對井下工作人員進行定位跟蹤已顯得十分重要。目前國內(nèi)的礦井人員定位系統(tǒng)大多采用RFID技術(shù)進行人員定位。用傳統(tǒng)RFID進行定位的缺點是：功能單一，僅具編碼識別功能；信號傳輸可靠性低；信號識別距離短；漏讀率高。鑒此，本文采用射頻Soc nRF9E5來設(shè)計礦井人員定位系統(tǒng)。通過軟件編程，使得nRF9E5芯片在實現(xiàn)RFID功能的基礎(chǔ)上，還能實現(xiàn)無線報警功能。
1. 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及工作原理：   
1.1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)及功能：
礦井人員定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為井上和井下兩部分，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1。
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圖1  礦井人員無線定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖
其中智能定位基站負責采集處理礦井人員的身份編碼，坑道氣體濃度，溫濕度等信息，并將它們送給地面監(jiān)控主機；智能卡里保存有員工的身份編碼，并不斷得向周圍發(fā)送該編碼，礦難發(fā)生時可發(fā)無線報警信號；數(shù)據(jù)接口負責將井下現(xiàn)場總線信號轉(zhuǎn)換為RS-232信號；HUB用于地面設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接；監(jiān)控主機用來運行管理軟件，在計算機屏幕上直觀動態(tài)顯示井下人員的分布情況，使管理者一目了然；服務(wù)器里存放數(shù)據(jù)庫，供監(jiān)管部門通過INTERNET遠程監(jiān)控；打印機主要用來打印人員監(jiān)測管理等報表。
正常情況下，該系統(tǒng)為煤礦管理人員提供人員實時監(jiān)控、進出限制、考勤作業(yè)等多方面的管理信息。當發(fā)生安全事故時，搜救人員通過該系統(tǒng)立刻可知被困人員的位置，保證搶險救災(zāi)和安全救護工作的高效運作。             
1.2 定位原理：
井下智能定位基站里的讀卡器不斷地向其周圍發(fā)送無線信號。每個讀卡器都有一個有效的信號覆蓋區(qū)。礦工隨身攜帶的智能卡進入這些信號覆蓋區(qū)后被激活，將保存在其內(nèi)的員工數(shù)據(jù)信息發(fā)送給讀卡器；定位基站經(jīng)讀卡器接收到該數(shù)據(jù)后，將代表巷道地理位置的基站編碼連同收到的員工數(shù)據(jù)一起打包送至地面計算機；地面監(jiān)控計算機收到此信息后，經(jīng)相應(yīng)的監(jiān)控軟件分析計算工作人員所在具體位置。
2.硬件設(shè)計：
本系統(tǒng)的智能卡和智能定位基站里的讀卡器是基于nRF9E5設(shè)計的。一對nRF9E5就能組成一人員定位終端。該終端用于礦工的身份識別，以對礦工進行定位，是系統(tǒng)的核心部分。
2.1  nRF9E5 芯片簡介：
nRF9E5是Nordic VLSI公司于2004年推出的系統(tǒng)級RF芯片，該芯片內(nèi)置nRF905 433/868/915MHz收發(fā)器、8051兼容微控制器和4輸入10位80ksps A/D轉(zhuǎn)換器，QFN5×5mm封裝。相關(guān)文獻資料表明，1GHz附近頻段無線電波最適于進行井下無線數(shù)據(jù)傳輸?？諘绲豱RF9E5最大收發(fā)距離可達300米，樓道內(nèi)收發(fā)也能達100米，其最大發(fā)射功率僅10DBm（10毫瓦），收發(fā)狀態(tài)切換時間小于650微秒，非常適于井下人員定位。
2.2  基于nRF9E5的智能卡硬件設(shè)計
智能卡采用nRF9E5無線收發(fā)芯片作為射頻通信芯片。智能卡里保存有員工的身份編碼，該編碼唯一在監(jiān)控主機數(shù)據(jù)庫里，與該編碼對應(yīng)存放著員工的姓名、籍貫、年齡、民族等相關(guān)信息。智能卡的電路原理圖如圖2。
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其中ANT1和ANT2為天線連接引腳,外接單天線終端裝置，晶振工作頻率為16MHz。25AA320為EEPROM，在nRF9E5上電后，系統(tǒng)根據(jù)引導(dǎo)程序，把25AA320中的程序代碼拷貝到nRF9E5的4KB RAM中。LM1117為電源管理模塊，把5V電平轉(zhuǎn)化為nRF9E5可用的3.3V。外部中斷P03，P04口接兩按鍵，用于無線報警。AN0～AN3為外部A/D輸入口，可擴展4路A/D輸入，用于溫度，濕度，瓦斯?jié)舛鹊刃盘柕牟杉?nbsp;                  
2.3  基于nRF9E5的讀卡器硬件設(shè)計：
讀卡器在定位基站里，主要負責采集智能卡發(fā)出的員工身份編碼及無線報警信號，并將采集到的信號送定位基站的微處理器處理。讀卡器里存著定位基站編碼，該編碼唯一，與井上監(jiān)控主機所顯示電子地圖里的坑道位置相關(guān)。讀卡器硬件電路與智能卡硬件電路相似。不同之處是去掉了兩按鍵，nRF9E5的P01、P02口通過1K電阻與單片機串口連接。
3．軟件設(shè)計：
3.1  無線數(shù)據(jù)通訊協(xié)議：
   多點通信時，防止各節(jié)點之間通信數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞是關(guān)鍵。常見的避免無線通信沖突的方法有：頻分多址技術(shù)（FDMA），載波監(jiān)聽技術(shù)（CSMA），時分多址技術(shù)（TDMA）。本系統(tǒng)采用TDMA技術(shù)。TDMA技術(shù)將點對多點的通信方式轉(zhuǎn)化為點對點的通信，因此必然要考慮主接收點與各移動節(jié)點之間建立通信連接時的地址匹配問題。由于主接收點與移動節(jié)點之間的通信可能會受到其它數(shù)據(jù)終端或外界環(huán)境的干擾而發(fā)生錯誤，因此，需要通過通訊協(xié)議來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?br />nRF9E5規(guī)定一幀數(shù)據(jù)由前導(dǎo)碼( PREAMBLE )，本機物理地址（ADDR），有效數(shù)據(jù)（PAYLOAD），CRC校驗碼（CRC）組成。其幀結(jié)構(gòu)如圖3。
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圖 3  nRF9E5數(shù)據(jù)通訊幀
其中前導(dǎo)碼，CRC校驗碼各占一字節(jié)，由芯片硬件自動產(chǎn)生。本機物理地址和有效數(shù)據(jù)可以根據(jù)應(yīng)用設(shè)置。nRF9E5只有檢測到與自己物理地址相吻合的數(shù)據(jù)才能接收處理，所以為了保證智能卡與各讀卡器之間通信暢通，系統(tǒng)中所有nRF9E5芯片都采用其默認地址0XE7。有效數(shù)據(jù)由本機邏輯地址（ID）和報警信息（ALARM）組成。其中ID占兩字節(jié)，ALARM占一字節(jié)。正常情況下有效數(shù)據(jù)只含本機邏輯地址部分。系統(tǒng)所有讀卡器的本機邏輯地址均為0xEE,0xEE。智能卡的本機邏輯地址為各員工的身份編碼。當有報警信號時，有效數(shù)據(jù)增加報警信息部分，報警信息為員工的按鍵值，不同的值代表不同的報警信號。
3.2  應(yīng)用程序設(shè)計：
本系統(tǒng)定位基站里的讀卡器每5s發(fā)一次同步信號（0xee,0xee）。智能卡接到該同步信號后，根據(jù)自己的ID產(chǎn)生一延時以等待屬于自己的時間片，延時到立即將自己的一幀數(shù)據(jù)發(fā)送給讀卡器。報警信息的按鍵值是在按鍵中斷程序里設(shè)置的。該中斷程序里還會設(shè)置一報警標志（Sign），以供智能卡主程序判斷。讀卡器主程序和智能卡的主程序流程圖如圖4，圖5。
可以看出，使用TDMA技術(shù)發(fā)數(shù)據(jù)時，各智能卡已固定了自己的發(fā)送時段，ID比較靠后的卡不管前面是否有卡要發(fā)數(shù)據(jù)，都要等到自己的發(fā)送時段。nRF9E5收發(fā)6字節(jié)的數(shù)據(jù)需要5ms，讀卡器5s內(nèi)可接收1000張智能卡發(fā)來的數(shù)據(jù)。如果一讀卡器在井下的信號覆蓋范圍100米，人員以5m/s的速度行進的話，那么該智能卡可以被該讀卡器識別4次，不會發(fā)生漏讀情況。讀卡器的同步信號之間的時間間隔要視礦山企業(yè)的員工數(shù)而定，員工越多，間隔越大，漏讀的可能性也越大。 
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圖4 讀卡器主程序流程圖
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圖5 智能卡主程序流程
4.結(jié)語
實驗表明，采用nRF9E5芯片設(shè)計的井下人員定位系統(tǒng)能夠滿足人員定位的要求。與傳統(tǒng)井下定位系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有通信距離遠、功耗低、兼容性好、功能擴展性強、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性高等優(yōu)點。只需對nRF9E5應(yīng)用電路稍做修改，便可應(yīng)用于智能家居、智能RFID、無線傳感等領(lǐng)域，故而有著廣泛的市場需求和良好的市場推廣前景。

本文作者創(chuàng)新點：
[1] 作者創(chuàng)新地采用射頻Soc nRF9E5設(shè)計井下人員定位系統(tǒng)中的定位終端，開發(fā)出的定位系統(tǒng)不但具有類似傳統(tǒng)RFID的身份識別功能，而且還增加了礦工無線報警功能。
[2] 結(jié)合系統(tǒng)要求，運用TDMA技術(shù)有效地解決了目前國內(nèi)礦井人員定位系統(tǒng)中常見的井下快速移動人員漏讀率高的問題。