基于UWB和RFID相融合的矿井人员定位系统设计
发布时间：2022-02-09 06:46
当前矿井人员管理系统以考勤为主,进行精确定位管理投入成本过高。根据矿井现场应用需求,提出一种基于超宽带（UWB）和射频识别（RFID）相融合的矿井人员定位系统设计方案。阐述了系统的总体架构和工作原理。针对矿井一维线性空间,采用飞行时间（TOF）测量方法,利用已知的定位基站之间的距离计算出标志卡位置,并对定位误差进行了详细分析。分析结果表明,定位误差与标志卡与定位基站之间的距离没有直接关系,定位基站之间无需进行时钟同步。给出了定位基站和标志卡的硬件设计方案和软件功能实现思路,采用集成无线发送和接受的无线芯片DW1000实现UWB精确定位,采用nRF24L01无线射频芯片实现区域定位,解决了如何同时实现区域定位和精确定位问题。实践表明,该系统定位精度达到了0.3 m以内,兼容RFID区域定位功能,在进行系统升级时可降低成本,满足矿方需求。
【文章来源】：自动化仪表. 2020,41(08)
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
矿井人员定位系统网络架构图
矿井巷道一般为狭长形状,可抽象成一维线性空间。标志卡与定位基站之间采用TOF技术实现无线信息交互。定位基站A和定位基站B的距离为d,定位原理如图2所示。在标志卡C与定位基站A之间进行TOF测距过程中,标志卡C往返一次所需的时间为T4-T1,定位基站处理数据所耗费时间为T3-T2。同理,在标志卡C与定位基站B进行TOF测距过程中,标志卡C往返一次所需的时间为T8-T5,定位基站B处理数据所耗费的时间为T7-T6,标志卡C将所需的计时数据在T9时刻发送到定位基站A。标志卡C到定位基站A之间的距离计算公式为:
定位基站是系统的关键设备。其构成框图如图3所示,包括基站微控制器、UWB定位模块、RFID模块、网络通信模块和电源模块等。定位基站CPU选用STM32系列的Cortex-M4内核微处理器作为控制核心。UWB定位模块选用DW1000无线芯片,它符合IEEE802.15.4-2011超宽带标准,定位精度可达10 cm,抗多径衰落能力强,支持TOF测距和TDOA精确定位[14]。RFID模块拟选用集成了无线发射和接收功能的nRF24L01芯片。该芯片工作频段为2.4 GHz,采用高斯频移键控(Gauss frequency shift keying,GFSK)调制,具有自动重发及自动应答功能,数据传输速率为1 Mbit/s或2 Mbit/s,工作电压为1.9～3.6 V,符合低功耗设计要求。网络通信模块实现定位基站之间的光纤级联,电源模块负责芯片的供电控制。定位基站软件流程如图4所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于UWB的矿井人员精准定位技术[J]. 刘世森. 煤矿安全. 2019(06)
[2]基于UWB技术的煤矿井下无线定位系统[J]. 申伟光. 煤矿安全. 2018(10)
[3]煤矿井下人员定位系统的设计与应用[J]. 付万宝. 煤炭与化工. 2018(04)
[4]矿井定位技术现状和发展趋势[J]. 霍振龙. 工矿自动化. 2018(02)
[5]基于TOF技术的煤矿井下精确定位系统设计与实现[J]. 王飞. 煤炭技术. 2015(10)
[6]基于超宽带技术的井下人员定位系统[J]. 刘书伦,王树森. 工矿自动化. 2014(10)
[7]基于WiFi和计时误差抑制的TOA煤矿井下目标定位方法[J]. 孙继平,李晨鑫. 煤炭学报. 2014(01)
[8]基于RFID技术在井下人员定位系统中的应用研究[J]. 侯大勇,周莉. 煤矿机械. 2013(01)
[9]UWB技术在消防员位置定位系统研究与应用[J]. 祖军,郝润科,杨光. 计算机系统应用. 2012(08)
[10]基于Zigbee的井下人员定位监测系统的设计与研究[J]. 王同泉,崔建明. 电气技术. 2012(04)
硕士论文
[1]巷道内人员高精度定位技术研究[D]. 柯彬.电子科技大学 2014
[2]基于UWB的室内定位技术研究[D]. 张忠娟.天津大学 2012
[3]具有灵活频谱特性的认知超宽带信号生成技术的研究[D]. 梁冰.北京邮电大学 2010
本文编号：3616548
【文章来源】：自动化仪表. 2020,41(08)
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
矿井人员定位系统网络架构图
矿井巷道一般为狭长形状,可抽象成一维线性空间。标志卡与定位基站之间采用TOF技术实现无线信息交互。定位基站A和定位基站B的距离为d,定位原理如图2所示。在标志卡C与定位基站A之间进行TOF测距过程中,标志卡C往返一次所需的时间为T4-T1,定位基站处理数据所耗费时间为T3-T2。同理,在标志卡C与定位基站B进行TOF测距过程中,标志卡C往返一次所需的时间为T8-T5,定位基站B处理数据所耗费的时间为T7-T6,标志卡C将所需的计时数据在T9时刻发送到定位基站A。标志卡C到定位基站A之间的距离计算公式为:
定位基站是系统的关键设备。其构成框图如图3所示,包括基站微控制器、UWB定位模块、RFID模块、网络通信模块和电源模块等。定位基站CPU选用STM32系列的Cortex-M4内核微处理器作为控制核心。UWB定位模块选用DW1000无线芯片,它符合IEEE802.15.4-2011超宽带标准,定位精度可达10 cm,抗多径衰落能力强,支持TOF测距和TDOA精确定位[14]。RFID模块拟选用集成了无线发射和接收功能的nRF24L01芯片。该芯片工作频段为2.4 GHz,采用高斯频移键控(Gauss frequency shift keying,GFSK)调制,具有自动重发及自动应答功能,数据传输速率为1 Mbit/s或2 Mbit/s,工作电压为1.9～3.6 V,符合低功耗设计要求。网络通信模块实现定位基站之间的光纤级联,电源模块负责芯片的供电控制。定位基站软件流程如图4所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于UWB的矿井人员精准定位技术[J]. 刘世森. 煤矿安全. 2019(06)
[2]基于UWB技术的煤矿井下无线定位系统[J]. 申伟光. 煤矿安全. 2018(10)
[3]煤矿井下人员定位系统的设计与应用[J]. 付万宝. 煤炭与化工. 2018(04)
[4]矿井定位技术现状和发展趋势[J]. 霍振龙. 工矿自动化. 2018(02)
[5]基于TOF技术的煤矿井下精确定位系统设计与实现[J]. 王飞. 煤炭技术. 2015(10)
[6]基于超宽带技术的井下人员定位系统[J]. 刘书伦,王树森. 工矿自动化. 2014(10)
[7]基于WiFi和计时误差抑制的TOA煤矿井下目标定位方法[J]. 孙继平,李晨鑫. 煤炭学报. 2014(01)
[8]基于RFID技术在井下人员定位系统中的应用研究[J]. 侯大勇,周莉. 煤矿机械. 2013(01)
[9]UWB技术在消防员位置定位系统研究与应用[J]. 祖军,郝润科,杨光. 计算机系统应用. 2012(08)
[10]基于Zigbee的井下人员定位监测系统的设计与研究[J]. 王同泉,崔建明. 电气技术. 2012(04)
硕士论文
[1]巷道内人员高精度定位技术研究[D]. 柯彬.电子科技大学 2014
[2]基于UWB的室内定位技术研究[D]. 张忠娟.天津大学 2012
[3]具有灵活频谱特性的认知超宽带信号生成技术的研究[D]. 梁冰.北京邮电大学 2010
本文编号：3616548
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