基于無線局域網(wǎng)的礦下定位卡設(shè)計與實現(xiàn)

井下人員定位技術(shù)不僅是煤礦智能化考勤和信息化管理的—個重要組成部分，更是煤礦中搶險救災(zāi)、最大限度地拯救井下人員生命的關(guān)鍵技術(shù)之一，因此該技術(shù)的研究得到世界各國政府和科技工作者的廣泛關(guān)注。
煤礦井下人員定位系統(tǒng)，其基本目標就是要實現(xiàn)井下工作人員的實時位置定位。就定位問題來說，目前主要有基于已經(jīng)存在的移動蜂窩網(wǎng)及GPS的定位技術(shù)。由于井下巷道是一個深埋在地下的限定非自由空間，GPS信號以及地面蜂窩移動網(wǎng)的信號不能到達，所以這些技術(shù)都不能在井下應(yīng)用。要實現(xiàn)井下人員無線定位及跟蹤，需要采用不同的無線通信技術(shù)，井下可應(yīng)用的無線通信技術(shù)及可行的定位技術(shù)主要有紅外技術(shù)、RFID技術(shù)、透地通信技術(shù)、漏泄通信技術(shù)及無線局域網(wǎng)WLAN(Wireless Local Area Network)技術(shù)等。
文中介紹基于無線局域網(wǎng)的礦下定位系統(tǒng)中定位卡的設(shè)計與實現(xiàn)技術(shù)。

1 硬件電路設(shè)計
定位卡，也稱做移動臺Mobile Station(MS)，配置給礦井工作人員隨身攜帶，必須滿足重量輕、體積小的要求。在取電方面，采用鈕扣電池供電，可以避免從礦燈中取電存在的安全隱患，采用低功耗設(shè)計，實現(xiàn)電池長期工作。
定位卡載有惟一可被識別的數(shù)字信息，卡片發(fā)放時，在地面監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫內(nèi)建立該卡片內(nèi)的惟一信息和定位卡攜帶者身份對應(yīng)的關(guān)系。整個系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

1．1 電源
在定位卡中，由于工作環(huán)境比較惡劣及無線定位卡本身體積要求，通常對電池的性能一般要求達到如下標準：
(1)使用溫度范圍廣，一般要求-30°～50°。
(2)使用壽命長，一般要求3年以上。
(3)電池單體電壓高。
(4)約為10 mA的脈沖放電能力。
(5)部分對定位卡體積有特別要求的廠家，要求電池厚度小至3 mm。
為此，選擇型號為CR2450的鋰電池為定位卡供電，CR2450是重量約為6 g，尺寸為35 mm×24．5 mm×5．0 mm的扣式電池，能夠滿足上述要求。
1．2 控制處理單元設(shè)計
定位卡的控制處理單元負責對程序的可執(zhí)行文件的存儲、運行和管理。選擇TI公司生產(chǎn)的16位的微控制器MSP430F2001，該控制器具有如下特性：工作在低電壓狀態(tài)，電壓范圍為1．8～3．6 V、極低的電能消耗等。
整個硬件控制系統(tǒng)主要包括看門狗電路、主控芯片和欠壓指示電路組成。
(1)看門狗電路，其功能就是保證程序能夠正常運行，一旦程序運行出錯時，它能夠?qū)μ幚砥鬟M行及時復(fù)位。看門狗電路分為內(nèi)置和外置兩種，其中內(nèi)置電路置于主控芯片內(nèi)部，作為內(nèi)置外設(shè)的一部分；外置電路可通過MAX6866芯片組成—個微電流監(jiān)視電路。
(2)主控電路，由于定位卡采用一次性電池供電，且要求使用壽命長，故能夠以低功耗狀態(tài)工作是選擇主控電路的重要標準，而且定位卡需要存儲的數(shù)據(jù)量不大。因此，對主控電路的存儲空間要求不苛刻。
(3)欠壓提示設(shè)計，為防止因電池能量不足而造成定位卡功能失效，影響整個定位與管理系統(tǒng)的功能，特設(shè)計定位卡具有欠壓提示功能。該功能設(shè)計從定位卡現(xiàn)場欠壓提示和欠壓信息上傳中心站兩方面來考慮。在定位卡現(xiàn)場欠壓提示功能方面，硬件電路由微處理器內(nèi)置的模擬信號比較器、外圍的1個電容和1個發(fā)光二極管組成，如圖2所示。

該模擬信號比較器能夠按電池電壓Vcc的一定比例產(chǎn)生參考電壓Vref或固定值0．85 V。工作時，比較器首先被配置成按電池電壓Vcc的一定比例產(chǎn)生參考電壓Vref，按此參考電壓對外圍電容充電，經(jīng)過一段時間，使電容Vc≈Vref，然后再次配置比較器，對Vc與0．85 V進行比較，根據(jù)比較結(jié)果，若電池達到欠壓狀態(tài)，則通過發(fā)光二極管定時閃爍來提示電池電量不足，需要近期更換電池。在欠壓信息上傳中心站方面，在通訊協(xié)議中通過設(shè)置電壓狀態(tài)標志位顯卡電池能量狀態(tài)信息上傳的功能。
1．3 射頻電路設(shè)計
由煤礦無線通訊特點知，在甚高頻和特高頻段，隨著頻率的增大，衰減變小，傳輸距離可達很遠，巷道截面尺寸大于波長，巷道對無線傳輸?shù)挠绊戨S著頻率的增高而變小。由于2．4 GHz頻段在巷道中衰減較小，傳輸距離遠，傳輸數(shù)據(jù)快，具有高數(shù)據(jù)吞吐量，同時識別快速移動多目標的能力強，適合煤礦環(huán)境。因此選用基于2．4 GHz頻段Connectone公司的Mini Socket iWiFi模塊，起到連接串口和802．11 b／g無線LAN的作用。該模塊包括iChipTM C02128 IPCommunication ControllerTM芯片和Marven 88 W8686 WiFi芯片組．被封裝成RoHS兼容的緊湊結(jié)構(gòu)—兼容標準的SocketModem管腳。
Mini Socket iWiFi支持針對Socket通訊的SSL3／TLS1、HTTPS、FTPS、WEP、WPA和WPA2 WiFi加密。Mini Socket iWiFi不需要更改主處理器的硬件配置，容易和主配置的PCB連接。并還帶有一個外接的天線接口。Mini Secure Socket iWiFi不需要或者很少的軟件配置就可以訪問無線LAN。Connectone的高層AT+iTM API使主處理器設(shè)備不需要增加WiFi設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和安全協(xié)議。AT+i SerialNET操作模式提供一種真正的“即插即用”，使主處理器不需要任何修改。Mini Secure Socket iWiFi固件(IP協(xié)議棧和Intemet配置參數(shù))存貯在外部Flash中。iWiFi是一種節(jié)能的模塊，當I／O工作在3．3 V時，內(nèi)核工作在1．2 V，節(jié)能模式下，功耗將更少。
1．4 天線及其匹配電路設(shè)計
天線性能的優(yōu)劣直接決定系統(tǒng)性能的好壞，考慮到定位卡小型化、高靈活性、低價位的基于2．4 GHz的近距離無線傳輸?shù)奶攸c，長度為λ／4的單極天線射頻系統(tǒng)的組件，和發(fā)射模塊設(shè)計在同一塊電路板上，不僅設(shè)計方便，還可以通過改變天線的長度來細調(diào)射頻系統(tǒng)的性能。
為了保證模塊產(chǎn)生的高頻信號最有效地發(fā)射出去，實現(xiàn)信號的較遠距離傳輸，必須在天線和模塊的ANT1、ANT2端提供天線的匹配網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)有L1，L2，L3，C3，C4，C7，C8，C9等器件組成，能夠與天線形成諧振，保證所有能量全部加在天線上。
結(jié)合應(yīng)用實際，定位卡采用1．6 mm厚的RF4材質(zhì)的雙層板，在板的頂部和底部均有地層以保證所有器件良好接地。另外，在每個關(guān)鍵的模擬器件的周圍都有充分的接地區(qū)域，頂層和底層之間通過大量地過孔連接，以增強卡片的抗干擾能力。

2 定位卡軟件設(shè)計
定位卡硬件系統(tǒng)設(shè)計主要是圍繞抗干擾、低功耗等方面進行重點設(shè)計的。因而，軟件設(shè)計也需要圍繞這幾個方面進行，采用模塊化設(shè)計思想運用C語言編程實現(xiàn)定位卡功能。
2．1 軟件功能流程設(shè)計
定位卡軟件主要有以下3部分組成：主程序模塊、電源低電壓檢測程序模塊、組織發(fā)送數(shù)據(jù)程序模塊。主程序模塊實現(xiàn)對微處理器MCU和Mini Socket iWiFi模塊的初始化配置，然后進入掉電模式，以節(jié)省電能；電源低電壓檢測程序模塊負責對電池電壓的定時監(jiān)測，在定位卡上完成欠壓指示功能的同時，把欠壓信息送入發(fā)射緩沖區(qū)，做為定位卡發(fā)送數(shù)據(jù)包的一部分進行無線傳輸；組織發(fā)送數(shù)據(jù)程序模塊完成接收地址、定位卡MAC地址、無線信號強度信息及電池狀態(tài)等有效信息由微處理器到發(fā)射模塊Mini Socket iWiFi模塊傳遞。其中，電源低電壓檢測程序和組織發(fā)送數(shù)據(jù)程序共同構(gòu)成定位卡的中斷程序。
2．2 主程序設(shè)計
首先，關(guān)閉內(nèi)部看門狗，防止主程序在對器件配置期間引起復(fù)位中斷。由前面硬件部分知，微處理器可以通過選擇不同的振蕩源來降低本身功耗。該型處理器有4種基本的時鐘源，在此通過配置時鐘系統(tǒng)寄存器采用內(nèi)部低功率，低頻率振蕩器Vloclk，能夠產(chǎn)生12 kHz典型頻率。對發(fā)射模塊Mini Socket iWiFi模塊的初始化設(shè)置主要包括：測試模塊是否工作正常、設(shè)置連接參數(shù)等；然后，為電源檢測計數(shù)器、指示1min閃爍次數(shù)計數(shù)器等寄存器賦初值；打開內(nèi)部看門狗；設(shè)置定時及其初始；為節(jié)省能量，使程序進入掉電模式，等待定時器中斷喚醒，進入中斷服務(wù)程序，如圖3所示。