第52卷第4期2021年4月
遠分夂4r
Safety in Coal Mines
Vol.52 No.4
Apr. 2021
移动扫码阅读DOI:10.13347 /jki.mkaq.2021.04.023
戴剑波.一种多模定位信息矿灯标识卡设计与实现[J].煤矿安全，2021，52(4): 133- 136,141. DAI Jianbo. Design and implementation of a multi-mode information lamp identification card for positioning [J]. Safety in Coal Mines, 2021, 52(4): 133-136, 141.
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)
摘要：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。将RFID、ZigBee技术采用单芯片集成控制设计，可以实现由区域向精确定
位无缝升级，通过HFSS仿真软件对微带天线优化，增加射频功率放大器，提高ZigBee精确定位 测距准确性和通信距离，并通过实际测试优化设计，最终满足现场实际应用。
关键词：定位矿灯标识卡；多模信息；RFID;ZigBee；过压过流自诊断
中图分类号：TD676 文献标志码：B文章编号：1003-496X(2021)04-0133 -04
Design and implementation of a multi-mode information lamp identification card for positioning
DAI Jianbo1,2
({.Stale Key Laboratory o f Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology, Chongqing 400031, China;2.China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute, Chongqing4
00039, China)
Abstract:A low-power lamp identification card of multi—mode with over-voltage and over—current self-diagnosis function is designed to ensure the normal use time of miner’s lamp. Using single chip integrated design based on RFID and ZigBee technology, it can realize seamless upgrade from area to precise positioning. HFSS simulation software is used to optimize microstrip antenna, increase RF power amplifier, improve ZigBee accurate positioning and ranging accuracy and communication distance, and through the actual test optimization design, finally meet the field practical application.
Key words: lamp identification card for positioning; multi-mode information; RFID; ZigBee; over-voltage and over-current self- diagnosis
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
基金项目：国家重点研发计划资助项目（2018YFC0808303)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_31。
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。 .13
3.
矿灯电过压保护、工作状确认、池输入电流检测电路态指小•求救按键
天线
RFID
射频芯片
匹配网络
RFID
射频电路
ZigBee
猗频
处理器
ZigBee
射骚电》
巴伦
电路
低噪
放大器
▼个
射赖◄~阻抗匹
开关—^配网络
个
功率功率
控制放大器
非标夹具天线
l T
ZigBee
功豉电路
图丨多模标识卡硬件设计原理框图
Fig.l 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，R h’II)射频电路与ZigBee射频电路通过ATSAM R21G18A 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，采用宽范围输人DC-DC电源芯片或 LD0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，Z，为5.1 V稳压管，三极管Q，导通电 压为0.7 V,M0S管开启电压最低为0.7 V，当标 识卡输人电压高于1.4 V，低于5.87 V时，三极管 Q,、Q2均处于截止状态，M0S管栅极电压为源极电压丨/2，Q3处于导通状态，矿灯电池供标识卡正常 工作；当标识卡输人电压高于5.87 V时，三极管Q，基极钳位电压大于0.7 V，处于导通状态，同时，Q2导通，M0S管化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。
u,r
> .>
H…n H g
會D丨
R,〇
i t
GND GND CND
图3过流保护电路
Fig.3 Over current protection circuit
图3中，U，为ZXCT1010电流监测芯片，采样电 阻R、产生电压差即可将其转换为同比例电流/,«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/s=0.2 A时，‘=艮></,=0.1>< 0.2=0.02 V，"卿=0.01 父"心父尺7=〇.〇1x0.0
2x3.5x 1000=0.7 V。当/s低于 0.2 A时，V，三极管 Q4截止，M0S管Q5、Q6导通，标识卡正常工作；当异 常状态/S>0.2A时，三极管Q4导通，M0S管Q5、Q6关断,V，负载自动断电，D，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ATSAM R21G18A主芯片设 计，内部集成AT86RF233无线收发器及MCU，芯片 采用A0A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ca185
•
134-
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im。
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：ATSAM R21G18A射频芯片接收灵敏度昃为- 99 dBm，中心频率/为2.45 GHz，通信距离£»设计 为400 m，发射天线增益C，为2 dBi，接收天线增益 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Z)的计算公式为：
/,1+G t+G r-Pr-35=32.44+201g£>+201^' (1)式中：P，为发射功率，dBm;C，为发射天线增益，d B;G为接收天线增益,dB;Pr为接收灵敏度，dBm; 35为大气衰减，c!B;0为通信距离，km;/为中心频 率，MHz。
根据式（1)计算出发射功率=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 射频输人，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 输人信号，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、L，组 成T T型网络，调整射频输出与天线之间阻抗匹配。RF1D射频电路通过SPI接口与ATSAM R21G18A主 芯片通信，完成数据收发。
2.4 倒F微带天线
标识卡天线采用平面单极子微带天线设计，天 线根据矿灯内部安装尺寸30 mmx70 mm进行建模 仿真|71，根据中心频率/=2.45 GHz，电磁波速度v=3x 108m/s，计算出自由空间波长A f f= 122 mm，在介质上波长心=」^=61 mm(介电常数^=4.2)，天线波长取1/4个介质波长和1/4个自由空间波长之间，设计中，一般采用经验公式计算'谐振长度
天线高度//« —A2—«19 mm。
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//为4 mm，谐振 长度L为15 mm,2条竖直臂之间距离£>为4 mm，将仿真结果导出.dxf文件，再导人cadence坦1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、RFI
D
定位测距等功能。标识卡采用周期性主动唤醒并广
.135.
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，RFII)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RF1D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人网，如 果ZigBee人网成功，在规定的测距周期里采用A0A 测距算法与进行测距，通过计算相对方向角获 得位置信息，并发送测距信息，如果RF1D人网 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S软件设计流程示意图
Fig.5 Software design flow chart
4测试结果
I)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 V D C 输出21北，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，以1s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±丨m的范围内的个数为1682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由于R F I D射频 部分和ZigBee射频部分均工作在2.4 G H z，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RFII)及ZigBee定 位功能集成矿灯中，既兼容传统R F I D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。
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作者简介：孙志东（丨99丨一），河南焦作人，在读博士研
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(收稿日期：2020-丨0-23；责任编辑：李力欣）
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作者简介：戴剑波（1982—），湖南常德人，副研究员，硕 士，2009年毕业于重庆邮电大学，主要研究方向为煤矿无线通信技术、煤矿安全监测监控技术，发表论文13篇。
(收稿日期：2020-07-30；责任编辑：李力欣）
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