導語：煤礦井下定位系統(tǒng)研究與設計一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：針對煤礦井下設備管理不規(guī)范，使用效率不高的問題，提出了一種基于UWB技術的井下設備定位系統(tǒng)。根據井下實際環(huán)境，建立無線定位系統(tǒng)整體方案，讀卡器與定位標簽之間通過UWB進行無線通信，利用信號強度與三邊測定法進行定位標簽的二維定位，并對定位分站、讀卡器與定位標簽的結構進行了設計。通過實驗模擬巷道環(huán)境，對系統(tǒng)的定位精度進行試驗，試驗結果表明，系統(tǒng)的定位誤差小于0.5m，具有一定的抗干擾能力，滿足井下設備的定位需求。

關鍵詞：井下定位;定位標簽;UWB

煤炭開采主要以井下開采方式為主，生產設備的種類、數量較多，清點整理工作較難開展[1]。在日常的設備管理過程中，設備的位置信息模糊，透明度較低，無法進行科學的調度與利用，導致出現部分工作面設備冗余，部分工作面無設備可用的局面[2-3]?；谏鲜鰡栴}可知，設計一種設備的定位系統(tǒng)，建立科學的設備管理體系，對煤礦的安全、高效發(fā)展具有重要意義。目前，井下的定位系統(tǒng)多采用RFID、WIFI、ZigBee及藍牙通信的無線定位技術，但是這幾種技術的環(huán)境適應性較差，易受到噪聲干擾，傳輸距離無法滿足井下長距離的傳輸需求。本文針對上述問題，提出了一種基于超寬帶技術（UWB）的井下無線定位系統(tǒng)，相較于傳統(tǒng)無線通信技術，UWB無線通信采用GHz帶寬的脈沖信號實現數據傳輸，可適應井下復雜環(huán)境，實現井下設備的精確定位。

1定位系統(tǒng)總體方案

1.1系統(tǒng)總體結構設計

基于UWB技術的無線定位系統(tǒng)框架如圖1所示。系統(tǒng)可分為井上與井下兩部分，井下部分主要由定位分站、讀卡器與定位標簽組成。定位標簽體積較小，方便攜帶，一次充電最多可連續(xù)使用6個月，并配有加速度傳感器，用于判斷物體的運動狀態(tài)。讀卡器安裝于固定位置，且位置信息儲存于系統(tǒng)中，讀卡器以一定周期向周圍的定位標簽發(fā)送UWB信號，用于喚醒周邊的定位標簽，標簽向讀卡器發(fā)送自己的ID信息，讀卡器將對定位標簽進行測距，且將測距數據綁定ID信息發(fā)送到定位分站。定位分站對數據進行初步的分析，并將數據通過以太網傳輸到位置解算服務器。井上部分主要由主機、位置解算服務器等組成，服務器利用定位算法對井下的數據進行計算分析，確定各定位標簽的具體位置坐標。將位置坐標存儲于數據庫，方便對標簽歷史軌跡進行回放與查詢。定位結果通過上位機進行顯示，實現目標的實時跟蹤。

1.2UWB技術

UWB是一種短距離無載波的無線通信技術，頻譜寬度為所有無線通信中的最大值。本系統(tǒng)利用UWB技術進行無線通信與位置測定，其中標簽的位置測定采用基于信號強度的測距算法。系統(tǒng)中讀卡器的位置已知，標簽的位置未知，通過測量定位標簽與讀卡器之間信號的強弱，利用信號強度與傳播環(huán)境衰減模型，估算出讀卡器與定位標簽之間的距離。為了保證測量精度，需要估算同一標簽與周邊三個讀卡器的距離，利用三邊測量法對標簽的具體位置進行二維定位。測距算法的具體原理如公式1所示:為標簽發(fā)射信號的功率，W；G為標簽發(fā)射端增益，dBm；Gr為讀卡器接收端增益，dBm；λ為路徑損耗系數；d為發(fā)射端與接收端之間的距離，m。由上式可知，當各參數已知的情況下，接受到的信號強度值只與距離有關，且呈反比例關系。該測距算法結構簡單，搭建安裝容易，UWB信號的超寬帶寬可有效增加信號抗干擾能力，保證測距的精度。

2定位分站設計

定位分站為系統(tǒng)井下層與井上層的通訊媒介，通過RS485串口通信與讀卡器進行數據傳輸，通過工業(yè)以太網與井上服務器進行通信，同時需要將對讀卡器的數據進行簡單分析。定位分站主要包括處理器模塊、電源模塊、RS485通信模塊與以太網接口電路等，結構示意圖如圖2所示。處理器選用TI公司的MCU處理器，型號為STM32F103，內部配有高速存儲電路，具有正常、睡眠、待機三種工作模式，在定位標簽處于靜止狀態(tài)，定位分站處于待機模式，有效降低功耗。為了實時反映目標軌跡，分站處理器采用MII以太網接口，及時將信息傳輸到井上位置服務器。RS485通信模塊采用5V直流電源供電，分站處理器與以太網接口電路采用3.3V直流電源供電，轉換電路采用AMS1117-3.3低壓差線性穩(wěn)壓芯片，最大可提供1A電流。

3讀卡器設計

讀卡器是定位標簽與定位分站之間的通信中轉站，通過測距算法與定位標簽完成UWB信號的交互，并利用RS485總線將測得的位置數據傳輸到定位分站。讀卡器采用的硬件結構類似于定位分站，具體結構如圖3所示，采用MCU微處理器，通過SPI接口與UWB信號收發(fā)電路連接。讀卡器利用DW1000模塊實現UWB信號的接收與發(fā)送，保證讀卡器與定位標簽之間的信號連接。DW1000模塊集成度高、體積小，方便安裝，傳輸信號的抗干擾能力強，直線傳輸距離可達180m，在井下巷道中依舊可保持35m左右的傳輸距離，為標簽的精確定位提供保障。DW1000芯片具有睡眠、喚醒、發(fā)射與接收四種工作模式。在睡眠模式下，工作電流為幾百納安,可有效降低功耗，提高使用壽命。DW1000芯片通過SPI接口與MCU處理器進行數據通訊，處理器通過中斷請求接收DW1000芯片的事件。

4定位標簽設計

定位標簽固定于目標設備，采用鋰電池進行供電，為了保證標簽可持續(xù)工作，系統(tǒng)采用低功耗設計，同樣采用MCU微處理器，無線模塊采用DW1000芯片，除此之外，定位標簽配有加速度傳感器用于檢測目標運動狀態(tài)，當目標處于靜止狀態(tài)時，開啟處理器模塊與無線通信模塊的睡眠模式，可降低定位標簽功耗，延長電池使用壽命。定位標簽的結構如圖4所示。加速度傳感器采用MPU6050芯片，正常運行電流為300μA，通過QFN封裝，占用空間較小，滿足定位標簽尺寸要求，采用I2C接口輸出9軸信號與MCU處理器進行數據傳輸。定位標簽采用可充電式的鋰電池供電，輸出3.7V直流電源，經過升壓電路與穩(wěn)壓電路后輸出3.3V直流電源，為無線通信模塊與加速度傳感器提供電源。

5應用效果分析

在系統(tǒng)應用于實際工況前，需要進行一系列調試試驗，通過在實驗環(huán)境下模擬巷道環(huán)境，布置若干個定位分站、讀卡器與定位標簽，測試系統(tǒng)的定位精度。試驗過程采用靜態(tài)定位的方式，將3個讀卡器與1個定位標簽布置于實驗室環(huán)境中，并施加一定的射頻干擾信號，每組坐標測量10次，定位試驗結果如下頁表1所示。試驗結果表明，系統(tǒng)的定位誤差均小于0.5m，方差小于0.3m，較為穩(wěn)定，滿足礦井設備的定位精度需求。

6結語

本文設計了一種基于UWB技術的井下定位系統(tǒng)，采用信號強度測距算法，測量定位標簽與讀卡器之間距離，利用三邊測量法進行二維定位，通過調試試驗證明，系統(tǒng)的定位精度滿足井下設備定位需求，有助于提高煤礦的科學、安全管理水平。

參考文獻

[1]鄧瑤，宿夢嘉.基于WSN的煤礦數據采集監(jiān)控及井下定位系統(tǒng)的設計[J].電子設計工程，2019，27（20）：84-87.

[2]尚超，王峰，聶百勝，等.煤礦井下無線傳感器網絡三維定位算法研究[J].煤田地質與勘探，2016（1）：116-122.

[3]冀汶莉，馬晴，賈東.井下移動目標定位跟蹤關鍵技術[J].西安科技大學學報，2016，36（1）：132-138.

作者：肖玉龍 單位：晉能控股煤業(yè)集團信息化中心