煤矿井下定位系统研究与设计

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摘要：针对煤矿井下设备管理不规范，使用效率不高的问题，提出了一种基于UWB技术的井下设备定位系统。根据井下实际环境，建立无线定位系统整体方案，读卡器与定位标签之间通过UWB进行无线通信，利用信号强度与三边测定法进行定位标签的二维定位，并对定位分站、读卡器与定位标签的结构进行了设计。通过实验模拟巷道环境，对系统的定位精度进行试验，试验结果表明，系统的定位误差小于0.5m，具有一定的抗干扰能力，满足井下设备的定位需求。

关键词：井下定位;定位标签;UWB

煤炭开采主要以井下开采方式为主，生产设备的种类、数量较多，清点整理工作较难开展[1]。在日常的设备管理过程中，设备的位置信息模糊，透明度较低，无法进行科学的调度与利用，导致出现部分工作面设备冗余，部分工作面无设备可用的局面[2-3]。基于上述问题可知，设计一种设备的定位系统，建立科学的设备管理体系，对煤矿的安全、高效发展具有重要意义。目前，井下的定位系统多采用RFID、WIFI、ZigBee及蓝牙通信的无线定位技术，但是这几种技术的环境适应性较差，易受到噪声干扰，传输距离无法满足井下长距离的传输需求。本文针对上述问题，提出了一种基于超宽带技术（UWB）的井下无线定位系统，相较于传统无线通信技术，UWB无线通信采用GHz带宽的脉冲信号实现数据传输，可适应井下复杂环境，实现井下设备的精确定位。

1定位系统总体方案

1.1系统总体结构设计

基于UWB技术的无线定位系统框架如图1所示。系统可分为井上与井下两部分，井下部分主要由定位分站、读卡器与定位标签组成。定位标签体积较小，方便携带，一次充电最多可连续使用6个月，并配有加速度传感器，用于判断物体的运动状态。读卡器安装于固定位置，且位置信息储存于系统中，读卡器以一定周期向周围的定位标签发送UWB信号，用于唤醒周边的定位标签，标签向读卡器发送自己的ID信息，读卡器将对定位标签进行测距，且将测距数据绑定ID信息发送到定位分站。定位分站对数据进行初步的分析，并将数据通过以太网传输到位置解算服务器。井上部分主要由主机、位置解算服务器等组成，服务器利用定位算法对井下的数据进行计算分析，确定各定位标签的具体位置坐标。将位置坐标存储于数据库，方便对标签历史轨迹进行回放与查询。定位结果通过上位机进行显示，实现目标的实时跟踪。

1.2UWB技术

UWB是一种短距离无载波的无线通信技术，频谱宽度为所有无线通信中的最大值。本系统利用UWB技术进行无线通信与位置测定，其中标签的位置测定采用基于信号强度的测距算法。系统中读卡器的位置已知，标签的位置未知，通过测量定位标签与读卡器之间信号的强弱，利用信号强度与传播环境衰减模型，估算出读卡器与定位标签之间的距离。为了保证测量精度，需要估算同一标签与周边三个读卡器的距离，利用三边测量法对标签的具体位置进行二维定位。测距算法的具体原理如公式1所示:为标签发射信号的功率，W；G为标签发射端增益，dBm；Gr为读卡器接收端增益，dBm；λ为路径损耗系数；d为发射端与接收端之间的距离，m。由上式可知，当各参数已知的情况下，接受到的信号强度值只与距离有关，且呈反比例关系。该测距算法结构简单，搭建安装容易，UWB信号的超宽带宽可有效增加信号抗干扰能力，保证测距的精度。

2定位分站设计

定位分站为系统井下层与井上层的通讯媒介，通过RS485串口通信与读卡器进行数据传输，通过工业以太网与井上服务器进行通信，同时需要将对读卡器的数据进行简单分析。定位分站主要包括处理器模块、电源模块、RS485通信模块与以太网接口电路等，结构示意图如图2所示。处理器选用TI公司的MCU处理器，型号为STM32F103，内部配有高速存储电路，具有正常、睡眠、待机三种工作模式，在定位标签处于静止状态，定位分站处于待机模式，有效降低功耗。为了实时反映目标轨迹，分站处理器采用MII以太网接口，及时将信息传输到井上位置服务器。RS485通信模块采用5V直流电源供电，分站处理器与以太网接口电路采用3.3V直流电源供电，转换电路采用AMS1117-3.3低压差线性稳压芯片，最大可提供1A电流。

3读卡器设计

读卡器是定位标签与定位分站之间的通信中转站，通过测距算法与定位标签完成UWB信号的交互，并利用RS485总线将测得的位置数据传输到定位分站。读卡器采用的硬件结构类似于定位分站，具体结构如图3所示，采用MCU微处理器，通过SPI接口与UWB信号收发电路连接。读卡器利用DW1000模块实现UWB信号的接收与发送，保证读卡器与定位标签之间的信号连接。DW1000模块集成度高、体积小，方便安装，传输信号的抗干扰能力强，直线传输距离可达180m，在井下巷道中依旧可保持35m左右的传输距离，为标签的精确定位提供保障。DW1000芯片具有睡眠、唤醒、发射与接收四种工作模式。在睡眠模式下，工作电流为几百纳安,可有效降低功耗，提高使用寿命。DW1000芯片通过SPI接口与MCU处理器进行数据通讯，处理器通过中断请求接收DW1000芯片的事件。

4定位标签设计

定位标签固定于目标设备，采用锂电池进行供电，为了保证标签可持续工作，系统采用低功耗设计，同样采用MCU微处理器，无线模块采用DW1000芯片，除此之外，定位标签配有加速度传感器用于检测目标运动状态，当目标处于静止状态时，开启处理器模块与无线通信模块的睡眠模式，可降低定位标签功耗，延长电池使用寿命。定位标签的结构如图4所示。加速度传感器采用MPU6050芯片，正常运行电流为300μA，通过QFN封装，占用空间较小，满足定位标签尺寸要求，采用I2C接口输出9轴信号与MCU处理器进行数据传输。定位标签采用可充电式的锂电池供电，输出3.7V直流电源，经过升压电路与稳压电路后输出3.3V直流电源，为无线通信模块与加速度传感器提供电源。

5应用效果分析

在系统应用于实际工况前，需要进行一系列调试试验，通过在实验环境下模拟巷道环境，布置若干个定位分站、读卡器与定位标签，测试系统的定位精度。试验过程采用静态定位的方式，将3个读卡器与1个定位标签布置于实验室环境中，并施加一定的射频干扰信号，每组坐标测量10次，定位试验结果如下页表1所示。试验结果表明，系统的定位误差均小于0.5m，方差小于0.3m，较为稳定，满足矿井设备的定位精度需求。

6结语

本文设计了一种基于UWB技术的井下定位系统，采用信号强度测距算法，测量定位标签与读卡器之间距离，利用三边测量法进行二维定位，通过调试试验证明，系统的定位精度满足井下设备定位需求，有助于提高煤矿的科学、安全管理水平。

参考文献

[1]邓瑶，宿梦嘉.基于WSN的煤矿数据采集监控及井下定位系统的设计[J].电子设计工程，2019，27（20）：84-87.

[2]尚超，王峰，聂百胜，等.煤矿井下无线传感器网络三维定位算法研究[J].煤田地质与勘探，2016（1）：116-122.

[3]冀汶莉，马晴，贾东.井下移动目标定位跟踪关键技术[J].西安科技大学学报，2016，36（1）：132-138.

作者：肖玉龙 单位：晋能控股煤业集团信息化中心