低频唤醒技术在人员定位系统中的应用研究.pdf

第 4 l卷 第 1 2期 2 O 1 5年 1 2月 工矿 自 动化 I n dus t r y a nd M i ne Aut o ma t i o n Vo l J 41 NO ． 1 2 De c ． 2 O1 5 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 1 2 0 0 1 6 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ ] ． i s s n ． 1 6 7 1 ～ 2 5 1 X ． 2 0 1 5 ． 1 2 ． 0 0 5 王树强 ， 张平． 低频唤醒技术在人员定位系统中的应用研究E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 1 2 1 6 1 9 ． 低频唤醒技术在入员定位系统中的应用研究 王 树 强 。 ， 张 平 。 1 ． 中煤科工集团常州研究院有限公司，江苏 常州 2 1 3 0 1 5 ；2 ． 天地 常州 自动化股份有限公司， 江苏 常州 2 1 3 0 1 5 ； 3 ． 国投河 南新 能 开发有 限公 司 ， 河 南 新 郑4 5 1 1 0 0 摘 要 针对 目前人 员定位 系统 中标识 卡 电池使 用 时 间短 、 维护 工作 量 大 的 问题 ， 提 出采 用低 频 唤 醒技 术 降低 电池 工作 时 间， 从 而延 长 电池 寿命 ， 即设 置标识 卡在 矿 工 下 井时 间之 外 为休 眠状 态 ， 当矿 工 下 井 时使 用 低 频信 号接 收 器唤醒标 识 卡 。测试 结果表 明 ， 采 用低 频 唤醒技 术 可以很 好地 改善标 识 卡 电池 的寿命 ， 当信 号 发射周期为 1 ～3 S时， 电池使 用寿命 延 长为原 来的 2 ． 7倍 以上， 并且标 识卡的发射周期 越短 ， 改善 效果 越 好 。 关 键词 人 员定位 ；六 大 系统 ； 低 频唤 醒 ；电池 使 用寿命 中图分类号 T D6 5 5 ． 3 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 5 ～ 1 2 0 4 1 5 3 6 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 5 1 2 0 4 ． 1 5 3 6 ． 0 0 5 ． h t ml Ap pl i c a t i o n r e s e a r c h o f l o w f r e q ue n c y wa k e u p t e c hn o l o gy i n pe r s o nne l p os i t i o n i n g s y s t e m W ANG Shuq i a ng 一， ZHANG Pi n g。 1． CCTEG Cha ng z h ou Re s e a r c h I ns t i t u t e，Cha ng z ho u 21 3 0 15，Chi na； 2． Ti a n di Cha ng z ho uAut o ma t i o n Co． ，Lt d． ，Ch a ng z hou 21 3 01 5，Ch i na； 3． SDI C He n a n N e w e ne r gy De v e l o p m e nt Co．，Lt d．，Xi n z h e n g 45 1 1 0 0，Chi n a Abs t r a c t I n vi e w of p r ob l e m o f s ho r t s e r v i c e t i m e a n d gr e a t m a i nt e na n c e wo r kl o a d o f i de nt i f i c a t i o n c a r d ba t t e r y us e d i n c ur r e n t pe r s o nne l p o s i t i o ni ng s y s t e m ， t he p a pe r pr o pos e d t o a p pl y l o w f r e q ue nc y wa ke up t e c hn o l o g y t o r e d uc e b a t t e r y o p e r a t i n g t i m e ， t he r e by e x t e nd b a t t e r y l i f e， na m e l y s e t d o r m a n t s t a t e f or i de nt i f i c a t i o n c a r d whe n t he mi ne r s a r e o ut s i d e o f t he m i n e，a nd u s e l ow f r e q u e nc y s i g na l r e c e i v e r t o wa ke up t he i de nt i f i C 8 【 t i o n c a r d whe n t he mi ne r s g o d o wn t he mi ne ．The t e s t r e s ul t s s h o w t ha t t he u s e o f l o w f r e q ue n c y wa ke up t e c h no l og y c a n gr e a t l y i mpr o ve ba t t e r y l i f e of i d e n t i f i c a t i on c a r d，whe n t h e s i gn a l t r a n s m i s s i on D e r i o d i s 1 - 3 S ，t he b a t t e r y l i f e i s e xt e nd e d t o m o r e t h a n 2． 7 t i me s of t he or i g i na l ，a n d t he i m pr o v i ng e f f e c t i s b e t t e r a s t he t r a ns mi s s i o n pe r i od b e c ome s s h or t e r． Ke y wo r ds pe r s o nn e l p o s i t i o ni n g；s i x s ys t e ms；l ow f r e qu e n c y wa ke up；ba t t e r y l i f e 0 引言 煤 矿人 员定 位 系统 是 保 障 矿 山安 全 生 产 的“ 六 大系统” 之一 ， 该系统在遏制超定员生产 、 事故应急 救援 、 领导下井带班管理 、 特种作业人员管理、 防止 人员进 入 危险 区域 、 及 时发现 未按 时升井 人员 、 持证 上岗管理 、 井下作业人员考勤等方面发挥 了重要作 用⋯ 。人员 定位 系 统 在煤 矿 中 的大 量 应 用 表 明 ， 标 识卡 电池 使用 时 间较 短 ， 更 换 工 作 量大 成 为煤 矿 日 常维 护该 系统 的重 要 问题之 一 。 目前 煤矿人 员定 位 系统标识卡大多采用 R F I D， Z i g B e e等有源定位技 术 ， 电池电量主要消耗在无线信号发射周期 内， 正 常情况 下人 员 定 位标 识 卡 2 4 h不 间断 向外 发 射 无线 信 号 ， 但仅 仅 在人员 下井 的 8 h内是 有 效 工作 ， 收稿 日期 2 0 1 5 一 1 0 l 2 ； 修回 日期 2 0 1 5 1 0 2 6 ； 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 国家科技支撑计划项 目 2 0 1 3 B AK 0 6 B 0 5 ； 天地科技技术创新基金项 E t K J 2 0 1 4 一 C Z GF - 0 4 。 作者简 介 王树强 1 9 8 0 一 ， 男 ， 江苏沛县人 ， _T程师， 研究方 向为矿用通信联络与定位系统 ， E ma i l c a r i ws q 1 2 6 c o rn。 2 0 1 5年第 1 2期 王树强等 低频唤醒技 术在人 员定位 系统 中的应用研究 1 7 其余时问的信号发射是无意义的。因而 ， 在 电池的 一 个工作周期内， 大约存在 2 ／ 3的工作时间浪费 ， 特 别 是矿 用人 员定 位 系统逐 步 由 区域 定位 向精 确定 位 方 向演 进 ， 标识 卡无 线信 号发 射 的周期 越来越 小 ， 所 浪 费 的 电量 也 就 越来 越 多 。为延 长 电池 使 用 时 间 ， 可 以采用增 大 电池容 量 或减少 发射 时 间 的方 法 。 电 池 的容量与体积有关 ， 然而标识卡作为一种便携式 应用产品， 体积受限， 不可能增大太多 ， 所 以应考虑 减少 不必 要发 射 时间 的方法 。本 文研 究 了采用低 频 唤醒技术减少标识卡不必要发射时间的方法 ， 设计 了低频唤醒信号发射电路、 接收电路及接收软件 ， 并 通 过测试 和计 算验 证 了该方 法 的可行 性 。 1低频 唤醒 技术 在 人 员 定位 系统 中应 用 的 可行 性 分析 低频唤醒技术是一种低频无线通信技术 ， 其 涉 及 的工作 频段 为 1 5 ～ 1 5 0 k Hz ， 当 信 号接 收器 检 测 到包含设定频率 、 编码方式 、 数据格 式的低频信号 时 ， 可产 生一 个 中断信 号用 于唤 醒其 他芯 片 ， 在半 主 动 式 电子标 签_ 4 ] 、 监 测 监 控 系统 _ 5 等 领 域 获得 了 广 泛 的应用 。 低频信号接收器工作时功耗极低 ， 3 ． 0 V供 电 电压时工作电流可低至 2 ． 3 A 典型值 。因而， 可 以设计人员位置监测标识卡在矿工下井时间之外为 休眠状态 ， 当矿工下井时 ， 使用低频信号接收器唤醒 标 识卡 。按 照 8 h工 作 制计 算 ， 由此 可 以 缩 短标 识 卡电池 2 ／ 3工作时间， 从而延长 电池寿命 ， 解决人员 位置监测标识卡电池使用时间短的问题 。 2 低 频唤 醒技 术在 人员 定位 系统 中的应 用 方案 人员定位系统一般由定位服务器、 定位分站、 无 线收发器、 标识卡等组成 。为实现低频唤醒功能 ， 需 要 在标 识卡 中增 加 低频 接 收 电路 ， 在 下 井 口无 线 收 发 器 中增加 低频 发 射 电路 用 于 唤 醒 标 识 卡 ， 在标 识 卡存放管理处 一般为矿灯房 的无线收发器 中增加 低 频发 射 电路用 于休 眠标 识卡 。低 频唤 醒技 术应 用 方 案如 图 1所示 。 回国 困 图 1 低频 唤醒技 术在 人员定位系统 中的应用方案 2 ． 1低 频 发 射 电路 设 计 低 频 发 射 电 路 主 要 由 MOS管 驱 动 器 、 MOS 管 、 发射 线 圈构 成 ， 如 图 2所 示 。无 线 收 发器 MC U 通过 NMO S 1 ， P MOS 1 ， NMO S 2 ， P MO S 2等 4个 I O 口， 控 制 高 速 MOS管 驱 动 器 N 和 Ns驱 动 MOS 管 N 和 N 交 替 导 通 ， 在 发 射 线 圈 L 上输 出低 频 信 号 。通过 控 制 I O 的 工 作 频 率 可 以调 节 线 圈 L 上无线辐射信号的工作频率， 通过调节线 圈增益和 供 电电压 L F P O WE R的等级可以调节线圈 L 上无 线 辐射 信号 的场强 ， 从而 控制 唤醒距 离 。 图 2低 频 发 射 电 路 2 ． 2低 频 接 收 电 路 设 计 低 频接 收 电路 主要 由低 频接 收 芯 片 、 接 收天 线 等构成 ， 如图 3所示 。在 接收 电路 中， 共 配置 ， L y ， L 等 3 个天线分别接收 x， y， z方 向的低频信 号 ， 任何一个方向接收到有效 的低频信号均可 以触 发 唤醒 功能 。低频 接 收 芯 片被 唤 醒 后 在 WAKE引 脚输出高电平 ， 触发人员位置监测标识 卡 MC U 中 断 。MC U 可 以通过 S P I 接 口配 置低 频 接 收 芯片 的 工作参数 ， 并且在唤醒后读取芯片 内存储 的接收信 号强度值 RS S I ， 从而判断标识卡与无线收发器之 间的距 离 。MC U 通 过 D AT 接 口可 以读 取 无 线 收 发器的低频 I D， 从而决定在接收到低频信号后标识 卡进入正常发射状态或是休眠状态 。 2 ． 3低 频 接 收 软 件 设 计 低频接收软件的具体工作流程如图 4所示 。低 频 接 收芯 片在初 始化 阶段通 过 寄存器 配 置信号 接 收 频 率 ， 使 其 与无线 收 发 器 上 低频 发 射 电路 的 工作 频 率 相一 致 。 由于 制造 工 艺 的影 响 ， 接 收 天 线接 收 耦 合电容等元件参数存在一定 的误差 ， 通过寄存器配 置的工作频率也存在着不同的误差 ， 因而 ， 宜在初始 化 阶段通 过 软 件校 准 X， y， Z轴 3个 天线 的谐 振 频 率 ， 使其与发射电路相一致 。为避免标识卡误休眠， 1 8 工矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 1卷 Lz Ly L x 图 3低频接收 电路 、 开始 广 _ _ 一 初 始化 l l ＼、、 眠 ID2， 下 ’ l ’ 蜜 等待唤醒 中断 收到唤醒中断 ● Y 关闭定位信 号 发射 图 4低频接收软件的具体工作流程 标识卡在接收到唤 醒信号后 ， 先判断低频发射 电路 I D 和无线 收发 器 定 位 信 号 I D 与设 置 的休 眠 I D 是 否一致， 二者均完全一致才可进入休 眠状态 。 3 电池 寿命 测试 分析 标识 卡在 正 常工 作 时 ， 每 间 隔 1 s 发 射 1次 信 号 ， 每个 发 送 周期 内作 1次定 位 信 号发 射 、 1次 AD 转换 、 1次定位 信号接收。标识卡每发送 5次信号 发光 管亮 1次 。 考虑标识卡出现报警状态 ， 工作在被动 呼叫报 警状 态时 ， 蜂 鸣器 每天被 动 响 1 O 次 。每天标 识 卡主 动报 警 紧呼 1 O次 ， 每 次 紧 呼 时 发送 和接 收 时 间 、 电 流与 正常情 况一 致 ， 每次 紧 呼发光 管亮 1次 ， 每天 共 亮 1 0次 。 测试 无 唤 醒 电路 和有 唤醒 电路 时 ， 标识 卡 的各 种工 作 电流 和 持 续 时 间 ， 结 果 见 表 1 。从 表 1可 以 看出， 采用低频唤醒技术的标识卡仅休眠电流 增 加 了 3“ A， 而在其 他工 作状 态时 ， 电流基本 不变 。 设 c为电池容量 ， 使用 1 0 0 0 mA h电池 ， 按 表 1 标识 卡工作状 态测 试结果 照 1 0 0 0 mA h x 0 ． 8计 算 ； P 为 每 天 标 识 卡 发 送 工作时问 ， 未使用低 频唤醒技术时为 2 4 h ， 使用低 频唤 醒技术 时 为 8 h ； T为标 识卡 发送 周 期 ， 1 ～ 3 S ； 则 电池寿命 D 的计算方法如下 每天发 送 耗 电 mA h C 一 j r T 3 6 0 0 P／ T ／ 3 6 0 0 每 次 ； 每 天发 光管 耗 电 mA h C 一 J T 3 6 0 0 P／ 5 丁 1 0 ／ 3 6 0 0 正 常 每 5次 亮 1次 ， 紧 呼 时 每 次 都 亮 ； 每 天接 收 耗 电 mA h C 。 j T。 3 6 0 0 P／ T ／ 3 6 0 0 每 次 ； 每 天蜂 鸣器 耗 电 mA h C 一 1 0 I T ／ 3 6 0 0 每天 1 0次 ； 每 天AD 转 换 耗 电 mA h C 一 丁 5 3 6 0 0 P ／ T ／ 3 6 0 0 每次 ； 每天待机耗电 mA h C 一 2 4 3 6 0 0 。 ／ 3 6 0 0； 工 作 时 间 D d D C ／ C C 。 C 。 C C C 。 根 据表 1的测试结 果 ， 按 照上述 计算 方法 ， 使 用 低 频唤 醒 技 术 的 标 识 卡 在 改 进 前 后 的 计 算 结 果 见 表 2 。从 表 2可 以看 出 ， 使 用 改 进 的低 频 唤 醒 技 术 后 ， 标识 卡 电池使 用 寿命得 到较 大改 善 ， 当发 射周期 为1 ～3 S时， 电池使用寿命延长为原来 的 2 ． 7倍 以 上 ， 并且 标识 卡 的发射 周期 越 短 ， 改 善效 果最 好 。 第 4 1卷 第 l 2 期 2 O1 5年 l 2月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a n d M i ne Aut o ma t i o n V0 l _ 4 1 NO ．1 2 De c ． 2 O1 5 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 1 2 0 0 1 9 0 3 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 l x ． 2 0 1 5 ． 1 2 ． 0 0 6 徐敏 ， 罗 明华 ． 信集 闭 系统获 取非 法 占用 区段 敌对 信号 的方 法 E J ] ． 工 矿 19动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 1 2 1 9 2 1 ． 信集闭系统获取非法占用区段敌对信号的方法 徐 敏 ， 罗 明 华 1 ． 瓦斯灾 害 监控 与应 急技术 国家重 点实 验室 ，重庆4 0 0 0 3 7 ； 2 ． 中煤科 工 集 团重庆 研究 院有 限公 司 ， 重 庆4 0 0 0 3 9 摘 要 针 对现 有矿 井机 车信 集闭 系统 因采 用人 工设置联 锁 条件 而 导致联 锁 不准确 的 问题 ， 介 绍 了一种 准 确获取非法占用区段敌对信号的方法。该方法在 了解敌对进路判定条件的基础上 ， 利用双向链路表表示进 路元 ， 生成进路链表 ， 然后对进路链表进行搜 索， 从 而得到敌 对信号 。实践证明， 该方法能够准确获取矿井机 车信 集 闭 系统 中的 非法 占用 区段敌 对信 号 ， 提 高 了联 锁 的准确 性 ， 降低 了劳动 强度 。 关 键词 信 集 闭 系统 ； 矿 井机 车运 输 ； 非 法 占用 区段 ；联锁 ；敌 对信 号 中图分类 号 T D6 5 3 文献 标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 5 1 2 0 4 1 5 3 6 网络 出版地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 5 1 2 0 4 ． 1 5 3 6 ． 0 0 6 ． h t m1 An o b t a i n i ng me t ho d o f h os t i l e s i g na l i n i l l e g a l o c c up a t i o n b l o c k i n s i g n a l c o nc e nt r a t i n g a n d i nt e r l o c k i n g s ys t e m XU M i n 一． LU O M i ngh ua ， 。 1． Na t i on a l Ke y La b or a t or y of Ga s Di s a s t e r De t e c t i n g，Pr e v e nt i ng a n d Em e r ge nc y Co nt r o l l i ng， Ch o n g q i n g 4 0 0 0 3 7 ，Ch i n a ；2． CC TEG Ch o n g q i n g Re s e a r c h I n s t i t u t e ，Ch o n g q i n g 4 0 0 0 3 9 ，Ch i n a Ab s t r a c t F o r i n c o r r e c t s i n g l e i n t e r l o c k i n g p r o b l e m i n mi n e s i g n a l c o n c e n t r a t i n g a n d i n t e r l o c k i n g s y s t e m c a us e d by m a nua l l y s e t t i ng i nt e r l o c k i ng c o ndi t i o ns ，a n o bt a i ni ng m e t ho d o f ho s t i l e s i g na l i n i l l e g a l 收稿 日期 2 0 1 5 0 9 0 9 ； 修 回日期 2 0 1 5 - 1 1 - 0 3 ； 责任编辑 李明 。 基金项 目 中煤科工集团重庆研究 院有限公 司重点研究项 目 C Q0 9 0 1 。 作者简介 徐敏 1 9 7 9 一 ， 男 ， 陕西宝鸡人 ， 助理研究员 ， 硕士 ， 主要从事智能信息处理与智能控制方面 的研究工作 ， E - ma i l c q x u mi n q q ． c o rn。 表 2 标识卡改进前后使用时间对 比 向精确 定位 方 向演 进 ， 标 识 卡 的 发射 时 间 间隔 越 来 越短 ， 低 频唤 醒技术 对 电池寿命 的改善效 果更 加 显 著 。 参考文献 4结 语 [ 2 ] 采 用低 频唤 醒技 术 的标 识 卡在各 种 工作状 态 时 r 3 ] 电流基本不变 ， 发生改变的是将标识卡 的无效信 号 发射状态变为休眠状态 ， 节约放 电时间 ， 从而有效地 [ 4 ] 降低标识卡每天的耗 电量。测试结果表明， 采用低 频 唤醒 技术 可 以较 大地 延 长 标 识 卡 电 池 的 寿命 ， 并 且标识卡发射间隔时间越短 ， 低频唤醒技术的改进 J 效 果越好 。随着 矿用 人员定 位 系统逐 步 由 区域 定 位 孙继平． 煤矿 井下安 全避 险“ 六 大系统 ” 的作用和 配置 方案[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 0 ， 3 6 1 1 1 - 4 ． 王维 ， 霍振 龙 ， 凌 云 ， 等． 特种 煤矿 人 员定 位 系统设 计 i- J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 1 1 4 1 7 ． 张长森 ， 董鹏永 ， 徐景涛． 基于 Z i g B e e 技术 的矿井 人员 定位系统的设计[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 0 8 ， 3 4 2 4 8 5 0 ． 罗通强 ， 周受钦 ， 谢小鹏 ， 等． 基于低频唤醒技术 的半主 动式电子标签设 计 [ J ] ． 电子设 计工程 ， 2 0 1 2 ， 2 0 2 1 1 03 1 06． 周晓莉． 低频 唤醒在 电厂高压 开关柜 触头温 度监测 中 的应 用[ J ] ． 电脑开发与应用 ， 2 0 1 4 1 2 6 0 6 2 ．