基于UWB 超宽带的煤矿定位系统设计_肖开泰.pdf

第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 基于 UWB 超宽带的煤矿定位系统设计 肖开泰 1,2 （1.煤科集团沈阳研究院有限公司,辽宁 抚顺 1131222； 煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113122） 摘要 针对煤矿现有人员定位系统定位精度较低的现状， 设计了基于 UWB 超宽带技术的高精 度人员定位系统， 分析了系统的定位原理， 以 stm32 和 DW1000 模块为主体进行了定位基站和定 位标签硬件电路设计， 并编制了相应执行程序； 系统联调测试效果良好， 定位精度在 30 cm 内， 完全可满足煤矿场景高精度定位的需求。 关键词 煤矿人员定位系统； UWB 超宽带； 定位基站； 定位标签； 测距通信 中图分类号 TD76文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 08-0128-04 Design of Coal Mine Positioning System Based on UWB XIAO Kaitai1,2 （1.China Coal Technology 2.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun 113122, China） Abstract Aiming at the low positioning accuracy of the existing personnel positioning system in coal mine, the high precision personnel positioning system based on UWB technology is designed, the positioning principle of the system is analyzed, the location base station and location label hardware circuit are designed with STM32 and DW1000 modules as the main body, and the corresponding cution program is compiled. The system coordination test has a good effect, and the positioning accuracy is within 30 cm, which can fully meet the requirements of high-precision positioning in coal mine scenes. Key words coal mine personnel positioning system; UWB ultra wideband; positioning base station; positioning label; ranging communication 根据国家相关要求所有煤矿必须建设完善煤矿 井下安全避险 “六大系统” [1]， 人员定位系统是六大 系统之一。人员定位可通过 GPS、 GSM 和 CDMA 移 动蜂窝网络、 WiFi、 RFID、 蓝牙、 红外线超声波混合、 Zigbee 等无线技术实现[2]， 并在各自领域成功应用， 部分技术也在煤矿井下成功应用，但受煤矿井下空 间有限、 信号屏蔽物较多、 高温多湿、 粉尘浮游物含 量高、电磁环境复杂多变等诸多因素影响，普遍存 在定位距离近、精度差的问题，难以满足煤矿对高 精度定位的新需求。UWB （Ultra Wide Band） 超宽带 技术具有信道容量大、功率消耗低、多径分辨能力 强、 穿透能力强、 抗干扰能力强、 隐蔽性好和定位精 度高的特点[3]， 可满足煤矿高精度定位需求。 1UWB 定位原理 UWB （Ultra Wide Band） 是近年来新兴的、 与传 统通信技术有极大差异的通信无线新技术[4]。受其 工作方式影响使之天生具有超高的分辨率，且因其 工作频率高、 信号占空比极低， 故形成的窄脉冲的多 径信号在时间上不易重叠，可保证其多径信号在时 间上得到分离[5]， 而无线通信技术正是通过计算已 知节点 （定位基站） 和未知节点 （定位标签） 之间的 距离实现定位，在时间分量得到保证的情况下， 实 现的定位精度自然会高。UWB 定位原理示意图图1。 图 1 中定位基站 A1（x1， y1， z1） 、 定位基站 A2（x2， y2， z2） 、 定位基站 A3（x3， y3， z3） 为 3 个位置已知点， 定 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.08.027 肖开泰.基于 UWB 超宽带的煤矿定位系统设计 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （8） 128-131. XIAO Kaitai. Design of Coal Mine Positioning System Based on UWB ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （8） 128-131. 移动扫码阅读 基金项目 国家重点研发计划资助项目 （2016YFC0801608） 128 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 2硬件主体结构电路框图 Fig.2Circuit design block diagram 位标签 T （x， y， z） 为位置未知点， 无线信号自 T 发出 到被 A1、 A2和 A3成功接收所消耗的时间为 ti（i 1， 2， 3） ，由此可计算出 T 至 A1、 A2和 A3的距离 di （i1， 2， 3tiC （C 为无线电波在空气中的传播速 度） ， 分别以 A1、 A2和 A3圆心， di为半径画圆， 可得 到 3 个相交的平面圆形， 相交区域即为 T 的坐标区 域， 利用平面几何知识可得式 （1 ） （x1-x） 2 （y1-y） 2 d1 2 （x2-x） 2 （y2-y） 2 d2 2 （1） （x3-x） 2 （y3-y） 2 d3 2 将 di（i1， 2， 3 ） tiC 代入式 （1 ） ， 可得出定位标签 T （x， y， z） 的坐标， 从而实现对定位标签 T 的定位。 2定位系统硬件 定位基站和定位标签的硬件主体结构基本一 致， 由 stm32 模块、 DW1000 模块、 电源转换模块、 液 晶显示模组和相关配套电路元件组合而成，定位基 站相比定位标签增加了以太网模块、 485 通信模块 和 usb 模块，主控模块 stm32 和 dw1000 通过 spi 通 信进行数据交互[6]， 硬件主体结构电路框图如 2。 1） 主控单元 STM32 模块。主控单元选择使用高 性 能 ARM32CortexTM -M3 内 核 的 意 法 半 导 体 STM32F107RC[7]， 可以在低功耗、 短启动时间和多种 唤醒事件之间达到最佳平衡[8]， 工作电压 2～3.6 V， 主频率为 72 MHz，包括 3 个 SPI、 1 个 USB OTG、 5 个 USART、 2 个 CAN 和 1 个百兆等多个标准通信接 口， 支持睡眠、 停机、 待机 3 种低功耗模式， 具有处 理速率高、 功率低、 体积小、 成本低、 适应性强等特 点。 芯片共外接 12 MHz 和 32.678 kHz 2 个晶振， 其 中 32.678 kHz 为外部晶振，连接于芯片的 3、 4 脚， 用于控制 NRST 复位引脚 （7 脚） 为 RTC 提供时钟服 务；12 MHz 晶振为主频晶振，连接于芯片的 5、 6 脚， 为芯片工作提供时钟服务。 20、 21、 22、 23 脚为SPI 1 接口，用来读写操作射频模块 DW1000； 26 脚与 DW1000 的 23 脚相连，配置为外部输出引脚用来唤 醒休眠的 DW1000 模块； 29、 30、 33、 34、 36 脚连接 LCD 控制器； 57 脚配置外部中断，连接到 DW1000的 22 脚， 接收 DW1000 发出的允许进行测距电平信号。 2） 射频 DW1000 模块。 射频模块选用基于 UWB 通信的 DW1000[9]， 支持 EEE802.15.4-2011 标准的 射频收发模块， 相比其它模块更经济、 准确， 可达到 厘米级别的测距性能。芯片的 1、 2、 13、 14 脚为空； 3、 4 脚为外部晶振引脚，本电路中选用 8.4 MHz 晶 振； 16、 17 脚连接射频天线； 23 脚是外部唤醒接口与 主控芯片 STM32F107RC 的 26 脚相连，用于唤醒休 眠状态或深度休眠状态的 DW1000； 24 脚是 SPI 芯 片选择引脚，有效的低电平从高到低转换可以表示 1 个新的 SPICSn 事务的开始， 也可以作为信号唤醒 休眠状态下的或者深度休眠下的 DW1000； 27 脚是 重置复位引脚， 低电平有效， 可通外部漏极驱动器拉 低以重置 DW1000； 30～38 脚是 6 个通用的 I/O 端 口， 39、 40、 41、 24 脚是 SPI 的 4 个端口， 分别跟主控 模 块 STM32F107RC 的 SPI 1 相 连 ， 用 以 读 写 DW1000 中的数据， 其余为电源或 I/O 管脚。 3） 射频天线。定位基站考虑到覆盖问题， 采用 外置式全向天线；定位标签考虑便携问题，采用陶 瓷板载天线； 工作频率是 3.5～6.5 GHz， 与射频电路 共同组成用于无线信号收发的天线模块[10]。 3定位系统通信 定位基站和标签上电后， STM32F107RC 首先进 行自身初始化 （通过调用 peripherals_init （ ）函数实 现） ， 其次访问 DW1000 （通过调用 writetospi （ ）函数 实 现） 对 其 SPI 接 口 进 行 初 始 化 ， 完 成 后 图 1UWB 定位原理示意图 Fig.1UWB positioning principle diagram 129 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 3系统初始化流程图 Fig.3Flow chart of system initialization 图 4通信帧的发送流程图 Fig.4Communication frame delivery flow chart STM32F107RC 通过 SPI 对 DW1000 的寄存器进行读 写操作， 调用 dwt_initialise （ ） 和 dwt_configure （ ） 函数 对 DW1000 进行信道的选择、发射功率和发射速度 进行相关配置完成设备初始化， 初始化流程如图 3。 通信帧的设计采用 IEEE802.15.4 协议标准格 式， 由前导码和 SFD 组成同步头、 数据率物理头和 数据有效负载长度一起组成。前导码的作用是让定 位基站识别， SFD 是定界符， 表示前导码的结束和有 效负荷的开始，物理头用于为指定的接收端提供各 种有效载荷。在测距过程中设定 poll message、 re－ sponse message 和 final message 3 种通信帧， 分别表 示轮询、 应答和结束消息， 定位标签会广播轮询消息， 收到轮询消息的定位基站会在规定时间内返回应答 消息， 超时未返回的无效， 定位标签收到定位基站应 答消息后，广播发送结束消息给所有定位基站， 定 位基站基站收到结束消息后根据其中的时间戳信息 计算距离， 从而实现对定位标签的测距定位。 定位信息能否获得取决于通信帧是否成功收 发 ， 首 先 定 位 标 签 主 控 模 块 STM32F107RC 对 DW1000 进行初始化，成功后 DW1000 就处于等待 指令的空闲状态， 主控模块 STM32F107RC 将待发数 据写到 DW1000 的寄存器对前导码长度、脉冲重复 频率以及数据传输率等信息进行设置，设置不成功 重复上面写入配置操作，设置成功后发送通信帧， DW1000 收到发送指令后马上按设置将通信帧发送 出去， 如果发送成功， DW1000 会返回 1 个发送成功 信号给主控模块 STM32F107RC，如果没有发送成 功， DW1000 会重新执行发送操作， 直到发送成功为 止， 若需要再次发送则重复以上过程， 否则休眠， 通 信帧的发送流程图如图 4。 通信帧接收由 DW1000 的接收机完成，接收前 需要将 DW1000 的工作模式设置为接收 （通过 STM32F107RC 通过 SPI 1 对 DW1000 进行配置完 成） ，接收流程从搜索前导码开始， DW1000 接收机 搜索前导码并对成功接收到的前导码进行检测， 检 测失败则对前导码检测是否超时进行判断，超时则 对接收机进行重新配置， 未超时就继续检测前导码， 如果检测成功则获取前导码及定界符对前导码获取 是否完成进行判断，如果前导码获取未完成则对定 界符获取是否超时进行判断，超时则对接收机进行 重新配置，未超时则继续获取前导码及定界符， 如 果前导码获取完成则获取帧数据并对帧数据是否接 收完成进行判断，如果未接收完成则对帧接收时间 进行判断， 超时则对接收机进行重新配置， 未超时继 续获取帧数据， 重复上述操作直至获得所有帧数据， 帧数据接收完成后进行休眠或继续接收通信帧判 断， 通信帧接收流程图如图 5。 4性能测试 测试场地为长 7.8 m，宽 6 m 的小型会议室;测 试设备定位基站和定位标签各 4 个、移动电源 4 台、 交换机 1 台、 笔记本电脑 1 台。测试过程如下 将定位基站分别放在室内的 4 个角落，将 4 个定 位标签分别放置在（4.1， 3.2 ） ，（7.5， 5.5 ） ，（1.3， 5.5 ） ， （1.3， 1.8） 位置上， 通过 UWB 测试系统进行相关参 130 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 数配置，配置完成后进行测距，对每个定位标签位 置测量 20 次。 从室内测试结果来看，基于 UWB 超宽带的定 位系统的定位精度在未进行算法优化的情况下即可 达到 10～30 cm， 后续加入优化算法后定位精度将会 进一步提高， 可满足煤矿场景高精度定位的需求。 5结语 设计了基于 UWB 超宽带技术的高精度人员定 位系统，分析了系统的定位原理，以 stm32 和 DW1000 模块为主体进行了定位基站和定位标签硬 件电路设计，并编制了相应执行程序。人员定位系 统在煤矿历经从无到有、 从区域到范围定位， 现在又 将从范围向点定位迈进，随着 UWB 超宽带定位技 术的逐步完善， 定位算法的不断升级， 现已实现厘米 级的定位精度，是目前煤矿人员定位系统向高精度 定位更新换代的发展方向。 参考文献 ［1］ 安监总煤装 〔2011〕 33 号 关于印发 煤矿井下安全避 险 “六大系统” 建设完善基本规范 （试行 ） 的通知 ［A］ . ［2］ 王杨， 赵红东.室内定位技术综述及发展前景展望 ［J］ . 测控技术， 2016 （7） 1-3. ［3］ 廉昕， 王元钦， 侯孝民， 等.脉冲超宽带技术在航天测 控系统中的应用 ［J］ .电讯技术， 2016 （9） 1005-1010. ［4］ 朱慧， 苏锐.超宽带技术概述 ［J］ .信息技术， 2006 （11） 99-101. ［5］ 张聪， 申敏. 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