CN115979271A - Uwb和rfid多源融合精确定位煤矿监控分站定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种UWB和RFID多源融合精确定位煤矿监控分站定位方法，煤矿监控分站包括主微控制器、UWB射频模块、RFID射频模块、光电通信模块、液晶显示模块、存储模块、本安电源模块；UWB射频模块采用2片UWB芯片，所述UWB射频模块、RFID射频模块、光电通信模块、液晶显示模块、存储模块分别与主微控制器通信连接；UWB射频模块的2个UWB芯片分别与位于监控分站左右两侧的矿用阻燃射频同轴电缆连接，然后连接增益为10dBi的全向天线；煤矿监控分站定位方法，包括区域定位和精确定位。本发明实现定位技术的多源融合，同时满足低精度定位和高精度定位，精准定位和区域定位在同一系统中同时实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种UWB和RFID多源融合精确定位煤矿监控分站定位方法，属于电子通信检测设备技术领域。
背景技术
目前，矿山物联网技术在智慧矿山建设中得到不断发展，对于煤矿井下作业人员、机电设备、交通运输工具等目标的实时状态监测、大数据采集、应急联动等各种信息的需求日益剧增。在完成煤矿安全监控系统升级改造任务以后，煤矿井下人员定位系统也即将面临一次重大的技术升级改造。未来煤矿安全生产势必朝着智能化、集成化、信息化的方向迈进，监控系统要采用先进的传感器，巡检周期要缩短，控制功能要增多，大数据分析能力要增强、特别是要求做到与井下人员定位系统的井下融合以及应急联动。
为了解决现有的煤矿中的基于RFID、Zigbee、WiFi和蓝牙等无线通信技术的人员定位系统只能进行区域定位，定位精度差的技术问题，本发明提出了一种基于超宽带(UWB)无线载波通信技术与射频识别(RFID)技术相结合的多源融合煤矿人员精准定位技术方案。井下人员定位系统分站的精准定位部分采用飞行时间法(TOF)的双向测距技术，通过测量UWB无线信号在定位分站与识别卡(标签)之间往返的飞行时间来计算距离，区域定位部分采用RFID技术，通过计算识别卡信号发射场强的强弱，来判断识别卡的位置，以实现井下人员重要场所的精准定位和非重要场所的区域定位。
发明内容
本发明的目的在于提供一种UWB和RFID多源融合精确定位煤矿监控分站定位方法，以实现井下人员重要场所的精准定位和非重要场所的低精度区域定位。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
一种UWB和RFID多源融合精确定位煤矿监控分站定位方法，煤矿监控分站包括主微控制器、UWB射频模块、RFID射频模块、光电通信模块、液晶显示模块、存储模块、本安电源模块；UWB射频模块采用2片UWB芯片，所述UWB射频模块、RFID射频模块、光电通信模块、液晶显示模块、存储模块分别与主微控制器通信连接，所述本安电源模块为主微控制器供电，主微控制器通过光电通信模块与上位机通信；UWB射频模块的2个UWB芯片分别与位于监控分站左右两侧的矿用阻燃射频同轴电缆连接，矿用阻燃射频同轴电缆顶端连接增益为10dBi的全向天线；
UWB和RFID多源融合精确定位煤矿监控分站定位方法，包括区域定位和精确定位；
所述区域定位方法为：RFID射频模块发出无线载波信号，其发射功率范围为-50～-10dBm，无线载波信号到达人员携带的标识卡位置，标识卡天线切割磁感线产生脉冲电流，如果信号强度低于-90dBm不足以激活标识卡芯片，则识别不到标识卡；如果信号强度高于-90dBm，则激活标识卡芯片，并返回一个脉冲电流给标识卡的天线，天线将回答信号发出，其发射功率范围是-60～-20dBm，传播至煤矿监控分站天线，天线转化成脉冲电流给RFID射频模块，获得标识卡的回传信号；如果能收到标识卡回传信号，则判定标识卡位置是在RFID射频模块方圆10米以内，如果不能收到标识卡回传信号，则判定标识卡位置是在RFID射频模块方圆10米以外；
所述精确定位方法为：
与2个UWB射频模块分别相连的1号天线与2号天线相距距离为s，1号天线是判定识别卡方向而设定的，2号天线是测量距离而设定的；
识别卡在t1时刻发出UWB无线载波信号；天线在t2时刻接收到载波信号，经UWB射频模块确认完数据后，在t3时刻回传载波信号；识别卡在t4时刻接收到载波信号，处理完分站的回传信号后，在t5时刻再次发送载波信号；分站天线在t6时刻接收到载波信号，识别卡和分站完成1次信号交互往返的时间为t6-t1，其中，t3-t2为分站处理信号的反应时间，t5-t4为识别卡处理信号的反应时间；
识别卡与煤矿监控分站天线的距离d计算公式为：
d＝c*[(t6-t1)-(t3-t2)-(t5-t4)]/3(1)
式(1)中：c＝3×108m/s，为无线电信号传播速度；
检测得到人员携带的识别卡与煤矿监控分站的1号天线、2号天线的距离分别为d1和d2；
识别卡相对于煤矿监控分站的方向判定原则如下：①当d1>s且d1>d2时，识别卡在监控分站的右边，距离为d2；②当d2>s且d1<d2时，识别卡在监控分站的左边，距离为d2；③当d1<s且d2<s时，识别卡在煤矿监控分站的两根天线中间，距离为d2。
本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现：
前述UWB和RFID多源融合精确定位煤矿监控分站定位方法，其中煤矿监控分站，主微控制器采用STM32系列F4处理器；所述UWB射频模块采用DecaWave公司的DW1000无线收发芯片，RFID射频模块采用TI公司的CC2500芯片，存储模块采用W25Q256JVEIQ存储器，液晶显示模块采用19264LCD液晶屏模组。
前述UWB和RFID多源融合精确定位煤矿监控分站定位方法，其中煤矿监控分站中，矿用阻燃射频同轴电缆采用MSYV-50-7规格的煤矿用阻燃同轴电缆。
前述UWB和RFID多源融合精确定位煤矿监控分站定位方法，所述识别卡，包括KJ1692-K标识卡及KJ106-K标识卡，KJ1692-K标识卡识别UWB无线载波信号，KJ106-K标识卡识别RFID信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：实现定位技术的多源融合，满足低精度定位和厘米级高精度定位的需要，符合用户的不同需求，精准定位和区域定位在同一系统中同时实现，降低用户的使用成本。抗电磁干扰度达到3级以上；精确定位的静态误差是0.3米，动态误差是7.3米，最大定位距离超过400米；区域定位的范围是50米以内，静态误差是3米。
附图说明
图1是本发明的精确定位煤矿监控分站功能结构图；
图2是精确定位煤矿监控分站总装图；
图3是双向双程测距技术示例图；
图4是UWB技术方向判定示例图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明UWB和RFID多源融合精确定位煤矿监控分站，包括主微控制器、UWB射频模块、RFID射频模块、光电通信模块、液晶显示模块、存储模块、本安电源模块；UWB射频模块采用2片UWB芯片，所述UWB射频模块、RFID射频模块、光电通信模块、液晶显示模块、存储模块分别与主微控制器通信连接，所述本安电源模块为主微控制器供电。监控分站可以再配置抗电磁干扰电路，以保证设备的安全性和抗干扰性。
前述UWB和RFID多源融合的精确定位分站，所述主微控制器采用STM32系列F4处理器；所述UWB射频模块采用DecaWave公司的DW1000无线收发芯片；因为需要进行方向判定，故而使用2块DW1000无线收发芯片。所述RFID射频模块采用TI公司的CC2500芯片，其中心频率为2.4GHz，它是集成了数字无线收发一体的FSK芯片。所述光电通信模块采用两光四电的光端机模块，可以做到32台以内的分站之间进行光纤级联，最后接入工业以太环网的主通信网络中。存储模块采用W25Q256JVEIQ存储器，存储模块是为了支持系统在发生故障后，每个分站能够独立存储4小时以上数据，在系统恢复正常工作后，继续上传丢失数据并由服务器补存至系统数据库中，以保证人员位置信息的连续完整性。液晶显示模块采用19264LCD液晶屏模组，用于显示相应信息。监控分站馈线采用MSYV-50-7以上规格的煤矿用阻燃同轴电缆，无线通讯使用的天线采用增益为10dBi的全向天线。如图2所示为精确定位煤矿监控分站总装图，分站采用矿用本安型的设计形式，电路全部按照本质安全型设计，由图中本安进线口3的引脚1和引脚2接入12-24V本安供电电源，壳体两侧共有7个矿用网线或光缆进线口，可以压入单根矿用光缆和矿用网线。分站主体上部左右两侧各有一根2米长的矿用阻燃射频同轴电缆，顶端连接增益为10dBi的全向天线，此为精确定位模块的天线，区域定位的天线内置在主体里面。分站主体内部是主控电路板，定位功能模块，光端机电路板，光纤接线盒等。图中1：天线、2：矿用射频同轴电缆、3：本安进线口、4：分站主体、5:矿用网线或光缆进线口。
人员携带的识别卡，复合了UWB和RFID两种通信功能。可以将KJ1692-K标识卡及KJ106-K标识卡复合为一体以方便人员携带，KJ1692-K标识卡识别UWB无线载波信号，KJ106-K标识卡识别RFID信号。
定位技术原理：
区域定位是采用射频识别技术，是通过无线射频信号通过空间耦合，实现无线信息传递，并通过监控分站分析人员携带的识别卡(标签)的无线信号场强来实现对区域识别卡的粗精度区域定位。并通过分站分析识别卡的无线信号场强来实现对区域标识卡的粗精度区域定位。区域定位的原理是：读卡分站与标识卡采用2.4GHz中心工作频率，在制定的无线协议进行通信。读卡分站的RFID射频模块发出无线载波信号，其发射功率范围是(-50～-10)dBm，传播过程中，信号强度随着距离增加而逐渐减弱，然后信号到达标识卡位置，标识卡天线切割磁感线产生脉冲电流，电流信号传给标识卡的芯片，如果信号强度低于-90dBm,则不足以激活标识卡芯片，表现就是识别不到标识卡，如果信号强度高于-90dBm，则能激活标识卡芯片，并返回一个脉冲电流给标识卡的天线，天线将回答信号发出去，其发射功率范围是(-60～-20)dBm，经过传播给到读卡分站天线，天线再转化成脉冲电流给RFID射频模块，读卡分站就成功获取到标识卡的信息。根据实验值判定，-90dBm是最远10米距离的接收灵敏度值，从而判定只要读卡分站能收到标识卡回传信号，则认为标识卡位置是在读卡分站方圆10米以内，作为区域定位位置。
精确定位测距的原理以图3的示例图为例，Tx为发射信号，Rx为接收信号，识别卡在t1时刻发出UWB无线载波信号；分站天线在t2时刻接收到载波信号，经UWB射频模块确认完数据后，在t3时刻回传载波信号；识别卡在t4时刻接收到载波信号，处理完分站的回传信号后，在t5时刻再次发送载波信号；分站天线在t6时刻接收到载波信号，继续由UWB射频模块进行处理。识别卡和分站完成1次信号交互往返的时间为t6-t1，其中，t3-t2为分站处理信号的反应时间，t5-t4为识别卡处理信号的反应时间，因此识别卡到分站天线的距离d计算公式为：
d＝c*[(t6-t1)-(t3-t2)-(t5-t4)]/3(1)
式(1)中：c＝3×108m/s，为无线电信号在空气中的传播速度。
监控分站采用双测距模块设计，内置了两块相同的UWB射频模块。UWB射频模块通过矿用阻燃射频同轴电缆与增益为10dBi的全向天线配接，2根天线相距距离s为4m。识别卡采用了双向双程测距法，如图4所示，识别卡与监控分站的两根天线距离分别为d1和d2。识别卡相对于监控分站的方向判定原则如下：①当d1>s且d1>d2时，识别卡在监控分站的右边，距离为d2；②当d2>s且d1<d2时，识别卡在监控分站的左边，距离为d2；③当d1<s且d2<s时，识别卡在煤矿监控分站的两根天线中间，距离为d2。
其中天线1是判定识别卡方向而设定的，天线2是测量距离而设定的。
UWB和RFID多源融合技术方法：
UWB精确定位模块通过设置双天线，分别是全向天线1和全向天线2，模块通过对天线周期性采集的信号进行皮秒级时间计算，来判断识别卡的位置信息(包括距离和方向)，然后经过主微控制器的A通信端口送到主处理器的每一张标识卡编号对应一条记录的专用映射表，计算该识别卡的位置，并且以此数据为依据计算位移速度数据。
RFID定位模块通过内置天线接收到识别卡的数据包，同时记录识别卡的编号和场强数值，当场强值大于-90dB时，认为标识卡在读卡分站方圆10米的范围以内，然后经过主微控制器的B通信端口送到主处理器的每一张标识卡编号对应一条记录的专用映射表，供上位机实时调用。
主微控制器把采集到的两个信道的识别卡数据进行罗格编码打包后，经过通信协议转换，通过工业以太网主动发送给地面上位机。罗格编码的实现方法是通过原始数值结合整个数据包的累加和，及该数值位于数据包的位置，进行运算处理，得到加密后的数值，用于通信过程中的加密及校验。
M1＝(Mo+So)^N.........(1)
M1:加密后的数值
Mo：原始数值
So：累加和
N：原始数值在数组中所处的位置。“^”表示进行异或运算。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。
Claims (4)
1.一种UWB和RFID多源融合精确定位煤矿监控分站定位方法，其特征在于，煤矿监控分站包括主微控制器、UWB射频模块、RFID射频模块、光电通信模块、液晶显示模块、存储模块、本安电源模块；UWB射频模块采用2片UWB芯片，所述UWB射频模块、RFID射频模块、光电通信模块、液晶显示模块、存储模块分别与主微控制器通信连接，所述本安电源模块为主微控制器供电，主微控制器通过光电通信模块与上位机通信；UWB射频模块的2个UWB芯片分别与位于监控分站左右两侧的矿用阻燃射频同轴电缆连接，矿用阻燃射频同轴电缆顶端连接增益为10dBi的全向天线；
UWB和RFID多源融合精确定位煤矿监控分站定位方法，包括区域定位和精确定位；
所述区域定位方法为：RFID射频模块发出无线载波信号，其发射功率范围为-50～-10dBm，无线载波信号到达人员携带的标识卡位置，标识卡天线切割磁感线产生脉冲电流，如果信号强度低于-90dBm不足以激活标识卡芯片，则识别不到标识卡；如果信号强度高于-90dBm，则激活标识卡芯片，并返回一个脉冲电流给标识卡的天线，天线将回答信号发出，其发射功率范围是-60～-20dBm，传播至煤矿监控分站天线，天线转化成脉冲电流给RFID射频模块，获得标识卡的回传信号；如果能收到标识卡回传信号，则判定标识卡位置是在RFID射频模块方圆10米以内，如果不能收到标识卡回传信号，则判定标识卡位置是在RFID射频模块方圆10米以外；
所述精确定位方法为：
与2个UWB射频模块分别相连的1号天线与2号天线相距距离为s，1号天线是判定识别卡方向而设定的，2号天线是测量距离而设定的；
识别卡在t1时刻发出UWB无线载波信号；天线在t2时刻接收到载波信号，经UWB射频模块确认完数据后，在t3时刻回传载波信号；识别卡在t4时刻接收到载波信号，处理完分站的回传信号后，在t5时刻再次发送载波信号；分站天线在t6时刻接收到载波信号，识别卡和分站完成1次信号交互往返的时间为t6-t1，其中，t3-t2为分站处理信号的反应时间，t5-t4为识别卡处理信号的反应时间；
识别卡与煤矿监控分站天线的距离d计算公式为：
d＝c*[(t6-t1)-(t3-t2)-(t5-t4)]/3(1)
式(1)中：c＝3×108m/s，为无线电信号传播速度；
检测得到人员携带的识别卡与煤矿监控分站的1号天线、2号天线的距离分别为d1和d2；
识别卡相对于煤矿监控分站的方向判定原则如下：①当d1>s且d1>d2时，识别卡在监控分站的右边，距离为d2；②当d2>s且d1<d2时，识别卡在监控分站的左边，距离为d2；③当d1<s且d2<s时，识别卡在煤矿监控分站的两根天线中间，距离为d2。
2.如权利要求1所述的UWB和RFID多源融合精确定位煤矿监控分站定位方法，其特征在于，煤矿监控分站的主微控制器采用STM32系列F4处理器；所述UWB射频模块采用DecaWave公司的DW1000无线收发芯片，RFID射频模块采用TI公司的CC2500芯片，存储模块采用W25Q256JVEIQ存储器，液晶显示模块采用19264LCD液晶屏模组。
3.如权利要求1所述的UWB和RFID多源融合精确定位煤矿监控分站定位方法，其特征在于，煤矿监控分站中，矿用阻燃射频同轴电缆采用MSYV-50-7规格的煤矿用阻燃同轴电缆。
4.如权利要求1所述的UWB和RFID多源融合精确定位煤矿监控分站定位方法，其特征在于，所述识别卡，包括KJ1692-K标识卡及KJ106-K标识卡，KJ1692-K标识卡识别UWB无线载波信号，KJ106-K标识卡识别RFID信号。
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