【正文】 量，可以直接得到接收信號與本振信號的相位差，我們利用此相位差可實(shí)現(xiàn)基于相位差的測距算法，實(shí)現(xiàn)厘米級的測量分辨率。圖 37 AT86RF233典型應(yīng)用電路圖AT86RF233采用 SPI接口與控制器進(jìn)行通信，射頻模塊高度集成，所需外部電路極少，典型應(yīng)用電路如圖 37所示。19
 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文定位基站和標(biāo)簽卡均采用此芯片作為核心，進(jìn)行通信和測距。此芯片支持遠(yuǎn)程測距（Remote Ranging）和本地測距（Local Ranging）兩種不同的測距模式，如圖 38所示。圖 38遠(yuǎn)程和本地測距模式本項(xiàng)目采用本地測距模式，使用兩個無線節(jié)點(diǎn)，一個作為協(xié)調(diào)器（Coordinator），一個作為設(shè)備，協(xié)調(diào)器控制整個測距流程，進(jìn)行距離解算。整個測距流程如圖 39所示。協(xié)調(diào)器設(shè)備應(yīng)用層RTB層RTB層應(yīng)用層測距請求請求條件成立?測距初始化階段測距請求幀請求條件允許?定時(shí)器測距允許幀兼容協(xié)議測距允許?定時(shí)器定時(shí)器時(shí)間同步時(shí)間同步請求幀測距開始距離測量PMU開始幀距離測量專有協(xié)議定時(shí)器結(jié)果請求幀1定時(shí)器結(jié)果確認(rèn)幀1結(jié)果請求幀n結(jié)果確認(rèn)幀n定時(shí)器傳輸數(shù)據(jù)更多數(shù)據(jù)請求?兼容協(xié)議定時(shí)器距離計(jì)算返回結(jié)果測距結(jié)果計(jì)算測距確認(rèn)圖 39本地模式測距流程圖20
 第三章礦井人員高精度定位技術(shù)研究本地測距流程分為 6個階段：測距請求階段上層應(yīng)用程序通過測距請求函數(shù)啟動測距初始化過程，檢查當(dāng)前測距是否允許，設(shè)備根據(jù)自身狀況返回應(yīng)答信號時(shí)間同步階段請求成功后，協(xié)調(diào)器首先發(fā)送一個時(shí)間同步請求幀給設(shè)備，然后進(jìn)入一種特殊狀態(tài)，通過相位測量單位 (Phase Measurement Unit, PMU)開始幀使自己同步。設(shè)備收到請求后與協(xié)調(diào)器進(jìn)行同步，為測距做準(zhǔn)備。測距開始階段設(shè)備返回一個 PMU開始幀給協(xié)調(diào)器，確認(rèn)兩者已經(jīng)完全同步，然后所有的中斷都被禁用，以防別的中斷源打斷后續(xù)測距過程。距離測量階段兩者采用預(yù)設(shè)的帶寬開始實(shí)際測距，設(shè)備記錄結(jié)果數(shù)據(jù)，此時(shí)測距過程不能被其他任務(wù)打斷，測距結(jié)束后，全局中斷允許，可以執(zhí)行其他高級任務(wù)。測距階段采用非 IEEE 。結(jié)果反饋階段測距結(jié)束后，協(xié)調(diào)器向設(shè)備請求測距數(shù)據(jù)，設(shè)備收到請求后，通過結(jié)果確認(rèn)幀返回測距數(shù)據(jù)。距離解算階段當(dāng)協(xié)調(diào)器收集到所有測距數(shù)據(jù)后，進(jìn)行距離解算和測距質(zhì)量因子計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果可供更高層的應(yīng)用程序使用。當(dāng)其中任何一個階段出錯或超時(shí)后，則結(jié)束整個測距流程，回到初始狀態(tài)。整個測距流程中，命令請求，同步，數(shù)據(jù)傳輸均使用標(biāo)準(zhǔn)的 IEEE 議進(jìn)行通信，測距階段通過內(nèi)部 PMU單元發(fā)射跳頻寬度信號進(jìn)行測距，與 IEEE，二者緊密結(jié)合，缺一不可?；? IEEE 軟件架構(gòu)如圖 310所示。21
 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文應(yīng)用層(Application)MAC層RTB測距工具箱資源管理模塊(BMM,QMM)TAL層其它外圍接口抽象物理抽象層 (PAL)(TRX Access, Timers, GPIO, Stream I/O)硬件平臺層(,Board,Configuration)圖 310測距協(xié)議架構(gòu)圖RTB(Ranging Toolbox)模塊與 MAC層位于同一層結(jié)構(gòu)，RTB模塊可以直接操作 TAL層，控制底層進(jìn)行測距，測距結(jié)果也通過 RTB模塊提供給上層使用，同時(shí)RTB的數(shù)據(jù)包可以封裝成 MAC層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)包進(jìn)行通信使用。收到的數(shù)據(jù)幀先通過 TAL層進(jìn)行處理，由于測距流程有非常嚴(yán)格的時(shí)間要求，所有收到的數(shù)據(jù)幀先經(jīng) TAL發(fā)送至 RTB模塊，RTB模塊首先檢查數(shù)據(jù)幀是否屬于測距幀，如果是則進(jìn)行處理，然后直接反饋給上層應(yīng)用層；如果不是，則將數(shù)據(jù)幀發(fā)送給 MAC層進(jìn)行處理。AT86RF233支持測距信號頻率范圍: 2324MHz2527MHz，最大帶寬:203MHz，步進(jìn)跳頻步長：500kHz、1MHz、2MHz、4MHz可選，可根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境可以選擇不同帶寬和步進(jìn)頻率，以獲得最佳的測距性能。定位基站布置在巷道內(nèi)部，沿著巷道布置。其位置固定作為定位標(biāo)簽卡的位置參考基準(zhǔn)，在一維巷道內(nèi)部，按 50m一個布置。讀卡器負(fù)責(zé)其覆蓋范圍下的定位卡通信與測距定位等。定位基站功能框圖如圖 311所示。22
 第三章礦井人員高精度定位技術(shù)研究ATxmega256MCUAT86RF233測距、通信模塊報(bào)警模塊指示模塊ATxmega256MCUAT86RF233測距、通信模塊總控MCUATxmega256MCUAT86RF233測距、通信模塊ZigBee通信網(wǎng)接口ATxmega256MCUAT86RF233測距、通信模塊圖 311定位基站功能框圖定位基站由多個測距模塊組成，每個模塊由 ATxmega256單片機(jī)和 AT86RF233無線收發(fā)芯片構(gòu)成。各個模塊相互獨(dú)立工作，采用 Zigbee協(xié)議的不同的通信信道，避免干擾。定位基站實(shí)物圖如圖 312所示。每個測距模塊均采用定向天線，只覆蓋巷道一側(cè)。各模塊獲得的定位信息等通過總控 MCU處理后，轉(zhuǎn)發(fā)到 Zigbee多跳通信網(wǎng)完成上傳。同時(shí)總控 MCU可將接收到的命令下發(fā)到各個定位模塊。圖 312定位基站采用多個定位模塊可以加快調(diào)度時(shí)間，保證定位卡的定位的實(shí)時(shí)性。各個定位模塊工作流程相同，僅僅通信信道不同，因此本文的所有分析僅針對基站的一個定位模塊進(jìn)行。23
 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文讀卡器具有以下功能:l ZigBee通信功能定位基站的各個定位模塊獨(dú)立工作，采用不同信道，作為 ZigBee網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器，分別建立起各自的網(wǎng)路，與接入的定位卡進(jìn)行獨(dú)立通信。l測距定位功能定位模塊能夠測量其與定位卡之間的距離，并且生成報(bào)文，上傳至服務(wù)器。l指示功能指示當(dāng)前的通信狀態(tài)，報(bào)警指示，通信演示指示，電量指示，故障指示等。定位卡也稱為標(biāo)簽卡，定位卡由工作人員隨身攜帶，其結(jié)構(gòu)框圖如圖 313所示。求救指示模塊按鍵模塊AT86RF233測距、通信模塊報(bào)警模塊ATxmega256MCU圖 313定位卡結(jié)構(gòu)框圖定位卡由低功耗單片機(jī)控制模塊，AT86RF233測距通信模塊，按鍵模塊，指示模塊，報(bào)警模塊構(gòu)成，定位卡天線采用定制的全向微帶天線，天線帶寬 200MHz。定位標(biāo)簽卡實(shí)物圖如圖 314所示。圖 314定位標(biāo)簽卡定位卡結(jié)構(gòu)簡單，功耗低，外形小巧，便于大批量裝備。24
 第三章礦井人員高精度定位技術(shù)研究定位卡具有四大功能：l ZigBee通信功能：定位卡能夠搜索并自動接入附近基站，和基站進(jìn)行雙向通信，接收系統(tǒng)的控制命令。l定位功能：在基站的命令下進(jìn)行距離測量。l指示功能：指示當(dāng)前的通信狀態(tài)，報(bào)警指示，電量指示，故障指示等。l求救功能：當(dāng)人員處于危險(xiǎn)時(shí)能夠通過按鍵發(fā)送求救信號。定位基站和定位卡構(gòu)成一個完整的 ZigBee通信系統(tǒng)，每個基站模塊具有唯一的 PAN標(biāo)識，分別建立自己的星型網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙缦聢D所示。定位卡定位卡定位卡基站定位卡定位卡定位卡定位卡圖 315定位基站星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D各個星型網(wǎng)絡(luò)之間呈對等關(guān)系，定位卡可加入任意一個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測距?；竟ぷ髁鞒倘鐖D 316所示?；締雍螅紫冉⒕W(wǎng)絡(luò)，然后進(jìn)入空閑狀態(tài)。當(dāng)有定位卡請求聯(lián)機(jī)后，基站處理聯(lián)機(jī)請求。當(dāng)收到測距請求后，基站根據(jù)狀態(tài)進(jìn)行回復(fù)。回復(fù)成功后基站啟動測距過程，進(jìn)行測距。測距完成后，上傳定位結(jié)果，并斷開和定位卡聯(lián)機(jī)。上傳結(jié)果包含：定位卡 ID，基站 ID，距離，通信質(zhì)量，錯誤代碼。25
 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文開始建立網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機(jī)請求//接受IDLE聯(lián)機(jī)請求處理/拒絕測距請斷開定位卡求/回復(fù)拒絕/拒絕測距請求處請求結(jié)果/回復(fù)失敗理/允許回復(fù)接受測距結(jié)束/回復(fù)成功啟動測距圖 316基站狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖定位卡主要完成和基站測距功能。當(dāng)定位卡搜索到網(wǎng)絡(luò)時(shí)，進(jìn)行聯(lián)機(jī)，測距。在某一時(shí)刻，基站只能和其中一個定位卡進(jìn)行測距。當(dāng)存在多個定位卡時(shí)，定位卡之間采用時(shí)分方式依次和基站進(jìn)行測距。每個定位卡都完成一次測距的時(shí)間稱為定位輪詢時(shí)間。定位輪詢時(shí)間和同一時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)中定位卡的數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)的通信環(huán)境及定位調(diào)度策略有關(guān)，要求定位輪詢時(shí)間越小越好。為了保證定位卡低功耗特點(diǎn)，定位卡不工作時(shí)自動進(jìn)入休眠狀態(tài)。本系統(tǒng)采用隨機(jī)休眠，競爭接入方式進(jìn)行測距，每張定位卡休眠時(shí)間不同，可以避免通信時(shí)的碰撞和相互干擾。定位卡工作流程如圖 317所示。定位卡啟動后，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)掃描，沒有掃描到網(wǎng)絡(luò)則進(jìn)入休眠，如果掃描到網(wǎng)絡(luò)，則請求聯(lián)機(jī)。聯(lián)機(jī)成功后啟動測距過程，測距完成后斷開網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)入休眠。如果請求過程中，任意過程失敗，或者測距過程超時(shí)，則進(jìn)入休眠狀態(tài)。隨機(jī)休眠一段時(shí)間，自動喚醒后繼續(xù)掃描網(wǎng)絡(luò)，重復(fù)這一過程。不斷的和各個基站，進(jìn)行測距定位，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的定位功能。26
 第三章礦井人員高精度定位技術(shù)研究啟動搜到網(wǎng)絡(luò)成功成功掃描網(wǎng)絡(luò)請求聯(lián)機(jī)請求測距成功自動喚醒等待回復(fù)無網(wǎng)絡(luò)失敗超時(shí)時(shí)鐘失敗關(guān)超時(shí)休眠收到主機(jī)回復(fù)時(shí)鐘超時(shí)允許測距拒絕斷開聯(lián)機(jī)開始測距返回測距結(jié)果圖 317定位卡工作流程圖網(wǎng)絡(luò)層主要功能是將定位基站獲得的人員位置信息上傳到服務(wù)器，對網(wǎng)絡(luò)層而言，要求通信速率快，傳輸延遲小，并且要非常穩(wěn)定可靠。網(wǎng)絡(luò)層總體結(jié)構(gòu)如圖 318所示，網(wǎng)絡(luò)層由 ZigBee多跳通信網(wǎng)和以太網(wǎng)兩部分構(gòu)成。以太網(wǎng)Zigbee多跳通信網(wǎng)服務(wù)器巷道Zigbee通信基站巷道地面交換機(jī)井下交換機(jī)監(jiān)控中心Zigbee轉(zhuǎn)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)圖 318網(wǎng)絡(luò)層總體結(jié)構(gòu)圖每個定位基站配套一個 Zigbee通信基站，定位數(shù)據(jù)在巷道內(nèi)通過 Zigbee多跳方式發(fā)送至 Zigbee轉(zhuǎn)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。Zigbee轉(zhuǎn)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)打包成 TCP/IP協(xié)議27
 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文包，通過以太網(wǎng)絡(luò)，傳輸至服務(wù)器和監(jiān)控中心。以太網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得非常成熟，傳輸速率快(100Mbps)，傳輸穩(wěn)定，布置簡單，能夠滿足井下定位系統(tǒng)通信速率和容量的要求。 Zigbee多跳通信鏈路設(shè)計(jì)Zigbee通信鏈路采用 TI公司一款非常穩(wěn)定的 Zigbee芯片 STM32W108CB64構(gòu)成。STM32W108CB64采用 32位工業(yè)級 CortexM3內(nèi)核，8k RAM，128k Flash，支持 SampleMAC,支持 RexBee協(xié)議，方便用戶進(jìn)行 Mesh組網(wǎng)，傳輸速率高達(dá)250kbps，可編程最高輸出功率+20dBm，接收靈敏度103dBm，能夠滿足巷道內(nèi)基站數(shù)據(jù)要求。每條 ZigBee通信鏈路，采用樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖 319所示，由 Zigbee轉(zhuǎn)以太網(wǎng)關(guān)作為協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)建立及維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌鶕?jù)各節(jié)點(diǎn)傳輸壓力改變樹形結(jié)構(gòu)，均衡傳輸負(fù)載。圖 319 Zigbee通信鏈路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D下圖表示 Zigbee通信鏈路中，數(shù)據(jù)傳輸方向。如圖 320所示，Zigbee通信節(jié)點(diǎn)可以主動改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，減少某一節(jié)點(diǎn)通信壓力。Zigbee轉(zhuǎn)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)圖 320 Zigbee通信鏈路數(shù)據(jù)流應(yīng)用層的主要功能是將收集到的定位信息經(jīng)過處理提供給地面管理人員，直28
 第三章礦井人員高精度定位技術(shù)研究觀的顯示礦井整個井下人員實(shí)時(shí)位置，以便調(diào)度控制。應(yīng)用層整體結(jié)構(gòu)如圖 321所示。應(yīng)用層人員定位信息查詢系統(tǒng)管理礦井地圖數(shù)據(jù)管理人員位置實(shí)時(shí)顯示人員歷史軌跡查詢定人員位置解算考勤信息查詢?nèi)藛T信息查詢基站信息查詢位基站管理人員管理數(shù)據(jù)維護(hù)圖 321應(yīng)用層整體框圖應(yīng)用層主要由三大模塊構(gòu)成：人員定位、信息查詢和系統(tǒng)管理。每一模塊下面包括若干功能。應(yīng)用層主要實(shí)現(xiàn)以下功能：1)人員位置解算功能人員位置解算功能完成中頻采樣信號的處理，即通過后臺服務(wù)程序，計(jì)算出距離差，然后根據(jù)基站位置確定人員位置。2)人員位置實(shí)時(shí)顯示根據(jù)解算的位置，結(jié)合井下數(shù)字地圖，在地圖中實(shí)時(shí)顯示人員位置。3)考勤功能根據(jù)服務(wù)器收到的定位數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出井下人員的實(shí)時(shí)數(shù)目，姓名等基本信息。4)信息查詢功能查詢?nèi)藛T的基本信息及歷史軌跡，出入井時(shí)刻等信息。5)定位基站管理功能監(jiān)測定位基站的運(yùn)行狀態(tài)，維護(hù)其位置等基本信息。6)礦井地圖管理功能建立，修改及查詢礦井?dāng)?shù)字地圖，根據(jù)礦井的發(fā)展維護(hù)地圖信息。應(yīng)用層包含功能眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，直接提供給用戶及管理員使用，本文僅對涉及定位方面的功能進(jìn)行了設(shè)計(jì)。29
 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文本章首先對井下人員定位系統(tǒng)整體方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，然后以 AT86RF233芯片