【正文】 ）、串行外設(shè)接口（SPI）、DES編碼，26個(gè)通用I/O口。在典型的應(yīng)用中，僅需少數(shù)的幾個(gè)外接元件。4）CC1010CC1010是基于Chipcon39。芯片還具有載波檢測功能，能有效的減少數(shù)據(jù)的碰撞。芯片的最大輸出功率為+10dBm。3）nRF9E5nRF9E5是真正的系統(tǒng)級無線射頻收發(fā)芯片，內(nèi)嵌高性能8051MCU，4通道12位ADC。nRF2401的所有配置工作都是通過CS、CLK1和DATA三個(gè)引腳完成，把其配置為ShockBurstTM收發(fā)模式需要15字節(jié)的配置字，而如把其配置為直接收發(fā)模式只需要2字節(jié)的配置字。nRF2401的工作模式由PWR_UP 、CE、TX_EN和CS三個(gè)引腳決定。nRF2401適用于多種無線通信的場合，如無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、無線鼠標(biāo)、遙控開鎖、遙控玩具等。芯片能耗非常低，以5dBm的功率發(fā)射時(shí)，接收時(shí)工作電流只有18mA，多種低功率工作模式，節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。發(fā)射功率也可以通過總線來控制。XE1202的發(fā)射部分可以提供一個(gè)完整的通道，完成從數(shù)據(jù)到天線的傳送，該部分帶有一個(gè)可以對頻偏進(jìn)行編程的直接上變頻器，并可以對RF輸出功率進(jìn)行控制。XE1202采用連續(xù)相位的兩級頻移鍵控（CPFSK）方式。1） XE1202XE1202是將無線發(fā)射與接收功能集成在單一芯片上的射頻收發(fā)芯片，芯片內(nèi)集成了射頻發(fā)射、射頻接收、PLL合成、FSK調(diào)制等電路，具有高速率、超低功耗等功能。這是因?yàn)橐环矫婵梢员苊庥梅至⒃罱o線收發(fā)電路，提高系統(tǒng)工作的可靠性；另一方面由于單片射頻收發(fā)芯片可以獨(dú)立完成無線收發(fā)任務(wù)，也可以減輕傳輸控制電路的負(fù)擔(dān)。圖41 基站原理框圖Fig41 Block diagram of BS（1）無線收發(fā)模塊無線收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)大體有兩種方案：一是利用分立器件搭建無線收發(fā)電路，另一種是直接選用具有無線收發(fā)功能的集成芯片。由于通信模塊與井下和地面所采取的通信方式有關(guān)，將其設(shè)計(jì)內(nèi)容放在第三個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中來考慮。 基站硬件電路設(shè)計(jì)考慮到基站的功能要求將基站的硬件電路分為五個(gè)功能模塊，如圖41所示，這五個(gè)模塊是：通信模塊、時(shí)鐘模塊、無線收發(fā)模塊、主控單元和電源模塊。根據(jù)功能劃分部分所述，基站（BS）部分需具有無線收發(fā)功能、串行數(shù)據(jù)傳輸功能和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理功能。由于系統(tǒng)的工作頻率與通信距離有較大關(guān)系，考慮到低頻和高頻信號(hào)的傳輸特點(diǎn)，采用RFID中的UHF頻段，這也是目前遠(yuǎn)距離RFID系統(tǒng)的工作頻段，關(guān)于發(fā)射功率問題要參考有關(guān)的無線管制規(guī)定和礦井的安全操作規(guī)程。5 RFID技術(shù)各項(xiàng)指標(biāo)較為中等，功耗較低，通信距離較遠(yuǎn)，技術(shù)成熟，已在多種領(lǐng)域有成功的應(yīng)用。但考慮到井下環(huán)境復(fù)雜，若采用無線組網(wǎng)的方式配置起來較為復(fù)雜，沒有采用有線通信方式可靠。3 WIFI技術(shù)先進(jìn)，通信距離遠(yuǎn)，傳輸速率高，但用在定位系統(tǒng)上有點(diǎn)“大材小用”，且成本較高。 幾種無線通信方案的比較表41 無線通信方案參數(shù)比較 Camparison of parameters of several munication program無線通信方式功耗速率距離頻率容量成本藍(lán)牙大中短ISM小高HomeRF中中中ISM小低ZigBee小低中ISM大中RFID中低中低、中、高大中WIFI小高遠(yuǎn)ISM大高 無線通信方案的確定經(jīng)過上述比較，得出以下結(jié)論：1 藍(lán)牙技術(shù)功耗大，通信距離短，協(xié)議復(fù)雜，不適合井下通信。而在無線MESH網(wǎng)絡(luò)中，任何無線設(shè)備節(jié)點(diǎn)都可以同時(shí)作為AP和路由器，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送和接收信號(hào)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與一個(gè)或者多個(gè)對等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信。 無線MESH網(wǎng)絡(luò)(無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò))也稱為“多跳(multhop)”網(wǎng)絡(luò)，它是一種與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)完全不同的新型無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。(3) WIFI技術(shù)傳輸速度非?？?，可以達(dá)到11Mbps，符合個(gè)人和社會(huì)信息化的需求。其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下方面：(1)無線電波的覆蓋范圍廣，基于藍(lán)牙技術(shù)的電波覆蓋范圍非常小，半徑大約只有50英尺左右(約合15m)，而WIFI的半徑則可達(dá)100m?？▋?nèi)序列號(hào)是唯一的，制造商在卡出廠前已將此序號(hào)固化，安全性高；(5)卡內(nèi)具有防碰撞機(jī)制，可同時(shí)對多個(gè)移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別；(6)信號(hào)的穿透能力強(qiáng)(可穿透墻壁、路面、衣物、人等)，數(shù)據(jù)傳輸量小，抗干擾能力強(qiáng)，感應(yīng)靈敏，易于維護(hù)和操作。與同期或早期的接觸式識(shí)別技術(shù)不同的是RFID系統(tǒng)的射頻識(shí)別卡和讀卡器之間不用接觸就可完成識(shí)別。 RFID（射頻識(shí)別）射頻識(shí)別技術(shù)(RFID，即Radio Frequency Identification)是從20世紀(jì)80年代起走向成熟的一項(xiàng)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。 ZigBeeZigBee聯(lián)盟成立于2002年8月，由英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司組成，如今已經(jīng)吸引了上百家芯片公司、無線設(shè)備公司和開發(fā)商的加入。HomeRF最早由Proxim公司開發(fā)，已經(jīng)被美國聯(lián)邦通訊委員會(huì)接納為標(biāo)準(zhǔn)。2FSK方式下，最大數(shù)據(jù)的傳輸速率為1 Mb/s，4FSK方式下，速率可達(dá)2Mb/s。調(diào)制方式為恒定包絡(luò)的FSK(Frequency Shift Keying：頻移鍵控)調(diào)制，分為2FSK與4FSK兩種。HomeRF工作組開發(fā)了共享無線應(yīng)用協(xié)議SWAP(Shared Wireless AccessProtocol)，它融合了無線局域網(wǎng)IEEE80211采用的CSMA/CA(Carrier SenseMultiple Access with Collision Avoidance：載波偵聽多路訪問/沖突避免)方式和DECT使用的TDMA(Timedivision Multiple Access：時(shí)分多路復(fù)用)方式，適合于話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，并且特地為家庭小型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化。 HomeRFHomeRF(家庭射頻)是ITU(國際電信聯(lián)盟)內(nèi)部的一個(gè)組，成立于1998年3月，主要為家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，其主要工作是開發(fā)低成本射頻語音、數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)。由于藍(lán)牙協(xié)議及相關(guān)堆棧都很復(fù)雜，對某些簡單應(yīng)用就是多余的。藍(lán)牙產(chǎn)品采用的是跳頻技術(shù)，能夠抗信號(hào)衰落；采用快跳頻和短分組技術(shù)，能夠有效地減少同頻干擾，提高通信的安全性；采用前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)，以便在遠(yuǎn)距離通信時(shí)減少隨機(jī)噪聲的干擾；采用24GHz的ISM頻段，以省去申請專用許可證的麻煩；采用FM調(diào)制方式，使設(shè)備變得更為簡單可靠。 藍(lán)牙(Bluetooth)藍(lán)牙技術(shù)最初是由Ericsson、Nokia、IBM、Intel、Toshiba等公司聯(lián)合于1998年提出的，主要面向短距離，低功率，低成本的應(yīng)用環(huán)境，以解決手機(jī)、PDA、筆記本電腦等移動(dòng)設(shè)備間的通信問題。此外從安全角度來說也不允許無線設(shè)備的發(fā)射功率過大，另外還要按照礦用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行嚴(yán)格設(shè)計(jì)。 井下人員定位系統(tǒng)無線通信解決方案及對比經(jīng)過前面的分析，不難發(fā)現(xiàn)問題的難點(diǎn)集中在井下的無線通信上。這個(gè)“規(guī)則庫”或者說“語言”就是通信的傳輸協(xié)議。數(shù)據(jù)傳輸模式可以分為不同的類型，按數(shù)據(jù)代碼傳輸?shù)捻樞蚩梢苑譃椴⑿袀鬏敽痛袀鬏?；按?shù)據(jù)傳輸?shù)耐椒绞娇梢苑譃橥絺鬏敽彤惒絺鬏?；按?shù)據(jù)傳輸?shù)牧飨蚝蜁r(shí)間的關(guān)系可以分為單工、半雙工和全雙工；按傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)特點(diǎn)可分為基帶傳輸、頻帶傳輸和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸。 傳輸模式數(shù)據(jù)傳輸模式是指數(shù)據(jù)在信道上傳輸所采取的方式。多路復(fù)用通?？梢苑譃椋侯l分復(fù)用（FDM）、時(shí)分復(fù)用（TDM）、波分復(fù)用（WDM）和碼分復(fù)用（CMD）等。多路復(fù)用技術(shù)是指在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，允許兩個(gè)或兩個(gè)以上的數(shù)據(jù)源共享一個(gè)公共傳輸介質(zhì)，把多個(gè)信號(hào)組合起來再一條物理信道上進(jìn)行傳輸。其中循環(huán)碼是一種使用較多的冗余校驗(yàn)技術(shù)。常用的差錯(cuò)檢測方法是對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。目前通信系統(tǒng)中的差錯(cuò)控制方式有：反饋糾錯(cuò)、前向糾錯(cuò)、混合糾錯(cuò)。實(shí)際系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備和通信控制器本身所產(chǎn)生的誤差很小，因此數(shù)據(jù)通信中的差錯(cuò)主要來自于數(shù)據(jù)通信線路。 差錯(cuò)控制在數(shù)據(jù)的通信過程中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)母鱾€(gè)環(huán)節(jié)都可能產(chǎn)生差錯(cuò)，為了保證通信的正常進(jìn)行需要對差錯(cuò)進(jìn)行控制。比如計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號(hào)要通過電話網(wǎng)絡(luò)傳輸，就要先將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，然后再進(jìn)行傳輸。一般不同的傳輸線路只能傳輸特定的信號(hào)，模擬和數(shù)字信號(hào)不能同時(shí)傳輸。模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)都可以用于數(shù)據(jù)通信，但由于二者之間有明顯的差異，其用途也不相同。4 井下無線通信子系統(tǒng)設(shè)計(jì) 通信的基本知識(shí)本設(shè)計(jì)中涉及較多的通信內(nèi)容，下面簡單介紹下通信中要考慮的幾個(gè)問題。3. 地面端接口與計(jì)算機(jī)的通信可以采用標(biāo)準(zhǔn)串口（RS232），但傳輸線路卻不能使用RS232這種計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)接口，因?yàn)檫@種通信的距離太短（小于等于15m）。1. 基站接口接口主要完成基站數(shù)據(jù)到傳輸線路的通信，由于基站主控芯片功能有限，若沒有集成接口則需要設(shè)計(jì)接口電路。通信可以用RS485或現(xiàn)場總線等工業(yè)控制中的遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)顯示部分要能夠?qū)崟r(shí)顯示井下人員的位置狀況，能夠提供歷史信息的查詢服務(wù)，能夠接收命令的輸入與執(zhí)行以完成對系統(tǒng)的管理。同時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分還要為顯示部分提供數(shù)據(jù)源，方便通過直觀的顯示畫面查看相關(guān)信息。數(shù)據(jù)的分析具體包括：位置信息計(jì)算，人數(shù)統(tǒng)計(jì)，時(shí)間計(jì)算，軌跡計(jì)算等。數(shù)據(jù)傳送到地面后，由地面上計(jì)算功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)的計(jì)算分析與處理。3. 數(shù)據(jù)分析計(jì)算部分考慮到井下無線監(jiān)測部分的數(shù)量很多，若使用數(shù)據(jù)處理功能較強(qiáng)的裝置則系統(tǒng)成本必然很高，因此采用井下無線監(jiān)測加地面數(shù)據(jù)處理的模式。2. 數(shù)據(jù)傳輸部分為了方便對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并為監(jiān)管部門提供監(jiān)測數(shù)據(jù)需要對監(jiān)測數(shù)據(jù)共享。地面數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)包括：數(shù)據(jù)接收部分，數(shù)據(jù)傳輸部分，數(shù)據(jù)分析計(jì)算部分，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分，數(shù)據(jù)顯示部分。b 完成基站（BS）指令的數(shù)據(jù)操作，要求基站具有一定的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。c 完成對移動(dòng)站的通信控制，要求基站具有一定的數(shù)據(jù)處理能力和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。1. 基站（BS）的功能：a 完成基站（BS）與移動(dòng)站（MS）的無線通信，要求基站具有無線收發(fā)功能。移動(dòng)站中存儲(chǔ)有包含工作人員個(gè)人信息的數(shù)據(jù)，基站（BS）通過與移動(dòng)站（MS）通信讀取存儲(chǔ)在移動(dòng)站中的人員信息。在具體設(shè)計(jì)各個(gè)子系統(tǒng)時(shí)可以再將其進(jìn)行功能劃分，以方便模塊化設(shè)計(jì)。當(dāng)BS的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婧?，參照BS的物理位置和Tag的人員對應(yīng)列表就可以獲得工作人員的定位信息，同時(shí)可以將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行顯示?，F(xiàn)場總線BSBSBS無線通信MSMSMS避雷器網(wǎng)關(guān)地面處理與顯示中心遠(yuǎn)程監(jiān)控部分礦井巷道地面圖21 井下人員定位系統(tǒng)的原理框圖 Principle diagram of underground personnel positioning system圖22 井下人員定位系統(tǒng)工作示意圖Fig22 Working diagram of underground personnel positioning system 圖22為系統(tǒng)的工作示意圖，井下不同的巷道中分別安裝有一些BS（基站），BS安裝的物理位置是確定的，這樣井下位置就可以反映到電子地圖上。圖中BS為無線通信基站，基站沿煤礦井下巷道分布，覆蓋井下工作人員的活動(dòng)范圍；MS是移動(dòng)站，即井下工作人員隨身攜帶的無線收發(fā)裝置，能向基站發(fā)送自身ID以識(shí)別工作人員；現(xiàn)場總線部分負(fù)責(zé)把所有的基站連接起來和地面進(jìn)行通信，及時(shí)將井下的無線定位數(shù)據(jù)傳送到地面進(jìn)行處理和顯示；地面的處理顯示中心將接收的定位數(shù)據(jù)與基站的實(shí)際物理位置進(jìn)行比對，判斷出對應(yīng)數(shù)據(jù)的位置，再通過查詢?nèi)藛TID號(hào)得到人員的位置數(shù)據(jù)。實(shí)際上井下人員定位系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)正是井下的無線通信問題，一旦建立起無線通信系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)許多附加的功能，其中包括定位功能。實(shí)際上井下人員定位系統(tǒng)正是基于短距離無線定位技術(shù)，但由于煤礦井下環(huán)境與地面差別較大，信號(hào)在傳輸路徑衰減嚴(yán)重，干擾較多，且不易穿透巷道，無線傳輸只能局限在巷道中。 井下人員定位系統(tǒng)的基本原理由上述可知，GPS定位系統(tǒng)技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛，但對于井下定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)有一定難度。短距離定位技術(shù)的應(yīng)用范圍一般為幾十公里，其定位系統(tǒng)主要由分布在定位區(qū)域邊緣的基站和定位區(qū)域中的移動(dòng)接收站組成。定位的基本原理是測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)按照定位解算方法進(jìn)行定位計(jì)算，計(jì)算出用戶所在的地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時(shí)間等信息。1. GPSGPS（Global Positioning System）全球定位系統(tǒng)具有高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡便等特點(diǎn)，是最常見的一種定位系統(tǒng)，主要為船舶、汽車、飛機(jī)等運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行定位導(dǎo)航。因此從這兩個(gè)目的出發(fā)來考慮定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案?？紤]到井下工作環(huán)境的變化性，采用CAN總線可以方便的擴(kuò)充基站，配合煤礦井下巷道的延伸。電源箱將井下變電所輸出的高壓經(jīng)過變壓、整流、穩(wěn)壓得到本安供電電源輸出；射頻卡由于采取有源形式（識(shí)別距離較遠(yuǎn)），需要設(shè)計(jì)供電部分，可以采用充電電池或者直接從井下工人礦工帽的蓄電池中取電。從應(yīng)用需求的角度出發(fā)，同時(shí)為了降低成本，系統(tǒng)沒有采用精確定位的方法，而是如前所述的粗略定位方法，定位精度取決于基站的覆蓋范圍。2. 在處理井下無線通信的問題時(shí)采取了基站+移動(dòng)站的通信形式。井下與地面的通信可以采用工業(yè)現(xiàn)場總線，增強(qiáng)通信抗干擾能力，同時(shí)滿足通信需求。但限于發(fā)射功率和通信環(huán)境，井下的無線通信距離較短，又由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電磁波信號(hào)不能有效的穿透巖層，造成無線通信局限在狹窄的巷道中。 井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)問題井下人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)難點(diǎn)問題：1. 礦井下環(huán)境惡劣，通信條件復(fù)雜，并且屬于易燃易爆場所，因此對通信問題提出了嚴(yán)格的要求，而井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)正是井下的通信問題。信號(hào)衰減快。礦井人員跟蹤定位及考勤管理系統(tǒng)在完成了全部開發(fā)設(shè)計(jì)、樣機(jī)生產(chǎn)加工、實(shí)驗(yàn)室