一种基于线性调频扩频无线通信技术的井下定位系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于线性调频扩频无线通信技术的井下定位系统，解决了现有的井下定位装置在定位精度方面不足，定位装置复杂且信号存在不稳定的问题。本发明所采用的技术方案是包括地面控制中心，地面控制中心采用CAN总线连接地面网关，地面网关采用CAN总线连接井下网关，井下网关通过无线信号分别连接定位基站和移动标签。本发明的有益效果是井下定位精度高，系统结构简单，信号稳定。
【专利说明】一种基于线性调频扩频无线通信技术的井下定位系统
【技术领域】
[0001]本发明属于矿井安全监控设备【技术领域】，涉及一种基于线性调频扩频无线通信技术的井下定位系统。
【背景技术】
[0002]目前，国家对煤矿安全生产的要求越来越高，建立可靠实用的煤矿井下人员定位系统，对改善煤矿的安全生产管理有着重要的现实意义。由于矿井下环境复杂恶劣，工作于井下的定位系统必然要受到各种电磁干扰，况且井下信号不稳定甚至没有信号，传输距离远，现有的井下定位系统还是不能可靠的保证事故发生时，通知工作人员及时逃离危险区域和及时实行抢救，这严重威胁着井下工作人员的生命安全，对于事故通信不畅，造成井下损失，也给我国经济造成严重的损害。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种基于线性调频扩频无线通信技术的井下定位系统，解决了现有的井下定位装置在定位精度方面不足，定位装置复杂且信号存在不稳定的问题。
[0004]本发明所采用的技术方案是包括地面控制中心，地面控制中心采用CAN总线连接地面网关，地面网关采用CAN总线连接井下网关，井下网关通过无线信号分别连接定位基站和移动标签。
[0005]本发明的特点还在于井下网关包括第一微处理器模块，第一微处理器模块电路连接第一无线通信模块，第一微处理器模块和第一无线通信模块分别连接第一电源模块。定位基站由数据采集模块、第二微处理器模块、第二无线通信模块及第二电源模块构成，数据采集模块通过串行接口与第二微处理器模块连接，第二微处理器模块通过SPI协议的接口与第二无线通信模块连接，数据采集模块、第二微处理器模块和第二无线通信模块分别连接第二电源模块。定位基站或移动标签的内部芯片电路连接为:线性调频扩频芯片U1的TXA管脚I与TXB管脚2之间连接电感LI，TXA管脚I依次通过电感L3和电容Cl与RXA管脚3相连，TXB管脚2依次通过电感L4和电容C2与RXB管脚4相连，RXA管脚3和RXB管脚4之间连接电感L2，TXA管脚I和TXB管脚2分别连接平衡/不平衡变换器的管脚1，RXA管脚3和RXB管脚4分别连接平衡/不平衡变换器的管脚4，平衡/不平衡变换器的管脚5和管脚6接地，平衡/不平衡变换器管脚2通过电感L5连接VCC电源，平衡/不平衡变换器管脚2通过电容C3接地，平衡/不平衡变换器管脚3连接带通滤波器的管脚2，带通滤波器的管脚4和管脚I接地，带通滤波器的管脚3连接天线，线性调频扩频芯片Ul中的SPI通信发送端SPITXD连接功率放大芯片U2的输入端、SPI通信的接收端SPIRXD连接功率放大芯片U3的输入端，功率放大芯片U2、功率放大芯片U3的输出端分别连接主控芯片U0的SPI协议的发送端和接收端，性调频扩频芯片U1的SPI协议的时钟信号端SPISSN与SPICLK端口分别与主控芯片U0的SPI协议的时钟信号SPISSN与SPICLK端连接。电感L1'L2取值为5.6纳亨，电感L3、L4取值为2.7纳亨，电容C1X2取值为5.6皮法，电感L5为4.7纳亨，电容C3为15皮法。
[0006]本发明的有益效果是井下定位精度高，系统结构简单，信号稳定。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1是本发明的基于线性调频扩频技术的井下定位系统示意图；
[0008]图2是本发明井下网关模块结构示意图；
[0009]图3是本发明定位基站模块结构示意图；
[0010]图4为本发明的定位基站或移动标签的芯片连接图；
[0011]图5为nanoPAN5375射频模块中的芯片原理图；
[0012]图6为信号功率放大芯片74HC245芯片原理图；
[0013]图7为电源线路原理图；
[0014]图8为电源3.3V转换电路图；
[0015]图9为电源2.5V转换电路图；
[0016]图10射频内部结构电路图。
[0017]图中，1.地面控制中心,2.地面网关,3.井下网关,4.定位基站,5.移动标签，
6.平衡/不平衡变换器，7.带通滤波器，8.天线，31.第一微处理器模块，32.第一无线通信模块，33.第一电源模块，41.数据采集模块，42.第二微处理器模块，43.第二无线通信模块，44.第二电源模块。
【具体实施方式】
[0018]结合附图和【具体实施方式】对本发明进行说明。
[0019]如图1所示，本发明的井下定位系统包括一个地面控制中心1、多个安装在井下的定位基站4、多个井下人员携带的移动标签5即Tag和多个网关。地面控制中心I采用CAN总线连接地面网关2，地面网关2采用CAN总线连接井下网关3，井下网关3通过无线信号分别连接定位基站4和移动标签5。如图2所示，井下网关3包括第一微处理器模块31，第一微处理器模块31电路连接第一无线通信模块32，第一微处理器模块31和第一无线通信模块32分别连接第一电源模块33。第一无线通信模块32可无线发送和接收数据，第一无线通信模块32中由射频电路模块和天线8组成。网关中采用直接由计算机软件驱动的射频电路模块。射频电路模块由功率放大芯片、CSS射频芯片组成。如图3所示，定位基站4由数据采集模块41、第二微处理器模块42、第二无线通信模块43及第二电源模块44构成。数据采集模块41通过串行接口与第二微处理器模块42连接，第二微处理器模块42通过SPI协议的接口与第二无线通信模块43连接，数据采集模块41、第二微处理器模块42和第二无线通信模块43分别连接第二电源模块44。第二无线通信模块43由射频电路模块和天线8组成，射频电路模块由功率放大芯片、CSS射频芯片组成。可通过天线8发送和接收信号。数据采集模块41包括传感器和模数转换，可将传感器收集到的模拟数据通过模数转换，转换成数字信号传送给第二微处理器模块42，第二微处理器模块42内设有存储器，可存储数据。数据最后送到第二无线通信模块43内，经过CSS射频，即线性调频扩频射频芯片和功率放大模块对信号进行线性调频扩频处理放大信号功率后，经过天线8发送出去。
[0020]地面控制中心I主要是指上位机负责记录每个定位基站4和移动标签5位置，并从井下网关3接收井下发送过来的定位信息，用于将定位基站4传输上来的定位数据解码后存储到数据库中，同时配合结合数据库中存储的各个定位基站4的定位信息，计算出移动标签5的位置。
[0021]移动标签5采用和定位基站4 一样的设计，移动标签5可佩戴在人身上，由需要进入井下工作的人员佩戴，每个移动标签5都分配有一个独有的数字编号，能够接受定位基站4发送的数字包，并每隔一段时间将接受到的信号发送给井下网关3，进而传送到地面控制中心I进行定位测量。井下网关3和地面网关2是定位基站4和移动标签5与上位机的中转站，负责组建和关闭一个子网，负责把定位节点坐标及外部环境参数传给地面，与地面控制中心I通信采用有线连接的方式。定位基站4接收移动标签5的定位信息:每个定位基站4都分配有一个特有的地址编号，用无线的方式接收移动标签5发送的定位数据，并在接受信号后将自身的编号发送给移动标签5 ;每个移动标签5都分配有一个特有的编号并存有该工作人员信息，每隔一段时间依照网关给定位的顺序向其周围的定位基站广播其编号；CAN总线将地面控制中心I的信号传输到各个节点，进而到定位基站4及移动标签5，移动标签5也能将数据通过井下网关3、地面网关2和总线传输到地面控制中心I。移动标签5的实际位置运用卡尔曼滤波算法对采集的信号进行数据的滤波、校正，使得比只运用TDOA的算法更加精确。
[0022]定位系统采用不同于现有的定位装置设计，在定位基站4和移动标签5中采用主控芯片+射频芯片的方式，定位基站的主控芯片微处理器模块即第二微处理器模块42采用了 AVR8位处理器的芯片及SPI通信的匹配电路，无线通信模块即第二无线通信模块43中采用线性调频扩频射频芯片和匹配电路连接而成，在主控芯片和射频芯片间可采用适合SPI通信的功率放大芯片连接，主要负责数据的处理、传输和通信协议的执行以及对节点的管理。
[0023]本发明是一种针对现有的井下定位装置在定位精度方面不足，定位装置复杂且信号存在不稳定的新型技术，本发明在目前市场常用的双层无线定位方式基础上做出了改进，提出采用先进的线性调频扩频技术，利用线性调频扩频技术信号抗衰能力强的特点，传递距离远的特点设计了一套实用性强，并安全性强的定位系统及方法。
[0024]本发明中的电路连接原理如图4所不,定位基站4或移动标签5的内部芯片电路连接为:线性调频扩频芯片U1的TXA管脚I与TXB管脚2之间连接电感LI，TXA管脚I依次通过电感L3和电容Cl与RXA管脚3相连，TXB管脚2依次通过电感L4和电容C2与RXB管脚4相连，RXA管脚3和RXB管脚4之间连接电感L2，TXA管脚I和TXB管脚2分别连接平衡/不平衡变换器6的管脚I，RXA管脚3和RXB管脚4分别连接平衡/不平衡变换器6的管脚4，平衡/不平衡变换器6的管脚5和管脚6接地，平衡/不平衡变换器6管脚2通过电感L5连接VCC电源，平衡/不平衡变换器6管脚2通过电容C3接地，平衡/不平衡变换器6管脚3连接带通滤波器7的管脚2，带通滤波器7的管脚4和管脚I接地，带通滤波器7的管脚3连接天线8，线性调频扩频芯片Ul中的SPI通信发送端SPITXD连接功率放大芯片U2的输入端、SPI通信的接收端SPIRXD连接功率放大芯片U3的输入端，功率放大芯片U2、功率放大芯片U3的输出端分别连接主控芯片U0的SPI协议的发送端和接收端，性调频扩频芯片U1的SPI协议的时钟信号端SPISSN与SPICLK端口分别与主控芯片U0的SPI协议的时钟信号SPISSN与SPICLK端连接。其中，电感U、L2取值为5.6纳亨，电感L3、L4取值为2.7纳亨，电容Cp C2取值为5.6皮法，电感L5为4.7纳亨，电容C3为15皮法。
[0025]微控制器即MCU可用于第一微处理器模块31、第二微处理器模块42, MCU中可以处理数据，将数据处理打包送通过网关送到地面控制中心I。MCU只需用到芯片的最小系统就可以，无需扩展。本发明中射频模块中的芯片型号为nanoPAN5375，模块里面集成了nanoLOCTRX接收器、射频切换器、功率放大器及其他的匹配调理单元。其外围接口含一个SPI编程接口，四个外部控制I/O。利用这些外围可实现对RF芯片的外部控制，也可外接天线以及信号控制线，并支持外部功率放大器。电路原理图如图5所示，微控制器和射频模块它们之间的读写采用SPI通信方式，频射模块和MUC中间加入信号功率放大，芯片型号为74HC245，电路如图6所示。主要作用是信号功率放大，当OE使能端为低电平时，DIR信号线为低电平，信号由B端输入，A端输出。本发明节点中有两个74HC245，分别用作对射频模块的读与。
[0026]如图10所示，射频模块收发器芯片采用nanoLOCTRX的接收器NA5TR1里面融合了独特线性调频扩频(CSS)通信技术。收发器NA5TR1，NA5TR1是集成于nanoPAN5375模块中的接收器的基带控制器产生sine信号,经过互补色散延时线(complementary dispersivedelay line, CDDL)模块转换成chirp脉冲信号，其中CDDL模块采用DS1804C，该内部集成了高精度的声表面波(SAW)滤波器和两个色散延时线，当发送端通过基带控制器产生sine信号，经过⑶DL中的一组色散延时线转换成chirp脉冲信号，通过空气中传播。接收端接收到信号并运用另外一组色散延时线将chirp脉冲转换成sine信号，供硬件处理。
[0027]本发明采用电池供电方式，电源线路原理图如图7所示。
[0028]MCU采用的Atmegal280，其稳定的工作电压为3.3V，但无线收发芯片其稳定工作电压在2.5V。两个芯片采用的工作电压不同，所以需要另外的电压转换电路，图8为3.3V转换电路，图9为2.5V转换电路。
[0029]工作原理:系统正常启动后，定位引擎通过网关对各定位基站4及移动标签5进行配置，初始化定位基站4、网关、移动标签5的各个模块，地面控制中心I通过socket发送指令信息给网关，网关通过无线通信将定位指令发送给定位基站4和移动标签5，井下定位开始，网关以同一速率扫描移动标签5，同时移动标签5通过内部的无线通信模块中的无线收发器发送chip序列给周围的定位基站4，定位基站4通过无线收发器接受该chip序列，将自身的位置信息进行打包发送给移动标签5，移动标签5通过双边对称的测距方法计算出各定位基站4到达移动标签5的时间差，并将该信息打包通过网关发送给地面控制中心1，地面控制中心I的界面软件对该信息进行坐标计算，然后滤波、校正，最终显示移动标签5的动态位置。
[0030]实现本发明井下定位系统，包括下列步骤:
[0031]步骤A，根据矿井自身的特殊结构及工作环境，布置好CAN总线、地面网关2、井下网关3、定位基站4,以及移动标签5 ；
[0032]步骤B，系统开始进行定位操作，监测软件发出命令通过CAN总线传输到网关，网关接受到命令后进行组网，组网完毕后将准备就绪的信息发送给地面控制中心I ;
[0033]步骤C，接受到网关发送的定位命令后，移动标签5隔一段时间向周围发送含有该标签独立地址的无线信号；
[0034]步骤D，各定位基站4收并记录收到的移动标签5送的地址信号后，将自身的地址信息数据进行打包又发回给移动标签5 ；
[0035]步骤E，定位基站4移动标签5过双边对称的测距方法，计算出周边各个定位基站
4达移动标签5时间差，并将数据打包发送到网关，然后通过CAN总线传送到地面控制中心I ;
[0036]步骤F，地面控制中心I接收到数据包后，界面软件通过卡尔曼滤波定位算法得到移动标签5的动态位置。
[0037]其中，步骤A包括下列步骤:
[0038]步骤Al，在井下巷道中根据实际安全要求在适当的距离布置好与CAN总线连接的网关；
[0039]步骤A2，在井下巷道的合适的断面位置布设定位基站4 ；
[0040]步骤A3，布置完网关和定位基站4之后，在地面控制中心I数据储存库中设置好每个网关和定位基站4的编号及对应的井下位置；
[0041]步骤A4，给每个井下工作人员分配移动标签5，并在地面控制中心I的数据记录每个移动标签5的编号以及简单的个人信息。
[0042]其中，步骤B中的时间不能超过网关超时控制器的规定时间。
[0043]其中，步骤D，具体测距过程包括:
[0044]步骤Dl，首先通过网关发送Init数据包，对移动标签5和定位基站4进行初始化；
[0045]步骤D2，移动标签5对主站发送信号，然后依次对周边的定位基站4进行测量:
[0046]步骤D3，定位基站4将测量的数据传送给移动标签5，移动标签5将数据打包传送给网关；
[0047]步骤D4，网关进而通过CAN总线传送到地面控制中心I。
[0048]其中，步骤E中地面控制中心I的检测软件包括定位显示的⑶I界面、LocationSever以及LEServer,⑶I界面用来显示工作人员井下的动态分布图，LocationSever用来驱动各个网关，LEServer接受到网关发送的数据包,进行双曲面计算，计算出初步坐标，然后利用卡尔曼滤波的跟踪定位方法对距离进行校正、修改，最后显示在⑶I界面上。
[0049]本发明针对井下工作环境的复杂及特点，设计了一套具有很强鲁棒性，抗衰减能力强，传输速率快，传输距离远，低功率、低成本的定位系统，还针对有线通道中容易造成电缆浪费及事故发生时，电缆可能遭受破坏造成信号中断等情况，本发明采用了有线通信方式与无线通信方式结合，既避免了浪费的出现，又保证了通信顺畅的进行。本发明采用线性调频扩频及时来实现井下的定位基站4和井下工作人员佩戴的移动标签5之间实时无线通讯，通过使用多信道以及线性调频扩频处理，使各个定位基站4信号以及移动标签5信号不受在同一空间、同一频带中井下噪声信号的干扰，并且线性调频扩频技术抗衰能力强，抗频率偏移能力强，解决了井下无线通讯容易被干扰及信号不稳定甚至无信号问题，提高了对井下人员的安全监控以及矿井的管理水平。本发明可广泛的应用于各类井下定位工作，对煤矿安全生产具有强实用性、高精确定位行，不但可以加强煤矿安全生产监督，还可以降低突发事件是人员伤亡和财产损失，本发明功耗低，传输速率快及定位精度高。
【权利要求】
1.一种基于线性调频扩频无线通信技术的井下定位系统，其特征在于:包括地面控制中心(1)，地面控制中心(1)采用CAN总线连接地面网关(2 )，地面网关(2 )采用CAN总线连接井下网关(3)，井下网关(3)通过无线信号分别连接定位基站(4)和移动标签(5)。
2.按照权利要求1所述一种基于线性调频扩频无线通信技术的井下定位系统，其特征在于:所述井下网关(3)包括第一微处理器模块(31)，第一微处理器模块(31)电路连接第一无线通信模块(32)，第一微处理器模块(31)和第一无线通信模块(32)分别连接第一电源模块(33)。
3.按照权利要求1所述一种基于线性调频扩频无线通信技术的井下定位系统，其特征在于:所述定位基站(4)由数据采集模块(41)、第二微处理器模块(42)、第二无线通信模块(43)及第二电源模块(44)构成，数据采集模块(41)通过串行接口与第二微处理器模块(42 )连接，第二微处理器模块(42 )通过SPI协议的接口与第二无线通信模块(43 )连接，数据采集模块(41)、第二微处理器模块(42)和第二无线通信模块(43)分别连接第二电源模块(44)。
4.按照权利要求1所述一种基于线性调频扩频无线通信技术的井下定位系统，其特征在于:所述定位基站(4)或移动标签(5)的内部芯片电路连接为:线性调频扩频芯片U1的TXA管脚I与TXB管脚2之间连接电感L1，TXA管脚I依次通过电感L3和电容Cl与RXA管脚3相连，TXB管脚2依次通过电感L4和电容C2与RXB管脚4相连，RXA管脚3和RXB管脚4之间连接电感L2，TXA管脚I和TXB管脚2分别连接平衡/不平衡变换器(6)的管脚1，RXA管脚3和RXB管脚4分别连接平衡/不平衡变换器(6)的管脚4，平衡/不平衡变换器(6)的管脚5和管脚6接地，平衡/不平衡变换器(6)管脚2通过电感L5连接VCC电源，平衡/不平衡变换器(6)管脚2通过电容C3接地，平衡/不平衡变换器(6)管脚3连接带通滤波器(7)的管脚2，带通滤波器(7)的管脚4和管脚I接地，带通滤波器(7)的管脚3连接天线(8)，线性调频扩频芯片Ul中的SPI通信发送端SPITXD连接功率放大芯片U2的输入端、SPI通信的接收端SPIRXD连接功率放大芯片U3的输入端，功率放大芯片U2、功率放大芯片U3的输出端分别连接主控芯片U0的SPI协议的发送端和接收端，性调频扩频芯片U1的SPI协议的时钟信号端SPISSN与SPICLK端口分别与主控芯片U0的SPI协议的时钟信号SPISSN与SPICLK端连接。
5.按照权利要求4所述一种基于线性调频扩频无线通信技术的井下定位系统，其特征在于:所述电感U、L2取值为5.6纳亨，所述电感L3、L4取值为2.7纳亨，所述电容Q、C2取值为5.6皮法，所述电感L5为4.7纳亨，所述电容C3为15皮法。
【文档编号】H04W4/04GK103905996SQ201410128259
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年4月1日 优先权日:2014年4月1日
【发明者】王俊年, 龚明, 钱瞻 申请人:湖南科技大学