引言：

　　煤礦是我國安全生產事故多發行業，百萬噸死亡率高達7.86,對井下工作人員進行定位跟蹤已顯得十分重要。目前國內的礦井人員定位系統大多采用RFID技術進行人員定位。用傳統RFID進行定位的缺點是：功能單一，僅具編碼識別功能；信號傳輸可靠性低；信號識別距離短；漏讀率高。鑒此，本文采用射頻Soc nRF9E5來設計礦井人員定位系統。通過軟件編程，使得nRF9E5芯片在實現RFID功能的基礎上，還能實現無線報警功能。

　　1. 系統整體結構及工作原理： 
   
　　1.1 系統的整體結構及功能：

　　礦井人員定位系統結構分為井上和井下兩部分，其結構簡圖如圖1。 
 

圖1  礦井人員無線定位系統結構簡圖

　　其中智能定位基站負責采集處理礦井人員的身份編碼，坑道氣體濃度，溫濕度等信息，并將它們送給地面監控主機；智能卡里保存有員工的身份編碼，并不斷得向周圍發送該編碼，礦難發生時可發無線報警信號；數據接口負責將井下現場總線信號轉換為RS-232信號；HUB用于地面設備網絡連接；監控主機用來運行管理軟件，在計算機屏幕上直觀動態顯示井下人員的分布情況，使管理者一目了然；服務器里存放數據庫，供監管部門通過INTERNET遠程監控；打印機主要用來打印人員監測管理等報表。 

　　正常情況下，該系統為煤礦管理人員提供人員實時監控、進出限制、考勤作業等多方面的管理信息。當發生安全事故時，搜救人員通過該系統立刻可知被困人員的位置，保證搶險救災和安全救護工作的高效運作。  
            
　　1.2 定位原理：

　　井下智能定位基站里的讀卡器不斷地向其周圍發送無線信號。每個讀卡器都有一個有效的信號覆蓋區。礦工隨身攜帶的智能卡進入這些信號覆蓋區后被激活，將保存在其內的員工數據信息發送給讀卡器；定位基站經讀卡器接收到該數據后，將代表巷道地理位置的基站編碼連同收到的員工數據一起打包送至地面計算機；地面監控計算機收到此信息后，經相應的監控軟件分析計算工作人員所在具體位置。

　　2.硬件設計：

　　本系統的智能卡和智能定位基站里的讀卡器是基于nRF9E5設計的。一對nRF9E5就能組成一人員定位終端。該終端用于礦工的身份識別，以對礦工進行定位，是系統的核心部分。

　　2.1  nRF9E5 芯片簡介：

　　nRF9E5是Nordic VLSI公司于2004年推出的系統級RF芯片，該芯片內置nRF905 433/868/915MHz收發器、8051兼容微控制器和4輸入10位80ksps A/D轉換器，QFN5×5mm封裝。相關文獻資料表明，1GHz附近頻段無線電波最適于進行井下無線數據傳輸。空曠地nRF9E5最大收發距離可達300米，樓道內收發也能達100米，其最大發射功率僅10DBm（10毫瓦），收發狀態切換時間小于650微秒，非常適于井下人員定位。

　　2.2  基于nRF9E5的智能卡硬件設計

　　智能卡采用nRF9E5無線收發芯片作為射頻通信芯片。智能卡里保存有員工的身份編碼，該編碼唯一在監控主機數據庫里，與該編碼對應存放著員工的姓名、籍貫、年齡、民族等相關信息。智能卡的電路原理圖如圖2。

　　其中ANT1和ANT2為天線連接引腳,外接單天線終端裝置，晶振工作頻率為16MHz。25AA320為EEPROM，在nRF9E5上電后，系統根據引導程序，把25AA320中的程序代碼拷貝到nRF9E5的4KB RAM中。LM1117為電源管理模塊，把5V電平轉化為nRF9E5可用的3.3V。外部中斷P03，P04口接兩按鍵，用于無線報警。AN0～AN3為外部A/D輸入口，可擴展4路A/D輸入，用于溫度，濕度，瓦斯濃度等信號的采集。         
           
　　2.3  基于nRF9E5的讀卡器硬件設計：

　　讀卡器在定位基站里，主要負責采集智能卡發出的員工身份編碼及無線報警信號，并將采集到的信號送定位基站的微處理器處理。讀卡器里存著定位基站編碼，該編碼唯一，與井上監控主機所顯示電子地圖里的坑道位置相關。讀卡器硬件電路與智能卡硬件電路相似。不同之處是去掉了兩按鍵，nRF9E5的P01、P02口通過1K電阻與單片機串口連接。

　　3．軟件設計：

　　3.1  無線數據通訊協議：

　　多點通信時，防止各節點之間通信數據發生碰撞是關鍵。常見的避免無線通信沖突的方法有：頻分多址技術（FDMA），載波監聽技術（CSMA），時分多址技術（TDMA）。本系統采用TDMA技術。TDMA技術將點對多點的通信方式轉化為點對點的通信，因此必然要考慮主接收點與各移動節點之間建立通信連接時的地址匹配問題。由于主接收點與移動節點之間的通信可能會受到其它數據終端或外界環境的干擾而發生錯誤，因此，需要通過通訊協議來保證數據傳輸的可靠性。

　　nRF9E5規定一幀數據由前導碼( PREAMBLE )，本機物理地址（ADDR），有效數據（PAYLOAD），CRC校驗碼（CRC）組成。其幀結構如圖3。

　　其中前導碼，CRC校驗碼各占一字節，由芯片硬件自動產生。本機物理地址和有效數據可以根據應用設置。nRF9E5只有檢測到與自己物理地址相吻合的數據才能接收處理，所以為了保證智能卡與各讀卡器之間通信暢通，系統中所有nRF9E5芯片都采用其默認地址0XE7。有效數據由本機邏輯地址（ID）和報警信息（ALARM）組成。其中ID占兩字節，ALARM占一字節。正常情況下有效數據只含本機邏輯地址部分。系統所有讀卡器的本機邏輯地址均為0xEE,0xEE。智能卡的本機邏輯地址為各員工的身份編碼。當有報警信號時，有效數據增加報警信息部分，報警信息為員工的按鍵值，不同的值代表不同的報警信號。

　　3.2  應用程序設計：

　　本系統定位基站里的讀卡器每5s發一次同步信號（0xee,0xee）。智能卡接到該同步信號后，根據自己的ID產生一延時以等待屬于自己的時間片，延時到立即將自己的一幀數據發送給讀卡器。報警信息的按鍵值是在按鍵中斷程序里設置的。該中斷程序里還會設置一報警標志（Sign），以供智能卡主程序判斷。讀卡器主程序和智能卡的主程序流程圖如圖4，圖5。 

　　可以看出，使用TDMA技術發數據時，各智能卡已固定了自己的發送時段，ID比較靠后的卡不管前面是否有卡要發數據，都要等到自己的發送時段。nRF9E5收發6字節的數據需要5ms，讀卡器5s內可接收1000張智能卡發來的數據。如果一讀卡器在井下的信號覆蓋范圍100米，人員以5m/s的速度行進的話，那么該智能卡可以被該讀卡器識別4次，不會發生漏讀情況。讀卡器的同步信號之間的時間間隔要視礦山企業的員工數而定，員工越多，間隔越大，漏讀的可能性也越大。  
 

　　4.結語 

　　實驗表明，采用nRF9E5芯片設計的井下人員定位系統能夠滿足人員定位的要求。與傳統井下定位系統相比，該系統具有通信距離遠、功耗低、兼容性好、功能擴展性強、數據傳輸穩定性高等優點。只需對nRF9E5應用電路稍做修改，便可應用于智能家居、智能RFID、無線傳感等領域，故而有著廣泛的市場需求和良好的市場推廣前景。

　　本文作者創新點：

　　[1] 作者創新地采用射頻Soc nRF9E5設計井下人員定位系統中的定位終端，開發出的定位系統不但具有類似傳統RFID的身份識別功能，而且還增加了礦工無線報警功能。

　　[2] 結合系統要求，運用TDMA技術有效地解決了目前國內礦井人員定位系統中常見的井下快速移動人員漏讀率高的問題。