張秀娟

(山東科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,山東省青島市,266510)

★煤炭科技·機(jī)是與信息化 ★

井下人員定位系統(tǒng)電子標(biāo)簽與讀卡器的設(shè)計(jì)＊

張秀娟

(山東科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,山東省青島市,266510)

為實(shí)現(xiàn)煤礦井下作業(yè)人員進(jìn)出的有效識(shí)別和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控,設(shè)計(jì)了一種基于NRF24E1芯片和W77E58處理器單片機(jī)的井下人員定位系統(tǒng),介紹了定位系統(tǒng)的電子標(biāo)簽和讀卡器的軟、硬件設(shè)計(jì),給出了讀卡器的整體及各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)方案。

實(shí)時(shí)監(jiān)控 定位系統(tǒng) 電子標(biāo)簽 讀卡器

AbstractIn order to realize an effective underground coal mine personnel identification and real-time monitoring and control on their entering and leaving the mine and make the management system more human and utilize informatics and high degree of automation so as to realize the goal of a digital mine,a NRF24E1 and W77E58 single-chip computers based underground personnel positioning system is designed.This paper provides an account about the design of the soft-wares and hard-wares of the electronic tags and card readers of the positioning system and provides the design schemes of the integral card reader and each of all modules.

Key wordsreal-time monitoring and control,positioning system,electronic tag,card reader

1 電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)

電子標(biāo)簽指的是下井人員所攜帶的射頻信號(hào)發(fā)射卡,它由標(biāo)簽天線和標(biāo)簽專(zhuān)用芯片組成,又叫做射頻標(biāo)簽或數(shù)據(jù)載體。根據(jù)供電方式不同電子標(biāo)簽可分為有源電子標(biāo)簽、無(wú)源電子標(biāo)簽和半無(wú)源電子標(biāo)簽。由于NRF24E1芯片是有源電子標(biāo)簽專(zhuān)用芯片,考慮到便于攜帶等實(shí)際應(yīng)用因素,采用CR2450型大容量紐扣電池作為供電電源。

1.1 電池的使用壽命

由于采用電池供電,必然會(huì)產(chǎn)生電池的使用壽命問(wèn)題。假設(shè)使電子標(biāo)簽一直處于發(fā)送狀態(tài),按照不發(fā)射信號(hào)時(shí)工作電流為3 mA、發(fā)射信號(hào)時(shí)工作電流為18 mA且發(fā)射時(shí)間為1 ms來(lái)計(jì)算,它的平均功耗W為:

按照CR2450的標(biāo)稱(chēng)容量500 mAh來(lái)計(jì)算,電池的使用壽命 T為:

這意味著每6.9 d就必須換一次電池,顯然不能滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。所以,根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的需求,利用NRF24E1芯片內(nèi)部的定時(shí)喚醒功能,采用定時(shí)間隔發(fā)送的方式發(fā)送射頻信號(hào)。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中井下人員的行走速度等因素,將時(shí)間間隔定為1 s,那么電子標(biāo)簽會(huì)每秒鐘發(fā)射一次射頻信號(hào),發(fā)送完就進(jìn)入節(jié)電模式,等待1 s后被喚醒,再發(fā)射一次射頻信號(hào),然后再進(jìn)入節(jié)電模式,依次循環(huán)。按照NRF24E1芯片處于節(jié)電模式時(shí)工作電流僅為2μA,按發(fā)射信號(hào)時(shí)的工作電流為18 mA且發(fā)射時(shí)間為1 ms來(lái)計(jì)算,它的平均功耗W為:

按照CR2450的標(biāo)稱(chēng)容量500 mAh來(lái)計(jì)算,電池的使用壽命 T為:

這樣電池的壽命有3年多,這完全能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。

1.2 通信數(shù)據(jù)碰撞問(wèn)題

多點(diǎn)通信時(shí),防止各節(jié)點(diǎn)之間通信數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞是關(guān)鍵。常見(jiàn)的避免無(wú)線通信沖突的方法主要有頻分多址技術(shù) (FDMA)、載波監(jiān)聽(tīng)技術(shù) (CSMA)和時(shí)分多址技術(shù) (TDMA),本系統(tǒng)采用CSMA技術(shù)。在電子標(biāo)簽發(fā)送員工編號(hào)之前,首先監(jiān)聽(tīng)是否有其它電子標(biāo)簽在發(fā)送數(shù)據(jù),如果有,則退避一個(gè)時(shí)間片進(jìn)行監(jiān)聽(tīng),直到?jīng)]有其他電子標(biāo)簽在發(fā)送數(shù)據(jù),才將本標(biāo)簽的編號(hào)打包發(fā)送出去。CSMA技術(shù)的部分源代碼如下:

2 射頻卡讀卡器的設(shè)計(jì)

2.1 射頻卡讀卡器工作原理

采用NORDIC公司的NRF24E1芯片作為無(wú)線接收模塊在井下的最遠(yuǎn)接收距離可達(dá)100 m。當(dāng)佩戴電子標(biāo)簽的員工到達(dá)讀卡器的有效范圍內(nèi)時(shí), NRF24E1芯片便可以通過(guò)讀卡器上的PCB天線接收到電子標(biāo)簽發(fā)出的員工編號(hào),然后以中斷的方式通過(guò)W77E58處理器串口1將收到的員工編號(hào)發(fā)送給W77E58CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。W77E58處理器首先將NRF24E1芯片送達(dá)的員工編號(hào)在顯示窗口顯示,指示燈閃爍一下、蜂鳴器蜂鳴一聲用來(lái)提示讀卡器已經(jīng)收到該員工編號(hào)。由于電子標(biāo)簽采用間隔發(fā)送方式發(fā)送員工編號(hào),所以當(dāng)讀卡器在7 s中之內(nèi)沒(méi)有再次收到該員工的員工編號(hào),則自動(dòng)認(rèn)為該員工已經(jīng)離開(kāi)本讀卡器。當(dāng)W77E58處理器的串口0以中斷的方式接收到分站收集數(shù)據(jù)的命令時(shí),立刻查詢(xún)當(dāng)前讀卡器中的人員,并將當(dāng)前所在人員的員工編號(hào)上傳給分站。讀卡器的設(shè)計(jì)模塊圖如圖1所示。

圖1 讀卡器模塊圖

2.2 射頻卡讀卡器的硬件電路設(shè)計(jì)

讀卡器的硬件電路可以劃分成電源模塊、無(wú)線射頻模塊、CPU處理模塊、外擴(kuò)SRAM模塊、顯示模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊。

(1)電源模塊。采用12 V和5 V的電源作為供電電源,經(jīng)過(guò)LM7805和LM1117-3.3穩(wěn)壓后輸出5 V和3.3 V。CPU處理模塊、外擴(kuò)SRAM模塊和顯示模塊均采用5 V電源供電,無(wú)線射頻模塊采用3.3 V電源供電,電源模塊電路原理圖如圖2所示。

圖2 電源模塊電路原理圖

(2)無(wú)線射頻模塊。采用 NORDIC公司的NRF24E1作為無(wú)線收發(fā)芯片,通過(guò)天線接收電子標(biāo)簽發(fā)送的人員信息,并通過(guò)芯片的串口傳送給W77E58 CPU進(jìn)行處理。NRF24E1芯片上電后,首先將外掛的25xx320程序全部下載讀入內(nèi)部的4k byte專(zhuān)用RAM區(qū),然后再開(kāi)始執(zhí)行用戶(hù)程序。射頻模塊電路原理圖如圖3所示。

(3)CPU模塊。采用 W77E58處理器作為CPU,MAX813L作為上電和手動(dòng)復(fù)位芯片。當(dāng)CPU以中斷方式接收到射頻模塊送達(dá)的電子標(biāo)簽編號(hào)時(shí),首先將電子標(biāo)簽編號(hào)在顯示器上進(jìn)行顯示,同時(shí)指示燈閃爍并且蜂鳴器蜂鳴一聲。CPU模塊電路原理圖如圖4所示。

(4)外擴(kuò)RAM模塊。采用74HC373作為地址鎖存器,HY6264作為靜態(tài)RAM。結(jié)合煤礦的實(shí)際要求,當(dāng)外部電源掉電后數(shù)據(jù)信息不能丟失。由于SRAM(靜態(tài)RAM)在掉電后數(shù)據(jù)會(huì)丟失,所以采用10000μf的超級(jí)電容 (圖5中的C11)作為掉電后RAM的供電電源。其中R15和R16的作用是保護(hù)掉電時(shí)RAM中的數(shù)據(jù)不被隨意改寫(xiě)。外擴(kuò)RAM模塊電路原理圖如圖5所示。

圖5 外擴(kuò)RAM模塊電路原理圖

(5)顯示模塊。采用靜態(tài)顯示方法,用4片74HC164及4位數(shù)碼管將讀卡器收到的電子標(biāo)簽編號(hào)進(jìn)行顯示。顯示范圍為0000～9999。

(6)數(shù)據(jù)傳輸模塊。讀卡器是井下人員定位系統(tǒng)的最底層。它通過(guò)CPU的串口0與上一層的分站進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。通過(guò)CPU的串口1接收無(wú)線射頻模塊的數(shù)據(jù)。由于射頻模塊采用3.3 V電源供電,而CPU采用5 V電源供電,所以采用TLP521光耦隔離器進(jìn)行射頻模塊和CPU在電器上的隔離。考慮到電路在煤礦中應(yīng)用的安全性,用3個(gè)瞬態(tài)抑制二極管來(lái)吸收浪涌電流,防止雷擊或者其他大電流對(duì)電路產(chǎn)生的不可逆破壞。數(shù)據(jù)傳輸模塊電路原理圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)傳輸模塊電路原理圖

2.3 射頻卡讀卡器的軟件程序設(shè)計(jì)

(1)讀卡器軟件設(shè)計(jì)的核心是數(shù)據(jù)的無(wú)線接收問(wèn)題。本系統(tǒng)利用NRF24E1芯片的DuoCeiverTM技術(shù),可以同時(shí)接收兩個(gè)不同頻道的數(shù)據(jù),能夠有效防止數(shù)據(jù)的漏讀。NRF24E1芯片接收的部分程序代碼如下:

(2)射頻模塊接收到數(shù)據(jù)后,將數(shù)據(jù)傳送給主CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。首先,CPU用P1.5和P1.61模擬串口將射頻模塊送來(lái)的電子標(biāo)簽卡編號(hào)在顯示器上進(jìn)行顯示,然后將該卡編號(hào)對(duì)應(yīng)的RAM的地址的數(shù)據(jù)設(shè)置為0X07,并且定時(shí)器開(kāi)始定時(shí),每隔1 s將該地址的數(shù)據(jù)內(nèi)容減一,如果7 s鐘之內(nèi)沒(méi)有再次收到該電子標(biāo)簽卡號(hào),則該地址的內(nèi)容便是0,表示持卡人已經(jīng)離開(kāi)讀卡器的有效覆蓋范圍。CPU如果接收到上層分站的收集數(shù)據(jù)命令,則將RAM中內(nèi)容不為0的地址發(fā)送給上層分站。CPU處理程序部分代碼如下所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于NRF24E1芯片和W77E58處理器的電子標(biāo)簽與讀卡器的設(shè)計(jì)應(yīng)用于井下人員定位系統(tǒng),經(jīng)多個(gè)煤礦井下測(cè)試證明,該系統(tǒng)能夠同時(shí)識(shí)別30個(gè)以5 m/s速度移動(dòng)的電子標(biāo)簽。漏檢率低于5%,誤碼率低于1%,符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。實(shí)踐表明,本系統(tǒng)應(yīng)用靈活,可靠性高,運(yùn)行效果良好,且具有良好的可移置性。

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(責(zé)任編輯 路 強(qiáng))

Design of underground personnel positioning system’s electronic tag and card-reader

Zhang Xiujuan
(College of Information science and Engineering,Shandong University of Science and Technology, Qingdao,Shandong province 266510,China)

TD676

A

張秀娟 (1962-),女,山東棲霞人,博士,教授,現(xiàn)任教于山東科技大學(xué)信息學(xué)院,主要研究方向:嵌入式系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)應(yīng)用。

＊青島市科技計(jì)劃項(xiàng)目:“嵌入式指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)開(kāi)發(fā)”,項(xiàng)目編號(hào):06-2-2-9-jch