基于UWB和低频唤醒技术的矿用车载读卡器设计.pdf

228JJ.Safety in Coal Mines,2023,54(8):228-233.移动扫码阅读ZHANGZiliang.Design of mine vehicle mountedcard reader based onUWBand low frequency wake-up233.张子良.基于UWB和低频唤醒技术的矿54(8):228Safety in Coal MinesAug.20232023年8 月No.8Vol.54煤防发全第54卷第8 期D0I:10.13347/ki.mkaq.2023.08.031基于UWB和低频唤醒技术的矿用车载读卡器设计张子良1,2,3（1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京10 0 0 13;2.煤矿应急避险技术装备工程研究中心，北京10 0 0 13；3.北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京10 0 0 13）摘要：针对目前煤矿井下人员乘坐矿用车辆时，受车速和车厢金属结构等因素影响，造成车内外无线通信不畅从而导致的车厢内人员实时定位不准确、漏识别、轨迹丢失、无法统计乘车人数等问题，设计了一种基于UWB精确定位技术和低频唤醒技术的车载读卡器；车载读卡器以ARMSTM32F413、U W B通信收发芯片DW1000和低频唤醒射频芯片EM4095为设计核心，通过低频唤醒触发UWB通信信道切换的方法，实现对矿用车辆车厢内人员的精确定位与数量统计。测试结果表明：车载读卡器能准确区分车内外人员，有效解决因车厢金属结构屏蔽造成的漏识别、定位不准等问题，最大动态定位误差不大于7.3m，满足煤矿应用要求，对井下开展智慧约车、派车业务，提升煤矿井下智慧交通建设具有重要意义。关键词：超宽带；低频唤醒；防漏识别；车载读卡器；精确定位；智慧交通中图分类号：TD76文献标志码：B文章编号：10 0 3-49 6 X(2023)08-0228-06Design of mine vehicle mounted card reader based on UWB and low frequency wake-upZHANG Ziliangl-2.3(1.China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;2.Engineering Research Center for Technology Equipment of EmergencyRefuge in Coal Mine,Beijing 100013,China;3.Research Center of Mine Safety Engineering and Technology,Beijing 100013,China)Abstract:In view of the problems such as inaccurate real-time positioning,misreading,lost track and inability to count thenumber of passengers in the compartment at present,which are affected by faster vehicle speed and metal shielding in thecompartment,when personnel in underground coal mine are traveling on mining vehicles,we designed a vehicle mounted cardreader based on UWB accurate positioning technology and low-frequency wake-up technology.The vehicle mounted card readeruses the ARM control chip STM32F413,UWB communication transceiver chip DW1000 and low frequency wake-up transmitterEM4095 as the core.By the method of triggering UWB communication channel switching through low-frequency wake-up,theaccurate positioning and quantity statistics of the personnel in the mining vehicle compartment are realized.The test results showthat the vehicle mounted card reader can accurately distinguish the personnel inside and outside the vehicle,effectively solve theproblems such as missing identification and inaccurate positioning caused by the metal shielding of the compartment,and themaximum dynamic positioning error is not more than 7.3 meters.These can meet the application requirements of coal mines.It is收稿日期：2 0 2 2-10-2 1责任编辑：李力欣基金项目：中国煤炭科工集团有限公司重点资助项目（2 0 2 0-ZD005）作者简介：张子良（19 8 5一），男，河北邢台人，副研究员，硕士，主要从事煤矿安全装备、电磁兼容方面的技术研究工作。E-mail：229Safety inCoal Mines2023年8 月Aug.2023煤砺发全第8 期No.8Vol.54第54卷of great significance to carry out intelligent vehicle appointment and dispatching business in underground coal mine and to promoteintelligent traffic construction in underground coal mine.Key words:ultra wide band(UWB);low-frequency wake-up;prevent misreading;vehicle mounted card reader;accuratepositioning;intelligent transportation随着煤矿智能化建设指南（2 0 2 1年版）、煤矿井下人员定位系统安全技术要求（试行）等国家政策的出台和引导，动目标精确定位的需求在智能化建设中被明确提出。目前基于UWB的煤矿井下精确定位系统已逐步在各煤矿应用，在提升煤矿智能化、精细化管理水平，保障人、车运行安全上发挥着重要作用。在煤矿企业，防爆无轨胶轮车是当前比较重要的一种辅助运输工具，其车厢构造采用大量金属包裹，当携带UWB定位标识卡的人员乘坐时，车外定位基站发出的UWB定位信号会受到车厢金属结构屏蔽的影响，造成对车厢内人员实时定位不准确、漏识别、轨迹丢失、无法统计乘车人数等问题，特别是车辆行驶速度较快时问题则更加突出 2 。因此，突破和解决车内人员精确定位技术难点和问题，做到车内和车外人员的有效识别和区分是将来开展井下智慧约车、派车等智慧交通业务，对车辆人员超载、拒载等违规行为进行有效监管的关键一环。鉴于此，研究设计了一种基于UWB技术和低频唤醒技术的矿用车载读卡器，解决因车厢金属屏蔽造成的车厢内人员漏识别、无法精确定位与准确统计的问题，对保障人、车运行安全，提升煤矿智慧交通建设具有重要意义与示范效应1总总体设计及原理设计的车载读卡器采用低频唤醒触发UWB通信信道切换的方法，实现对矿用车辆车厢内携带UWB定位标识卡人员的精确定位与数量统计，使之不受车厢金属屏蔽的影响。车载读卡器安装于车厢内车门侧，采用UWB双信道通信，UWB无线收发模块1与车外UWB天线连接，工作在信道2，UWB无线信号的中心频率工作在39 9 3.6 MHz频段，与车外的定位基站UWB通信。UWB无线收发模块2 与车内UWB天线连接，工作在信道5，UWB无线信号的中心频率工作在6489.6MHz频段，与车内经12 5kHz低频唤醒触发后的定位标识卡通信。车载读卡器内有12 5kHz低频唤醒发射模块，持续发射12 5kHz低频唤醒信号，低频条件下（12 5kHz)更有利于能量的耦合，具有更好的穿透性以及可精确控制的工作距离 3。定位标识卡内有以Si3933为核心设计的12 5kHz低频接收电路，当携带定位标识卡的人员进入车厢内时，受到低频唤醒信号触发，定位标识卡立即使UWB通信的工作参数从信道2 切换到信道5，即工作中心频率从39 9 3.6 MHz频段切换到6 48 9.6 MHz频段，此时，车内人员的定位标识卡只能与车载读卡器的UWB无线收发模块2（信道5)通信，不再与车外定位基站（工作在信道2，中心频率39 9 3.6 MHz频段）通信，保证车内定位标识卡定位的可靠性和数量统计的准确性。ARM核心处理模块将UWB无线收发模块2 采集到的车内所有定位标识卡的ID号、车载读卡器自身ID号通过UWB无线收发模块1和车外UWB天线传给车外定位基站，通过车外定位基站对车辆的精确定位，进而间接实现对车内所有携带定位标识卡人员的精确定位与数量统计，使车内定位标识卡不再受车厢金属屏蔽的影响。当人员离开车辆时，因不再受12 5kHz低频唤醒信号作用，定位标识卡UWB通信便从信道5切回到信道2，重新与车外定位基站通信。2车载读卡器硬件车载读卡器硬件总体结构图如图1。液晶显示模块Uart拨码开关车外UWB无线收发模块1SPI声光指示UWB天线DW1000（信道2）ARM模块核心处理模块FlashUWB天线车外UWB无线收发模块2DW1000（信道5）SPI2SPI3存储模块125kHz12C时钟模块低频唤醒发射模块3.3V5V5V1.8V3.3V3.3V车上电瓶本安电源转换模块DC12V图1车车载读卡器硬件总体结构图Fig.1Overall hardware structure of vehicle mountedcard reader车载读卡器的硬件电路采用本安设计，以ARMSTM32F413、U W B无线通信收发芯片DW1000和230Safety in Coal Mines2023年8 月Aug.2023第8 期第54卷No.8Vol.54煤砺岁全125kHz低频发射芯片为设计核心，由ARM核心处理模块、12 5kHz低频唤醒发射模块、UWB无线收发模块1（信道2）、UWB无线收发模块2（信道5）、UWB车外天线、UWB车内天线、液晶显示模块、本安电源转换模块、存储模块、时钟模块、声光指示模块组成。车载读卡器接人车辆的钥匙门档，车辆启动后由车辆电瓶供电，车上电源经本安电源转换模块进行电压转换，转换成各模块所需的电压等级给各模块供电。ARM核心处理模块通过SPI1总线控制UWB无线收发模块1（信道2），采用双边双程测距算法，按照中心频率39 9 3.6 MHz频段与车外的定位基站实时精确定位；通过SPI2总线控制UWB无线收发模块2（信道5），按照中心频率6 48 9.6 MHz频段采集车内的定位标识卡卡号、电压信息。12 5kHz低频唤醒发射模块近场通信，通过拨码开关调节通信至合适距离，触发车内定位标识卡的UWB信道切换。ARM核心处理模块通过I2C与时钟模块通信，获取定位算法需要的时间戳标识；通过UART与液晶显示模块通信，实时显示车内所有定位标识卡卡号、标识卡电压、数量、标识卡对应的人员信息、报警信息；通过SPI3总线与Flash存储模块通信，查询和存储UWB通信的参数配置信息以及车内标识卡对应的人员信息；通过TTL电平控制声光指示模块，指示电源及各工作模块的工作状态，对车内人员超载或上位机系统下发的紧急撤离指令进行报警提示。UWB无线通信收发模块的电路如图2。CNOCNSOSINIdSISONIdSTOIdGNDVDD3.3VDD1.8VDDIOU44448NO35兰36MY-213436GND4GNDcryctall3NCGPIO2352NCGPIO3Ccryctal CNDI.GND34CPI04XTAL1GPI04GNDXTAL2GPIO533EPARR513R32GND14VREFVSSIOGND31VDDMSHVDDMSVDDIOHVDDIO7DW100030LNA ENVDDIFHVDDIFGPIO68SYNC29SYNCIWDD9CLKTUNE28LEDLED4VDDCLKVDDIOAVDD3.31027DWRSTVDDSYNHVDDSYNRSTNVDDVCOH11VDDVCOVDDLDOD26HVDD1.8GNDGND1225VCOTUNEVDDAONHVDD3.34VNTNOLXAVDDPAVDDPARVDDCLK6222dVMNSOIdSVDDLNAHVDDVDDVDDVDDVDDVDDREGSYNVCOMSIFCLK15VDD3.3NOLXGNDCRR252627C28C2912301654RGND:GNDBPORT106NCGND2GNDRFUBPORTBPORT3图2UWB收发模块电路图Fig.2UWB transceiver module circuitDW1000是高集成的UWB射频收发芯片，包含1个模拟前端、1个接收器、1个发送器和与片外主控器连接的SPI数字后端 4,是UWB通信的核心。DW1000由3.3V和1.8 V电源供电，其中，VDDPA1、VDDPA2、VD D BA T、VD D IO A、VD D LNA、VD D A O N电源引脚由3.3V电源供电，VDDLDOA、V D D LD O D 电源引脚由1.8 V供电，以降低能耗 5。DW1000通过SPI与ARM主控模块进行控制信息和数据交互。其内部有2 个锁相环电路，用以生成基带处理时钟和RF本地震荡信号，需通过VCOTUNE引脚、CLK-231Safety in Coal MinesAug.20232023年8 月煤砺发全No.8Vol.54第8 期第54卷TUNE引脚外加RC环路滤波器 。DW1000的RF_P和RF_N引脚为射频差分接口，经巴伦转换器HHM1595A1将差分信号转换为单端射频信号后接人发射/接收放大电路7。125kHz低频唤醒发射模块电路图如图3。VCC_5V31U8713 DEMODVDDDEMOD_OUT42RDYGNDDVDDRDYICLK314SHDANT1SHD612MODC328ANT2MOD10DEMOD_INCDEC_IN119AGNDCDEC_OUT434515DVSSFCAP一16VSSDC23839GNDGND GNDGND图3125kHz低频唤醒发射模块电路图Fig.3125 kHz low frequency wake-up transmittermodulecircuit125kHz低频通信下，射频信号受环境的干扰很小，可穿透金属，信号的强度只与天线线圈的电磁场相关，准确性高 8 。通过12 5kHz低频触发机制及近场通信距离可控的特点，实现对车内定位标识卡的可靠触发。12 5kHz低频发射模块采用EM4095专用低频射频芯片，具有集成的锁相环系统实现载波频率与天线谐振频率自适应，内部采用桥式驱动器直接驱动天线，10 0%幅度调制，精确控制工作距离 9 。根据谐振公式计算天线的电感值、C32、C34、C35、C36电容值,SHD、M O D 引脚由ARM核心处理模块控制EM4095的工作模式 10 。3车载读卡器软件车载读卡器采用双信道UWB通信，采用RT-Thread操作系统，具备实时多任务处理能力。车载读卡器程序流程图如图4。系统开始任务，初始化ARMSTM32F413及相关的外设、内核组件以及DW1000的配置参数。无论车内是否有人员，ARM都将控制UWB无线收发模块1工作在信道2 上，与车外定位基站实时通信，实现对车辆的精确定位。ARM控制UWB无线收发模块2 工作在信道5，处于监听状态，等待经12 5kHz低频唤醒触发后，信道切换成信道5的定位标识卡开始系统初始化ARM及相关外设存储模块读取参数UWB通信（信道2）与车外定位基站精确定位125kHz低频唤醒触发UWB（信道5）监听状态定位标识卡否UWB通信（信道5）在车外接收UWB人网信号？是定位标识卡在车内获取定位标识卡信息ARM核心处理模块数据处理液晶显示定位标识卡信息上位机是否下发警报否是否超载、是否故障是声光指示模块报警图4车载读卡器程序流程图Fig.4Process flow chart of vehicle mounted card reader人网，采集车内定位标识卡的卡号、电压等信息，并将这些信息处理整合，进行本地液晶屏显示的同时，通过UWB无线收发模块1（信道2）上传到车外定位基站，上位机系统便可获取车辆的精确位置以及在车上的所有定位标识卡信息。UWB通信信道的切换，使工作频段改变，使车内的定位标识卡只能与车载读卡器通信，保证了对车内外定位标识卡的准确判断和可靠定位。ARM实时根据车内人数判断超载、拒载情况，对各模块通信故障、车辆违规进行声光报警。4测试分析选取地面长度为50 0 m的平直空旷道路作试验场地，在中间Om处，部署定位基站,定位基站UWB信号覆盖半径不小于50 0 m，满足对试验巷道UWB信号全覆盖。选取试验道路上49.7、16 0、2 7 8.2、36 3、467m位置，总计5个测试点位，每个测试点位上放有光反射板，防爆无轨胶轮车侧面安装光传感器，车辆经过测试点时，光传感器发出的光信号经光反232SafetyinCoalMines2023年8 月Aug.2023第54卷第8 期No.8煤防发全Vol.54射板反射后，回到光传感器，光传感器再转换成电信号，光传感器的测试软件自动记录该电信号的时间戳，以此记录车辆经过每个测试点位的准确时间。选取5张定位标识卡放入已装有车载读卡器的防爆无轨胶轮车车厢内，在关闭和开启车载读卡器的状态下各进行1次测试，标识卡的摆放位置保持一致，定位基站与光传感器测试软件时间同步，车辆以2 5km/h时速匀速行驶，直至经过所有测试点位，定位基站对标识卡进行定位，记录标识卡历史轨迹。查看定位基站数据，找出数据时间与光传感器记录的时间戳相同或最接近的时间点，记录定位测量位置，并计算所有标识卡测量位置与实际位置的差值，其最大差值记为最大动态误差。1)关闭车载读卡器的测试试验。关闭车载读卡器的定位试验结果如图5（横坐标为车辆经过测点的时间，纵坐标为测量距离，线条代表位置数据连线，其中红色线为测点的实际位置，“橙黄青蓝绿”色线分别表示卡号6 0 151 6 0 155的5个标识卡在测点的定位数据）。由图5可以看出：由于车厢金属结构屏蔽的影响，在前4个测点位置存在个别定位数据丢失现象，在距离最远的46 7 m点位处则出现了集体丢卡。500实际位置4006015160152300-6015360154+60155200100018:35:5118:36:0918:36:2618:36:4318:37:00时刻图5关关闭车载读卡器的定位试验结果Fig.5Positioning test results of closing vehicle mountedcard reader2)开启车载读卡器的测试试验。动态定位误差实验结果见表1。在开启车载读卡器的测试试验中，车内所有标识卡全程都可被车载读卡器准确识别，车载读卡器的定位数据即代表车内所有标识卡的定位数据。经测试，设计的车载读卡器能够有效解决因车厢金属屏蔽造成的漏识别、定位不准等问题，最大动态定位误差不大于7.3m，满足最新的煤矿井下人员定位系统安全技术要求（试行）标准，满足煤表1动态定位误差实验结果Table 1Dynamic positioning error test results车辆经过测试点实际测量值/m动态误差/m测试点时刻位置/m18:45:3349.7045.873.8318:45:50160.00154.555.4518:46:09278.20272.235.9718:46:23363.00356.046.9618:46:40467.00459.727.28矿应用要求。5结语分析了基于UWB精确定位技术和低频唤醒技术实现对矿用车辆车厢内携带UWB定位标识卡人员的精确定位与数量统计的原理。以ARM主控芯片STM32F413、U W B通信收发芯片DW1000和12 5kHz低频发射芯片EM4095为核心，设计了一种基于UWB和低频唤醒技术的矿用车载读卡器。测试结果表明：与现有定位方案相比，该车载读卡器能准确区分车内和车外人员，有效解决因车厢金属屏蔽造成的漏识别、定位不准等问题，最大动态定位误差不大于7.3m，满足煤矿应用要求。车载读卡器的应用有助于井下开展智慧约车、派车等智慧交通业务，提升煤矿智能化建设与管理水平。参考文献(References):1王国法，任怀伟，赵国瑞，等.煤矿智能化十大“痛点”解析及对策 J.工矿自动化，2 0 2 1,47(6)：1-11.WANG Guofa,REN Huaiwei,ZHAO Guorui,et al.Analysis and countermeasures of tenpain pointsof in-telligent coal mineJ.Industry and Mine Automation,2021,47(6):1-11.2戴剑波，王飞，黄友胜，等.煤矿井下车辆乘人定位防漏识别系统和方法：CN111510855AP.2020-08-07.3王维，包建军，周澍，等.基于低频触发的煤矿人员人井多重识别系统 J.煤矿安全，2 0 2 0,51(6)：138-141.WANG Wei,BAO Jianjun,ZHOU Shu,et al.Multipleidentification system for coal miners entering well basedon low frequency triggerJ.Safety in Coal Mines,2020,51(6):138-141.4方文浩.基于UWB的煤矿井下高精度定位技术研究D.合肥：合肥工业大学，2 0 18.5张亚森.基于DWM1000的UWB室内定位系统设计D哈尔滨：哈尔滨工程大学，2 0 18.233Safety in Coal MinesAug.20232023年8 月煤砺发全Vol.54No.8第8 期第54卷6严威.基于UWB的井下目标精确定位平台的硬件设计与实现 D.北京：中国矿业大学（北京）,2 0 2 0.7张立群.基于UWB技术的矿用移动式读卡器设计J.煤矿安全，2 0 2 1,52(7)：142-146.ZHANG Liqun.Design of mine portable card readerbased on UWBJ.Safety in Coal Mines,2021,52(7):142-146.8刘兆昆.油气井地面-井下信息传递的无线射频技术研究 D.西安：西安石油大学,2 0 19.9蒙贺伟，李景彬，李亚萍，等.犊牛精确饲喂装备识别系统设计 J.中国农机化学报，2 0 16,37 2）：9 3-9 6.MENG Hewei,LI Jingbin,LI Yaping,et al.Design ofcalf precise feeding equipment identification systemJ.Journal of Chinese Agricultural Mechanization,2016,37(2):93-96.10苏丰，陆志浩，毛颖科，等.基于RFID技术的变电站运行巡检管理系统 J.电子设计工程，2 0 2 0,2 8（3）：129-132.SU Feng,LU Zhihao,MAO Yingke,et al.Substationoperation inspection management system based onRFID technology J.Electronic Design Engineering,2020,28(3):129-132.