井下人員定位技術不僅是煤礦智能化考勤和信息化管理的—個重要組成部分，更是煤礦中搶險救災、最大限度地拯救井下人員生命的關鍵技術之一，因此該技術的研究得到世界各國政府和科技工作者的廣泛關注。
    煤礦井下人員定位系統(tǒng)，其基本目標就是要實現(xiàn)井下工作人員的實時位置定位。就定位問題來說，目前主要有基于已經存在的移動蜂窩網及GPS的定位技術。由于井下巷道是一個深埋在地下的限定非自由空間，GPS信號以及地面蜂窩移動網的信號不能到達，所以這些技術都不能在井下應用。要實現(xiàn)井下人員無線定位及跟蹤，需要采用不同的無線通信技術，井下可應用的無線通信技術及可行的定位技術主要有紅外技術、RFID技術、透地通信技術、漏泄通信技術及無線局域網WLAN(Wireless Local Area Network)技術等。
    文中介紹基于無線局域網的礦下定位系統(tǒng)中定位卡的設計與實現(xiàn)技術。

1 硬件電路設計
    定位卡，也稱做移動臺Mobile Station(MS)，配置給礦井工作人員隨身攜帶，必須滿足重量輕、體積小的要求。在取電方面，采用鈕扣電池供電，可以避免從礦燈中取電存在的安全隱患，采用低功耗設計，實現(xiàn)電池長期工作。
    定位卡載有惟一可被識別的數(shù)字信息，卡片發(fā)放時，在地面監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫內建立該卡片內的惟一信息和定位卡攜帶者身份對應的關系。整個系統(tǒng)的硬件體系結構，如圖1所示。

1．1 電源
    在定位卡中，由于工作環(huán)境比較惡劣及無線定位卡本身體積要求，通常對電池的性能一般要求達到如下標準：
    (1)使用溫度范圍廣，一般要求-30°～50°。
    (2)使用壽命長，一般要求3年以上。
    (3)電池單體電壓高。
    (4)約為10 mA的脈沖放電能力。
    (5)部分對定位卡體積有特別要求的廠家，要求電池厚度小至3 mm。
    為此，選擇型號為CR2450的鋰電池為定位卡供電，CR2450是重量約為6 g，尺寸為35 mm×24．5 mm×5．0 mm的扣式電池，能夠滿足上述要求。
1．2 控制處理單元設計
    定位卡的控制處理單元負責對程序的可執(zhí)行文件的存儲、運行和管理。選擇TI公司生產的16位的微控制器MSP430F2001，該控制器具有如下特性：工作在低電壓狀態(tài)，電壓范圍為1．8～3．6 V、極低的電能消耗等。
    整個硬件控制系統(tǒng)主要包括看門狗電路、主控芯片和欠壓指示電路組成。
    (1)看門狗電路，其功能就是保證程序能夠正常運行，一旦程序運行出錯時，它能夠對處理器進行及時復位。看門狗電路分為內置和外置兩種，其中內置電路置于主控芯片內部，作為內置外設的一部分；外置電路可通過MAX6866芯片組成—個微電流監(jiān)視電路。
    (2)主控電路，由于定位卡采用一次性電池供電，且要求使用壽命長，故能夠以低功耗狀態(tài)工作是選擇主控電路的重要標準，而且定位卡需要存儲的數(shù)據(jù)量不大。因此，對主控電路的存儲空間要求不苛刻。
    (3)欠壓提示設計，為防止因電池能量不足而造成定位卡功能失效，影響整個定位與管理系統(tǒng)的功能，特設計定位卡具有欠壓提示功能。該功能設計從定位卡現(xiàn)場欠壓提示和欠壓信息上傳中心站兩方面來考慮。在定位卡現(xiàn)場欠壓提示功能方面，硬件電路由微處理器內置的模擬信號比較器、外圍的1個電容和1個發(fā)光二極管組成，如圖2所示。

    該模擬信號比較器能夠按電池電壓Vcc的一定比例產生參考電壓Vref或固定值0．85 V。工作時，比較器首先被配置成按電池電壓Vcc的一定比例產生參考電壓Vref，按此參考電壓對外圍電容充電，經過一段時間，使電容Vc≈Vref，然后再次配置比較器，對Vc與0．85 V進行比較，根據(jù)比較結果，若電池達到欠壓狀態(tài)，則通過發(fā)光二極管定時閃爍來提示電池電量不足，需要近期更換電池。在欠壓信息上傳中心站方面，在通訊協(xié)議中通過設置電壓狀態(tài)標志位顯卡電池能量狀態(tài)信息上傳的功能。
1．3 射頻電路設計
    由煤礦無線通訊特點知，在甚高頻和特高頻段，隨著頻率的增大，衰減變小，傳輸距離可達很遠，巷道截面尺寸大于波長，巷道對無線傳輸的影響隨著頻率的增高而變小。由于2．4 GHz頻段在巷道中衰減較小，傳輸距離遠，傳輸數(shù)據(jù)快，具有高數(shù)據(jù)吞吐量，同時識別快速移動多目標的能力強，適合煤礦環(huán)境。因此選用基于2．4 GHz頻段Connectone公司的Mini Socket iWiFi模塊，起到連接串口和802．11 b／g無線LAN的作用。該模塊包括iChipTM C02128 IPCommunication ControllerTM芯片和Marven 88 W8686 WiFi芯片組．被封裝成RoHS兼容的緊湊結構—兼容標準的SocketModem管腳。
    Mini Socket iWiFi支持針對Socket通訊的SSL3／TLS1、HTTPS、FTPS、WEP、WPA和WPA2 WiFi加密。Mini Socket iWiFi不需要更改主處理器的硬件配置，容易和主配置的PCB連接。并還帶有一個外接的天線接口。Mini Secure Socket iWiFi不需要或者很少的軟件配置就可以訪問無線LAN。Connectone的高層AT+iTM API使主處理器設備不需要增加WiFi設備、網絡和安全協(xié)議。AT+i SerialNET操作模式提供一種真正的“即插即用”，使主處理器不需要任何修改。Mini Secure Socket iWiFi固件(IP協(xié)議棧和Intemet配置參數(shù))存貯在外部Flash中。iWiFi是一種節(jié)能的模塊，當I／O工作在3．3 V時，內核工作在1．2 V，節(jié)能模式下，功耗將更少。
1．4 天線及其匹配電路設計
    天線性能的優(yōu)劣直接決定系統(tǒng)性能的好壞，考慮到定位卡小型化、高靈活性、低價位的基于2．4 GHz的近距離無線傳輸?shù)奶攸c，長度為λ／4的單極天線射頻系統(tǒng)的組件，和發(fā)射模塊設計在同一塊電路板上，不僅設計方便，還可以通過改變天線的長度來細調射頻系統(tǒng)的性能。
為了保證模塊產生的高頻信號最有效地發(fā)射出去，實現(xiàn)信號的較遠距離傳輸，必須在天線和模塊的ANT1、ANT2端提供天線的匹配網絡，該網絡有L1，L2，L3，C3，C4，C7，C8，C9等器件組成，能夠與天線形成諧振，保證所有能量全部加在天線上。
    結合應用實際，定位卡采用1．6 mm厚的RF4材質的雙層板，在板的頂部和底部均有地層以保證所有器件良好接地。另外，在每個關鍵的模擬器件的周圍都有充分的接地區(qū)域，頂層和底層之間通過大量地過孔連接，以增強卡片的抗干擾能力。

2 定位卡軟件設計
    定位卡硬件系統(tǒng)設計主要是圍繞抗干擾、低功耗等方面進行重點設計的。因而，軟件設計也需要圍繞這幾個方面進行，采用模塊化設計思想運用C語言編程實現(xiàn)定位卡功能。
2．1 軟件功能流程設計
    定位卡軟件主要有以下3部分組成：主程序模塊、電源低電壓檢測程序模塊、組織發(fā)送數(shù)據(jù)程序模塊。主程序模塊實現(xiàn)對微處理器MCU和Mini Socket iWiFi模塊的初始化配置，然后進入掉電模式，以節(jié)省電能；電源低電壓檢測程序模塊負責對電池電壓的定時監(jiān)測，在定位卡上完成欠壓指示功能的同時，把欠壓信息送入發(fā)射緩沖區(qū)，做為定位卡發(fā)送數(shù)據(jù)包的一部分進行無線傳輸；組織發(fā)送數(shù)據(jù)程序模塊完成接收地址、定位卡MAC地址、無線信號強度信息及電池狀態(tài)等有效信息由微處理器到發(fā)射模塊Mini Socket iWiFi模塊傳遞。其中，電源低電壓檢測程序和組織發(fā)送數(shù)據(jù)程序共同構成定位卡的中斷程序。
2．2 主程序設計
    首先，關閉內部看門狗，防止主程序在對器件配置期間引起復位中斷。由前面硬件部分知，微處理器可以通過選擇不同的振蕩源來降低本身功耗。該型處理器有4種基本的時鐘源，在此通過配置時鐘系統(tǒng)寄存器采用內部低功率，低頻率振蕩器Vloclk，能夠產生12 kHz典型頻率。對發(fā)射模塊Mini Socket iWiFi模塊的初始化設置主要包括：測試模塊是否工作正常、設置連接參數(shù)等；然后，為電源檢測計數(shù)器、指示1min閃爍次數(shù)計數(shù)器等寄存器賦初值；打開內部看門狗；設置定時及其初始；為節(jié)省能量，使程序進入掉電模式，等待定時器中斷喚醒，進入中斷服務程序，如圖3所示。

2．3 中斷程序設計
    中斷服務程序是定位卡軟件的核心部分，它控制著定位卡的無線信號強度信息的收集、發(fā)送和電池能量的低電壓檢測功能，其流程圖如圖4所示。

2．4 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊設計
    數(shù)據(jù)發(fā)送模塊是定位卡軟件的核心部分，它直接影響定位卡的性能和數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)臏蚀_性。發(fā)射模塊定時初始化的前提下，該模塊根據(jù)電池狀態(tài)和自身的標識號組織要發(fā)送的數(shù)據(jù)和校驗碼。如圖5所示。

3 非功能性需求設計
3．1 抗干擾設計
    在煤礦井下密閉巷道中，定位卡受到干擾主要有對卡片本身的干擾和對卡片發(fā)送數(shù)據(jù)的干擾。其中，對卡片本身的干擾源主要來自于井下大功率的高壓變頻設備，這種設備產生強電磁場，使定位卡程序混亂，出現(xiàn)“死機”問題。阻止這種干擾要從PCB設計考慮，芯片布局時使微處理器和發(fā)射模塊的數(shù)字引腳盡量靠近，并且用地線包圍來增加屏蔽效果。另一方面，降低功耗性能的指標，采用外部晶振和外部獨立的看門狗。
    目前，最可能引入干擾的部分是數(shù)據(jù)在空間無線傳輸。數(shù)據(jù)在空間無線傳輸時，遇到強躁聲干擾，使有用信號衰減到無線AP接收靈敏度以下，出現(xiàn)漏卡。如果有用信號在強噪聲的干擾下，出現(xiàn)信號異常，這種異常信號恰好能被讀卡器接收，就出現(xiàn)多卡，強噪聲有兩種：一種是煤礦井下的高頻設備產生的電磁場。另一種是上班高峰時，多張卡片云集，形成多徑干擾，考慮到卡片差異性，弱信號在強信號的反射、折射等信號的干擾下失真。針對這兩種問題從以下方面設計：
    (1)選擇質量好的電感L1，L2和L3，促進匹配網絡與天線的和諧，盡量使發(fā)射的有用信號全部加載在天線上，增強空中有效信號的強度，提高信噪比，減少卡片在有效信號強度方面的差異。
    (2)在通訊協(xié)議方面，由于異或校驗不滿足實際環(huán)境要求，在空間無線數(shù)據(jù)傳輸方面采用CRC校驗方式。
3．2 微低功耗的設計
    微低功耗是定位卡的重要指標，它關系到定位卡使用壽命的長短。對該指標的設計從以下3方面進行：
    (1)硬件方面，采用工作和待機時功耗消耗均比較低的模塊。
    (2)軟件方面，采用間隔發(fā)送模式，間隔時間為1 s，設計使卡片工作時間遠小于掉電省電時間，實現(xiàn)發(fā)送時間盡量短，盡快進入掉電模式。
    (3)在欠壓指示方面，盡量減少電壓比較器的利用率，設計長的檢測周期，本設計周期采用7．28 h。

4 結束語
    定位卡是礦下定位系統(tǒng)的重要組成部分，為了得到高效、準確的定位信息，定位卡的軟硬件設計必須考慮多方面的因素。針對基于無線局域網的礦下定位系統(tǒng)中定位卡設計的各個方面進行了較為深入的探討，并通過在實際的礦井定位系統(tǒng)應用中出現(xiàn)的問題，提出了若干解決非功能性需求的設計方法。