王 偉，陳 賢，金業(yè)勇

（1.中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司，江蘇常州 213015；2.天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司，江蘇常州 213015）

安標(biāo)國(guó)家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心于2021 年7月發(fā)布的《煤礦井下人員定位系統(tǒng)安全技術(shù)要求》（試行）推動(dòng)了煤礦井下人員定位系統(tǒng)由區(qū)域定位向精確定位的全面升級(jí)。文件中對(duì)便攜式定位儀提出了明確要求，因此現(xiàn)有的標(biāo)識(shí)卡搜索儀和手持終端須向符合新標(biāo)準(zhǔn)的便攜式定位儀進(jìn)行升級(jí)[1-2]。

現(xiàn)有的標(biāo)識(shí)卡搜索儀一般采用單片機(jī)作為主控并結(jié)合無(wú)線定位模塊實(shí)現(xiàn)搜卡功能，使用實(shí)體按鍵與顯示屏作為人機(jī)交互接口，并配有專用的充電器。此類設(shè)備在使用上操作簡(jiǎn)單、成本較低，但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、功能單一且可擴(kuò)展性差?，F(xiàn)有的人員定位手持終端一般采用定制的礦用安卓智能手機(jī)或平板電腦作為人機(jī)接口的載體，該手機(jī)或平板電腦通過(guò)定制的供電和通信接口與無(wú)線定位組件連接[3-4]。此類手持終端具有友好的人機(jī)交互界面，功能豐富且可擴(kuò)展性強(qiáng)，但其定制成本高，特別是智能手機(jī)和平板電腦更新?lián)Q代極快，而此類礦用產(chǎn)品體量較小，在安標(biāo)資質(zhì)5 年周期的中后期，容易出現(xiàn)原設(shè)計(jì)使用的智能手機(jī)和平板電腦已經(jīng)停產(chǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致無(wú)法生產(chǎn)的困境。

綜合分析上述標(biāo)識(shí)卡搜索儀和人員定位手持終端的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于藍(lán)牙傳輸?shù)谋銛y式定位儀，其可單獨(dú)使用，也可以配合礦用智能手機(jī)使用，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、兼容性高和擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)滿足煤礦企業(yè)從局部改造逐步實(shí)現(xiàn)全礦井精確覆蓋的需求，可降低企業(yè)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，提高安全管理水平。

1 定位儀結(jié)構(gòu)組成

便攜式定位儀硬件設(shè)計(jì)原理框圖如圖1。定位儀主要由錳酸鋰電池、本安保護(hù)電路、充電電路、主控MCU 電路、RFID 射頻電路、UWB 射頻電路、藍(lán)牙射頻電路、6 軸陀螺儀電路、OLED 屏、指示燈、按鍵等幾部分組成。定位儀從硬件上可以劃分為電池組件、定位組件和藍(lán)牙組件3 個(gè)主要組成部分。

圖1 定位儀電氣原理框圖Fig.1 Electrical block diagram of locator

2 關(guān)鍵組件

2.1 電池組件

設(shè)計(jì)采用3.7 V/2 500 mAh 單節(jié)錳酸鋰電池與本安保護(hù)電路連接組成本安電池，同時(shí)將整個(gè)電池組件澆封。本安保護(hù)電路采用雙重半導(dǎo)體限流，限流電阻和熔斷器達(dá)到Ia 級(jí)三重化保護(hù)，以滿足標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)使用于人員定位系統(tǒng)中的便攜式定位儀應(yīng)符合EPL Ma 的要求。電池組件原理圖如圖2。

圖2 電池組件原理圖Fig.2 Schematic diagram of battery components

設(shè)計(jì)選用3 個(gè)0.18 Ω、2 W 的正偏值限流電阻串聯(lián)，等效電阻0.54 Ω、6 W，熔斷器選用1.5 A 一次性快速保險(xiǎn)絲，冷態(tài)電阻為0.115 Ω。錳酸鋰電池最大輸出電壓4.2 V，電池的最大輸出功率P=U2/R=4.2×4.2/（0.54+0.115）=26.9 W，參照GB 3836.4—2010 標(biāo)準(zhǔn)10.5.3 規(guī)定的單體電池的峰值開(kāi)路電壓小于4.5 V，單體電池端子處的最大輸出電壓和瞬態(tài)電流的乘積不超過(guò)33 W，滿足上述要求。限流電阻功率要求1.5×（In×1.7）2×限流器件的最大電阻=1.5×（1.5×1.7）2×0.54=5.3 W＜6 W，滿足功率要求[5-6]。半導(dǎo)體限流電路采用典型的鋰電池集成保護(hù)芯片S8261，具有對(duì)鋰電池進(jìn)行過(guò)充電、過(guò)放電和過(guò)電流等全面的保護(hù)功能，本安部分主要采用其ms 級(jí)的過(guò)電流保護(hù)功能，使用雙重半導(dǎo)體限流組成一個(gè)可靠的組件。

充電接口采用主流的Type-C 接口，以兼容現(xiàn)使用最廣泛的手機(jī)充電設(shè)備，充電電路中設(shè)置3 只阻塞二極管串聯(lián)，防止向充電觸點(diǎn)釋放足以點(diǎn)燃的能量。

2.2 藍(lán)牙組件

藍(lán)牙組件是定位組件與礦用智能手機(jī)之間數(shù)據(jù)交互的中間紐帶，為兩者提供一種無(wú)線數(shù)據(jù)交互的方法[7-8]，藍(lán)牙組件原理框圖如圖3。

圖3 藍(lán)牙組件原理框圖Fig.3 Schematic diagram of Bluetooth components

藍(lán)牙組件工作狀態(tài)由3 種工作模式組成，分別為休眠模式、廣播模式、透?jìng)髂Ｊ?。各個(gè)工作模式的詳細(xì)說(shuō)明如下：

1）休眠模式。該模式下藍(lán)牙芯片處于SYSTEMOFF 最低功耗模式，系統(tǒng)的內(nèi)核和所有在運(yùn)行的任務(wù)都會(huì)停止，僅響應(yīng)GPIO 電平喚醒。休眠模式下電流小于1 μA，功耗極小，用于定位儀在倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中和作為備用機(jī)等長(zhǎng)時(shí)間不使用的情況。在休眠模式下，當(dāng)定位組件檢測(cè)到按鍵電平變化或陀螺儀振動(dòng)產(chǎn)生的中斷信號(hào)時(shí)，向藍(lán)牙組件IO 口輸出電平變化，使其退出休眠模式，進(jìn)入廣播模式。

2）廣播模式。該模式下藍(lán)牙組件工作在從設(shè)備模式，發(fā)送廣播包等待礦用智能手機(jī)藍(lán)牙主機(jī)的連接，連接成功后進(jìn)入透?jìng)髂Ｊ?；?dāng)藍(lán)牙廣播狀態(tài)超時(shí)未連接時(shí)，藍(lán)牙模組進(jìn)入休眠模式。該模式下廣播間隔100 ms，廣播超時(shí)300 s，藍(lán)牙組件的平均工作電流在150 μA 左右，工作時(shí)間短，1 個(gè)廣播周期的功耗對(duì)整機(jī)續(xù)航時(shí)間不會(huì)造成影響。

3）透?jìng)髂Ｊ?。礦用智能手機(jī)主動(dòng)連接廣播模式下的藍(lán)牙組件建立連接，藍(lán)牙組件通過(guò)IO 口的電平變化通知定位組件藍(lán)牙的連接狀態(tài)，該模式下，藍(lán)牙組件采用透?jìng)鳈C(jī)制傳輸定位組件與礦用智能手機(jī)之間的通信數(shù)據(jù)。當(dāng)手機(jī)端主動(dòng)斷開(kāi)或藍(lán)牙組件檢測(cè)到長(zhǎng)時(shí)間無(wú)藍(lán)牙數(shù)據(jù)通信時(shí)斷開(kāi)藍(lán)牙連接，退出透?jìng)髂Ｊ?，進(jìn)入廣播模式。透?jìng)髂Ｊ较滤{(lán)牙組件的平均工作電流在2 mA 以內(nèi)。

藍(lán)牙工作模式切換過(guò)程如圖4。

圖4 藍(lán)牙工作模式切換過(guò)程Fig.4 Bluetooth working mode switching process

外設(shè)功能如下：①串口：與定位組件主控的串口連接，雙向數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)藍(lán)牙組件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透?jìng)?；②喚醒信?hào)輸入：定位組件IO 口輸出，用于藍(lán)牙組件休眠后喚醒；③連接狀態(tài)輸出：通過(guò)高低電平向定位組件指示藍(lán)牙連接狀態(tài)，藍(lán)牙未連接，定位組件工作在原有功能；藍(lán)牙連接時(shí)，定位組件通過(guò)串口收發(fā)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展；④LED 指示燈：常亮表示藍(lán)牙已連接，藍(lán)牙組件工作在透?jìng)髂Ｊ?，閃爍表示藍(lán)牙組件工作在廣播模式，熄滅表示藍(lán)牙組件處于休眠模式。

2.3 定位組件

定位組件原理框圖如圖5。定位組件是實(shí)現(xiàn)定位儀功能的核心部分。主控采用STM32L431 芯片，兼顧低功耗和運(yùn)算能力，通過(guò)SPI1-3 分別與UWB射頻電路，RFID 射頻電路以及6 軸陀螺儀連接，使用3 個(gè)實(shí)體按鍵和1 個(gè)單色OLED 屏作為人機(jī)交互接口，同時(shí)具有充電檢測(cè)和電池采集電路，串口用于與藍(lán)牙組件通信。

圖5 定位組件原理框圖Fig.5 Schematic diagram of positioning components

定位組件主要有2 種操作方式：①單機(jī)定位模式；②與手機(jī)聯(lián)機(jī)模式。

單機(jī)模式下，藍(lán)牙處于未連接狀態(tài)，3 個(gè)按鍵用于選擇、翻頁(yè)、退出等操作，配合屏幕可實(shí)現(xiàn)定位組件工作模式切換，電量顯示，定位數(shù)據(jù)顯示等功能。

聯(lián)機(jī)模式下，藍(lán)牙處于連接狀態(tài)，利用藍(lán)牙傳輸?shù)耐競(jìng)鳈C(jī)制，定位組件的主控通過(guò)串口直接與礦用智能手機(jī)配套的app 數(shù)據(jù)交互，配合手機(jī)友好的人機(jī)交互能力，一方面可以將定位儀的功能更好地展現(xiàn)與操作，如與標(biāo)識(shí)卡之間的雙向報(bào)警、標(biāo)識(shí)卡定位數(shù)據(jù)篩選顯示和特定標(biāo)識(shí)卡查找等功能。另一方面，智能手機(jī)具有的可擴(kuò)展性強(qiáng)、通用性好以及計(jì)算能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)的功能有：將定位組件的6 軸陀螺儀原始數(shù)據(jù)傳輸給手機(jī)處理，融合UWB 定位數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)井下的慣性導(dǎo)航[9-10]；應(yīng)對(duì)礦方提出的差異化的需求，通過(guò)智能手機(jī)終端對(duì)人員定位相關(guān)設(shè)備的參數(shù)設(shè)置和軟件升級(jí)。

3 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種符合新標(biāo)準(zhǔn)的礦用便攜式定位儀，并結(jié)合煤礦精確定位系統(tǒng)的具體需求對(duì)其功能、低功耗、接口和兼容性等屬性進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)。利用藍(lán)牙技術(shù)作為定位儀和礦用智能手機(jī)之間的通訊媒介，借用智能手機(jī)的優(yōu)勢(shì)將定位儀的功能得到擴(kuò)展和提升。

隨著煤礦井下精確定位和5G 等技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，各種基于精確定位的新應(yīng)用會(huì)不斷出現(xiàn)，如全礦井3D GIS 展示、礦用智能可穿戴產(chǎn)品和井下實(shí)時(shí)導(dǎo)航等。設(shè)計(jì)提出的定位儀可作為基礎(chǔ)位置服務(wù)端對(duì)上述應(yīng)用提供實(shí)時(shí)位置信息，從而得到更廣泛的應(yīng)用。