基于UWB技术的矿井人员定位系统设计

基于UWB技术的矿井人员定位系统设计

发布时间：2022-08-29T09:41:05.316Z 来源：《科技新时代》2022年第2期1月作者：周芙蓉

[导读] 矿井人员位置汇总对保证矿井工作管理

周芙蓉

1. 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室重庆 400037；

2. 中煤科工集团重庆研究院有限公司重庆 400039；

摘要：矿井人员位置汇总对保证矿井工作管理，确保矿井人员安全性发挥着十分重要的作用。本文探讨如何使用UWB技术进行矿井人员定位，讨论UWB技术的特点和设计方式，并验证基于UWB技术进行矿井人员实时定位的工作效果。帮助矿石企业完善管理工作，提升安全水平。

关键词：UWB技术；矿井人员定位；设计

引言：UWB技术具有带宽大、速率高的特点，依靠其信号传输特点，也能进行实时定位系统设计。针对矿井下特殊环境需求，可以使用UWB技术开展实时定位系统设计，满足矿井管理需求。

1 UWB信号概述

1.1 UWB技术内涵

UWB的全称为Ultra Wide Band，即超宽带，是一种低功耗的无线通信技术，拥有极高的脉冲频率，从而实现纳秒、亚纳秒的通信。UWB通信会使用微秒级别的正弦波，利用非正弦波窄脉冲进行数据传播工作，所以通信过程中不需要使用常规窄频带调制，通过RF变换，能将形成的脉冲直接输送给天线，然后通过天线发送数据信息。UWB信号的相对带宽在0.2以上，绝对带宽高于500MHz，适合3.1-10.6GHz 频段的信号[1]。

1.2 UWB技术特点

1.2.1 速率高

和WiFi、蓝牙、RFID等传统无线通信技术相比，使用UWB技术具有更高的传输速度和效率，拥有非常大的带宽。UWB技术的大带宽来自于其超过1GHz的信号带宽，时候非正弦波传播数据时，传输效率可以达到1000Mbps左右，即便为满足需要使用频率较低的信号频谱，也能保证300Mbps的传播速度，拥有蓝牙100被以上的传输速度[2]。使用超宽带系统的容量较大，能实现对控制通信传播互扰。

1.2.2 耗能低

利用UWB技术能控制功耗，相对其他传统通信技术的功耗更低。若使用非正弦波通信方式，会通过发射瞬间脉冲电波传输信息，能完全将信息转化为0和1 发送，平时不工作，需要信息传播时发射，脉冲的持续时间一般在1.5秒左右，使得UWB系统在低功耗的情况下就能满足通信要求。使用UWB技术能在较低功率下运行，从而延长运行时间，并且低发送功率也能降低电磁辐射对人体的影响，可以降低对人体的影响。由于发射时间短，工业应用中也能避免干扰造成的问题，可以减少对其他仪表的影响，能满足特殊的实时定位要求。

1.2.3 抗干扰

由于UWB技术使用跳时扩频信号，保证系统运行中可以使用高增益的处理方式。通过将信息以脉冲信号的形式分布在宽频带的无线信号中，在高效传输信息的同时，可以避免设备输出噪声过高。这就使得该技术和传统通讯技术相比，同等速度下的是抗干扰能力更强。同时，依靠跳时扩频，能保证传输的安全性，解析设备必须拥有发射设备的扩频码才能接收数据，使用传统无线通信接收机并不能解析或者处理无线信号。

2 基于UWB技术矿井人员定位系统设计

2.1 基于到达时间定位

使用基于UWB进行定位，可以根据信号强度、到达角度、到达时间、到达时间差定位等等，使用到达时间定位会利用信号传播时间进行距离估算，其他方式的定位精度更高，并且对硬件设备要求较低，能不以来读卡器和识别卡时间同步，因此能避免时钟精度误差[4]。但是，根据到达时间进行测距需要保证时钟精度，要加强对时钟时移偏差的控制。实际操作中，会使用正反两个方向的测量控制时移量，基站发出信息，识别测距信息之后回复，识别卡输送测距信息，远端读卡器回复，之后计算测量时间的平均值，保证测量工作精度。使用该方法充分利用了UWB所具有的带宽优势，以及利用时间信号分辨率高的特点，能准确进行人员位置定位工作。

2.2 基于UWB技术井下定位技术设计

结合UWB信号和TOF算法，以及结合矿井下的巷道布置，定位系统中设置了主射频天线和辅射频天线，在读卡器中，专门设置负责时域计算的模块，有两条馈线引出自射频模块，馈线终端设置两条频率相同的天线，天线在读卡器两侧安装，天线之间距离一定。测距的计算流程为：读卡器发射UWB信号，然后将读卡器的身份ID1和发生时间信息加入到信号中，识别卡接收UWB信号，通过调节UWB信息，将接收时间添加到信息表项中的时间字段中；识别读卡器会处理信息表项，并将识别卡的信息添加到信息表项的ID2字段中；识别卡将发射时间添加到表项的世家你字段中，然后将信息表项调整到UWB信号作为应答信号并发射，读卡器接收应答信号，在调解UWB信号中接收表项，然后将接收时间加入到时间字段中。读卡器将会对信息表项数据进行处理和分析，从信息表项中提取ID2字段，确定人员信息，以及提取时间字段去顶发射时间，之后根据时间信息确定距离。

3 系统功能设计

3.1 系统组成

基于UWB技术的矿井人员定位系统中，构成包括服务器、监控主机、井下环网交换机、读卡器、识别卡、防爆电源等等。井下人员定位监测系统能可以实时确定井下人员的位置、分布状况、行驶路线。

3.2 系统各个部分的主要功能

3.2.1 监控主机功能

监控主机安装人员定位系统和客户端软件，满足井下人员定位和统计工作需求，能够实现对重要区域井下人员数量统计和位置分布汇总；对于特殊班组人员，需要安装实时定位机，满足对特殊人员的统计需求；根据人员位置统计结果，回放人员的轨迹；在系统出现异

常，或者有人非法进入重要区域时，监控主机会实时报警，满足对井下人员的考勤管理需要。

3.2.2 读卡器

读卡器能检测读卡器发射和接收信号的到达时间，并确定识别卡和读卡器之间的距离。整个过程中，使用读卡器可以发送测距信号，然后记录时间t1，识别卡接收信号后，记录时间t2，完成识别卡处理和信号接收、回应之后，记录时间t3，读卡器接收回应时间后，记录时间t4，然后根据算法能确定距离。

3.2.3 识别卡

识别卡可以与读卡器通信，辅助读卡器获得信号到达时间，从而确定读卡器和识别卡之间的距离。读卡器由井下工作工人携带，通过计算读卡器和识别卡之间的距离，可以计算工人的位置。

3.2.4 服务器

服务器主要安装数据库和应用服务软件，数据库可以存放人员信息，使用应用服务软件能解析客户端软件的需求，将其提供给数据库，数据库也能将对应信息结果返回给客户端。

3.2.5 定位软件

定位软件会通过读卡器和识别卡之间的距离实时显示满足定位工作需要，而且能根据人员位置分析需求，统计人员的分布状况，有效监控井下人员的活动状况。

3.3 现场测试结果

进行试验测试时，专门选择煤矿井下运输巷作为试验场地，使用一个读卡器和10张是被卡的测试工作，在10-40米的位置，每隔10米布置测试点，进行10次定位误差车工作在距离不同的情况下，通过测定与固定点的距离可以获得测距结果，从测距结果中，随机抽取一张卡分析精度。分析之前将误差点去除，经过统计，测量结果的最大值和最小值都在0.3米以内，可以确定测量定位精度为0.3米，所有的距离误差都在误差范围内。因此，使用UWB技术进行矿井人员定位，能具有比较高的定位精度，更能在矿井环境下实现人员的精确定位。结束语：使用UWB技术进行定位，具有较高的稳定性，而利用事件分析法，能提升矿井人员的定位精度，保证定位工作的实时性。通过该方法具有较好的定位效果，能降低环境对定位工作的影响，提升定位精度，并且天线关联较少，无需进行时间同步。参考文献：

[1]关丙火.基于UWB技术的矿井人员定位系统设计[J].陕西煤炭,2020,39(06):89-92+121.

[2]刘光远.基于WiFi无线网络技术的新型矿井人员定位系统的设计研究[J].机电工程技术,2020,49(11):211-213.