基于LoRa 的矿用精确定位系统设计

2020-06-30唐丽均黄永胜

湖南工业职业技术学院学报 2020年2期

唐丽均，黄永胜

（1.重庆工程职业技术学院，重庆402260；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400039）

1 引言

近年来多种精确定位技术[1-5]广泛应用于煤矿井下人员定位系统中，但这些技术往往导致设备成本高、覆盖半径小和功耗大等缺点。本文设计的矿用精确人员定位系统中，采用基于LoRa（Long Range）的定位技术，在满足矿用定位精度要求的前提下，同时扩大了定位系统的覆盖距离、降低定位系统功耗与设备成本，有利于精确定位系统在煤矿井下的推广。

2 精确定位系统

2.1 精确定位技术

现有煤矿井下常用的精确定位系统[6-9]，大多采用超宽带（UWB： Ultra Wide Band）定位技术[10-11]和线性调频扩频技术(CSS： Chirp Spread Spectrum)定位技术[12-15]，这两种定位技术虽然定位精度较高，但是都存在设备价格高、覆盖半径较小、功耗相对较大等缺点，限制了精确定位系统在煤矿井下的推广应用。

（1）UWB 技术

UWB 定位技术通过在3G-8GHZ 频谱上传送极低功率的超宽带脉冲信号，实现了较高的实时定位精度，但是使用较宽的频谱也导致了使用该技术的相关设备造价较高。

支持UWB 定位技术的主要代表芯片为DW1000。该芯片使用3.5GHz-6.5GHz 的超宽带脉冲信号进行定位，最大输出功率为-9dB·m，接收灵敏度为-106dB·m，定位精度可以达到1m 以下，但是其定位设备的覆盖半径较小，功耗较高。在文献[10]及文献[11]介绍的基于UWB 定位技术的精确定位系统中，使用DW1000 芯片、平衡-不平衡变换器、特高频功率放大器和低噪声放大器等器件构成射频放大电路，可使该精确定位系统的覆盖距离进一步扩展到200m，但使用功率放大器等外部电路同时进一步增加了整个定位系统的功耗和成本。

（2）CSS 技术

CSS 技术利用脉冲压缩技术传输数据信息，使得接收脉冲能量非常集中，因此提高了无线通信的抗干扰和多路径效应能力。

支持CSS 定位技术的主要代表芯片为NA5TR1。NA5TR1 芯片工作频率为2.4GHz，最大输出功率为0dB·m，接收灵敏度-93dB·m，定位精度可以达到3m。在文献[12]至文献[15]中介绍的基于CSS 定位技术的精确定位系统，以NA5TR1 芯片为核心，另外还采用了2.4GHz 功率放大器和平衡-不平衡变换器等器件构成射频电路，虽然使该精确定位系统的最大覆盖距离扩展到250m，但额外的射频电路也导致整个定位系统的功耗和成本增加，并缩短终端设备电池的使用寿命。

（3）LoRa 技术

LoRa (Long Range)是一种基于扩频技术的超远距离无线传输技术。LoRa 调制技术对信号进行独有的频谱扩宽处理，使其最大接收灵敏度达到-139dB·m。LoRa 系统发射功率非常小，但通信链路预算达到144dB·m，因此通信设备可用较低的发射功率，就能实现较远距离的无线通信，而不需要添加额外的射频放大电路。同时，低发射功率也能大大延长终端设备电池的使用寿命。

2.2 精确定位系统结构

本精确定位系统主要由监控中心、分站、基站和人员标签组成。其中监控中心主要用于管理井下人员，以及井下各个基站参数配置管理等功能；分站收集各个基站采集的数据并通过以太网上传到地面监控中心；基站主要负责收集人员标签的位置信息等数据；工作人员通过携带人员标签与基站完成定位。

图1 精确定位系统示意图

2.3 人员标签设计

本系统设计的基于LoRa 技术的人员标签，相对与基于CSS 技术和UWB 的人员标签来说，由于减少了射频放大电路，使其电路结构更加精简，人员标签原理图如图2 所示。

图2 人员标签原理图

人员标签由四部分组成：电源管理模块、微控制器、LoRa 定位模块和天线。其中电源管理模块由电池和电源控制芯片电路构成，主要功能为人员标签提供电能；定位模块由LoRa 定位芯片和射频匹配电路构成，使用LoRa 无线技术向基站发送其位置数据；微控制器主要功能为分析从定位模块中获取的数据，并控制定位模块与基站进行位置信息交换；天线采用陶瓷贴片天线替代外置天线，进一步减少了人员标签的尺寸。

2.4 基站设计

基站的作用为组建底层网络，实现井下工作人员携带的人员标签的数据汇聚和初步处理功能，完成与上层网络的数据交互。基站主要由七部分组成：电源管理模块、微控制器、定位算法模块、存储设备、LoRa 定位模块、天线和以太网接口。

其中，电源管理模块将12V 外接本安电源转换为基站内部各个模块需要的额定电压；LoRa 定位模块采用LoRa 无线技术获取基站覆盖范围内所有人员标签的位置信息；微控制器完成对定位模块、定位算法模块和存储设备的工作状态进行控制，并通过以太网接口与监控平台进行通信；定位算法模块由高速微控制器构成，用于初步处理和修正基站收到的各个人员标签的位置信息；以太网接口为100M 自适应以太网接口，支持10M和100M 两种通信速度；存储设备采用大容量铁电存储器，用于保存每个人员标签的相关位置数据，避免掉电或通信失败时出现数据丢失的情况；基站采用平面扇形天线，位于基站顶部以避免天线被遮挡，即可以实现无线信号多角度的覆盖，同时也有利于基站在井下的部署（图3）。

图3 基站原理框图

3 试验结果与分析

3.1 试验结果

本试验在长度为400 米的模拟巷道中进行，在巷道区域（0m～400m）内同时部署了LoRa 人员标签、CSS 人员标签和UWB 人员标签，LoRa 基站、CSS 基站和UWB 基站均位于（0m）处。

图4 展示了LoRa 精确定位系统、CSS 精确定位系统以及UWB 精确定位系统分别在其覆盖区域内的定位精度。从测试结果可以得到LoRa 精确定位系统的定位精度在5 米之内，覆盖半径达到400 米；CSS 精确定位系统的定位精度在3m 之内，覆盖半径为250m；UWB 精度定位系统的定位精度在1m 之内，覆盖半径为200m。

图4 各个精确定位系统的定位精度对比

图5 LoRa 人员标签的平均测距电流

图6 CSS 人员标签的平均测距电流

图7 UWB 人员标签的平均测距电流

图5 展示了LoRa 人员标签在测距时的平均电流。从图中可以看到，LoRa 人员标签测距的持续时间为25ms，平均测距电流为23.8mA，如果每十秒进行一次测距，则LoRa 人员标签的平均工作电流约为59.5μA。当LoRa 人员标签采用520mAh的CR2450 纽扣电池供电时，电池的使用寿命可达到1 年左右。

图6 展示了CSS 人员标签在测距时的平均电流。从图中可以看到CSS 人员标签员标签测距的持续时间为30ms，平均测距电流为83.8mA，如果每十秒进行一次测距，则CSS 人员标签的平均工作电流约为251.4μA。当CSS 人员标签采用520mAh 的CR2450 纽扣电池供电时，电池的使用寿命约为3 个月左右。

图7 展示了UWB 人员标签在测距时的平均电流。从图中可以看到UWB 人员标签员标签测距的持续时间为35ms，平均测距电流为163.3mA，如果每十秒进行一次测距，则UWB 人员标签的平均工作电流约为571.6μA。当UWB 人员标签采用520mAh 的CR2450 纽扣电池供电时，电池的使用寿命约为1 个半月左右。

3.2 试验对比分析

本文采用基于LoRa 的定位技术，与基于UWB[10-11]和CSS[12-15]的定位技术相比，有着覆盖距离远、功耗小、成本低等优势，如表1 所示。

表1 矿用精确人员定位技术对比分析

从表1 的数据看出，技术LoRa 的定位技术的覆盖距离比CSS 定位技术和UWB 定位技术的覆盖距离远，覆盖相同长度的矿井所需布置的基站数量就相对较少，不但减少了设备成本，也降低了井下部署的工作量；而且LoRa 技术的主要芯片价格也比CSS 定位技术和UWB 定位技术的芯片价格要低数倍，所开发的设备成本就会更低；人员标签的电池使用时间长，可避免经常更换电池，因此基于LoRa 定位技术能有效降低定位系统的维护成本。