基于蓝牙传输的便携式定位仪设计与实现

2022-02-10金业勇

煤矿安全 2022年12期

王伟，陈贤，金业勇

（1.中煤科工集团常州研究院有限公司，江苏常州 213015；2.天地（常州）自动化股份有限公司，江苏常州 213015）

安标国家矿用产品安全标志中心于2021 年7月发布的《煤矿井下人员定位系统安全技术要求》（试行）推动了煤矿井下人员定位系统由区域定位向精确定位的全面升级。文件中对便携式定位仪提出了明确要求，因此现有的标识卡搜索仪和手持终端须向符合新标准的便携式定位仪进行升级[1-2]。

现有的标识卡搜索仪一般采用单片机作为主控并结合无线定位模块实现搜卡功能，使用实体按键与显示屏作为人机交互接口，并配有专用的充电器。此类设备在使用上操作简单、成本较低，但其结构较复杂、功能单一且可扩展性差。现有的人员定位手持终端一般采用定制的矿用安卓智能手机或平板电脑作为人机接口的载体，该手机或平板电脑通过定制的供电和通信接口与无线定位组件连接[3-4]。此类手持终端具有友好的人机交互界面，功能丰富且可扩展性强，但其定制成本高，特别是智能手机和平板电脑更新换代极快，而此类矿用产品体量较小，在安标资质5 年周期的中后期，容易出现原设计使用的智能手机和平板电脑已经停产，进而导致无法生产的困境。

综合分析上述标识卡搜索仪和人员定位手持终端的优缺点，设计了一种基于蓝牙传输的便携式定位仪，其可单独使用，也可以配合矿用智能手机使用，具有结构简单、成本低、兼容性高和扩展性好等优点，同时满足煤矿企业从局部改造逐步实现全矿井精确覆盖的需求，可降低企业经济负担，提高安全管理水平。

1 定位仪结构组成

便携式定位仪硬件设计原理框图如图1。定位仪主要由锰酸锂电池、本安保护电路、充电电路、主控MCU 电路、RFID 射频电路、UWB 射频电路、蓝牙射频电路、6 轴陀螺仪电路、OLED 屏、指示灯、按键等几部分组成。定位仪从硬件上可以划分为电池组件、定位组件和蓝牙组件3 个主要组成部分。

图1 定位仪电气原理框图Fig.1 Electrical block diagram of locator

2 关键组件

2.1 电池组件

设计采用3.7 V/2 500 mAh 单节锰酸锂电池与本安保护电路连接组成本安电池，同时将整个电池组件浇封。本安保护电路采用双重半导体限流，限流电阻和熔断器达到Ia 级三重化保护，以满足标准中对使用于人员定位系统中的便携式定位仪应符合EPL Ma 的要求。电池组件原理图如图2。

图2 电池组件原理图Fig.2 Schematic diagram of battery components

设计选用3 个0.18 Ω、2 W 的正偏值限流电阻串联，等效电阻0.54 Ω、6 W，熔断器选用1.5 A 一次性快速保险丝，冷态电阻为0.115 Ω。锰酸锂电池最大输出电压4.2 V，电池的最大输出功率P=U2/R=4.2×4.2/（0.54+0.115）=26.9 W，参照GB 3836.4—2010 标准10.5.3 规定的单体电池的峰值开路电压小于4.5 V，单体电池端子处的最大输出电压和瞬态电流的乘积不超过33 W，满足上述要求。限流电阻功率要求1.5×（In×1.7）2×限流器件的最大电阻=1.5×（1.5×1.7）2×0.54=5.3 W＜6 W，满足功率要求[5-6]。半导体限流电路采用典型的锂电池集成保护芯片S8261，具有对锂电池进行过充电、过放电和过电流等全面的保护功能，本安部分主要采用其ms 级的过电流保护功能，使用双重半导体限流组成一个可靠的组件。

充电接口采用主流的Type-C 接口，以兼容现使用最广泛的手机充电设备，充电电路中设置3 只阻塞二极管串联，防止向充电触点释放足以点燃的能量。

2.2 蓝牙组件

蓝牙组件是定位组件与矿用智能手机之间数据交互的中间纽带，为两者提供一种无线数据交互的方法[7-8]，蓝牙组件原理框图如图3。

图3 蓝牙组件原理框图Fig.3 Schematic diagram of Bluetooth components

蓝牙组件工作状态由3 种工作模式组成，分别为休眠模式、广播模式、透传模式。各个工作模式的详细说明如下：

1）休眠模式。该模式下蓝牙芯片处于SYSTEMOFF 最低功耗模式，系统的内核和所有在运行的任务都会停止，仅响应GPIO 电平唤醒。休眠模式下电流小于1 μA，功耗极小，用于定位仪在仓储过程中和作为备用机等长时间不使用的情况。在休眠模式下，当定位组件检测到按键电平变化或陀螺仪振动产生的中断信号时，向蓝牙组件IO 口输出电平变化，使其退出休眠模式，进入广播模式。

2）广播模式。该模式下蓝牙组件工作在从设备模式，发送广播包等待矿用智能手机蓝牙主机的连接，连接成功后进入透传模式；当蓝牙广播状态超时未连接时，蓝牙模组进入休眠模式。该模式下广播间隔100 ms，广播超时300 s，蓝牙组件的平均工作电流在150 μA 左右，工作时间短，1 个广播周期的功耗对整机续航时间不会造成影响。

3）透传模式。矿用智能手机主动连接广播模式下的蓝牙组件建立连接，蓝牙组件通过IO 口的电平变化通知定位组件蓝牙的连接状态，该模式下，蓝牙组件采用透传机制传输定位组件与矿用智能手机之间的通信数据。当手机端主动断开或蓝牙组件检测到长时间无蓝牙数据通信时断开蓝牙连接，退出透传模式，进入广播模式。透传模式下蓝牙组件的平均工作电流在2 mA 以内。

蓝牙工作模式切换过程如图4。

图4 蓝牙工作模式切换过程Fig.4 Bluetooth working mode switching process

外设功能如下：①串口：与定位组件主控的串口连接，双向数据传输，通过蓝牙组件实现数据透传；②唤醒信号输入：定位组件IO 口输出，用于蓝牙组件休眠后唤醒；③连接状态输出：通过高低电平向定位组件指示蓝牙连接状态，蓝牙未连接，定位组件工作在原有功能；蓝牙连接时，定位组件通过串口收发数据，实现功能扩展；④LED 指示灯：常亮表示蓝牙已连接，蓝牙组件工作在透传模式，闪烁表示蓝牙组件工作在广播模式，熄灭表示蓝牙组件处于休眠模式。

2.3 定位组件

定位组件原理框图如图5。定位组件是实现定位仪功能的核心部分。主控采用STM32L431 芯片，兼顾低功耗和运算能力，通过SPI1-3 分别与UWB射频电路，RFID 射频电路以及6 轴陀螺仪连接，使用3 个实体按键和1 个单色OLED 屏作为人机交互接口，同时具有充电检测和电池采集电路，串口用于与蓝牙组件通信。

图5 定位组件原理框图Fig.5 Schematic diagram of positioning components

定位组件主要有2 种操作方式：①单机定位模式；②与手机联机模式。

单机模式下，蓝牙处于未连接状态，3 个按键用于选择、翻页、退出等操作，配合屏幕可实现定位组件工作模式切换，电量显示，定位数据显示等功能。

联机模式下，蓝牙处于连接状态，利用蓝牙传输的透传机制，定位组件的主控通过串口直接与矿用智能手机配套的app 数据交互，配合手机友好的人机交互能力，一方面可以将定位仪的功能更好地展现与操作，如与标识卡之间的双向报警、标识卡定位数据筛选显示和特定标识卡查找等功能。另一方面，智能手机具有的可扩展性强、通用性好以及计算能力强等优势，可实现的功能有：将定位组件的6 轴陀螺仪原始数据传输给手机处理，融合UWB 定位数据，实现井下的惯性导航[9-10]；应对矿方提出的差异化的需求，通过智能手机终端对人员定位相关设备的参数设置和软件升级。