技术领域
[0001] 本
发明涉及一种矿井人员定位读卡器及控制方法，属于无线通信技术领域。
背景技术
[0002] 矿井人员定位是矿井人员实时管理体系中的一个重要组成部分，近年来矿井人员定位得到了广泛的应用。人员定位可以通过地面
软件实时的观测到矿井工作人员在矿井里的相对
位置情况，可以给管理人员现场工作管理提供一目了然的定位界面，地面调度可以根据环境安全
监控系统给出的各位置的
传感器数据，及时通知相关地点的人员注意工作安全，对矿井安全生产起到非常大的作用。此前的人员定位方式主要有非
接触RFID卡、摄像头人脸影像捕捉识别、虹膜考勤、人脸考勤等方式，这些方式都需要人员去主动配合完成，使用起来不方便，也会造成检测数据不完整。近来，利用无线射频芯片制作人员定位识别卡，由定位识别卡读卡基站接收定位识别卡发射的无线
信号，对人员定位识别的技术逐渐发展及应用，使井下工作人员在无需主动配合的情况下，也能进行定位。但是，
现有技术存在以下技术问题：1.在一个定位识别卡读卡基站附近有数量巨大的定位识别卡同时发出无线
射频信号时，易造成无线通信信道拥堵，多个无线通信信号碰撞的问题发生，从而使得定位识别信号数据丢失、错乱，甚至定位识别系统瘫痪，危及井下安全；2.矿井人员定位读卡器的电源
电路部分，在接入外部供电时易产生大
电流冲击发生故障，且外部18V电源电路中含有高频
电磁干扰，影响定位读卡器系统稳定度。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于提供一种矿井人员定位读卡器及控制方法，对井下人员佩戴的无线定位识别卡发射的射频信号进行接收及识别定位，动态获知井下人员实时位置，人员定位读卡器
硬件电路对接入外部供电时产生的大电流冲击以及外部18V电源电路中含有的高频电磁干扰进行抑制。
[0004] 本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
[0005] 一种矿井人员定位读卡器，包括
单片机单元1、无线射频发送芯片201、无线射频接收芯片202、显示模
块3、报警模块4、RS485通信模块5、电源模块6，电源模块6为单片机单元1、无线射频发送芯片201、无线射频接收芯片202、显示模块3、报警模块4、RS485通信模块5提供工作电源；所述无线射频发送芯片201、无线射频接收芯片202、显示模块3、报警模块4、RS485通信模块5分别与单片机单元1连接；单片机单元1提供统一的
精度时钟，控制无线射频发送芯片201、无线射频接收芯片202与外部的人员定位识别卡进行信号数据的发送与接收，无线射频发送芯片201以2秒周期发送信标信息给外部的人员定位识别卡，主控单片机设置无线射频接收芯片202在接收工作模式，实时接收来自人员定位识别卡的汇报数据，完成人员定位的ID数据无线接收工作；RS485通信模块5与地面主机通信，把读卡信息传输给地面主机，其中主控32位单片机的型号为STM32F103RET6，无线射频发送芯片和无线射频发送芯片的型号为TICC2500。
[0006] 一种矿井人员定位读卡器控制方法，该方法包含下列步骤：
[0007] (1)通过射频发送模块，2毫秒定时发送本定位读卡器的信标信息，提供给识别卡精确的时隙控制信标，防止一个读卡器与多个识别卡同时通信的无线碰撞冲突；
[0008] (2)如果有识别卡在读卡器附件有效距离内，识别卡会根据碰撞避让计算的结果回答识别卡的ID，射频接收模块采集识别卡回答的ID数据；
[0009] (3)地面主机由
接口通过指令发送呼叫本定位读卡器，要求返回已读识别卡的数据，本定位读卡器把已读的数据打包，通过RS485模块发送给主机；
[0010] (4)地面主机由接口下发找人命令，本定位读卡器解析后，通过射频发送模块在信标中加上所呼叫识别卡的信息，当有对应的识别卡在附近，且应答本定位读卡器了，本定位读卡器则在显示模块上显示该识别卡信息，并通过报警模块发出报警音。
[0011] 本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现：
[0012] 前述矿井人员定位读卡器，其中电源模块包括
二极管D21、电容C21、
电阻R21、电阻R23、N-MOS管Q21、共模电感H21、瞬间抑制二极管D1、二极管D2、电容C1，N-MOS管Q21型号为SI2318，共模电感H21的型号为W501，瞬间抑制二极管D1的型号为5KP20A，二极管D21、二极管D2的型号为
肖特基二极管SS14；所述二极管D21的
阴极接18V外部本安电源，二极管D21的
阳极经电容C21后接地，电阻R21的两端与二极管D21并联，N-MOS管Q21的G极与二极管D21阳极相连，N-MOS管Q21的S极接地，N-MOS管Q21的D极接地，电阻R23两端连接于N-MOS管Q21的S极与D极之间，共模电感H21的3脚接18V外部本安电源，共模电感H21的4脚接地，共模电感H21的1脚接地，共模电感H21的2脚接二极管D2的阳极，瞬间抑制二极管D1的阳极接地，瞬间抑制二极管D1的阴极接共模电感H21的2脚，电容C1的一端接地，电容C1的另一端接二极管D2的阴极。
[0013] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0014] 解决了多个人员定位无线识别卡同时读取时的空间数据碰撞问题，可以2秒时间内读取达1000个卡的效率，电源部分设置缓
启动电路，对接入外部供电时产生的大电流冲击以及外部18V电源电路中含有的高频电磁干扰进行抑制，保证系统稳定运行。
附图说明
[0015] 图1是本发明定位读卡器系统结构图；
[0016] 图2本发明主控单片机单元电路图；
[0017] 图3本发明无线射频发送芯片、无线射频接收芯片电路图；
[0018] 图4本发明外部通信部分电路图；
[0019] 图5本发明报警输出部分电路图；
[0020] 图6本发明电源部分电路图；
[0022] 图8为3.3V稳压芯片电路图；
具体实施方式
[0024] 下面结合附图和具体
实施例对本发明作进一步说明。
[0025] 如图1所示，本发明的矿井人员定位读卡器，包括单片机单元1、无线射频发送芯片201、无线射频接收芯片202、显示模块3、报警模块4、RS485通信模块5、电源模块6，电源模块
6为单片机单元1、无线射频发送芯片201、无线射频接收芯片202、显示模块3、报警模块4、RS485通信模块5提供工作电源；所述无线射频发送芯片201、无线射频接收芯片202、显示模块3、报警模块4、RS485通信模块5分别与单片机单元1连接。单片机单元1提供统一的精度时钟，控制无线射频发送芯片201、无线射频接收芯片202对人员定位识别卡信号读取，无线射频发送芯片201以2秒周期发送信标信息，主控单片机设置无线射频接收芯片202在接收工作模式，实时接收来自定位识别卡的汇报数据，完成人员定位的ID无线接收工作。RS485通信模块5与地面主机通信，把读卡信息传输给地面主机。其中主控32位单片机的型号为STM32F103RET6，无线射频发送芯片201和无线射频发送芯片202的型号为TICC2500。
[0026] 以上硬件布置在一块PCB板上，主控32位单片机提供统一的精度时钟，通过控制无线射频发送芯片、控制无线射频接收芯片实现对人员定位识别卡的信号精确读取，防止无线碰撞，通过外部RS485通信模块远端连接
通信接口，把读卡信息传输给地面主机。本电路提供了精度达到2ms的数据分辨周期，能最大可能的防止无线标签数据碰撞，提高矿井人员定位的标签识别率。
[0027] 如图2所示为单片机单元具体实施例电路图，单片机单元1由一片32位单片机STM32F103RET6为核心，Y101 8MHz的晶体提供单片机的精确运行时钟，保证系统能精确分辨2ms的工作时隙。Y103 32.768kHz的晶体提供单片机时间时钟。U102 FM24CL256提供数据存储功能，为读卡器缓存读到的识别卡数据，通过I2C_SCL，I2C_SDA,I2C_WP与主控单片机通信，受主控单片机控制，完成数据存取。U103 DS1302
实时时钟芯片，为系统做备份实时时钟用，用来校验主控单片机的实时时钟，芯片通过SCLK,SDATA与主控单片机完成数据通信；主控单片机的COM5_TX,COM5_RX串口与无线模块部分的无线射频发送芯片201通信；COM2_TX,COM2_RX串口与无线模块部分的无线射频接收芯片202通信；COM1_TX,COM1_RX1串口与外部通信模块U5通信；FMQKZ,BJDKZ信号脚与报警输出模块通信，COM4_TX,COM4_RX串口与显示模块通信。
[0028] 如图3所示为无线模块具体实施例电路图，分别是无线射频发送芯片201、无线射频接收芯片202，无线射频发送芯片201通过COM5_TX,COM5_RX串口与主控单片机完成数据通信，主控单片机控制无线射频发送芯片201以2秒周期发送信标信息。无线射频接收芯片202通过COM2_TX,COM2_RX串口与主控单片机完成数据通信，主控单片机设置无线接收模块在接收工作模式，实时接收来自定位识别卡的汇报数据，完成人员定位的ID无线接收工作。
[0029] 如图4所示为RS485通信模块具体实施例电路图，RS485通信模块5由U5通信控
制芯片STC8F2K16S2，U51信号磁隔离芯片HM2401B,U52 RS485通信芯片及辅助元件组成，完成定位读卡器与上位机通信。U5通过COM1_RX1,COM1_TX信号脚与主控单片机通信，交互对外通信数据。
[0030] 如图5所示为报警输出部分具体实施例电路图，包括U6放大比较器LM358DR2G，Q61 NPN
三极管9014，Q201 PNP三极管9015及辅助元件组成，在读卡器要报警时，主控单片机FMQKZ输出高电平，驱动Q61导通，U6工作形成
频率震荡器，驱动J6蜂鸣器发出报警声；同时主控单片机BJDKZ信号按1秒周期输入高低电平，驱动Q201导通和截止，控制J7报警
LED灯闪烁。达到报警提示作用。
[0031] 如图6所示为电源模块具体实施例电路图，电源模块包括二极管D21、电容C21、电阻R21、电阻R23、N-MOS管Q21、共模电感H21、瞬间抑制二极管D1、二极管D2、电容C1，N-MOS管Q21型号为SI2318，共模电感H21的型号为W501，瞬间抑制二极管D1的型号为5KP20A，二极管D21、二极管D2的型号为肖特基二极管SS14；所述二极管D21的阴极接18V外部本安电源，二极管D21的阳极经电容C21后接地，电阻R21的两端与二极管D21并联，N-MOS管Q21的G极与二极管D21阳极相连，N-MOS管Q21的S极接地，N-MOS管Q21的D极接地，电阻R23两端连接于N-MOS管Q21的S极与D极之间，共模电感H21的3脚接18V外部本安电源，共模电感H21的4脚接地，共模电感H21的1脚接地，共模电感H21的2脚接二极管D2的阳极，瞬间抑制二极管D1的阳极接地，瞬间抑制二极管D1的阴极接共模电感H21的2脚，电容C1的一端接地，电容C1的另一端接二极管D2的阴极。
[0032] 上述电路中，二极管D21、电阻R21、电容C21、N-MOS管Q21、电阻R23组成缓启动电路，让设备在接入供电时不会产生大电流冲击。上电开始Q21为关断状态，电源回路中串的电阻R23为100欧电阻，从而限制内部电路的总体电流不会形成瞬间大电流；同时18V电源电流通过R21，对C21充电，经过50毫秒左右的充电时间，C21正端
电压达到Q21 N-MOS管的开启电压，Q21导通，为低阻状态，电路平稳进入正常工作状态；通过上述电路防止本安电源因冲击电流发生故障，提高系统稳定度。H21为共模电感，作用是防止外部18V电源电路中高频电磁干扰，瞬间抑制二极管D1为防
雷管，D2为肖特基二极管，作用是防止外部18V输入极性错误导致该电路内部器件烧毁。如图7、8所示，对于由二极管D2阳极输出的18V安全电源，可再由通用芯片VR1,VR2(VR1为5V
开关电源模块，VR2为AM1117-3.3V稳压芯片)及附属电路将其降压到DC5V和DC3.3V，以备使用。
[0033] 如图9所示，为矿井人员定位读卡器控制具体实施步骤：
[0034] 1、读卡器上电初始化对各个模块的参数进行设置，设置无线射频发送芯片201、无线射频接收芯片202的工作周期为为2ms，控制无线射频发送芯片201定时发送定位时标数据，时标数据中包含识别卡的回答顺序信息。信标数据格式为：FF 7E XX X1 X2 CRCL CRCH，其中X1 X2两个字节为信标的时间信息,两个字节的整型数据低位在前，高位在后，数据从0-1000。FF 7E为数据包
帧头，XX为读卡器的地址，CRCL,CRCH为CRC-16校验码，低字节在前，高字节在后。通过该数据包可以告知识别卡的目前时隙数据，用来控制识别卡的回答。
[0035] 2、识别卡在读卡器附近经过时，侦听到读卡器的信标数据，根据信标中的时隙信息，来设置自己的应答时间，无线射频接收芯片202接收到识别卡数据就通过中断方式送给主控单片机，数据格式为F4 H1 H2 H3 CRCL CRCH,其中H1,H2为识别卡卡号信息，两个字节的整型数据低位在前，高位在后，数据从0-10000，
电池电量：H2字节最高位，紧急求救标记H2字节最低位，H3为识别卡的信号场强数据，数据从0-255,值越大，场强越高。CRCL,CRCH为CRC-16校验码，低字节在前，高字节在后。
[0036] 3、主控单片机通过RS485通信模块与地面计算机通信，利用通用技术，根据要求回传接收到的识别卡数据、执行控制指令。
[0037] 本发明通过上述硬件和控制方法的配置，解决了多个人员定位无线识别卡同时读取时的空间数据碰撞问题。可以2秒时间内读取达1000个卡的效率，达到实用价值。
[0038] 除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。
