一种基于UWB的本质安全型矿用车辆标识卡
第一、技术领域
本发明涉及一种基于UWB的本质安全型矿用车辆标识卡，属于井下终端设备技术领域。
第二、背景技术
矿井人员和车辆精确定位是矿井安全生产和应急救援等工作的需要。矿井巷道错综复杂，井下人员车辆流动性大，矿石运输车辆及通勤车辆频繁出入井下，因此为矿山安全生产，满足高效快捷的要求，解决井下交通事故的频发的状况，更好的调度指挥矿井下人员作业，自动控制井下车辆运行，所以运用井下车辆定位系统，保证车辆及人员的安全。
车辆标识卡是实现矿井下车辆精确定位及自动控制运行的重要终端设备，它安装在运输车辆上，间断地发射代表自身ID的无线信息，它与矿用传输分站或者矿用读卡分站配套使用。经过上位机的数据处理，显示出汽车所在位置，并根据关联关系控制信号灯的颜色切换，通过信号灯的颜色切换来指挥汽车在斜坡道上的交通运输。目前，矿山基本上都完成了定位系统的建设，但很多都采用了 RFID /ZigBee /Wi-Fi 等定位技术，与之配套的是基于RFID /ZigBee /Wi-Fi等技术的车辆标识卡，无法实现大容量、高精度的定位。
第三、发明内容
目前，市场上车辆标识卡大多数采用RFID /ZigBee /Wi-Fi 等定位技术。但是，RFID定位技术只能用于人员是否存在于某个区域的辨识，不能做到实时跟踪;ZigBee的信号传输受多径效应和移动的影响都很大，而且定位精度依赖于信道物理品质、信号源密度、环境等多种因素，即使能实现精确定位，无法达到厘米级;Wi-Fi定位技术安全性较差，功耗较高，且频谱资源已趋近饱和，因此，不利于终端设备的长期携带和大规模应用。
为解决上述现有技术问题，本发明设计一种基于UWB技术的本质安全型矿用车辆标识卡，采用最新的超宽带(UWB)定位技术， UWB技术是一种传输速率高，发射功率较低，穿透能力较强并且是基于极窄脉冲的无线技术，无载波。正是这些优点，使得本车辆标识卡具有体积小、重量轻，使用方便，功耗低，信号抗干扰能力强，能够实时上传车辆信息，实现矿井下车辆精确定位，定位精度可达厘米级等特性。
本发明提供一种基于UWB的本质安全型矿用车辆标识卡，包括UWB定位单元、本安电源模块、声光报警单元、电压采集单元，所述本安电源模块分别与所述UWB定位单元、所述声光报警单元和所述电压采集单元电连接;所述UWB定位单元与所述声光报警单元相连接，用于针对危险情况及时发出声光告警提示以及将报警信息上传调度中心系统;所述UWB定位单元与所述电压采集单元相连接，所述UWB定位单元通过UWB无线通信外接读卡分站，用于间隔将标识卡ID号及电池电压等级信息发送到所述读卡分站。
作为一种较佳的实施例，UWB定位单元用于：将标识卡ID号及电量等级信息通过UWB无线通信方式发送到读卡分站;UWB定位单元包含多个串口及I/O口，用于直接输出和输入报警信息。
作为一种较佳的实施例，UWB定位单元包括UWB定位芯片U2，UWB定位芯片U2的31号引脚、30号引脚和33号引脚与声光报警单元相连接，UWB定位芯片U2的1号引脚与电压采集单元相连接。
作为一种较佳的实施例，本安电源模块包括三节并联的锂亚硫酰氯电池组、保险丝F1、电压转换芯片U3、滤波电容C2、滤波电容C3、电阻R1;滤波电容C3和滤波电容C2分别连接电压转换芯片U3的VIN输入端和OUT输出端，锂亚硫酰氯电池组的一端通过串联保险丝F1分别连接滤波电容C3的一端、电压转换芯片U3的VIN输入端和电阻R1的一端，电阻R1的另一端、电压转换芯片U3的OUT输出端输出+3.0V电源，并且与滤波电容C2的一端连接;锂亚硫酰氯电池组的另一端、滤波电容C2的另一端、滤波电容C3的另一端、电压转换芯片U3的GND端分别接地。
作为一种较佳的实施例，锂亚硫酰氯电池组的每节电池均串联两个二极管，防止每节电池之间发生电流倒流，也为满足产品本安化处理的要求。
作为一种较佳的实施例，声光报警单元包括蜂鸣报警电路、报警指示灯电路、报警按钮电路;蜂鸣报警电路、报警指示灯电路和报警按钮电路分别与UWB定位芯片U2的31号引脚、30号引脚和33号引脚相连接。
作为一种较佳的实施例，蜂鸣报警电路包括蜂鸣器LS1、三极管Q1、电阻R8、电容C15，三极管Q1的发射极分别连接电容C15和+3.0V电源，三极管Q1的集电极接蜂鸣器LS1的1号引脚，蜂鸣器LS1的2号引脚接地，三极管Q1的基极通过电阻R8连接UWB定位芯片U2的31号引脚。
作为一种较佳的实施例，报警指示灯电路包括LED灯、电阻R7，LED灯的一端接+3.0V电源，LED灯的另一端通过电阻R7连接UWB定位芯片U2的30号引脚。
作为一种较佳的实施例，报警按钮电路包括按键开关SW1、电阻R3、电容C7，按键开关SW1与电容C4并联后的一端接地，按键开关SW1与电容C4并联后的另一端分别电阻R3的一端、UWB定位芯片U2的33号引脚，电阻R3的另一端连接+3.0V电源。
作为一种较佳的实施例，电压采集单元包括电阻R5、电阻R6、电容C5，电阻R6与电容C5并联后的一端接地，电阻R6与电容C5并联后的另一端分别连接电阻R5的一端、UWB定位芯片U2的1号引脚，电阻R5的另一端连接锂亚硫酰氯电池组。
本发明所达到的有益效果：第一，本发明的车辆标识卡采用UWB无线通讯技术，实现低功耗精确定位，定位精度可达厘米级;UWB定位单元(超宽带)是一种新型的无线通信技术，其主要优势有，低功耗、对信道衰落(如多径、非视距等信道)不敏感、抗干扰能力强、不会对同一环境下的其他设备产生干扰、穿透性较强，具有很高的定位准确度和定位精度。第二，本发明的车辆标识卡为本质安全型设备，供电模块采用特殊设计，对电源部分进行本安化处理，使设备稳定安全可靠;标识卡采用微功耗器件，功耗低，工作时间长，适用于环境复杂的煤矿井下。第三，本发明具有电池电压采集、监测功能，提供低电量报警。第四，本发明提出的标识卡体积小、重量轻，安装使用方便，电路设计结构简单，成本较低，满足大规模生产使用需求。
第四、附图说明
图1是本发明的优选实施例的原理拓扑图。
图2是本发明的UWB定位单元的优选实施例的电路示意图。
图3是本发明的本安电源模块的优选实施例的电路示意图。
图4是本发明的声光报警单元的优选实施例的电路示意图。
图5是本发明的电压采集单元的优选实施例的电路示意图。
图中标记的含义：1-读卡分站，2-UWB定位单元，3-电压采集单元，4-本安电源模块，5-声光报警单元。
第五、具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1：如图1所示，本发明提出一种基于UWB的本质安全型矿用车辆标识卡，包括UWB定位单元2、本安电源模块4、声光报警单元5、电压采集单元3，本安电源模块4分别与UWB定位单元2、声光报警单元5和电压采集单元3电连接，为各单元提供正常工作所需电源;UWB定位单元2与声光报警单元5相连接，用于针对危险情况及时发出声光告警提示以及将报警信息上传调度中心系统;UWB定位单元2与电压采集单元3相连接，UWB定位单元2通过UWB无线通信外接读卡分站1，用于间隔将标识卡ID号及电池电压等级信息发送到读卡分站1。
实施例2：如图2所示，UWB定位单元2用于：将标识卡ID号及电量等级信息通过UWB无线通信方式发送到读卡分站1;UWB定位单元2包含多个串口及I/O口，用于直接输出和输入报警数据;UWB定位单元2包括UWB定位芯片U2，UWB定位芯片U2的31号引脚、30号引脚和33号引脚与声光报警单元5相连接，UWB定位芯片U2的1号引脚与电压采集单元3相连接，其余同实施例1。UWB定位芯片U2采用专用集成芯片，该芯片体积小巧，方便集成于用户系统中，芯片内置完善的滤波算法和定位算法，提升测距性能。
实施例3：如图3所示，本安电源模块4包括三节并联的锂亚硫酰氯电池组(即BT1、BT2和BT3)、保险丝F1、电压转换芯片U3、滤波电容C2、滤波电容C3、电阻R1;滤波电容C3和滤波电容C2分别连接电压转换芯片U3的VIN输入端和OUT输出端，锂亚硫酰氯电池组的一端通过串联保险丝F1分别连接滤波电容C3的一端、电压转换芯片U3的VIN输入端和电阻R1的一端，电阻R1的另一端、电压转换芯片U3的OUT输出端输出+3.0V电源，并且与滤波电容C2的一端;锂亚硫酰氯电池组的另一端、滤波电容C2的另一端、滤波电容C3的另一端、电压转换芯片U3的GND端分别接地，滤波电容C2和C3用来配合提供稳定的供电电压。锂亚硫酰氯电池组的每节电池均串联两个二极管，防止每节电池之间发生电流倒流，满足产品本安化需求，二极管分别为D1、D2、D3、D4、D5、D6，其余同实施例1。
实施例4：如图4所示，声光报警单元5包括蜂鸣报警电路、报警指示灯电路、报警按钮电路;蜂鸣报警电路、报警指示灯电路和报警按钮电路分别与UWB定位芯片U2的31号引脚、30号引脚和33号引脚相连接。
蜂鸣报警电路包括蜂鸣器LS1、三极管Q1、电阻R8、电容C15，三极管Q1的发射极分别连接电容C15和+3.0V电源，三极管Q1的集电极接蜂鸣器LS1的1号引脚，蜂鸣器LS1的2号引脚接地，三极管Q1的基极通过电阻R8连接UWB定位芯片U2的31号引脚。
报警指示灯电路包括LED灯、电阻R7，LED灯的一端接+3.0V电源，LED灯的另一端通过电阻R7连接UWB定位芯片U2的30号引脚。
报警按钮电路包括按键开关SW1、电阻R3、电容C7，按键开关SW1与电容C4并联后的一端接地，按键开关SW1与电容C4并联后的另一端分别电阻R3的一端、UWB定位芯片U2的33号引脚，电阻R3的另一端连接+3.0V电源，其余同实施例1。
当UWB定位单元2接收到基站的报警信息，将输出两个触发信号，分别触发蜂鸣器鸣响，LED灯亮，以示报警;当井下遭遇紧急情况，车辆司机可长安报警按钮，当UWB定位单元2检测到33号引脚端口电压状态变化，立即将报警信息发送读卡分站。
实施例5：如图5所示，电压采集单元3包括电阻R5、电阻R6、电容C5，电阻R6与电容C5并联后的一端接地，电阻R6与电容C5并联后的另一端分别连接电阻R5的一端、UWB定位芯片U2的1号引脚，电阻R5的另一端连接锂亚硫酰氯电池组;电压采集单元3实时采集电源电压，并将电压数据传输至UWB定位单元2，由UWB定位单元2间隔传输电池电压等级信息至读卡分站。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
