引言：
煤矿是我国安全生产事故多发行业，百万吨死亡率高达7.86,对井下工作人员进行定位跟踪已显得十分重要。目前国内的矿井人员定位系统大多采用RFID技术进行人员定位。用传统RFID进行定位的缺点是：功能单一，仅具编码识别功能；信号传输可靠性低；信号识别距离短；漏读率高。鉴此，本文采用射频Soc nRF9E5来设计矿井人员定位系统。通过软件编程，使得nRF9E5芯片在实现RFID功能的基础上，还能实现无线报警功能。
1. 系统整体结构及工作原理：   
1.1 系统的整体结构及功能：
矿井人员定位系统结构分为井上和井下两部分，其结构简图如图1。
 
图1  矿井人员无线定位系统结构简图
其中智能定位基站负责采集处理矿井人员的身份编码，坑道气体浓度，温湿度等信息，并将它们送给地面监控主机；智能卡里保存有员工的身份编码，并不断得向周围发送该编码，矿难发生时可发无线报警信号；数据接口负责将井下现场总线信号转换为RS-232信号；HUB用于地面设备网络连接；监控主机用来运行管理软件，在计算机屏幕上直观动态显示井下人员的分布情况，使管理者一目了然；服务器里存放数据库，供监管部门通过INTERNET远程监控；打印机主要用来打印人员监测管理等报表。
正常情况下，该系统为煤矿管理人员提供人员实时监控、进出限制、考勤作业等多方面的管理信息。当发生安全事故时，搜救人员通过该系统立刻可知被困人员的位置，保证抢险救灾和安全救护工作的高效运作。             
1.2 定位原理：
井下智能定位基站里的读卡器不断地向其周围发送无线信号。每个读卡器都有一个有效的信号覆盖区。矿工随身携带的智能卡进入这些信号覆盖区后被激活，将保存在其内的员工数据信息发送给读卡器；定位基站经读卡器接收到该数据后，将代表巷道地理位置的基站编码连同收到的员工数据一起打包送至地面计算机；地面监控计算机收到此信息后，经相应的监控软件分析计算工作人员所在具体位置。
2.硬件设计：
本系统的智能卡和智能定位基站里的读卡器是基于nRF9E5设计的。一对nRF9E5就能组成一人员定位终端。该终端用于矿工的身份识别，以对矿工进行定位，是系统的核心部分。
2.1  nRF9E5 芯片简介：
nRF9E5是Nordic VLSI公司于2004年推出的系统级RF芯片，该芯片内置nRF905 433/868/915MHz收发器、8051兼容微控制器和4输入10位80ksps A/D转换器，QFN5×5mm封装。相关文献资料表明，1GHz附近频段无线电波最适于进行井下无线数据传输。空旷地nRF9E5最大收发距离可达300米，楼道内收发也能达100米，其最大发射功率仅10DBm（10毫瓦），收发状态切换时间小于650微秒，非常适于井下人员定位。
2.2  基于nRF9E5的智能卡硬件设计
智能卡采用nRF9E5无线收发芯片作为射频通信芯片。智能卡里保存有员工的身份编码，该编码唯一在监控主机数据库里，与该编码对应存放着员工的姓名、籍贯、年龄、民族等相关信息。智能卡的电路原理图如图2。

其中ANT1和ANT2为天线连接引脚,外接单天线终端装置，晶振工作频率为16MHz。25AA320为EEPROM，在nRF9E5上电后，系统根据引导程序，把25AA320中的程序代码拷贝到nRF9E5的4KB RAM中。LM1117为电源管理模块，把5V电平转化为nRF9E5可用的3.3V。外部中断P03，P04口接两按键，用于无线报警。AN0～AN3为外部A/D输入口，可扩展4路A/D输入，用于温度，湿度，瓦斯浓度等信号的采集。                   
2.3  基于nRF9E5的读卡器硬件设计：
读卡器在定位基站里，主要负责采集智能卡发出的员工身份编码及无线报警信号，并将采集到的信号送定位基站的微处理器处理。读卡器里存着定位基站编码，该编码唯一，与井上监控主机所显示电子地图里的坑道位置相关。读卡器硬件电路与智能卡硬件电路相似。不同之处是去掉了两按键，nRF9E5的P01、P02口通过1K电阻与单片机串口连接。
3．软件设计：
3.1  无线数据通讯协议：
   多点通信时，防止各节点之间通信数据发生碰撞是关键。常见的避免无线通信冲突的方法有：频分多址技术（FDMA），载波监听技术（CSMA），时分多址技术（TDMA）。本系统采用TDMA技术。TDMA技术将点对多点的通信方式转化为点对点的通信，因此必然要考虑主接收点与各移动节点之间建立通信连接时的地址匹配问题。由于主接收点与移动节点之间的通信可能会受到其它数据终端或外界环境的干扰而发生错误，因此，需要通过通讯协议来保证数据传输的可靠性。