基于高精度测距技术的智能标签论文_杨浩

(国网甘肃电力公司信息通信公司 730050)

摘要:超宽带脉冲信号用于测距,可以达到10cm级精度,用这个技术对高危环境设防,实时测量人与设备间距离,超过预设界限即发出告警信号。不需中心站点处理,部署后即时生效。

关键词:测距;智能标签;安全;物联网

一、概述

高危工作环境中形成了一系列操作规程,其中一条是操作时需要两个人配合,一个人进行操作,另一个人监护,核对设备编号是操作过程中必不可少的一个环节,等等。尽管如此,还是存在着偶尔疏漏的情况。

(物联网技术描述和引入)随着各种安全措施和设备的引入,安全性有了长足的进步,但是,由于不可预见的人员因素,如疲劳工作等,偶尔还是会出现错误。随着物联网技术兴起,参考最新的测距和标签技术,将人和设备作为一个统一整体来考虑,将同一场景中的人和物纳入一个同系统,通盘考虑业务流程中的安全措施,可以进一步降低出错率。

二、超宽带测距技术

测距技术最新的进展是UWB测距,UWB是超宽带(Ultra Wide Band)的缩写,Fcc和ITU对超宽带的定义是:带宽超过500MHz,或超过中心频率数值的20%的无线电信号,称为超宽带信号。

超宽带无线电信号因为占有的带宽非常大,从而带来了一些非常有用的特性:

能量集中在一个很短的脉冲内

短脉冲能有效避免多径干扰

发射功率小,几乎不会对同频带中的窄带和载波通信产生干扰

用于通信有很好的保密性

室内定位技术包括BLE、ZigBee、WiFi等,这些技术的共同点是以信号场强作为测距仪具,在测距基础上做定位计算。距离和信号场强并不是线性关系,无线电信号受环境影响,因绕射和反射产生多径衰落,使场强不能很好地反映距离,此外,场强的测量精度比较难以提高,它会受到元器件精度、电路布局等因素的影响,甚至还会随时间和温度漂移。

因此,目前室内定位技术能达到的定位精度大多达到米级到十米级,在人寻找目标时作为辅助,完全可以胜任,人的视觉可以弥补以米计算的误差对结果的影响。而要识别人在无意识中的所处的位置是不是正确,一米或几米的误差往往意味着已经走到了错误的地方,这时候必须采用更高精度的定位技术,才能实现期望的功能,根据定位判断人员的位置是不是正确。

UWB占据了很大的带宽,大部分信号能量可以集中在一个很短的脉冲内,用作测距用途的时候,这个脉冲的长度为10-9到10-12秒级别,这个级别的无线电信号长度是厘米级别,反射波和原来的电波混在一起的机会较少,有效避免了多径干扰。另一方面,与上述无线电测距点原理不同,因为UWB信号本身非常短促,测距的依据不是信号强度,而是信号在空气中的飞行时间(ToF),通过测量无线电信号在空气中飞行的时间来计算距离,可以达到厘米级的精度。电波在空气中的飞行速度较为恒定,这种测距方法的精度和稳定性都优于基于信号场强测距的方式。

测量信号的到达时间,乘以光速299792458m/s,就能得到所要测量的距离。1ns的信号长度约为30cm,测量的精度能达到30cm。500MHz的信号脉冲宽度可缩短到0.16ns,能达到厘米级的测距精度。信号具有很大的带宽,可以将发射功率降低,不会对同频窄带通信和载波通信造成干扰,对环境友好。

三、智能标签工作原理

用精确测距技术实时测定人员与设备之间的距离,小于安全距离时,发出声光警报,提醒工作人员撤离危险区域。这个方案的优点在于,采用主动检测的工作方式,工作人员由于疏忽或别的什么原因,进入危险区域,设备主动告警,补充了工作人员主动核对的缺失部分。

基于测距的告警系统由两种硬件组成,一种由人员佩戴在身上,称为标签,另一种安装在靠近设备的必经之路,做成编号标牌的形状。这两种设备的核心都是测距模块,测距模块带有唯一可识别ID,在标签上可以一一对应到人,在标牌上可以对应到设备,可识别ID可以用来做临时解除距离告警的相互授权,以便执行正常的检修。

设备标牌和人员标签组成一个实时测距告警系统,将实现如下功能:

设备现有编号与标牌的电子识别ID一一对应,电子标牌固定在设备门上,紧邻原来标牌的位置安装;

操作人员每人对应一个电子识别标签,固定在安全帽上;

人员标签距离电子标牌小于一个可以设定的距离,比如0.5米,标牌和标签同时发出警告,提醒操作人员进入了危险区域;

对需检修的设备授权,特定时间内,特定人员的标签靠近待检修设备的标牌时,临时解除告警。

实现这样的功能,设备内部的软件流程图如下:

危险环境中设备的安装部署本身有危险,考虑在设计的时候尽量减少工程量,并且尽量做免维护设计。毕竟现场活动的增加意味着危险的增加。UWB技术的低功耗特性可以用电池供电,发射和接收时工作电流几十至一百多mA,每次工作时长为ns级,耗电非常小。设计为两年不需要换电池。

四、技术验证

Dacewave制造出全世界第一块UWB收发芯片DW1000,它遵循IEEE802.15.4标准,在测距有效范围内可达到10cm的测量精度。除此之外,DW1000还可以提供最高达6.8Mbps的无线通信能力。

在DW1000的基础上,下游厂商开发了各种模块,将UWB芯片功能封装起来,不需要直接操作底层硬件,在易用性和标准化方面做了工作。在本项目中使用了Pozyx实验室开发的定位基站和标签,Pozyx的定位标签有Arduino库,为技术验证带来很大便利。在验证实验中,定位基站充当安装在设备上的标牌,标签则充当人员佩戴的标签。

Pozyx标签除了UWB收发电路外,配有微控制器、磁力计、陀螺仪、加速度计以及气压计。MCU提供所有函数,它与板载传感器通信,提供测距、定位和校准算法。基站的构成和标签类似,但基站被设计为固定使用,所以不含有传感器。

Pozyx的UWB标签的系统原理图如下:

论文作者:杨浩

论文发表刊物:《电力设备》2017年第20期

论文发表时间:2017/11/14

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