基于高精度测距技术的智能标签

基于高精度测距技术的智能标签

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（UltraWideBand）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：