殷 臻, 黃慧哲, 李 偉,陸 毅, 賀乃寶, 羅印升

(江蘇理工學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院， 江蘇 常州 213001)

基于SDSＧTWR算法的TOF精確定位系統(tǒng)

(江蘇理工學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院， 江蘇 常州 213001)

分析了SDS-TWR測(cè)距算法的定位原理，提出了基于TOF(time of flight，TOF )技術(shù)、采用SDS-TWR(symmetrical double-sided two way ranging，SDSTWR )測(cè)距算法的煤礦巷道精確定位系統(tǒng)方案。測(cè)試結(jié)果表明, 該系統(tǒng)的定位精度95%，達(dá)到6 m以內(nèi)信號(hào)有效覆蓋范圍半徑為500 m，功耗滿足礦用設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了方案的可行性。

煤礦巷道； 精確定位； TOF； SDS-TWR

煤炭開采環(huán)境基本是地下且巷道條件復(fù)雜、環(huán)境惡劣,因此井下人員定位系統(tǒng)在煤礦安全生產(chǎn)以及考勤管理方面發(fā)揮著重要的作用[1]。目前市場(chǎng)上區(qū)域定位系統(tǒng)已不能滿足煤礦對(duì)人員位置信息的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性要求,并且絕大多數(shù)精確定位系統(tǒng)方案成本高,覆蓋范圍小[1-2]。本文在研究TOF(time of flight)技術(shù)的測(cè)距原理的基礎(chǔ)上,提出了一種基于TOF技術(shù)、采用SDS-TWR測(cè)距算法的精確定位方案,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的可行性。

1 TOF技術(shù)及TWR測(cè)距原理

TOF技術(shù)通過測(cè)量無線信號(hào)在2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的飛行時(shí)間實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量。傳統(tǒng)TOF方案一般采用雙路(TWR)測(cè)距算法,該算法采用雙向測(cè)量,因此該算法不需要進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)同步。在TWR測(cè)距中節(jié)點(diǎn)A發(fā)送一個(gè)Poll數(shù)據(jù)到節(jié)點(diǎn)B,節(jié)點(diǎn)B收到數(shù)據(jù)包后返回一個(gè)Ack數(shù)據(jù)包,如圖1所示。

TroundA為節(jié)點(diǎn)A發(fā)出Poll數(shù)據(jù)包到接收到Ack數(shù)據(jù)包用的時(shí)間；TReplyB為節(jié)點(diǎn)B收到Poll數(shù)據(jù)包到發(fā)出Ack包所用的時(shí)間。數(shù)據(jù)包傳播時(shí)間Tp為

(1)

節(jié)點(diǎn)A與節(jié)點(diǎn)B之間的距離d為

(2)

時(shí)鐘晶體存在頻率偏差,設(shè)節(jié)點(diǎn)A的頻率偏差為FdA,節(jié)點(diǎn)B的頻率偏差為FdB,則數(shù)據(jù)包在空中傳播的實(shí)際時(shí)間Tr為

(3)

數(shù)據(jù)包在空中傳輸時(shí)間的誤差ΔT為

由于TroundA=2Tp+TReplyBB

由于Tp遠(yuǎn)小于TReplyB,因此FdA×Tp可以忽略不計(jì)，則有

(4)

因此節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B的距離誤差Δd為

(5)

2 SDS-TWR測(cè)距算法原理

為了避免TWR方法中晶體頻率誤差引起的計(jì)時(shí)

誤差,引入SDS-TWR算法[3]。SDS-TWR是TWR算法的改進(jìn),利用2個(gè)節(jié)點(diǎn)雙邊各進(jìn)行一次TWR過程實(shí)現(xiàn)消除節(jié)點(diǎn)間晶體頻率誤差[4]引起的計(jì)時(shí)誤差,其過程見圖2。

圖2 SDS-TWR 測(cè)距算法原理

SDS-TWR的測(cè)距過程是在節(jié)點(diǎn)A發(fā)起一次的測(cè)距完成后,再利用節(jié)點(diǎn)B進(jìn)行反方向測(cè)距一次,則數(shù)據(jù)包傳播時(shí)間Tp即為

(6)

由于節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘晶體存在頻率偏差,信號(hào)在空中傳播的實(shí)際時(shí)間Tr為

(7)

無線數(shù)據(jù)包在空中傳輸時(shí)間的誤差ΔTs為

(8)

由于Tp遠(yuǎn)小于TReplyB和TReplyA,因此FdB×Tp和FdA×Tp可以忽略不計(jì),因此有

(9)

對(duì)比TWR的ΔT和SDS-TWR的ΔTs,可以看出SDS-TWR大大降低了晶體頻率偏差所引起計(jì)時(shí)誤差。假設(shè)晶振頻偏為±50×10-6Hz,節(jié)點(diǎn)相應(yīng)時(shí)間差為0.1ms,因此測(cè)距誤差理論值為±3m,如果選用低頻偏的晶體如±10×10-6Hz可進(jìn)一步降低測(cè)距理論誤差至±0.6m。

3 精確定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

為進(jìn)一步驗(yàn)證采用SDS-TWR測(cè)距算法的可行性,設(shè)計(jì)了采用SDS-TWR測(cè)距算法并基于TOF技術(shù)精確定位系統(tǒng)[5]。系統(tǒng)主要由定位主機(jī)、定位服務(wù)器、交換機(jī)、井下定位基站以及定位標(biāo)簽等組成[6]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。

基站和定位標(biāo)簽都采用集成了ZigBee協(xié)議[7]與TOF測(cè)距引擎的JN5168無線微處理器[8],射頻前端射頻功放,使得發(fā)射功率達(dá)到了+10dBm,射頻發(fā)射電流控制在55mA以內(nèi),接收電流控制在31mA內(nèi),休眠電流不大于2μA；基站主控器采用STM32系列[9]控制器為核心,具有高速以太網(wǎng)及RS485[10]總線接口。定位標(biāo)簽采用鋰電池供電,采用定時(shí)器喚醒技術(shù),每3s喚醒一次標(biāo)簽進(jìn)行定位。

3.2 系統(tǒng)工作流程

(1) 網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)。定位標(biāo)簽3s喚醒一次后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)搜索,發(fā)送廣播數(shù)據(jù)包,如基站處于工作狀態(tài),基站收到數(shù)據(jù)包后分配時(shí)隙給標(biāo)簽卡,回復(fù)同步數(shù)據(jù)包,完成注冊(cè)。若注冊(cè)失敗再次喚醒后重新進(jìn)行注冊(cè)。

圖3 礦用精確定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(2) 發(fā)起測(cè)距。標(biāo)簽成功搜索到網(wǎng)絡(luò)并且得到定位時(shí)隙后與基站進(jìn)行測(cè)距,測(cè)距的結(jié)果與標(biāo)簽的ID[11]以及其他標(biāo)簽信息統(tǒng)一打包發(fā)給基站,測(cè)距結(jié)束后釋放占用的時(shí)隙資源。如果測(cè)距失敗再次喚醒后重新進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)。

(3) 數(shù)據(jù)傳輸?；靖鶕?jù)不同無線模塊接收到的距離信息判斷方向,重新將數(shù)據(jù)打包通過高速以太網(wǎng)發(fā)送到地面定位服務(wù)器。

(4) 數(shù)據(jù)處理。地面定位服務(wù)器收到數(shù)據(jù)后利用濾波算法,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理,進(jìn)一步提高位置數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

(5)Web發(fā)布。服務(wù)器將有效的人員位置信息、人員分布狀況和設(shè)備狀態(tài)通過Web發(fā)布,用戶可以通過PC主機(jī)或者手機(jī)設(shè)備訪問Web進(jìn)行查看管理。

3.3 方向性判定

在此系統(tǒng)中,利用單CPU驅(qū)動(dòng)2個(gè)獨(dú)立射頻收發(fā)電路實(shí)現(xiàn)單基站判斷標(biāo)簽方向性[12]。井下巷道由于狹小可以想象成一條線,利用定向天線信號(hào)反向衰減的特性CPU得到的2個(gè)射頻模塊的距離值進(jìn)行比較,從而判斷標(biāo)簽的具體位置,此方案的關(guān)鍵是基站射頻模塊要作屏蔽處理,防止標(biāo)簽信號(hào)直接通過天線以外的途徑耦合進(jìn)去,產(chǎn)生錯(cuò)誤的位置信息,導(dǎo)致誤差變大。位置判定原理示意圖見圖4。

圖4 標(biāo)簽測(cè)距位置判定原理示意圖

規(guī)定D2為3 m,D13 m說明標(biāo)簽在基站右側(cè)天線右側(cè),否則標(biāo)簽在基站2個(gè)天線之間。同理,標(biāo)簽在基站左側(cè)也是同樣分析方法,這樣很容易判斷出標(biāo)簽具體位置,經(jīng)過實(shí)測(cè)標(biāo)簽方向的測(cè)反率極低,雙射頻方案的實(shí)用性得到了進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 定位精度與無線覆蓋范圍

(1) 測(cè)試環(huán)境：晴朗微風(fēng),溫度19 ℃,相對(duì)濕度65%,空曠郊區(qū)公路(無車無遮擋)。

(2) 測(cè)試條件:射頻發(fā)射功率為+10 dBm,接收靈敏度為-102 dBm,數(shù)據(jù)速率250 kbit/s,基站采用2.4 GHz頻率、增益為14 dB的定向天線。標(biāo)簽采用增益為2.5 dB的柔性PCB天線。系統(tǒng)測(cè)試了10、50、100、200、350、500 m的位置5次測(cè)量數(shù)據(jù),位置測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

表1 位置測(cè)試數(shù)據(jù) m

測(cè)試結(jié)果說明, 定位精度95%以上保持在6 m以內(nèi),有效視距覆蓋范圍到達(dá)了500 m以上。

4.2 標(biāo)簽卡功耗測(cè)試

標(biāo)簽采用單節(jié)1 200 mAh鋰電池供電,電池電壓為4.2 V,發(fā)射功率為10 dBm,利用示波器抓取標(biāo)簽的靜態(tài)休眠電流為20 μA,發(fā)射電流為52 mA,接收電流為30 mA。利用萬用表測(cè)量標(biāo)簽工作1 h的平均功耗約為0.5 mAh,電池理論工作時(shí)間為90 d。

5 結(jié)語

本文結(jié)合JN5168 無線微控制器設(shè)計(jì)了一套基于TOF定位技術(shù)和SDS-TWR測(cè)距算法的礦用巷道精確定位系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)在定位精度和功耗控制上都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,驗(yàn)證了方案的可行性。

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TOF accurate positioning system based on SDS-TWR algorithm

Yin Zhen, Huang Huizhe, Li Wei, Lu Yi, He Naibao, Luo Yinsheng

(School of Electrical and Information Engineering, Jiangsu University of Technology, Changzhou 213001, China)

The positioning principle of SDS-TWR ranging algorithm is analyzed, and a scheme of the accurate positioning system for the coal mine roadway based on TOF (time of flight) technology is proposed by using SDS-TWR SDS-TWR (symmetrical double-sided two way ranging) ranging algorithm. Test results show that the positioning accuracy of the system is 95% within 6 m, the effective coverage radius of the signal is 500 m, and the power consumption can meet the design requirements of the mine. Therefore, the feasibility of the scheme is verified.

coal mine roadway; accurate positioning; time of flight(TOF); symmetrical double-sided two way ranging (SDS-TWR)

10.16791/j.cnki.sjg.2017.05.024

2016-11-25

2016江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“TOF技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究”(201611463006Z)

殷臻(1995—)，男，江蘇常州，本科本，主要研究方向電子信息工程

E-mail：2013311113@smail.jstu.edu.cn;

陸毅(1976—)，男，江蘇常州，工學(xué)碩士，講師，主要研究方向通信與信息系統(tǒng).

E-mail：luyi3652002@163.com

TD655

A

1002-4956(2017)5-0095-04