程曉陸 葉曉琪 高超 黨海

[摘? ? 要]隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長，電力施工場景呈現(xiàn)出逐漸遞增的趨勢。在很多電力施工過程中按照相關(guān)規(guī)程需要設(shè)置相關(guān)施工圍欄，而這些圍欄目前都是以實物裝置設(shè)置，缺少電子信息化支撐，導(dǎo)致電力施工管理精細(xì)化缺失。文章介紹基于超寬帶技術(shù)的電子圍欄裝置的研制，該裝置將為電力施工精細(xì)化管理管控提供新的解決方案。

[關(guān)鍵詞]超寬帶定位;UWB;電子圍欄;智慧安監(jiān)

[中圖分類號]TN925 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）07–00–02

Development of Electric Power Construction Safety Monitoring?Electronic Fence Device Based on Ultra Wideband Technology

Cheng Xiao-lu，Ye Xiao-qi，Gao Chao，Dang Hai

[Abstract]As the economy continues to grow， the power construction scene has shown a gradual increase trend. In many electric power construction processes， relevant construction fences need to be set up in accordance with relevant regulations， and these fences are currently set up with physical devices， lacking electronic information support， resulting in the lack of fine power construction management. The article mainly introduces the development of an electronic fence device based on ultra-wideband technology， which will provide a new solution for the fine management and control of electric power construction.

[Keywords]UWB positioning;UWB;electronic fence;smart safety supervision

在目前普遍使用的室內(nèi)定位技術(shù)中，紅外定位^[1]因為有障礙物對光線的阻擋，所以存在障礙物時，只能進(jìn)行短距離的定位否則定位效果極差。超聲波室內(nèi)定位技術(shù)^[2]通過用一個主要的測距儀和多個應(yīng)答器構(gòu)成實現(xiàn)，這種定位方式精度高，但容易被人們所干擾，設(shè)備的成本相對比較高。藍(lán)牙定位簡單易于實現(xiàn)整體集成，定位過程中不受角度和視距影響，但造價費用成本昂貴，抗噪性能力弱同時也帶來了穩(wěn)定性水平不高等問題。射頻指紋定位技術(shù)所實現(xiàn)的裝置雖然體積小卻又不具有通信性，很難與其他系統(tǒng)進(jìn)行集成。WiFi室內(nèi)定位技術(shù)易于安裝，總精度高，但容易受到其他信號的干擾影響。而UWB定位技術(shù)突破了目前普遍使用的室內(nèi)定位技術(shù)的局限性，具有定位精度高等優(yōu)點。

當(dāng)前局域網(wǎng)定位是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)，不同場景下的萬物互聯(lián)可以促進(jìn)各行各業(yè)的高效運轉(zhuǎn)及科學(xué)管理甚至預(yù)研預(yù)判，同時又為消費者可以提供一個更加便捷的非凡體驗^[3]。與傳統(tǒng)GPS定位系統(tǒng)技術(shù)不同的地方就是，UWB定位系統(tǒng)^[4]主要是該技術(shù)適合于室內(nèi)的高精度定位，用來實時獲取目標(biāo)人員或物體一定范圍內(nèi)的位置和數(shù)據(jù)信息。本文中UWB區(qū)域定位主要應(yīng)用于安全施工電子圍欄之上，通過施工人員佩戴電子標(biāo)簽可以實現(xiàn)施工安全區(qū)域內(nèi)的定位狀況，以確定人員是否在施工區(qū)域之中，為人員的精細(xì)定位和管理提供了新的解決方案。

1 裝置設(shè)備采用技術(shù)方案

1.1 超寬帶技術(shù)方案

超寬帶（ultra wide-band，UWB）是一種目前比較廣泛和流行的新型無線載波通信技術(shù)^[5-7]，它主要是通過納秒至微秒數(shù)量級的非正弦波窄脈沖電路來進(jìn)行傳輸信息和數(shù)據(jù)。利用一個傳輸時間很短的窄脈沖，通過微分或者混頻的形式，調(diào)制得到超寬帶工作頻段。UWB將成為未來短距離無線通訊的主要技術(shù)?？偟膩碚f，UWB室內(nèi)定位精度可以達(dá)到厘米范圍，早期被廣泛用來研究和應(yīng)用于近距離高速的數(shù)據(jù)傳輸，近年來國內(nèi)外也已經(jīng)開始使用其超狹窄的脈沖來對近距離準(zhǔn)確室內(nèi)的定位。

1.2 TDOA定位算法方案

基于發(fā)射到達(dá)的時間（TOA/TDOA）方法是一種基于UWB的定位方法其中的一種^[8]。TDOA算法是指依靠信號從基站中到達(dá)等待檢測目標(biāo)的節(jié)點和基站之間的時差對其進(jìn)行定位的算法。它主要是在基于被測到達(dá)的時間TOA算法的技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展起來，TDOA定位算法主要通過根據(jù)被測到達(dá)的待測節(jié)點以及被檢測到不同基站的時間誤差來計算并獲得被檢測到目標(biāo)節(jié)點的相位坐標(biāo)，因此，不必再需要在基站和被檢測到的節(jié)點之間進(jìn)行嚴(yán)格的時鐘同步。并且在原來的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)改動較少，因而被廣泛適用。TDOA定位算法原理示意如圖1所示，根據(jù)已知的數(shù)學(xué)知識，當(dāng)待測節(jié)點與平面內(nèi)兩個定點的距離差為固定值時，其運動軌跡便為雙曲線。所以當(dāng)存在3個以上的基站時，便可以獲得多條雙曲線，根據(jù)多條雙曲線建立方程組，便可以解得待測節(jié)點的初始位置坐標(biāo)^[9-10]。

1.3 定位系統(tǒng)集成方案

結(jié)構(gòu)如圖2所示，實現(xiàn)的UWB-TDOA定位系統(tǒng)產(chǎn)品通信架構(gòu)是由感知層、傳輸層、服務(wù)層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成。

圖2中，感知網(wǎng)絡(luò)層主要原理是由一個移動定位系統(tǒng)的單個基站及其消息信道、通訊系統(tǒng)基站及其消息信道和單個定位信息標(biāo)簽三大部分一起來結(jié)合組成，定位系統(tǒng)基站與其他單個定位信息標(biāo)簽之間的ziUWBee定位消息信道連接模型等就可以直接用來實現(xiàn)對單個定位數(shù)據(jù)標(biāo)簽的信息獲取和管理定位，然后通過一個定位系統(tǒng)基站與其他單個定位信息標(biāo)簽的間的zigbee定位信道連接模型等就可以直接實現(xiàn)一個定位系統(tǒng)基站對其他單個定位信息標(biāo)簽的各種參數(shù)數(shù)據(jù)配置、狀態(tài)的數(shù)據(jù)回傳以及上下行的遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)和數(shù)字化數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷喾N操作。

在數(shù)據(jù)傳輸層中的數(shù)據(jù)傳送方式大致可以再細(xì)化為無線傳輸?shù)姆绞胶陀芯€傳輸?shù)膬煞N，無線傳輸是指通過WiFi這種數(shù)據(jù)傳送通信的方式可以為定位的基站用戶提供一個數(shù)據(jù)傳送的通道，有線傳輸則是通過互聯(lián)網(wǎng)的方式可以為定位的基站用戶提供一個數(shù)據(jù)傳送的通道，并且有線傳輸也是可以為無線傳輸用戶提供一個數(shù)據(jù)傳送的通道。

服務(wù)層的組成軟件主要部署在該服務(wù)層的一個服務(wù)器中，這些組成軟件主要包括以下幾種功能：UWB定位引擎軟件可以實現(xiàn)對定位數(shù)據(jù)的精確化和數(shù)學(xué)運算，得到定位標(biāo)簽的具體坐標(biāo);而UWB系統(tǒng)管理軟件可以直接實現(xiàn)對感知層、傳遞管理層、服務(wù)管理層、網(wǎng)絡(luò)管理層、應(yīng)用程序管理和維護(hù)等各個層次的系統(tǒng)管理和維護(hù)職責(zé)，并同時承擔(dān)起應(yīng)用程序?qū)优c感知管理層之間的數(shù)據(jù)交互通道;對內(nèi)部接口軟件為管理者所擁有的系統(tǒng)應(yīng)用程序提供了一個數(shù)據(jù)接口;對外接口軟件為外部人員提供了一個數(shù)據(jù)接口。

在網(wǎng)絡(luò)層中，包含了互聯(lián)網(wǎng)和局域網(wǎng)兩種主要無線通信應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，局域網(wǎng)由網(wǎng)絡(luò)用戶方自行設(shè)計部署，互聯(lián)網(wǎng)為廣域網(wǎng)，對外使用，局域網(wǎng)為小范圍對內(nèi)使用。

應(yīng)用層主要由系統(tǒng)內(nèi)部應(yīng)用軟件和外部接口軟件組成。該系統(tǒng)的應(yīng)用軟件具有了定位顯示、軌跡記錄等多種基本功能，以及適合于應(yīng)用人員進(jìn)行定位數(shù)據(jù)的電子范圍、流程管理、考勤分析等可擴(kuò)展。應(yīng)用層可以提供外部接口或者軟件接口，供項目設(shè)計人員開發(fā)和使用。

2 設(shè)備整體技術(shù)方案

本文設(shè)計實現(xiàn)了一種基于UWB定位技術(shù)的系統(tǒng)軟硬件整合平臺，并充分結(jié)合了各種適用基于UWB技術(shù)的定位系統(tǒng)方法，能夠有效實現(xiàn)對較高定位精度的定位系統(tǒng)要求，具備低消耗功率和低功耗的特性。在同等的碼速速度條件下，基于UWB技術(shù)的定位通信系統(tǒng)模塊相比于其他的通信控制技術(shù)來說也將具有更好的抗干擾性，能夠充分使用該通信模塊與無線上位機(jī)之間的實時無線通訊，將無線定位機(jī)的數(shù)據(jù)直接實時透過上傳到中端的無線上位機(jī)中。圖3為基于超寬帶技術(shù)的電子圍欄裝置研制及定位標(biāo)簽。施工人員通過攜帶定位標(biāo)簽，通過超寬帶UWB定位基站及硬件系統(tǒng)實現(xiàn)后臺位置的實時確定檢測，實現(xiàn)電力施工人員精益化位置管理，保證施工人員的安全位置確定及危險區(qū)域的位置告警，如圖3和圖4所示。

3 結(jié)語

當(dāng)前電力安監(jiān)施工現(xiàn)場由于傳統(tǒng)圍欄都是通過警戒線或圍欄裝置直接圍擋，缺少電子化與信息化的支撐，導(dǎo)致電力施工人員管理精細(xì)化缺失。本文介紹基于超寬帶技術(shù)的電子圍欄裝置研制，該裝置將為施工人員精細(xì)化管理管控提供新的解決方案。通過施工人員佩戴電子標(biāo)簽可以實現(xiàn)施工安全區(qū)域內(nèi)的定位狀況，以確定人員是否在施工區(qū)域之中。為人員精細(xì)化定位與管理提供新的解決方案。

參考文獻(xiàn)

[1] 岳學(xué)彬，李恒毅，馬立奇.基于紅外通信的室內(nèi)定位系統(tǒng)研制[J].自動化應(yīng)用，2017（11）：83-84，136.

[2] 李博心，祁浩然，魯祥，等.室內(nèi)定位算法與技術(shù)綜述[J].電子元器件與信息技術(shù)，2020，4（1）：47-50.

[3] 徐建，姚紅亮，王伯恩.UWB定位系統(tǒng)在供電作業(yè)安全管控中的應(yīng)用[J].大眾用電，2020，35（9）：41-42.

[4] 晏勇，劉強(qiáng)，趙曉雨，等.基于WSN和UWB多點融合畜牧業(yè)電子圍欄設(shè)計[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2021，46（1）：68-74.

[5] 夏長庚，金貴紅，石家德.便攜式電子圍欄在變電站作業(yè)區(qū)域周界應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019（24）：203-204.

[6] 畢新宇.電子圍欄產(chǎn)品的現(xiàn)實問題[J].中國公共安全，2013（18）：106-107.

[7] 張泉，張子敬.脈沖式電子圍欄周界報警系統(tǒng)[J].科技視界，2012（8）：137-138.

[8] 卞俊善.基于智能電網(wǎng)的變電站綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用[D].北京：華北電力大學(xué)（北京），2011.

[9] 郭鵬宇.無人值班變電站立體安全防護(hù)系統(tǒng)探討[J].電力安全技術(shù)，2011，13（5）：22-24.

[10] 邵奎軍.太陽能電子圍欄控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].延邊：延邊大學(xué)，2010.