劉慶元,王佳鈺,史學(xué)威,楊文波,陳祝明

(電子科技大學(xué)長(zhǎng)三角研究院(衢州),浙江 衢州 324003)

0 引 言

面向復(fù)雜工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的定位系統(tǒng)是工業(yè)安全系統(tǒng)的重要組成部分。與辦公、生活等商用和民用的通信環(huán)境相比,工業(yè)場(chǎng)景的無(wú)線通信環(huán)境更加復(fù)雜[1]。以危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)環(huán)境為例,危險(xiǎn)化學(xué)品的毒害、爆炸、腐蝕等性質(zhì)會(huì)對(duì)定位設(shè)備造成影響,生產(chǎn)環(huán)境結(jié)構(gòu)復(fù)雜,穿管布線具有很高的施工成本,還可能增加新的安全隱患,定位設(shè)備的高頻維護(hù)也會(huì)增加企業(yè)運(yùn)維成本。為了加強(qiáng)對(duì)安全生產(chǎn)的監(jiān)管、及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患,需要對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行人員定位、智能巡檢?！豆I(yè)互聯(lián)網(wǎng)+危化安全生產(chǎn)》[2]要求規(guī)范巡檢流程,提升巡檢數(shù)字化、智能化,對(duì)巡檢作業(yè)人員要實(shí)時(shí)定位,并且實(shí)現(xiàn)多人巡檢定位[3]。因此,面向工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的定位系統(tǒng)要做到低功耗、低成本、低安裝施工量,還需要具有很高的定位精度,能夠?qū)崿F(xiàn)多址定位。

傳統(tǒng)室內(nèi)定位系統(tǒng)無(wú)法滿足復(fù)雜工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的定位需求,如藍(lán)牙定位的精度不夠、超寬帶定位成本高等[4]。目前,室內(nèi)定位系統(tǒng)是以距離測(cè)量為基礎(chǔ)的,高精度的距離測(cè)量決定了高精度的定位,基于游標(biāo)法[5]的轉(zhuǎn)發(fā)式定位系統(tǒng)可以通過(guò)測(cè)量時(shí)間間隔來(lái)實(shí)現(xiàn)高的測(cè)距精度。這種系統(tǒng)主要由詢問(wèn)器和轉(zhuǎn)發(fā)信標(biāo)組成,其轉(zhuǎn)發(fā)信標(biāo)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn)低成本和低功耗,但在多個(gè)詢問(wèn)器同時(shí)工作時(shí)無(wú)法正常測(cè)距。因此,詢問(wèn)器需要具備多址訪問(wèn)技術(shù)來(lái)解決這一工程問(wèn)題。

直接序列擴(kuò)頻(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS)技術(shù)可以采用正交的偽隨機(jī)(Pseudo-Noise,PN)碼序列來(lái)實(shí)現(xiàn)碼分多址[6]。PN碼具有類似白噪聲的相關(guān)特性,干擾信息與偽隨機(jī)序列不相關(guān)。在接收端經(jīng)過(guò)擴(kuò)展后,落入信號(hào)頻帶內(nèi)的干擾信號(hào)功率大幅降低,所以擴(kuò)頻系統(tǒng)抗干擾、抗多徑的能力得以增強(qiáng)。擴(kuò)頻碼的選擇直接影響擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能,其類型有m序列、Gold序列等,本文方法采用由兩個(gè)m序列構(gòu)成的具有良好正交性能的Gold序列作為擴(kuò)頻碼。

本文基于復(fù)雜工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)定位的實(shí)際需求,綜合游標(biāo)法和DSSS技術(shù),提出了一種基于擴(kuò)頻多址的差轉(zhuǎn)游標(biāo)測(cè)距方法并構(gòu)建了相應(yīng)的測(cè)距系統(tǒng)。

1 游標(biāo)測(cè)距法原理及其轉(zhuǎn)發(fā)測(cè)距時(shí)的問(wèn)題

傳統(tǒng)的游標(biāo)測(cè)距方法是基于游標(biāo)測(cè)時(shí)的,使用游標(biāo)法測(cè)量時(shí)間間隔[7],進(jìn)而計(jì)算出距離。游標(biāo)法測(cè)時(shí)的原理[8]如圖1所示。

圖1 游標(biāo)法測(cè)時(shí)原理Fig.1 Principle of time measurement using vernier method

游標(biāo)法測(cè)時(shí)需要有兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào),這兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的頻率和周期之差都極小,較高頻率信號(hào)為主時(shí)鐘,其周期為T(mén)1,較低頻率信號(hào)為游標(biāo)時(shí)鐘,其周期為T(mén)2。每次當(dāng)游標(biāo)時(shí)鐘上升沿到來(lái)時(shí),相對(duì)于主時(shí)鐘上升沿都會(huì)產(chǎn)生一段較小的延遲：

ΔT=T2-T1

(1)

然后發(fā)射端發(fā)送與主時(shí)鐘完全同步的脈沖信號(hào),經(jīng)過(guò)傳輸時(shí)延t之后接收方收到該信號(hào),t即是待測(cè)的短時(shí)間間隔。開(kāi)始測(cè)量后發(fā)射端持續(xù)發(fā)射脈沖信號(hào),當(dāng)游標(biāo)時(shí)鐘上升沿到來(lái)時(shí),對(duì)發(fā)射脈沖上升沿進(jìn)行鑒別,如果它們發(fā)生重合,則開(kāi)始對(duì)游標(biāo)時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)。此后便關(guān)注接收脈沖,當(dāng)游標(biāo)時(shí)鐘上升沿每次到來(lái)時(shí),對(duì)接收脈沖上升沿進(jìn)行鑒別,如果它們發(fā)生重合,則立即停止計(jì)數(shù),假設(shè)游標(biāo)時(shí)鐘計(jì)數(shù)結(jié)果為K。這就是一次完整的測(cè)時(shí)過(guò)程,可知過(guò)程耗時(shí)T為

T=KT2=KT1+t

(2)

可以得出時(shí)間間隔t=KΔT。因此,測(cè)量出t就可以計(jì)算出待測(cè)距離,而游標(biāo)法測(cè)距的測(cè)量精度就取決于游標(biāo)法測(cè)量時(shí)間間隔的精度,為主時(shí)鐘與游標(biāo)時(shí)鐘周期的差值ΔT。若主時(shí)鐘與游標(biāo)時(shí)鐘周期無(wú)限接近,則測(cè)量精度理論上可以達(dá)到很高的水平[9]。

這種傳統(tǒng)的游標(biāo)測(cè)距法只適用于單一詢問(wèn)器和轉(zhuǎn)發(fā)信標(biāo)的場(chǎng)景,而在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中,往往會(huì)存在多個(gè)詢問(wèn)器和多個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)信標(biāo),這就要求詢問(wèn)器不僅能夠接收和識(shí)別自身發(fā)射的測(cè)距脈沖,還要能夠識(shí)別出是哪一個(gè)信標(biāo)轉(zhuǎn)發(fā)的。

2 基于擴(kuò)頻多址的差轉(zhuǎn)游標(biāo)測(cè)距系統(tǒng)

針對(duì)傳統(tǒng)游標(biāo)測(cè)距法應(yīng)用中的問(wèn)題,本文提出了一種基于擴(kuò)頻多址的差轉(zhuǎn)游標(biāo)測(cè)距方法及測(cè)距系統(tǒng)。系統(tǒng)在詢問(wèn)器中增加了DSSS技術(shù),采用31位Gold序列對(duì)信號(hào)進(jìn)行直接序列擴(kuò)頻處理,以提高抗干擾能力,區(qū)分不同詢問(wèn)器的測(cè)距信號(hào)[10];在轉(zhuǎn)發(fā)信標(biāo)中采用差頻轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù),利用不同的轉(zhuǎn)發(fā)頻率來(lái)區(qū)分不同的轉(zhuǎn)發(fā)信標(biāo)。測(cè)距系統(tǒng)的組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成框圖Fig.2 Block diagram of system composition

詢問(wèn)器包括時(shí)鐘控制模塊、擴(kuò)頻/解擴(kuò)模塊、調(diào)制/解調(diào)模塊、射頻收/發(fā)天線、游標(biāo)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器以及數(shù)據(jù)處理模塊;轉(zhuǎn)發(fā)信標(biāo)包括差頻模塊以及轉(zhuǎn)發(fā)控制模塊;通信基站用于對(duì)詢問(wèn)器和轉(zhuǎn)發(fā)信標(biāo)的通信和調(diào)度。

系統(tǒng)的工作流程如下：

首先,詢問(wèn)器的時(shí)鐘控制模塊產(chǎn)生周期相近的主時(shí)鐘和游標(biāo)時(shí)鐘信號(hào),并且產(chǎn)生與主時(shí)鐘信號(hào)同步的主時(shí)鐘脈沖作為測(cè)距信號(hào)。假設(shè)主時(shí)鐘和游標(biāo)時(shí)鐘的頻率分別為fclk1和fclk2,且fclk1>fclk2,兩頻率十分接近,可知主時(shí)鐘和游標(biāo)時(shí)鐘的周期分別為T(mén)1=1/fclk1和T2=1/fclk2,則游標(biāo)法分辨率為兩周期差ΔT=(T2-T1)。當(dāng)主時(shí)鐘信號(hào)和游標(biāo)時(shí)鐘信號(hào)的上升沿重合時(shí)啟動(dòng)游標(biāo)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)啟動(dòng)脈沖初始化保持低電平,如圖3所示。當(dāng)主時(shí)鐘脈沖與游標(biāo)時(shí)鐘的上升沿重合時(shí),上升沿對(duì)應(yīng)時(shí)刻就被作為啟動(dòng)計(jì)數(shù)的時(shí)刻。計(jì)數(shù)啟動(dòng)脈沖置為高電平,激勵(lì)游標(biāo)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。

圖3 時(shí)間測(cè)量過(guò)程Fig.3 Time measurement process

系統(tǒng)采用正交的Gold碼進(jìn)行擴(kuò)頻,要求擴(kuò)頻碼的位數(shù)滿足多址測(cè)距的要求,能夠區(qū)分多個(gè)不同的測(cè)距信號(hào)。研究以正交Gold序列作為擴(kuò)頻碼的擴(kuò)頻系統(tǒng)的誤比特率,繪出圖4所示的誤比特率-信噪比曲線,分析多址對(duì)擴(kuò)頻的影響。

圖4 正交Gold序列性能曲線Fig.4 Performance curve of orthogonal Gold sequence

正交Gold序列之間互相關(guān)值約為0,性能基本不會(huì)隨用戶數(shù)增加而下降。本文的系統(tǒng)采用正交的Gold碼作為擴(kuò)頻碼,系統(tǒng)可以區(qū)分不同標(biāo)簽的測(cè)距信號(hào),性能基本不會(huì)受多個(gè)地址的影響。

將Gold序列與主時(shí)鐘信號(hào)生成的脈沖序列進(jìn)行直接序列擴(kuò)頻即可得到擴(kuò)頻后的測(cè)距信號(hào),如圖3中擴(kuò)頻后信號(hào),已調(diào)制后發(fā)射載波頻率為fc1的測(cè)距信號(hào)。

轉(zhuǎn)發(fā)信標(biāo)持續(xù)接收載波頻率為fc1測(cè)距信號(hào),對(duì)測(cè)距信號(hào)進(jìn)行差頻和放大處理,差頻后發(fā)射的測(cè)距信號(hào)載波頻率為fc2,采用雙工器實(shí)現(xiàn)收發(fā)信號(hào)的隔離。

詢問(wèn)器接收端持續(xù)接收載波頻率為fc2,測(cè)距回波信號(hào),對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理,然后對(duì)整形得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相干解擴(kuò)。解擴(kuò)采用的是數(shù)字匹配濾波器[12],首先要預(yù)先存儲(chǔ)接收整數(shù)周期的參考序列,然后接收序列逐位移入移位寄存器,兩組移位寄存器的對(duì)應(yīng)比特進(jìn)行模2加,然后將模2加的結(jié)果累加。只有當(dāng)對(duì)應(yīng)寄存器的數(shù)據(jù)完全一致時(shí),輸出最大值N(N=2n-1),而當(dāng)其他的正交PN碼序列輸入的時(shí)候,累加的結(jié)果為-1。然后經(jīng)過(guò)門(mén)限比較電路,根據(jù)累加的結(jié)果與預(yù)設(shè)的門(mén)限值進(jìn)行比較判決,從而恢復(fù)出主時(shí)鐘脈沖。

計(jì)數(shù)停止脈沖初始化為低電平,如圖3,當(dāng)解擴(kuò)后信號(hào)與游標(biāo)時(shí)鐘信號(hào)的上升沿重合時(shí),將計(jì)數(shù)停止脈沖置為高電平,令計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。解擴(kuò)前信號(hào)與主時(shí)鐘脈沖存在著時(shí)延t,即待測(cè)量的時(shí)間間隔。根據(jù)游標(biāo)法原理,游標(biāo)法是以犧牲時(shí)間為代價(jià)來(lái)提高時(shí)間測(cè)量精度的,每經(jīng)過(guò)一個(gè)周期,游標(biāo)時(shí)鐘與解擴(kuò)后測(cè)距信號(hào)的上升沿之間的間隔就縮小ΔT,所以最終的計(jì)數(shù)結(jié)果乘以ΔT就等于待測(cè)時(shí)間t。

假設(shè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果為K,通過(guò)計(jì)數(shù)器測(cè)得的計(jì)數(shù)結(jié)果可以計(jì)算出待測(cè)時(shí)間t。由游標(biāo)法原理得

t=K(T2-T1)=KΔT

(3)

式中：ΔT為周期差;t即測(cè)距信號(hào)的傳播時(shí)間。

當(dāng)測(cè)量出測(cè)距信號(hào)的傳播時(shí)間后,就可以計(jì)算出距離。詢問(wèn)器與轉(zhuǎn)發(fā)信標(biāo)之間的距離為t/2時(shí)間內(nèi)測(cè)距信號(hào)的傳播距離d為

(4)

式中：v即測(cè)距信號(hào)在空氣中的傳播速率,等于光速。由所測(cè)傳播時(shí)間計(jì)算出距離后,詢問(wèn)器通過(guò)通信基站將距離信息發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行顯示,完成一次測(cè)距。

為了驗(yàn)證系統(tǒng)DSSS擴(kuò)頻和游標(biāo)測(cè)量性能,搭建了系統(tǒng)基帶模塊進(jìn)行時(shí)間測(cè)量精度實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Experimental parameters

采用數(shù)字延時(shí)器作為基準(zhǔn)延時(shí),利用多組時(shí)間延時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果Tab.2 Experimental measurement results

目前實(shí)驗(yàn)測(cè)量最大誤差約等于理論誤差0.833 ns,對(duì)于光速傳播的射頻信號(hào),對(duì)應(yīng)的測(cè)距精度約為25 cm,這種亞米級(jí)的精度測(cè)距基本滿足了大多數(shù)工業(yè)場(chǎng)景和室內(nèi)場(chǎng)景的人員定位管理需求。

3 基于擴(kuò)頻多址的差轉(zhuǎn)游標(biāo)測(cè)距系統(tǒng)的應(yīng)用

在工業(yè)生產(chǎn)中,安全是十分重要的,巡檢能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患,提高生產(chǎn)的安全性。巡檢人員在巡檢過(guò)程中也可能遇到危險(xiǎn)情況或是進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域,對(duì)巡檢人員進(jìn)行定位能夠規(guī)范巡檢流程,獲取實(shí)時(shí)位置,便于統(tǒng)一管理。這種巡檢人員定位管理的特點(diǎn)在于：一是生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域大,需要布設(shè)的轉(zhuǎn)發(fā)信標(biāo)數(shù)量多,要求轉(zhuǎn)發(fā)信標(biāo)成本低,施工簡(jiǎn)單,運(yùn)維方便;二是巡檢人員少,行走速度較慢,所佩戴的定位標(biāo)簽數(shù)量少,對(duì)其成本、功耗和定位的數(shù)據(jù)率要求都不高;三是定位精度要求高,能夠正確地獲取巡檢人員的行走軌跡。

目前工業(yè)生產(chǎn)中使用的基于Ubeacon信標(biāo)的定位系統(tǒng),也可以實(shí)現(xiàn)亞米級(jí)高精度定位[13]。該系統(tǒng)采用UWB定位技術(shù)和Ubeacon信標(biāo),Ubeacon信標(biāo)如圖5所示,可以采用內(nèi)部電池供電、外部無(wú)線信號(hào)傳輸,實(shí)現(xiàn)快速部署。

由圖5中Ubeacon信標(biāo)電路與轉(zhuǎn)發(fā)信標(biāo)電路結(jié)構(gòu)的對(duì)比可以看出,基于DW1000的Ubeacon信標(biāo)需要通過(guò)時(shí)鐘控制模擬接收機(jī)、發(fā)射機(jī),同時(shí)還包含數(shù)字收發(fā)信機(jī)、電源管理、主機(jī)接口與狀態(tài)控制器等模塊。基于CC1352P的轉(zhuǎn)發(fā)信標(biāo)結(jié)構(gòu)主要分為4個(gè)部分：主CPU、RF Core、通用硬件模塊以及傳感器接口。但是相比轉(zhuǎn)發(fā)信標(biāo),Ubeacon信標(biāo)電路結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜,發(fā)射超寬帶信號(hào)會(huì)有更高的功耗,同等條件下,Ubeacon信標(biāo)續(xù)航時(shí)間更短。

本文提出的基于擴(kuò)頻多址的差轉(zhuǎn)游標(biāo)測(cè)距系統(tǒng)采用了游標(biāo)法獲取高的定位精度,轉(zhuǎn)發(fā)信標(biāo)采用簡(jiǎn)單的差轉(zhuǎn)電路結(jié)構(gòu),因此其成本和功耗都很低;采用電池供電和無(wú)線通信調(diào)度后,安裝施工和運(yùn)行維護(hù)的成本也很低,非常適合于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的巡檢人員定位管理。

系統(tǒng)由以下核心設(shè)備組成：詢問(wèn)標(biāo)簽(即詢問(wèn)器)、轉(zhuǎn)發(fā)信標(biāo)和定位系統(tǒng)上位機(jī)。詢問(wèn)標(biāo)簽由巡檢人員攜帶,轉(zhuǎn)發(fā)信標(biāo)布設(shè)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的固定位置,上位機(jī)與詢問(wèn)標(biāo)簽通過(guò)通信基站進(jìn)行通信。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure diagram of the positioning system

在工業(yè)巡檢路線上布設(shè)轉(zhuǎn)發(fā)信標(biāo),當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)信標(biāo)接收到通信基站發(fā)來(lái)的調(diào)度信號(hào)后開(kāi)啟轉(zhuǎn)發(fā)功能。巡檢人員佩戴詢問(wèn)標(biāo)簽按規(guī)劃路線進(jìn)行巡檢時(shí),所有的詢問(wèn)標(biāo)簽發(fā)射相同載波頻率fc1的測(cè)距信號(hào),不同的詢問(wèn)標(biāo)簽采用不同的PN擴(kuò)頻碼區(qū)分。各個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)信標(biāo)具有不同的差轉(zhuǎn)頻率fc21,fc22,fc23,詢問(wèn)標(biāo)簽采用單通道調(diào)諧接收機(jī)依次接收不同信標(biāo)轉(zhuǎn)發(fā)的載波頻率fc21,fc22,fc23的測(cè)距信號(hào)。

以圖6中的詢問(wèn)標(biāo)簽1為例,通過(guò)發(fā)射3組測(cè)距信號(hào)以獲得3個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)信標(biāo)的回波信號(hào)進(jìn)行測(cè)距,獲取3組距離信息s1,s2,s3,3個(gè)信標(biāo)位置坐標(biāo)已知為(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),解方程組

(5)

即可得到詢問(wèn)標(biāo)簽1的唯一位置坐標(biāo)(x0,y0)。

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于擴(kuò)頻多址的差轉(zhuǎn)游標(biāo)測(cè)距方法,采用游標(biāo)法實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)距,采用DSSS技術(shù)以正交的PN碼區(qū)分發(fā)射載波頻率相同的不同標(biāo)簽,采用不同的差轉(zhuǎn)頻率區(qū)分不同的轉(zhuǎn)發(fā)信標(biāo)。這種方法使得轉(zhuǎn)發(fā)信標(biāo)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低,功耗小,易于電池供電;采用無(wú)線通信方式后很容易大規(guī)模地布設(shè)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)以進(jìn)行人員的定位管理,特別適合于?；踩a(chǎn)等領(lǐng)域巡檢人員高精度定位管理的要求。