基于UWB 技術的地下封閉環境動態定位系統研究

劉子涵，盛虎

（大連交通大學計算機與通信工程學院，遼寧大連，116028）

0 引言

本文針對現有技術的缺陷，利用UWВ 技術，提供了一種城市軌道地下封閉施工現場人員動態定位實時監管系統，實現高精確定位的同時進行對被困人員生理情況、現場環境的實時監測，解決了現有技術中存在的不足。

1 現有技術分析

城市軌道地下施工現場環境復雜，為防止安全事故的發生，必須借助高精度定位技術來實時監控現場情況，以便于實現安全高效的巡檢。通過高精度定位技術可對施工人員進行監測定位，這樣遇到突發事件時地面人員能及時掌握地下人員的分布概況，便于精準、高效地處理問題。

目前應用于地下封閉空間的定位技術主要有射頻識別、WiFi 定位技術、藍牙定位技術、ZigВee 技術、超聲波定位技術、UWВ 等技術。以上定位技術的參數對比如表1 所示。

表1 各定位技術的參數對比表

綜合對比各種定位技術，UWВ 定位技術通信距離遠、功耗低、抗干擾能力強。UWВ 定位技術是一種全新的技術，與傳統通信定位技術有著極大的差異。UWВ 的工作頻帶一般為3.0～10.6GHz，系統-10dВ 帶寬與系統中心頻率之比大于20%或系統帶寬至少為500MHz。UWВ 信號可通過發射時間極短的窄脈沖通過微分或混頻等上變頻方式調制到UWВ 工作頻段產生。接收端通過計算發送端發出的窄脈沖在空中的飛行時間，再乘以光速計算出讀卡子站與識別卡間的距離，從而實現定位。UWВ 定位技術的優勢為，定位精度小于1m、功耗較低、對信道衰落不敏感、抗干擾能力強、不會對同一環境下的其他設備產生干擾。

此外，目前城市軌道地下封閉現場施工過程中的人員監管系統僅能對人員的位置和活動軌跡進行監管，但是對施工人員的工作狀態和身體狀況無法及時監管。工作人員在施工過程中發生中毒、窒息、虛脫、昏迷等緊急狀況時無法實時獲取人員生理狀態信息，無法及時進行救援。

2 UWB 定位技術與計算方法

■2.1 UWB 定位技術

UWВ 定位技術是一種用于傳輸分布在較大帶寬（>500 MHz）上的信息的技術。目前UWВ 被FCC 和國際電信聯盟無線電通信部門定義為一種天線傳輸技術，其發射信號帶寬超過500 MHz 或較小的算術中心的帶寬。

■2.2 計算方法

UWВ 定位技術系統主要采用TOF（Time of Flight，信號到達時間定位法）和TDOA（Time Difference of Arrival，信號到達時間差計算法）兩種計算方法。

TOF 的測距主要是通過計算無線電信號在2 個節點間往返的傳播時間來實現的，其計算精度與時間測量精度直接相關。

若此時系統所測量的傳播時間t的精度為1 ns；無線電在傳播過程中的空氣為真空，則速度v=3×108 m/s，此時所測距離的誤差δ為：

系統中的探測器與識別卡存在無法進行時間同步的問題，因此若想計算探測器與識別卡間的傳播時間t，則需要統計探測器的發射與接收的時間來計算無線電信號的雙向傳播時間，即為2t。TDOA 則是指在系統中基站的時間完全同步、連接到同一網絡中的狀況下，計算無線電信號到達各基站的時間差，同時結合觀測點的實際位置，建立相應的定位數學模型，然后根據這些信息和建立的數學模型利用TDOA 定位算法來計算目標的位置坐標，從而計算出相應的傳播距離。

3 系統設計方案

■3.1 系統整體結構

系統由生理信號監測模塊、定位及環境監測模塊、定位基站及網絡模塊和監管端四部分組成，如圖1 所示。生理信號監測模塊用于采集被監測人員的體溫、脈搏、運動動作等信息，通過藍牙方式與定位及環境監測模塊進行通信；定位及環境監測模塊用于執行人員定位與環境監測，并通過無線網絡將信息傳輸給定位基站及網絡模塊；定位基站及網絡模塊實時與基站節點進行無線通信，實現實時定位；監管端將收集到的生理信息、人員定位信息、環境監測信息進行處理與分析，當發現異常時及時發送報警信息并實時記錄全部信息。

圖1 系統結構圖

■3.2 系統各模塊功能

（1）生理信號監測模塊采集被監測人員的體征信息，體征信息包括：體溫、脈搏、血氧和運動動作，并通過藍牙方式與定位及環境監測模塊進行通信，對人員體征信息進行實時監測，并在發現生命體征異常后及時發出警報。

（2）定位及環境監測模塊用于執行人員所在位置的確定，以及溫濕度、煙霧、可燃氣體的環境監測，并通過無線網絡將信息傳輸給定位基站及網絡模塊，以確保人員所處環境可控且處于安全范圍內。

（3）定位基站及網絡模塊提供人員定位的基準信息，并提供網絡連接功能，實時與基站節點進行無線通信，將定位及環境監測模塊的信息發送到監管端，以實現監管端對于生理信號監測模塊、定位及環境監測模塊所采集信息的實時監測。

（4）監管端用于接收定位及環境監測模塊和生理信號監測模塊的信息，并進行顯示，使相關負責人員能夠清晰且及時地獲取地下施工人員的生命體征信息、實時位置以及其所處環境的狀況，從而能夠完成日常監管以及對各種突發狀況的及時處理。

4 系統功能實現

■4.1 生理信號監測模塊設計

生理信號監測模塊佩戴在手腕上，由藍牙通信裝置、核心處理器、存儲器、震動馬達、溫度傳感器、脈搏傳感器、血氧傳感器、運動傳感器組成，如圖2 所示。

圖2 生理信號監測模塊結構圖

藍牙通信裝置通過預先安裝好的藍牙局域網接入點，將局域網接入點設備作為主設備，然后連接并維持好網絡內的多個用戶，傳輸傳感器所儲存的信息，從而實現與定位及環境監測模塊進行無線通信；核心處理器負責采集傳感器數據、控制存儲器存取數據、控制震動馬達和通信裝置，實現各部分的有序運行；模塊通過溫度傳感器、脈搏傳感器、血氧傳感器、運動傳感器監測到人員生理信號異常或行動異常時將自動控制震動馬達提醒佩戴人員注意自身安全，同時通過藍牙通信裝置，發送信息給定位及環境監測模塊，并最終上傳給網絡監管主機，以便監管人員對各種突發狀況的及時處理；運動傳感器用于收集佩戴者動作信息；溫度傳感器、脈搏傳感器、血氧傳感器負責采集施工人員的體溫、脈搏、血氧等生命體征，以實現對人員身體狀況的實時監測；存儲器則負責存儲和提取溫度傳感器、脈搏傳感器、血氧傳感器、運動傳感器收集的數據。

■4.2 定位及環境監測模塊設計

定位及環境監測模塊安裝于安全帽上，由通信裝置、核心處理器、報警裝置、定位模組、電池、溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器和可燃氣體傳感器組成，如圖3 所示。

圖3 定位及環境監測模塊結構圖

通信裝置用于接收生理信號監測模塊信號，并將定位及環境監測模塊和生理信號監測模塊收集的信息發送至定位基站及網絡模塊。核心處理器負責采集傳感器數據、收集分析定位模組數據、控制報警裝置和通信裝置，實現各部分的有序運行。報警裝置在系統檢測到環境異常或人員生理信號異常（通過藍牙獲取生理信號監測模塊信息）時自動發送報警信號，以便監管人員對各種突發狀況的及時處理。定位模組采用UWВ 技術UWВ 信號可通過發射時間極短的窄脈沖通過微分或混頻等上變頻方式調制到UWВ 工作頻段產生。保證其多徑信號在時間上得到分離，傳播過程中受到反射波和折射波的影響也不會在時間上重疊，能夠有效抑制信號衰落，接收端通過計算發送端發出的窄脈沖在空中的飛行時間，再乘以光速計算出讀卡子站與識別卡間的距離，從而獲得極高的多徑分辨力，將精確的位置信息傳送給定位基站及網絡模塊。電池用于為通信裝置、核心處理器、報警裝置、定位模組和傳感器供電，確保設備正常運行。

■4.3 定位基站及網絡模塊設計

定位基站及網絡模塊是由路由器和多個基站節點組成的一個無線局域網絡，網絡由路由器通過基站節點進行無線鏈接組成IPV6 Mesh 網絡，通過無線鏈路搭建成具有網狀拓撲結構的通信網絡，在該網絡拓撲內，各個節點的地位都是平等的，任意一點均可以和其他節點通過無線鏈路進行通信，不需要存在中心節點，確保擁有相同的SSID 和處于同一信道的節點即可夠建立無線連接，基站節點安裝在封閉施工現場上方。定位模塊定時與基站節點進行無線通信，基站節點之間的間隔為300～600 米，實現實時定位，如圖4所示。

圖4 定位基站及網絡模塊結構圖

本模塊采用基于到達時間差方法（TDOA）進行實時定位，需要定位基站之間保持時間同步，并保持其連接到同一網絡中，使得系統實現精準定位，定位精度達到厘米級。其原理是選取一個定位基站作為時間參考定位基站，目標節點向所有定位基站發射定位信標，根據其他定位基站接收到信標的時間戳減去參考定位基站接收到信標的時間戳就可以得到信標到達不同定位基站的時間差，從而計算出此定位基站與目標節點的距離差。根據目標節點到兩個定位基站之間的距離差就可以確定一條唯一的雙曲線，在二維坐標系中至少需要三個定位基站來確定兩條雙曲線，雙曲線的交點就是目標節點的坐標。在定位系統中首先獲得待測目標位置的測量信息，再建立相應的定位數學模型，然后根據這些信息和建立的數學模型利用TDOA 定位算法來計算目標的位置坐標。服務器配置定位人員實施監督管理軟件，系統的軟件設計采用分層結構，各層之間從應用層開始依次調用下一層來完成測距定位功能。此外可以對施工人員進行分組管理，設置不同的權限，結合電子圍欄功能限定施工人員的工作區域，以實現施工的有效進行。

■4.4 監管端部分設計

監管端由位置顯示子模塊、環境顯示子模塊、體征顯示子模塊三部分組成。其中位置顯示子模塊收集Mesh 網絡中的位置信息并實時顯示施工現場所有工作人員的動態位置；環境顯示子模塊收集施工現場主要位置的溫濕度、煙霧濃度、可燃氣體濃度并實時顯示；體征顯示子模塊收集現場工作人員體溫、脈搏、血氧、體態信息并動態顯示。

監管平臺具備自動報警功能，當現場施工人員處于危險環境時，或者現場施工人員生命體征出現異常時，監管端在屏幕中進行紅色標注請進行閃爍提示，幫助監管人員及時發現危險并及時救助工作人員。

5 結論

目前城市軌道地下封閉現場施工過程中的人員監管系統僅能對人員的位置和活動軌跡進行監管，且定位精度與采用定位技術各不相同，同時對施工人員的工作狀態和身體狀況無法及時監管。本設計針對現有技術的缺陷，結合人員定位與其身體狀況雙方面進行監測，提供了一種城市軌道地下封閉施工現場人員動態定位實時監管系統。此系統通過定位及環境監測模塊、生理信號監測模塊、定位基站及網絡模塊和監管端四部分，實現了同時對施工人員的位置和活動軌跡，以及工作狀態和身體狀況進行監管。經測試，本系統能夠有效降低意外事故造成的人員傷亡和財產損失，實現隧道或城市軌道地下施工的智能化、可視化、數字化，加快施工進度，保證施工質量。