如何通過“飛行時間”進行人員測距與定位？

　　人類為了不讓自己迷失在茫茫大自然中，發(fā)明羅盤、指南針、衛(wèi)星等工具，解決了“我在哪里”的問題;隨著大型工廠或礦下人員安全要求提高，還需解決“你在哪里”的人員定位問題。

　　工廠企業(yè)規(guī)模生產(chǎn)規(guī)模不斷增加，動輒幾千畝的生產(chǎn)廠區(qū)對于安全生產(chǎn)的全程人員管理提出更高要求，尤其是電力、煉油化工企業(yè)屬于高溫、高壓、易燃、易爆、有毒的危險行業(yè)，加之具有生產(chǎn)裝置大型化、密集化、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、生產(chǎn)過程緊密耦合等特點，與其他工業(yè)部門相比具有更大的危險性。

　　圖1 大型工廠由于設(shè)備特點、行業(yè)特殊性等定位搜救困難

　　如何加強管控，及時定位工廠人員位置，降低危險事故發(fā)生的概率，一直是生產(chǎn)中的關(guān)鍵性問題。工業(yè)級技術(shù)的定位精度要求更高，要區(qū)分人群中的個人等，與專用標簽和傳感器配套使用。

　　圖2 不同類型的電子標簽與基站

　　今天我們便來了解下zigbee工業(yè)級定位方案。

　　圖3 多種定位方案精度及開發(fā)難度二維圖

　　TOF測距功能：

　　ZM5168模塊具有硬件Time-of-Flight(ToF)引擎，該引擎具有測量兩個zigbee節(jié)點間2.4GHz信號傳輸時間的功能。通過測量節(jié)點間信號的傳輸時間，可推算出這兩個zigbee節(jié)點的距離。在測量出zigbee節(jié)點間的距離后可用于開發(fā)zigbee節(jié)點定位等應(yīng)用系統(tǒng)。

　　兩個zigbee節(jié)點間執(zhí)行ToF的運行機制為：本地節(jié)點發(fā)送一個ToF報文給遠端節(jié)點，遠端節(jié)點對這個ToF報文自動回復(fù)一個應(yīng)答，如圖4所示。

　　圖4 ToF運行機制

　　本地節(jié)點測量從發(fā)送ToF報文到接收到應(yīng)答的時間，這個總的時間為T_TOT。同時遠端節(jié)點會記錄回復(fù)ACK所需要的時間T_TAT。把總的時間減去遠端節(jié)點回復(fù)ACK所耗費的時間，就是信號在兩節(jié)點間來回總的時間T_RTT。假設(shè)信號在兩節(jié)點間來回的時間相等，則兩節(jié)點間的信號傳輸時間為來回總的時間的一半，如公式所示。

　　ToF時間計算公式

　　因為ToF測距是依靠測量本地和遠端節(jié)點的信號傳輸時間的，他會受到兩個節(jié)點的時鐘頻率誤差影響，為了減少這個影響，需要進行反向測量，即由遠端節(jié)點發(fā)送ToF報文，本地節(jié)點回復(fù)應(yīng)答，然后把正向測量和反向測量的結(jié)果求平均，就能消除這個頻率誤差影響。ZM5168的ToF測距命令提供正向和反向測距的功能。

　　測試示例：(CMD 為命令，RSP 為應(yīng)答)

　　CMD：DE DF EF E1 20 01 00 08 AA

　　RSP： DE DF EF E1 20 01 00 07 00 01 54 28 2D FB 2D E6 00 01 42 50 2D FF 2E FA 00 01 36 7E 2D F2 2D F9 00 01 36 9E 2D E7 2D EE 00 01 4D 6B 2D F4 2E EC 00 01 3E E4 2D F5 2E F3 00 01 44 E6 2D EC 2D EF 00

　　命令需要正向測距8次，返回的應(yīng)答有7次是測距成功，返回的測距數(shù)據(jù)如所示。

　　把測出的ToF時間乘以0.03得到兩節(jié)點的距離，單位是厘米。

　　表1 示例測試數(shù)據(jù)

　　圖5 致遠電子zigbee無線定位方案

　　zigbee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW左右，而且接納了休眠模式，功耗低，因此zigbee配置非常省電。另外一個星型布局的zigbee網(wǎng)絡(luò)在輪詢機制下，理論上節(jié)點容量高達65535個，而且網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)靈活機動。目前zigbee無線定位方案廣泛應(yīng)用于礦下人員定位、工廠人員定位以及隧道人員定位等應(yīng)用現(xiàn)場。

　　ZM516x是ZLG致遠電子基于NXP JN5168無線微控制器開發(fā)的一系列低功耗、高性能zigbee模塊，并提供一個完整的基于IEEE802.15.4標準ISM頻段的應(yīng)用集成方案。

　　圖6 ZLG致遠電子ZM5168無線模塊

　　同時ZLG致遠電子研發(fā)生產(chǎn)了一款zigbee轉(zhuǎn)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備——ZBNET-300C-U工業(yè)級標準設(shè)計，實現(xiàn)zigbee網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)高速透傳，無需二次開發(fā)即可快速將zigbee局域網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)遠程zigbee控制和數(shù)據(jù)采集的目的。

　　圖7 zigbee轉(zhuǎn)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備