如何通过“飞行时间”进行人员测距与定位?

时间:2018-04-11 16:31来源:ZLG致远电子

摘要:人类为了不让自己迷失在茫茫大自然中,发明罗盘、指南针、卫星等工具,解决了“我在哪里”的问题;随着大型工厂或矿下人员安全要求提高,还需解决“你在哪里”的人员定位问题。

人类为了不让自己迷失在茫茫大自然中,发明罗盘、指南针、卫星等工具,解决了“我在哪里”的问题;随着大型工厂或矿下人员安全要求提高,还需解决“你在哪里”的人员定位问题。

工厂企业规模生产规模不断增加,动辄几千亩的生产厂区对于安全生产的全程人员管理提出更高要求,尤其是电力、炼油化工企业属于高温、高压、易燃、易爆、有毒的危险行业,加之具有生产装置大型化、密集化、生产工艺复杂、生产过程紧密耦合等特点,与其他工业部门相比具有更大的危险性。


 
图 1 大型工厂由于设备特点、行业特殊性等定位搜救困难
 
如何加强管控,及时定位工厂人员位置,降低危险事故发生的概率,一直是生产中的关键性问题。工业级技术的定位精度要求更高,要区分人群中的个人等,与专用标签和传感器配套使用。

 
图 2 不同类型的电子标签与基站
 
今天我们这里来了解下zigbee工业级定位方案。

 
图 3 多种定位方案精度及开发难度二维图
 
TOF测距功能
ZM5168 模块具有硬件Time-of-Flight(ToF)引擎,该引擎具有测量两个zigbee 节点间2.4GHz 信号传输时间的功能。通过测量节点间信号的传输时间,可推算出这两个zigbee 节点的距离。在测量出zigbee 节点间的距离后可用于开发zigbee 节点定位等应用系统。

两个zigbee 节点间执行ToF 的运行机制为:本地节点发送一个ToF 报文给远端节点,远端节点对这个ToF 报文自动回复一个应答,如图 4所示。


 
图 4  ToF运行机制
 
本地节点测量从发送ToF 报文到接收到应答的时间,这个总的时间为TTOT。同时远端节点会记录回复ACK 所需要的时间TTAT。把总的时间减去远端节点回复ACK 所耗费的时间,就是信号在两节点间来回总的时间TRTT。假设信号在两节点间来回的时间相等,则两节点间的信号传输时间为来回总的时间的一半,如公式所示。

 
公式 1  ToF时间计算公式
 
因为ToF 测距是依靠测量本地和远端节点的信号传输时间的,他会受到两个节点的时钟频率误差影响,为了减少这个影响,需要进行反向测量,即由远端节点发送ToF 报文,本地节点回复应答,然后把正向测量和反向测量的结果求平均,就能消除这个频率误差影响。ZM5168 的ToF 测距命令提供正向和反向测距的功能。

测试示例:(CMD 为命令,RSP 为应答)
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


命令需要正向测距8 次,返回的应答有7 次是测距成功,返回的测距数据如所示。
把测出的ToF 时间乘以0.03 得到两节点的距离,单位是厘米。


表 1 示例测试数据
 
 
 
图 5 致远电子zigbee无线定位方案
 
zigbee的传输速率低,发射功率仅为1mW左右,而且接纳了休眠模式,功耗低,因此zigbee配置非常省电。另外一个星型布局的zigbee网络在轮询机制下,理论上节点容量高达 65535 个,而且网络组网灵活机动。目前zigbee无线定位方案广泛应用于矿下人员定位、工厂人员定位以及隧道人员定位等应用现场。

ZM516x是ZLG致远电子基于NXP JN5168无线微控制器开发的一系列低功耗、高性能zigbee模块,并提供一个完整的基于IEEE802.15.4标准ISM频段的应用集成方案。


 
图 6  ZLG致远电子ZM5168无线模块
 
同时ZLG致远电子研发生产了一款zigbee转以太网网关设备——ZBNET-300C-U工业级标准设计,实现zigbee网络与以太网高速透传,无需二次开发即可快速将zigbee局域网络接入互联网,实现远程zigbee控制和数据采集的目的。

 
图 7 zigbee转以太网网关设备
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