基于無線脈沖的車間資源感知定位系統設計

卓 杰，牟家正，王 躍

（連云港杰瑞深軟科技有限公司，連云港 222002）

安全生產是一項極其廣泛復雜的工作，也是企業必須重視和做好的工作。首先，安全生產直接關系到人民生命財產安全和國家投資效益及社會公共利益，直接關系到企業形象；其次國家和社會對于安全生產的期望和要求越來越高，客觀環境要求企業不能在安全上出現失誤[1]。

當前，大型制造企業車間內人員、設備、資產等資源主要依靠監管人員進行現場管理，監管人員工作強度大、監管效率低，不僅消耗大量的人力物力，同時無法做到實時定位監控和及時響應[2]。在實際工作中，由于制造過程現場環境比較特殊，制造車間內部結構復雜，金屬結構造成的內部通信困難和信息化程度低等原因，導致了車間設備、人員、資產等資源定位難度大，現場安全生產管理困難。因此，迫切需要一種手段對車間重要區域進行有效管理監督，提高安全生產管理水平，提升工作效率。

針對大型制造企業車間特定區域內的安全管理需求，通過對無線脈沖的應用，提出了基于高性能處理芯片和無線脈沖的車間資源綜合管感知定位系統方案，詳細分析了高精度無線定位系統的設計原理，開發出高可靠性的車間資源感知定位系統，能夠方便、直觀、安全、全方位對管理區域內部的人員、設備、資產等進行授權，實現船舶制造企業車間資源的實時識別和定位管理，及時發現該區域內部發生的異常狀況，發布告警信息，提高安全生產管理水平，提高工作效率。

1 基于無線脈沖的車間資源定位系統架構

基于無線脈沖的車間資源感知定位系統主要由企業層和車間層兩大部分組成。其中企業層主要包括：監控中心管理平臺、企業IP網絡、網絡交換設備、系統服務器中心等。車間層主要包括：車間內部交換網絡、設備網關、定位基站、定位標簽、視頻聯動設備等。企業層和車間層通過安全防護網關以及核心交換機聯通。

車間層用于識別和采集車間人員、設備、資產等制造資源的位置信息，并將采集到的數據信息通過有線通信網絡傳送到系統服務器中心定位軟件系統進行分析和處理。系統服務器中心軟件系統主要用來進行數據采集、處理、展示和存儲，并通過數據集成接口與企業層資源管理系統進行數據傳輸，便于企業管理人員通過監控系統軟件的圖形界面或文字列表直觀了解到車間資源的活動軌跡，確定車間綜合資源位置信息。

大型制造車間環境下電磁干擾較強，而且數據采集點分布范圍很廣，根據車間實際情況，從系統的可靠性、實時性和可擴展性出發，本文提出了基于無線脈沖構建車間資源感知定位系統，其系統結構如圖1所示。

圖1 車間資源定位系統網絡架構Fig.1 Network architecture diagram of positioning system for manufacturing resources

2 無線脈沖簡介

無線脈沖是近年來發展起來的一種定位技術，一般使用的是極窄的脈沖信號或者極寬的頻譜帶寬信號進行信息的傳遞，與其他定位技術相比，主要優點是穿透能力強、定位精度高，具有厘米級的定位能力[3]。無線脈沖可以在封閉的室內或者障礙物較多的情況下完成測距定位任務，即使在地下空間中性能也能得到較好的發揮[4]。

無線定位技術很多，但每種定位技術都有各自特點及應用場合。文獻[5-7]對常見無線定位技術進行了介紹，并對常見無線定位技術進行了對比，如表1所示。

表1 常見無線定位技術對比Tab.1 Comparison of common wireless location technologies

表中可以看出，無線脈沖的精度為厘米級，與其它定位方式相比，具有較好的定位精度。更關鍵的是，由于無線脈沖信號的特征，決定了無線脈沖定位能夠在電磁環境較為復雜的變電站中精度不會下降，而且對計量、保護設備及通信系統不會有干擾。

無線脈沖基于到達時間（TOA）的定位方式利用3個固定位置參考點向移動標簽發射信號，如圖2所示。標簽根據信號接收時間以及固定參考點發射信號時間，以及3個參考點到標簽的距離計算出標簽的位置。

圖2 無線脈沖三參考點定位示意Fig.2 Wireless impulse positioning system based on three-point wireless impulse

3 車間資源感知定位系統硬件設計

基于無線脈沖的車間資源感知定位系統的硬件設計包括定位基站、定位標簽硬件設計。車間資源感知定位系統主要完成對車間內人員、設備、資產等位置信息的采集任務。控制器設計主要根據車間資源感知定位系統需要采集的定位傳感器數據以及數據處理精度來選擇主控芯片的類型、定位模塊型號、存儲器存儲方式、網絡通信方式、數據傳輸形式。考慮到大型企業制造車間的復雜電磁應用環境，硬件電路設計重點考慮無線定位模塊抗復雜電磁干擾能力。定位系統具有較高的數據傳輸速率以及較強的實時性要求，系統選用高性能ARM芯片、DW1000無線定位模塊等完成控制器硬件部分電路設計，定位基站控制器硬件框圖如圖3所示。

圖3 定位基站硬件框圖Fig.3 Hardware system architecture diagram of base station

4 車間資源感知定位系統軟件設計

車間資源感知定位系統的軟件設計包括：定位基站控制器嵌入式軟件設計、定位系統管理軟件設計。

4.1 嵌入式軟件設計

嵌入式軟件設計主要是完成定位標簽到定位基站信號到達時間的測量、定位基站之間信號到達時間信息的測量、將定位基站獲得位置信息傳送給監控系統。嵌入式軟件的信息處理流程采用順序處理，包括主控芯片的復位和時鐘配置模塊、以太網模塊、定時器模塊、DW1000模塊等初始化，DW1000無線定位處理模塊采用中斷方式進行處理。定位基站傳感器嵌入式軟件流程如圖4所示。

4.2 定位系統管理軟件設計

定位系統管理軟件主要完成定位分析、定位解算、定位基站狀態顯示、位置信息顯示、系統配置管理等。定位基站狀態顯示主要顯示定位基站是否連接到定位系統軟件，網絡連接是否成功；位置信息顯示主要顯示定位標簽的位置信息以及定位標簽的工作狀態，實時顯示車間內人員、設備、資產定位標簽的活動軌跡；系統配置管理主要包括定位管理系統的功能模塊配置以及定位基站的配置。定位系統管理軟件流程如圖5所示。

圖4 嵌入式軟件流程Fig.4 Embedded software flow chart

圖5 監控系統軟件流程Fig.5 Monitoring system software flow chart

5 系統測試與結果分析

車間資源感知定位系統的性能分析，主要是在實際的總裝聯調車間環境下通過安裝的一套定位系統軟硬件進行系統驗證，車間資源感知定位系統由定位基站、定位標簽、POE交換機以及定位系統管理軟件組成。系統驗證包括：系統定位基站傳感器與定位標簽通信測試、車間資源位置信息、定位管理系統實時定位軌跡顯示、定位系統視頻聯動功能展示、定位系統電子圍欄報警燈功能。通過定位基站傳感器通信指示燈以及定位系統后臺觀察定位基站與定位標簽之間通信是否成功，如圖6所示管理系統實時顯示的定位基站與定位標簽之間通信成功。如圖7所示為定位管理系統中車間資源實時定位軌跡顯示，圖示主要為人員實時軌跡顯示。如圖8所示為定位管理系統視頻聯動功能顯示，主要為定位管理系統電子圍欄子系統中人員入禁區視頻聯動功能驗證。

6 結語

圖6 基站與標簽通信成功Fig.6 Success of communication between base station and label

圖7 定位系統軌跡顯示Fig.7 Track display

圖8 定位系統視頻聯動Fig.8 Video linkage supervision

本方案通過設計基于無線脈沖的車間資源感知定位系統，以無線脈沖作為無線定位系統通信的載體，提出并應用了DW1000無線定位模塊以及高性能ARM芯片設計并實現了定位基站傳感器。設計的車間資源感知定位系統通過無線脈沖基站傳感器獲取車間內人員、設備、資產的位置信息，車間管理人員通過定位系統管理軟件的圖形界面或文字列表直觀了解到車間資源的活動范圍，確定了車間資源位置信息，完善了車間制造資源數據的完整性。本系統與傳統的室內定位系統相比具有數據傳輸速度快、定位精度高、可靠性高、適應惡劣工作環境、抗干擾能力強等優點，能夠實現預期目標。