基于UWB定位技術的建筑工地人員安全管理系統

張 力，羅炬鋒，單聯海

（1.上海物聯網有限公司，上海 201899；2.中國科學院上海微系統與信息技術研究所，上海 200050；3.云池網絡科技（上海）有限公司，上海 200030）

0 引 言

近年來，隨著我國經濟實力的高速增長，城市化進程不斷加快，基建投資急劇增多，超大規模、超高層建筑如雨后春筍般在各大城市拔地而起。超高層建筑可緩解城市土地資源日益緊缺的壓力，已成為當前建筑行業發展的主流趨勢。超高層建筑施工現場環境復雜多變，施工過程涉及大量高空作業和臨邊作業等項目，同時還存在多工種交叉作業的情況，加之施工人員不熟悉現場環境、操作不規范、安全防范措施不到位等因素影響，極易引發如高墜、觸電、物體打擊、機械傷害等安全事故，其中高墜事故占據極大比重。研究和采取科學有效的預防措施，減少甚至杜絕上述事故的發生，對于保障建筑施工人員人身安全、提升建筑施工企業社會形象、推進建筑施工安全文明標準化都具有重要意義。

在引發建筑施工安全事故的眾多因素中，施工人員的不安全行為是重要誘因。由于現場施工人員眾多、素質良莠不齊，傳統的安全管理手段中，入場安全教育能在一定程度上提高人員安全意識，但不能有效約束或監督其在施工現場的不安全行為；而以定期現場安全檢查為代表的傳統安全監督檢查機制，無法對人員不安全行為進行全天候的實時監控和預警，亦難以滿足現實需要。針對上述現狀，本文提出一種基于超寬帶（Ultra Wide Band,UWB）定位技術的建筑工地人員安全管理系統，利用實時獲取的施工人員精確位置信息，隨時掌握人員位置、活動軌跡及各區域人員分布情況，對人員靠近或滯留危險區域的行為進行提醒和預警，預防和減少高墜等安全事故的發生，實現建筑施工現場安全管理的信息化與智能化。

1 系統方案

1.1 UWB定位技術

超高層建筑物一般為鋼筋混凝土結構，衛星信號難以到達其內部，因此傳統的室外衛星定位技術如GPS定位技術不適用于本文討論的應用場景。針對室內環境下的定位，目前的主流方案主要基于WiFi、藍牙、ZigBee、紅外線、RFID、UWB等技術。與其他幾種無線技術相比，UWB技術具有抗干擾能力強、抗多徑效應好、測距精度高等優點，非常適合用于室內復雜環境中的移動目標定位，因而在室內定位系統方案中倍受青睞。UWB定位技術的基本原理是利用在室內環境中部署若干能接收UWB脈沖信號的定位基站，定位對象（人員或物品）攜帶或安裝可發送UWB脈沖信號的定位標簽，由于定位標簽發送的脈沖信號到達各定位基站的時間不同，故后臺定位算法將利用該時間差來計算定位標簽的位置，一般選用基于到達時間（Time of Arrival,TOA）或到達時間差（Time Difference of Arrival,TDOA）的方法。不同定位技術的對比見表1所列，可以看出，UWB定位技術能實現厘米級的定位精度，可以滿足建筑施工現場人員精確定位的需求。

表1 不同室內定位技術對比[4]

1.2 系統架構

系統架構自下而上可以分為感知層、網絡層、應用層，如圖1所示。

圖1 系統架構示意圖

感知層包含2類終端，即定位終端和圖像采集終端。其中，定位終端主要包含若干用于確定位置安裝的定位基站和施工人員隨身攜帶的定位標簽。基站數量一般不少于3個，且其中1個為主基站，其余為從基站。主基站負責定時向從基站發送時鐘同步信號，以保證主、從基站間的時鐘同步，基站可以通過以太網供電（Power over Ethernet,POE）或通過直流電源供電，并通過網絡層的有線網絡或無線網絡向應用層后臺服務器發送數據。定位標簽使用電池供電，且內置加速度傳感器，當其長時間處于靜止狀態時將自動進入低功耗休眠模式以減少電量消耗，若標簽發生移動則自動進入喚醒模式，并以一定頻率向各基站發送包含標簽ID、發送時間戳、發包序號等信息的定位數據包。圖像采集終端主要為攝像頭，其以POE方式供電，通過網絡層有線網絡向服務器發送現場視頻圖像數據。應用層的后臺服務器收到定位基站發來的定位數據后，參考各基站的位置坐標，利用定位算法計算出定位標簽的位置坐標，并通過客戶端電腦、大屏幕、報警器等終端設備提供實時定位結果顯示、歷史軌跡查詢、視頻聯動查看、危險行為預警等功能。

2 硬件設計

系統硬件設計主要針對UWB定位基站和定位標簽，下面分別對其核心模塊及設計思路進行介紹。

2.1 定位基站

定位基站的核心模塊包括主控模塊、UWB模塊、通信模塊和電源管理模塊，硬件框架如圖2所示。

圖2 定位基站硬件框架

主控模塊負責為UWB模塊提供相關時序及數據交互，并通過控制通信模塊實現定位基站與后臺服務器間的通信。主控模塊核心元件采用意法半導體公司出品的超低功耗32位微控制器STM32L152C8，該芯片基于高性能ARM Cortex-M3內核，最高工作頻率可達32 MHz，具有128 KB的程序存儲空間和16 KB的運行內存，擁有多種通信接口，如IC、SPI、USART、USB等，及豐富的可編程I/O以及A/D、D/A資源，具備低至0.3 μA的低功耗待機模式和9 μA的低功耗運行模式。這款芯片具有處理速率快、功耗低、體積小、成本低、適用性強等優點，非常適合用作各類物聯網感知終端的微控制器。

UWB模塊主要包含一塊UWB無線收發芯片以及通過射頻電路與之相連的內置式全向平面天線。UWB無線收發芯片采用DecaWave公司出品的DW1000，該芯片符合IEEE802.15.4-2011標準，抗多徑衰落能力強，具有可編程射頻功率輸出功能，支持最高6.8 Mb/s的數據傳輸速率，睡眠模式電流為1 μA，在實時定位系統（Real Time Location System,RTLS）中支持高標簽密度，定位精度可達厘米級，其通過SPI總線與主控模塊中的微控制器進行數據交互。

通信模塊為定位基站提供有線和無線網絡通信功能，由以太網模塊和WiFi模塊組成。其中，以太網模塊核心元件為德州儀器公司出品的TM4C129，該芯片內部包含以太網物理層的10BASE-T/100BASE-TX以太網控制器以及12位模數轉換器，無需外界物理層芯片就可以實現以太網通信；WiFi模塊核心元件為GainSpan公司出品的GS2101，這是一款高集成度超低功耗WiFi模塊，支持IEEE 802.11b/g/n無線網絡協議，最高無線速率為65 Mb/s，具有豐富的接口資源，可提供靈活、可靠、安全的無線網絡連接。通信模塊通過串口與主控模塊進行數據交互。

電源管理模塊利用POE供電轉換電路和直流穩壓電路為定位基站中各模塊提供穩定的直流電源。定位基站實物及其安裝效果如圖3所示。

圖3 定位基站實物及其安裝效果示意圖

2.2 定位標簽

定位標簽的核心模塊包括主控模塊、UWB模塊、移動偵測模塊和電源管理模塊，硬件框架如圖4所示。

圖4 定位標簽硬件框架

定位標簽主控模塊以及UWB模塊中的微控制器、UWB無線收發芯片采用了和定位基站相同的方案，不同之處在于，為了將定位標簽做得盡可能小從而保證其便攜性，定位標簽UWB模塊中的天線采用了體積更小的板載陶瓷天線；同時，在DW1000芯片和天線之間增加了一個功率放大器（Power Amplifier,PA），當標簽與基站的直接通信路徑上存在遮擋時，標簽射頻信號能更容易被基站接收，從而提升系統的抗干擾能力。

移動偵測模塊負責檢測定位標簽的運動狀態，當定位標簽從長時間靜止狀態下發生移動時，將標簽從低功耗休眠模式喚醒。其核心元件為ADI公司出品的ADXL362，這是一款超低功耗、高分辨率三軸加速度計，能以極低的功耗進行閾值感測和運動加速度測量。移動偵測模塊通過SPI總線與主控模塊進行數據交互。

電源管理模塊主要包括一塊鋰電池以及電壓轉換電路、電壓檢測電路等，負責為定位標簽供電，并在主控模塊的支持下提供電池電量檢測等功能。

定位標簽實物及其安裝效果如圖5所示。

圖5 定位標簽實物及其安裝效果示意圖

3 軟件設計

3.1 系統管理平臺

系統管理平臺根據應用需求采用模塊化設計，基于B/S架構進行構建，主要由定位引擎、系統管理、數據管理、事件管理、應用服務五大功能模塊組成。平臺功能框架如圖6所示。

圖6 系統管理平臺功能框架

定位引擎模塊：作為系統的核心功能模塊，負責對定位終端上傳的數據進行融合分析，基于定位軟件算法完成主、從基站間的時鐘同步，以及對定位標簽的位置解算與軌跡補償等優化處理，并根據定位解算結果對靠近或長時間滯留危險區域的警情事件做出判決。

系統管理模塊：包括用戶管理（用戶登錄、用戶權限等）、基于信息整合的報表管理、系統服務管理與集成管理等。

數據管理模塊：實現對定位終端等設備信息與實時狀態數據、攝像頭監控數據、監控區域地圖數據以及報警記錄數據的存儲、分類、統計、查詢等功能。

事件管理模塊：實現對報警事件詳情、事件處理狀態以及設備與系統維護保養記錄的管理，同時提供相關消息通知功能。

應用服務模塊：依托后臺客戶端電腦、大屏幕，以及安裝在現場警戒區域的報警器等終端設備，在定位引擎模塊的支持下實現定位結果展示、歷史軌跡查詢、視頻聯動查看、危險行為預警等功能，同時提供開放應用程序接口，便于二次開發以及與其他平臺實現數據共享。

3.2 終端軟件流程

定位基站軟件處理流程如圖7所示。基站分為主基站和從基站，主基站定時向各從基站發送時鐘同步信號作為所有基站的時鐘同步基準，各從基站接收到時鐘同步信號后，標記各自的接收時間戳并將其封裝為時鐘同步數據包，然后通過有線或無線網絡上傳至后臺服務器。主、從基站接收到定位標簽發送的定位數據幀后，標記各自的接收時間戳并將其封裝為定位數據包，然后通過有線或無線網絡發送至后臺服務器。服務器的定位引擎模塊利用相關算法完成主、從基站的時鐘同步參數計算，以及標簽位置解算等。

圖7 基站軟件處理流程

定位標簽軟件處理流程如圖8所示。標簽上電后初始狀態為低功耗休眠模式，當移動偵測模塊偵測到標簽發生移動時，標簽被喚醒，并開始以預設頻率向各定位基站發送定位數據幀，同時持續偵測標簽的運動狀態，若標簽超過一定時間未發生新的移動則重新進入低功耗休眠模式。

圖8 標簽軟件處理流程

3.3 定位解算算法

本系統采用TDOA算法來完成定位標簽的位置解算。與TOA算法相比，TDOA算法無需基站和標簽保持時間同步，只需要各基站間保持時間同步即可，因此更容易實現。TDOA算法又被稱為雙曲線定位法，如圖9所示。基本原理：在各定位基站位置坐標數據已知的條件下，利用UWB信號從定位標簽到達不同基站所產生的多組時間差，經數學計算得到標簽的位置坐標。

圖9 TDOA算法示意圖

若定位基站i(i=1,2,...,n,n≥3)的位置坐標(x,y)已知，待求解的定位標簽坐標為(x,y)，假設t為UWB信號從標簽到基站i的傳輸時間，d為標簽與基站i之間的距離，以基站1作為時鐘參考基站，利用上述參數可以建立如下雙曲線方程組：

式中，c為電磁波傳播速度。

當n=4時，式（1）可以轉換為矩陣特征方程：

利用最小二乘法求解可得：

通過上述方法可以得到標簽位置坐標的初步估計值，在實際應用中可以進一步利用Chan氏算法，通過多步加權最小二乘法對定位誤差進行修正。同時，采用卡爾曼濾波算法消除信號傳遞過程中的干擾，從而減小非視距傳播時由于障礙物阻擋所產生的誤差。

4 實驗測試

實驗測試在某寫字樓空置的13樓部分區域進行，該區域包含一個面積近200 m的房間以及一段長約30 m的走廊。在測試區域以相同高度部署了8個定位基站，其中房間內5個，走廊上3個。經過詳細的測繪，確定8個基站以m為單位的平面坐標分別為（7.42，1.93），（16.97，1.71），（25.07，1.87），（7.42，9.16），（29.16，11.09），（0.2，11.09），（7.42，11.24），（29.16，11.09）。由測試人員攜帶定位標簽在測試區域隨意走動，通過后臺測試軟件查看實時定位結果。測試軟件界面如圖10所示，為方便比較，將現場同一時刻視頻截圖疊加于軟件界面截圖之上，圖中虛線框標注區域為定位實驗測試區域。圖10顯示，通過定位軟件可以查看標簽的實時位置及其歷史軌跡。

圖10 實驗測試軟件界面

選取了10個位置作為測試點，根據系統軟件計算得到的測試點定位標簽坐標，參考現場測量得到的真實坐標，計算系統定位誤差，測試結果見表2所列（表中數據單位均為m）。

表2 定位實驗測試結果 m

實驗結果表明，系統定位誤差在20 cm以內，能夠滿足建筑施工現場人員精確定位需求。

為了測試系統實際使用效果，在建設中的寧波新世界廣場5#地塊在建高層建筑“寧波塔”（總建筑面積16.9萬平方米，最大高度249 m）內建筑工地搭建了演示系統，其軟件界面如圖11所示。現場演示實驗表明，系統能夠對攜帶定位標簽的施工人員進行準確的實時定位跟蹤，并且能夠對人員靠近電梯井、高壓設備、樓面邊緣等危險區域的行為進行及時報警提醒。

圖11 高層建筑施工現場演示系統實時定位結果與同步視頻圖像

5 結 語

積極利用信息化手段提升高層建筑施工現場的安全保障水平正逐漸成為行業共識。本文提出的基于UWB定位技術的建筑工地人員安全管理系統，充分利用UWB定位技術厘米級的高精度特性，基于施工現場人員實時定位數據，結合現場視頻圖像，可對人員靠近或滯留危險區域的行為進行提醒和預警，有效預防安全事故的發生，實現建筑施工現場安全管理的信息化與智能化，有力保障高層建筑施工項目中施工人員的人身安全，提高項目安全管理部門的工作效率，助力建筑施工安全文明標準化建設。該系統可推廣應用于大型車間、倉庫、商場、博物館、展覽館等場所的人員與物品的定位和管理，具有廣闊的市場前景。