基于UWB 技术的地下封闭环境动态定位系统研究

刘子涵，盛虎

（大连交通大学计算机与通信工程学院，辽宁大连，116028）

0 引言

本文针对现有技术的缺陷，利用UWВ 技术，提供了一种城市轨道地下封闭施工现场人员动态定位实时监管系统，实现高精确定位的同时进行对被困人员生理情况、现场环境的实时监测，解决了现有技术中存在的不足。

1 现有技术分析

城市轨道地下施工现场环境复杂，为防止安全事故的发生，必须借助高精度定位技术来实时监控现场情况，以便于实现安全高效的巡检。通过高精度定位技术可对施工人员进行监测定位，这样遇到突发事件时地面人员能及时掌握地下人员的分布概况，便于精准、高效地处理问题。

目前应用于地下封闭空间的定位技术主要有射频识别、WiFi 定位技术、蓝牙定位技术、ZigВee 技术、超声波定位技术、UWВ 等技术。以上定位技术的参数对比如表1 所示。

表1 各定位技术的参数对比表

综合对比各种定位技术，UWВ 定位技术通信距离远、功耗低、抗干扰能力强。UWВ 定位技术是一种全新的技术，与传统通信定位技术有着极大的差异。UWВ 的工作频带一般为3.0～10.6GHz，系统-10dВ 带宽与系统中心频率之比大于20%或系统带宽至少为500MHz。UWВ 信号可通过发射时间极短的窄脉冲通过微分或混频等上变频方式调制到UWВ 工作频段产生。接收端通过计算发送端发出的窄脉冲在空中的飞行时间，再乘以光速计算出读卡子站与识别卡间的距离，从而实现定位。UWВ 定位技术的优势为，定位精度小于1m、功耗较低、对信道衰落不敏感、抗干扰能力强、不会对同一环境下的其他设备产生干扰。

此外，目前城市轨道地下封闭现场施工过程中的人员监管系统仅能对人员的位置和活动轨迹进行监管，但是对施工人员的工作状态和身体状况无法及时监管。工作人员在施工过程中发生中毒、窒息、虚脱、昏迷等紧急状况时无法实时获取人员生理状态信息，无法及时进行救援。

2 UWB 定位技术与计算方法

■2.1 UWB 定位技术

UWВ 定位技术是一种用于传输分布在较大带宽（>500 MHz）上的信息的技术。目前UWВ 被FCC 和国际电信联盟无线电通信部门定义为一种天线传输技术，其发射信号带宽超过500 MHz 或较小的算术中心的带宽。

■2.2 计算方法

UWВ 定位技术系统主要采用TOF（Time of Flight，信号到达时间定位法）和TDOA（Time Difference of Arrival，信号到达时间差计算法）两种计算方法。

TOF 的测距主要是通过计算无线电信号在2 个节点间往返的传播时间来实现的，其计算精度与时间测量精度直接相关。

若此时系统所测量的传播时间t的精度为1 ns；无线电在传播过程中的空气为真空，则速度v=3×108 m/s，此时所测距离的误差δ为：

系统中的探测器与识别卡存在无法进行时间同步的问题，因此若想计算探测器与识别卡间的传播时间t，则需要统计探测器的发射与接收的时间来计算无线电信号的双向传播时间，即为2t。TDOA 则是指在系统中基站的时间完全同步、连接到同一网络中的状况下，计算无线电信号到达各基站的时间差，同时结合观测点的实际位置，建立相应的定位数学模型，然后根据这些信息和建立的数学模型利用TDOA 定位算法来计算目标的位置坐标，从而计算出相应的传播距离。

3 系统设计方案

■3.1 系统整体结构

系统由生理信号监测模块、定位及环境监测模块、定位基站及网络模块和监管端四部分组成，如图1 所示。生理信号监测模块用于采集被监测人员的体温、脉搏、运动动作等信息，通过蓝牙方式与定位及环境监测模块进行通信；定位及环境监测模块用于执行人员定位与环境监测，并通过无线网络将信息传输给定位基站及网络模块；定位基站及网络模块实时与基站节点进行无线通信，实现实时定位；监管端将收集到的生理信息、人员定位信息、环境监测信息进行处理与分析，当发现异常时及时发送报警信息并实时记录全部信息。

图1 系统结构图

■3.2 系统各模块功能

（1）生理信号监测模块采集被监测人员的体征信息，体征信息包括：体温、脉搏、血氧和运动动作，并通过蓝牙方式与定位及环境监测模块进行通信，对人员体征信息进行实时监测，并在发现生命体征异常后及时发出警报。

（2）定位及环境监测模块用于执行人员所在位置的确定，以及温湿度、烟雾、可燃气体的环境监测，并通过无线网络将信息传输给定位基站及网络模块，以确保人员所处环境可控且处于安全范围内。

（3）定位基站及网络模块提供人员定位的基准信息，并提供网络连接功能，实时与基站节点进行无线通信，将定位及环境监测模块的信息发送到监管端，以实现监管端对于生理信号监测模块、定位及环境监测模块所采集信息的实时监测。

（4）监管端用于接收定位及环境监测模块和生理信号监测模块的信息，并进行显示，使相关负责人员能够清晰且及时地获取地下施工人员的生命体征信息、实时位置以及其所处环境的状况，从而能够完成日常监管以及对各种突发状况的及时处理。

4 系统功能实现

■4.1 生理信号监测模块设计

生理信号监测模块佩戴在手腕上，由蓝牙通信装置、核心处理器、存储器、震动马达、温度传感器、脉搏传感器、血氧传感器、运动传感器组成，如图2 所示。

图2 生理信号监测模块结构图

蓝牙通信装置通过预先安装好的蓝牙局域网接入点，将局域网接入点设备作为主设备，然后连接并维持好网络内的多个用户，传输传感器所储存的信息，从而实现与定位及环境监测模块进行无线通信；核心处理器负责采集传感器数据、控制存储器存取数据、控制震动马达和通信装置，实现各部分的有序运行；模块通过温度传感器、脉搏传感器、血氧传感器、运动传感器监测到人员生理信号异常或行动异常时将自动控制震动马达提醒佩戴人员注意自身安全，同时通过蓝牙通信装置，发送信息给定位及环境监测模块，并最终上传给网络监管主机，以便监管人员对各种突发状况的及时处理；运动传感器用于收集佩戴者动作信息；温度传感器、脉搏传感器、血氧传感器负责采集施工人员的体温、脉搏、血氧等生命体征，以实现对人员身体状况的实时监测；存储器则负责存储和提取温度传感器、脉搏传感器、血氧传感器、运动传感器收集的数据。

■4.2 定位及环境监测模块设计

定位及环境监测模块安装于安全帽上，由通信装置、核心处理器、报警装置、定位模组、电池、温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器和可燃气体传感器组成，如图3 所示。

图3 定位及环境监测模块结构图

通信装置用于接收生理信号监测模块信号，并将定位及环境监测模块和生理信号监测模块收集的信息发送至定位基站及网络模块。核心处理器负责采集传感器数据、收集分析定位模组数据、控制报警装置和通信装置，实现各部分的有序运行。报警装置在系统检测到环境异常或人员生理信号异常（通过蓝牙获取生理信号监测模块信息）时自动发送报警信号，以便监管人员对各种突发状况的及时处理。定位模组采用UWВ 技术UWВ 信号可通过发射时间极短的窄脉冲通过微分或混频等上变频方式调制到UWВ 工作频段产生。保证其多径信号在时间上得到分离，传播过程中受到反射波和折射波的影响也不会在时间上重叠，能够有效抑制信号衰落，接收端通过计算发送端发出的窄脉冲在空中的飞行时间，再乘以光速计算出读卡子站与识别卡间的距离，从而获得极高的多径分辨力，将精确的位置信息传送给定位基站及网络模块。电池用于为通信装置、核心处理器、报警装置、定位模组和传感器供电，确保设备正常运行。

■4.3 定位基站及网络模块设计

定位基站及网络模块是由路由器和多个基站节点组成的一个无线局域网络，网络由路由器通过基站节点进行无线链接组成IPV6 Mesh 网络，通过无线链路搭建成具有网状拓扑结构的通信网络，在该网络拓扑内，各个节点的地位都是平等的，任意一点均可以和其他节点通过无线链路进行通信，不需要存在中心节点，确保拥有相同的SSID 和处于同一信道的节点即可够建立无线连接，基站节点安装在封闭施工现场上方。定位模块定时与基站节点进行无线通信，基站节点之间的间隔为300～600 米，实现实时定位，如图4所示。

图4 定位基站及网络模块结构图

本模块采用基于到达时间差方法（TDOA）进行实时定位，需要定位基站之间保持时间同步，并保持其连接到同一网络中，使得系统实现精准定位，定位精度达到厘米级。其原理是选取一个定位基站作为时间参考定位基站，目标节点向所有定位基站发射定位信标，根据其他定位基站接收到信标的时间戳减去参考定位基站接收到信标的时间戳就可以得到信标到达不同定位基站的时间差，从而计算出此定位基站与目标节点的距离差。根据目标节点到两个定位基站之间的距离差就可以确定一条唯一的双曲线，在二维坐标系中至少需要三个定位基站来确定两条双曲线，双曲线的交点就是目标节点的坐标。在定位系统中首先获得待测目标位置的测量信息，再建立相应的定位数学模型，然后根据这些信息和建立的数学模型利用TDOA 定位算法来计算目标的位置坐标。服务器配置定位人员实施监督管理软件，系统的软件设计采用分层结构，各层之间从应用层开始依次调用下一层来完成测距定位功能。此外可以对施工人员进行分组管理，设置不同的权限，结合电子围栏功能限定施工人员的工作区域，以实现施工的有效进行。

■4.4 监管端部分设计

监管端由位置显示子模块、环境显示子模块、体征显示子模块三部分组成。其中位置显示子模块收集Mesh 网络中的位置信息并实时显示施工现场所有工作人员的动态位置；环境显示子模块收集施工现场主要位置的温湿度、烟雾浓度、可燃气体浓度并实时显示；体征显示子模块收集现场工作人员体温、脉搏、血氧、体态信息并动态显示。

监管平台具备自动报警功能，当现场施工人员处于危险环境时，或者现场施工人员生命体征出现异常时，监管端在屏幕中进行红色标注请进行闪烁提示，帮助监管人员及时发现危险并及时救助工作人员。

5 结论

目前城市轨道地下封闭现场施工过程中的人员监管系统仅能对人员的位置和活动轨迹进行监管，且定位精度与采用定位技术各不相同，同时对施工人员的工作状态和身体状况无法及时监管。本设计针对现有技术的缺陷，结合人员定位与其身体状况双方面进行监测，提供了一种城市轨道地下封闭施工现场人员动态定位实时监管系统。此系统通过定位及环境监测模块、生理信号监测模块、定位基站及网络模块和监管端四部分，实现了同时对施工人员的位置和活动轨迹，以及工作状态和身体状况进行监管。经测试，本系统能够有效降低意外事故造成的人员伤亡和财产损失，实现隧道或城市轨道地下施工的智能化、可视化、数字化，加快施工进度，保证施工质量。