如何通過(guò)“飛行時(shí)間”進(jìn)行人員測距與定位？

　　人類(lèi)為了不讓自己迷失在茫茫大自然中，發(fā)明羅盤(pán)、指南針、衛星等工具，解決了“我在哪里”的問(wèn)題;隨著(zhù)大型工廠(chǎng)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(wèn)題。

　　工廠(chǎng)企業(yè)規模生產(chǎn)規模不斷增加，動(dòng)輒幾千畝的生產(chǎn)廠(chǎng)區對于安全生產(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)工藝復雜、生產(chǎn)過(guò)程緊密耦合等特點(diǎn)，與其他工業(yè)部門(mén)相比具有更大的危險性。

　　圖1 大型工廠(chǎng)由于設備特點(diǎn)、行業(yè)特殊性等定位搜救困難

　　如何加強管控，及時(shí)定位工廠(chǎng)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(wèn)題。工業(yè)級技術(shù)的定位精度要求更高，要區分人群中的個(gè)人等，與專(zhuān)用標簽和傳感器配套使用。

　　圖2 不同類(lèi)型的電子標簽與基站

　　今天我們便來(lái)了解下zigbee工業(yè)級定位方案。

　　圖3 多種定位方案精度及開(kāi)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?jì)蓚€(gè)zigbee節點(diǎn)間2.4GHz信號傳輸時(shí)間的功能。通過(guò)測量節點(diǎn)間信號的傳輸時(shí)間，可推算出這兩個(gè)zigbee節點(diǎn)的距離。在測量出zigbee節點(diǎn)間的距離后可用于開(kāi)發(fā)zigbee節點(diǎn)定位等應用系統。

　　兩個(gè)zigbee節點(diǎn)間執行ToF的運行機制為：本地節點(diǎn)發(fā)送一個(gè)ToF報文給遠端節點(diǎn)，遠端節點(diǎn)對這個(gè)ToF報文自動(dòng)回復一個(gè)應答，如圖4所示。

　　圖4 ToF運行機制

　　本地節點(diǎn)測量從發(fā)送ToF報文到接收到應答的時(shí)間，這個(gè)總的時(shí)間為T(mén)_TOT。同時(shí)遠端節點(diǎn)會(huì )記錄回復ACK所需要的時(shí)間T_TAT。把總的時(shí)間減去遠端節點(diǎn)回復ACK所耗費的時(shí)間，就是信號在兩節點(diǎn)間來(lái)回總的時(shí)間T_RTT。假設信號在兩節點(diǎn)間來(lái)回的時(shí)間相等，則兩節點(diǎn)間的信號傳輸時(shí)間為來(lái)回總的時(shí)間的一半，如公式所示。

　　ToF時(shí)間計算公式

　　因為T(mén)oF測距是依靠測量本地和遠端節點(diǎn)的信號傳輸時(shí)間的，他會(huì )受到兩個(gè)節點(diǎn)的時(shí)鐘頻率誤差影響，為了減少這個(gè)影響，需要進(jìn)行反向測量，即由遠端節點(diǎn)發(fā)送ToF報文，本地節點(diǎn)回復應答，然后把正向測量和反向測量的結果求平均，就能消除這個(gè)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，返回的應答有7次是測距成功，返回的測距數據如所示。

　　把測出的ToF時(shí)間乘以0.03得到兩節點(diǎn)的距離，單位是厘米。

　　表1 示例測試數據

　　圖5 致遠電子zigbee無(wú)線(xiàn)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(gè)星型布局的zigbee網(wǎng)絡(luò )在輪詢(xún)機制下，理論上節點(diǎn)容量高達65535個(gè)，而且網(wǎng)絡(luò )組網(wǎng)靈活機動(dòng)。目前zigbee無(wú)線(xiàn)定位方案廣泛應用于礦下人員定位、工廠(chǎng)人員定位以及隧道人員定位等應用現場(chǎng)。

　　ZM516x是ZLG致遠電子基于NXP JN5168無(wú)線(xiàn)微控制器開(kāi)發(fā)的一系列低功耗、高性能zigbee模塊，并提供一個(gè)完整的基于IEEE802.15.4標準ISM頻段的應用集成方案。

　　圖6 ZLG致遠電子ZM5168無(wú)線(xiàn)模塊

　　同時(shí)ZLG致遠電子研發(fā)生產(chǎn)了一款zigbee轉以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設備——ZBNET-300C-U工業(yè)級標準設計，實(shí)現zigbee網(wǎng)絡(luò )與以太網(wǎng)高速透傳，無(wú)需二次開(kāi)發(fā)即可快速將zigbee局域網(wǎng)絡(luò )接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現遠程zigbee控制和數據采集的目的。

　　圖7 zigbee轉以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設備