如何通過“飛行時(shí)間”進(jìn)行人員測(cè)距與定位？

　　人類為了不讓自己迷失在茫茫大自然中，發(fā)明羅盤、指南針、衛(wèi)星等工具，解決了“我在哪里”的問題;隨著大型工廠或礦下人員安全要求提高，還需解決“你在哪里”的人員定位問題。

　　工廠企業(yè)規(guī)模生產(chǎn)規(guī)模不斷增加，動(dòng)輒幾千畝的生產(chǎn)廠區(qū)對(duì)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(xiǎn)行業(yè)，加之具有生產(chǎn)裝置大型化、密集化、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、生產(chǎn)過程緊密耦合等特點(diǎn)，與其他工業(yè)部門相比具有更大的危險(xiǎn)性。

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

　　如何加強(qiáng)管控，及時(shí)定位工廠人員位置，降低危險(xiǎn)事故發(fā)生的概率，一直是生產(chǎn)中的關(guān)鍵性問題。工業(yè)級(jí)技術(shù)的定位精度要求更高，要區(qū)分人群中的個(gè)人等，與專用標(biāo)簽和傳感器配套使用。

　　圖2 不同類型的電子標(biāo)簽與基站

　　今天我們便來了解下zigbee工業(yè)級(jí)定位方案。

　　圖3 多種定位方案精度及開發(fā)難度二維圖

　　TOF測(cè)距功能：

　　ZM5168模塊具有硬件Time-of-Flight(ToF)引擎，該引擎具有測(cè)量?jī)蓚€(gè)zigbee節(jié)點(diǎn)間2.4GHz信號(hào)傳輸時(shí)間的功能。通過測(cè)量節(jié)點(diǎn)間信號(hào)的傳輸時(shí)間，可推算出這兩個(gè)zigbee節(jié)點(diǎn)的距離。在測(cè)量出zigbee節(jié)點(diǎn)間的距離后可用于開發(fā)zigbee節(jié)點(diǎn)定位等應(yīng)用系統(tǒng)。

　　兩個(gè)zigbee節(jié)點(diǎn)間執(zhí)行ToF的運(yùn)行機(jī)制為：本地節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)ToF報(bào)文給遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)，遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)對(duì)這個(gè)ToF報(bào)文自動(dòng)回復(fù)一個(gè)應(yīng)答，如圖4所示。

　　圖4 ToF運(yùn)行機(jī)制

　　本地節(jié)點(diǎn)測(cè)量從發(fā)送ToF報(bào)文到接收到應(yīng)答的時(shí)間，這個(gè)總的時(shí)間為T_TOT。同時(shí)遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)會(huì)記錄回復(fù)ACK所需要的時(shí)間T_TAT。把總的時(shí)間減去遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)回復(fù)ACK所耗費(fèi)的時(shí)間，就是信號(hào)在兩節(jié)點(diǎn)間來回總的時(shí)間T_RTT。假設(shè)信號(hào)在兩節(jié)點(diǎn)間來回的時(shí)間相等，則兩節(jié)點(diǎn)間的信號(hào)傳輸時(shí)間為來回總的時(shí)間的一半，如公式所示。

　　ToF時(shí)間計(jì)算公式

　　因?yàn)門oF測(cè)距是依靠測(cè)量本地和遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)的信號(hào)傳輸時(shí)間的，他會(huì)受到兩個(gè)節(jié)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(cè)量，即由遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)發(fā)送ToF報(bào)文，本地節(jié)點(diǎn)回復(fù)應(yīng)答，然后把正向測(cè)量和反向測(cè)量的結(jié)果求平均，就能消除這個(gè)頻率誤差影響。ZM5168的ToF測(cè)距命令提供正向和反向測(cè)距的功能。

　　測(cè)試示例：(CMD 為命令，RSP 為應(yīng)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(cè)距8次，返回的應(yīng)答有7次是測(cè)距成功，返回的測(cè)距數(shù)據(jù)如所示。

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

　　表1 示例測(cè)試數(shù)據(jù)

　　圖5 致遠(yuǎn)電子zigbee無線定位方案

　　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)在輪詢機(jī)制下，理論上節(jié)點(diǎn)容量高達(dá)65535個(gè)，而且網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)靈活機(jī)動(dòng)。目前zigbee無線定位方案廣泛應(yīng)用于礦下人員定位、工廠人員定位以及隧道人員定位等應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)。

　　ZM516x是ZLG致遠(yuǎn)電子基于NXP JN5168無線微控制器開發(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(biāo)準(zhǔn)ISM頻段的應(yīng)用集成方案。

　　圖6 ZLG致遠(yuǎn)電子ZM5168無線模塊

　　同時(shí)ZLG致遠(yuǎn)電子研發(fā)生產(chǎn)了一款zigbee轉(zhuǎn)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備——ZBNET-300C-U工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)zigbee網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)高速透?jìng)?，無需二次開發(fā)即可快速將zigbee局域網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程zigbee控制和數(shù)據(jù)采集的目的。

　　圖7 zigbee轉(zhuǎn)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備