變電運維現(xiàn)場的多目標超聲定位系統(tǒng)設(shè)計

胡帆+李文鈞+何風行+姜華

摘 要：在變電運維作業(yè)現(xiàn)場，受定位精度及復(fù)雜電磁干擾等障礙條件限制，比較完善的定位技術(shù)無法很好被利用，因此變電站室內(nèi)目標定位應(yīng)用相對較少。研究依據(jù)TOA室內(nèi)定位理論，利用超聲波傳播檢測優(yōu)勢，解決測量精度不高的關(guān)鍵難題，利用偽隨機噪聲編碼技術(shù)實現(xiàn)多目標識別與精確定位，研發(fā)變電站目標定位系統(tǒng)，解決人員定位管理問題。經(jīng)現(xiàn)場實測，系統(tǒng)在目標觸警區(qū)域定位精度≤0.3米，具有精度高、抗干擾能力強、區(qū)分多目標等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：變電運維 ;超聲定位;偽隨機噪聲編碼;多目標;抗干擾

中圖分類號：TP277 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：2095-1302（2015）01-00-04

0 ?引 ?言

電力系統(tǒng)運行中，變電運維承擔著變電站的運維管理、倒閘操作和事故處理等重要工作，保障了電網(wǎng)安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟運行。為加強變電運維安全管理，預(yù)防變電站安全事故，本研究探索研發(fā)變電站多目標精確定位系統(tǒng)，解決人員定位管理問題。

在變電站等一些復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中，利用現(xiàn)有室內(nèi)定位技術(shù)，想要實時獲得工作人員、各種設(shè)施和物品在室內(nèi)的精確位置信息困難較大。目前，國外室內(nèi)定位技術(shù)[1]發(fā)展相對超前，比較完善為三大技術(shù)，一為AP（Access Point）信號定位，一為TOA（Time of Arrive）型定位，另外為GPS信號Re-radiating。利用AP的信號強度進行室內(nèi)定位，優(yōu)點在于配合AP可以搭載資料的特性，進而提供資訊服務(wù)。最佳的定位精度可以達到1米。而GPS Re-radiating技術(shù)使將GPS L1信號引入室內(nèi)，使GPS接收機在室內(nèi)能夠正常動作，但受限于其定位原理，高頻率的動態(tài)定位精度落在5～15米之間。

本設(shè)計采用的TOA 定位技術(shù)是利用測量已知點到待測點的位置，使用幾何關(guān)系算出待測點的位置，并結(jié)合室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，建構(gòu)出一個無間隙的室內(nèi)定位構(gòu)架[2]，其定位精度在公分級別。

1 ?系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計及組成

本系統(tǒng)由三部分組成：智能定位安全終端、無線聲定位傳感器節(jié)點、無線數(shù)據(jù)傳輸基站。系統(tǒng)總體框架圖如圖1所示。

智能定位安全終端發(fā)出經(jīng)過偽隨機編碼的超聲波信號，不低于4個無線聲定位傳感器節(jié)點（這些節(jié)點位置坐標已知）用于接收超聲波信號，利用TOA原理[3，4]和三邊測量法[5]，可解算出智能定位安全終端的位置，從而實現(xiàn)精確定位。多目標區(qū)分能力，通過為不同的目標分配不同的偽隨機碼，偽隨機碼互相之間有較好的互相關(guān)性，從而無線聲定位傳感器節(jié)點能根據(jù)不同偽隨機碼區(qū)分出相應(yīng)目標。

圖1 ?系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2 ?系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 ?系統(tǒng)實現(xiàn)原理

智能定位安全終端發(fā)出經(jīng)過偽隨機編碼的超聲波信號，如果有不低于4個無線聲定位傳感器節(jié)點（這些節(jié)點位置坐標已知）接收到超聲波信號，通過計算在同一時間基準下，終端到各個無線聲定位傳感器節(jié)點互相之間的到達時間差，可推算出終端與至少3個節(jié)點間的距離，再利用三邊測量法[6，7]的原理，可解算出智能定位安全終端的位置，從而實現(xiàn)精確定位的功能。如圖2所示。

圖中終端到M1，M2，M3，M4的距離如下：

以M1為比較點，m2，m3，m4是終端到M2，M3，M4與到M1的距離差值，經(jīng)過推導(dǎo)：

聯(lián)立這個三元二次方程組，就可以求出終端的坐標（Xp，Yp）。

圖2 ?精確定位原理

本系統(tǒng)的多目標區(qū)分能力[8]，是通過為為不同的終端目標分配不同的偽隨機碼，這些偽隨機碼互相之間有較好的互相關(guān)性，從而無線聲定位傳感器節(jié)點能根據(jù)不同偽隨機碼區(qū)分出相應(yīng)目標。系統(tǒng)實現(xiàn)原理如圖3所示。

2.2 ?智能安全終端方案設(shè)計

2.2.1 ?硬件設(shè)計[9]

系統(tǒng)是基于STM32F302 ARM處理器芯片設(shè)計的，該芯片是低功耗的32位ARM，外設(shè)豐富，片上FLASH和RAM都較大，具有一定的計算能力，非常適合無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用。整個系統(tǒng)分為超聲發(fā)射子模塊、無線子模塊、電源管理模塊等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3。

超聲發(fā)射子模塊由音頻CODEC芯片、MCU芯片組成。MCU芯片把超聲信標信號編碼處理后，交由音頻芯片的DAC轉(zhuǎn)換成模擬信號，經(jīng)揚聲器驅(qū)動電路放大后，驅(qū)動揚聲器發(fā)出超聲波信號。無線子模塊與無線數(shù)據(jù)傳輸基站通過2.4 GHz信道交互，接收網(wǎng)絡(luò)同步時間參考信號，并軟件校正本地時鐘[6]。

圖4 ?智能定位安全終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)工作過程如下：系統(tǒng)上電或復(fù)位后，完成初始化和子模塊的配置工作后，等待無線數(shù)據(jù)傳輸基站的發(fā)射超聲波信號命令，在不發(fā)射超聲定位信號時，周期性與基站同步時間、同步頻率。接到發(fā)射超聲波信號命令后，根據(jù)基站指定的時隙，發(fā)射超聲波定位信號，在發(fā)射超聲波信號的同時，發(fā)射無線信標信號。

2.2.2 ?軟件設(shè)計

軟件設(shè)計的框架如圖5所示。系統(tǒng)初始化完畢后，交由實時操作系統(tǒng)FreeRTOS調(diào)度管理。收到無線模塊觸發(fā)的外部中斷，接收無線數(shù)據(jù)傳輸基站發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，如果是參考時間幀，則調(diào)整本地時鐘時間[2]。按數(shù)據(jù)幀要求在指定時間發(fā)送超聲波定位信號或電池電量信號，通過設(shè)置定時器來實現(xiàn)指定時刻的對應(yīng)操作。如定時器時間已到指定發(fā)送超聲波信號時刻，則定時器中斷觸發(fā)，經(jīng)操作系統(tǒng)調(diào)度后，在中斷中啟動發(fā)送超聲波定位信號。

2.3 ?無線聲定位傳感節(jié)點方案設(shè)計

2.3.1 ?硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)[9]分為超聲接收子模塊、無線子模塊、DSP子模塊、溫濕度測量子模塊、電源管理模塊等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖5 ?智能定位安全終端軟件設(shè)計框圖

超聲接收子模塊由音頻CODEC、MCU、MEMS麥克風組成。音頻CODEC芯片中對兩路麥克風信號進行放大調(diào)理后執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，MCU芯片采集轉(zhuǎn)換后的數(shù)字化超聲波信號。DSP子模塊完成超聲波信號的接收解調(diào)工作和偽隨機碼解擴與超聲信號到達時間計算工作[5]。無線子模塊與無線數(shù)據(jù)傳輸基站通過2.4 GHz信道交互，接收網(wǎng)絡(luò)同步時間參考信號，并軟件校正本地時鐘。另外，計算出超聲信標的到達時間后，發(fā)送給無線數(shù)據(jù)傳輸基站。

系統(tǒng)工作過程如下：系統(tǒng)上電或復(fù)位后，完成初始化和子模塊的配置工作，等待無線數(shù)據(jù)傳輸基站的發(fā)射超聲波信號命令，在不發(fā)射超聲定位信號時，周期性與基站同步時間、同步頻率。接到發(fā)射超聲波信號命令后，根據(jù)基站指定的時隙，接收到智能定位安全中斷發(fā)送的無線回應(yīng)幀后，開始采集接收超聲波定位信號。溫濕度傳感器采集環(huán)境的溫濕度，發(fā)送給無線傳輸基站，在計算位置時，校正聲速。

2.3.2 ?軟件設(shè)計

軟件設(shè)計的框架如圖7所示。系統(tǒng)初始化完畢后，交由實時操作系統(tǒng)FreeRTOS調(diào)度管理。收到無線模塊觸發(fā)的外部中斷，接收無線數(shù)據(jù)傳輸基站發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，如果是參考時間幀，則調(diào)整本地時鐘時間?；虬磾?shù)據(jù)幀要求在指定時間開始接收超聲波定位信號或電池電量信號，通過設(shè)置定時器來實現(xiàn)指定時刻的對應(yīng)操作：如定時器時間已到指定開始接收超聲波信號時刻，則定時器中斷觸發(fā)，經(jīng)操作系統(tǒng)調(diào)度后，在中斷中啟動接收超聲波定位信號。啟動接收超聲波信號后，DSP不斷解調(diào)解擴超聲波定位信號，計算得出各個目標的到達時刻，并寫入隊列中，另外的任務(wù)會讀取這個隊列并通過無線信道發(fā)送給無線數(shù)據(jù)傳輸基站。

圖6 ?無線聲定位傳感節(jié)點系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.4 ?無線數(shù)據(jù)傳輸基站方案設(shè)計

2.4.1 ?硬件設(shè)計

系統(tǒng)基于STM32F407 ARM處理器芯片，具有片上以太網(wǎng)MAC控制器，可通過以太網(wǎng)與后臺管理系統(tǒng)通信。整個系統(tǒng)分為無線子模塊、DSP子模塊、溫濕度測量子模塊、以太網(wǎng)通信模塊、電源管理模塊等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 ?無線數(shù)據(jù)傳輸基站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)工作過程如下：系統(tǒng)上電或復(fù)位后，完成初始化和子模塊的配置工作后，等待無線數(shù)據(jù)傳輸基站的發(fā)射超聲波信號命令，在不發(fā)射超聲定位信號時，周期性與基站同步時間、同步頻率。接到發(fā)射超聲波信號命令后，根據(jù)基站指定的時隙，接收到智能定位安全中斷發(fā)送的無線回應(yīng)幀后，開始采集接收超聲波定位信號。

2.4.2 ?軟件設(shè)計

軟件設(shè)計的框架如圖9所示。

系統(tǒng)初始化完畢后，交由實時操作系統(tǒng)FreeRTOS調(diào)度管理。不斷接收到無線模塊接收到的數(shù)據(jù)幀，包括各個目標的超聲信號到達時間、溫濕度信息、電池電量信息等，由DSP計算各個目標的位置，計算出的結(jié)果交由目標管理程序進行分析處理后，再送到TCP/IP協(xié)議棧處理，通過以太網(wǎng)送給后臺管理系統(tǒng)。另外，按無線數(shù)據(jù)傳輸基站預(yù)設(shè)周期，無線模塊發(fā)送各種數(shù)據(jù)幀，包括參考時間幀、要求發(fā)送超聲信號、要求采集溫濕度、要求采集電池電量數(shù)據(jù)等。

3 ?結(jié) ?語

本文對復(fù)雜環(huán)境下的多目標精確定位技術(shù)進行深入的研究，總結(jié)出適合變電運維現(xiàn)場的多目標精確定位技術(shù)，并依據(jù)工程需要，設(shè)計出可靠的高精度定位系統(tǒng)，實現(xiàn)了變電站內(nèi)現(xiàn)場設(shè)備定位、現(xiàn)場人員身份識別加動態(tài)定位。本系統(tǒng)已應(yīng)用于無錫國家電網(wǎng)的變電運維現(xiàn)場安全防護與監(jiān)控平臺中，對其他復(fù)雜環(huán)境下定位技術(shù)的應(yīng)用也具有非常重要意義，同時為將來變電站室內(nèi)目標定位應(yīng)用的普及提供技術(shù)方案支持。

圖9 ?無線數(shù)據(jù)傳輸基站軟件設(shè)計框架圖

參考文獻

[1] 肖金紅，劉智，楊陽，等. 基于CDMA-TDOA的室內(nèi)超聲波定位系統(tǒng)[J].吉林大學(xué)學(xué)報，2013（2）：213-217.

[2] 宋淑婷，黃玉蘭. 大范圍多目標三維超聲定位關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 長春：吉林大學(xué)， 2013.

[3] Liu Hui， Darabi， Houshang， Banerjee， Prashant pat. Survey of Wireless Indoor Positioning Techniques and Systems[J].IEEE System Man and Cybernetics Society， 2007， 37（6）： 1067-1080.

[4] 潘仲明. 大量程超聲測距系統(tǒng)研究[D] 長沙： 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2006.

[5] 韓新立， 三維超聲定位系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].長春：吉林大學(xué)， 2013.

[6] 胡躍輝，周康源，周平. 一種實時3D超聲定位系統(tǒng)的設(shè)計[J].聲學(xué)技術(shù)，2004，23（1）：29-33.

[7] 高峰，文柳，伊力奇，等.井下人員超聲波測距定位系統(tǒng)[J].數(shù)據(jù)通信，2009（3）：30-32.

[8] Adam S， Balakrishnan H， Michel Goraczko， Nissanka Priyantha. Tracking Moving Devices with the Cricket Location System[J].ACM，2004（6）：200-204.

[9] 陳瑩. 基于單片機的超聲測距系統(tǒng)[D] 武漢： 華中科技大學(xué)，2004.

[10] 趙海鳴，王紀嬋，劉軍，等. 一種高精度超聲測距系統(tǒng)的改進[J] 電子技術(shù)應(yīng)用，2007（4）：56-61.

[11] Mike H， Andyr H. Broadband Ultrasonic Location Systems for Improved Indoor Positioning[J].IEEE Transaction on Mobile Computing， 2006，5（5）：536-547.