基于無(wú)線脈沖的車間資源感知定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

卓 杰，牟家正，王 躍

（連云港杰瑞深軟科技有限公司，連云港 222002）

安全生產(chǎn)是一項(xiàng)極其廣泛復(fù)雜的工作，也是企業(yè)必須重視和做好的工作。首先，安全生產(chǎn)直接關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)安全和國(guó)家投資效益及社會(huì)公共利益，直接關(guān)系到企業(yè)形象；其次國(guó)家和社會(huì)對(duì)于安全生產(chǎn)的期望和要求越來(lái)越高，客觀環(huán)境要求企業(yè)不能在安全上出現(xiàn)失誤[1]。

當(dāng)前，大型制造企業(yè)車間內(nèi)人員、設(shè)備、資產(chǎn)等資源主要依靠監(jiān)管人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)管理，監(jiān)管人員工作強(qiáng)度大、監(jiān)管效率低，不僅消耗大量的人力物力，同時(shí)無(wú)法做到實(shí)時(shí)定位監(jiān)控和及時(shí)響應(yīng)[2]。在實(shí)際工作中，由于制造過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較特殊，制造車間內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，金屬結(jié)構(gòu)造成的內(nèi)部通信困難和信息化程度低等原因，導(dǎo)致了車間設(shè)備、人員、資產(chǎn)等資源定位難度大，現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)管理困難。因此，迫切需要一種手段對(duì)車間重要區(qū)域進(jìn)行有效管理監(jiān)督，提高安全生產(chǎn)管理水平，提升工作效率。

針對(duì)大型制造企業(yè)車間特定區(qū)域內(nèi)的安全管理需求，通過(guò)對(duì)無(wú)線脈沖的應(yīng)用，提出了基于高性能處理芯片和無(wú)線脈沖的車間資源綜合管感知定位系統(tǒng)方案，詳細(xì)分析了高精度無(wú)線定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，開發(fā)出高可靠性的車間資源感知定位系統(tǒng)，能夠方便、直觀、安全、全方位對(duì)管理區(qū)域內(nèi)部的人員、設(shè)備、資產(chǎn)等進(jìn)行授權(quán)，實(shí)現(xiàn)船舶制造企業(yè)車間資源的實(shí)時(shí)識(shí)別和定位管理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)部發(fā)生的異常狀況，發(fā)布告警信息，提高安全生產(chǎn)管理水平，提高工作效率。

1 基于無(wú)線脈沖的車間資源定位系統(tǒng)架構(gòu)

基于無(wú)線脈沖的車間資源感知定位系統(tǒng)主要由企業(yè)層和車間層兩大部分組成。其中企業(yè)層主要包括：監(jiān)控中心管理平臺(tái)、企業(yè)IP網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備、系統(tǒng)服務(wù)器中心等。車間層主要包括：車間內(nèi)部交換網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備網(wǎng)關(guān)、定位基站、定位標(biāo)簽、視頻聯(lián)動(dòng)設(shè)備等。企業(yè)層和車間層通過(guò)安全防護(hù)網(wǎng)關(guān)以及核心交換機(jī)聯(lián)通。

車間層用于識(shí)別和采集車間人員、設(shè)備、資產(chǎn)等制造資源的位置信息，并將采集到的數(shù)據(jù)信息通過(guò)有線通信網(wǎng)絡(luò)傳送到系統(tǒng)服務(wù)器中心定位軟件系統(tǒng)進(jìn)行分析和處理。系統(tǒng)服務(wù)器中心軟件系統(tǒng)主要用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、展示和存儲(chǔ)，并通過(guò)數(shù)據(jù)集成接口與企業(yè)層資源管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，便于企業(yè)管理人員通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)軟件的圖形界面或文字列表直觀了解到車間資源的活動(dòng)軌跡，確定車間綜合資源位置信息。

大型制造車間環(huán)境下電磁干擾較強(qiáng)，而且數(shù)據(jù)采集點(diǎn)分布范圍很廣，根據(jù)車間實(shí)際情況，從系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性和可擴(kuò)展性出發(fā)，本文提出了基于無(wú)線脈沖構(gòu)建車間資源感知定位系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 車間資源定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.1 Network architecture diagram of positioning system for manufacturing resources

2 無(wú)線脈沖簡(jiǎn)介

無(wú)線脈沖是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種定位技術(shù)，一般使用的是極窄的脈沖信號(hào)或者極寬的頻譜帶寬信號(hào)進(jìn)行信息的傳遞，與其他定位技術(shù)相比，主要優(yōu)點(diǎn)是穿透能力強(qiáng)、定位精度高，具有厘米級(jí)的定位能力[3]。無(wú)線脈沖可以在封閉的室內(nèi)或者障礙物較多的情況下完成測(cè)距定位任務(wù)，即使在地下空間中性能也能得到較好的發(fā)揮[4]。

無(wú)線定位技術(shù)很多，但每種定位技術(shù)都有各自特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合。文獻(xiàn)[5-7]對(duì)常見無(wú)線定位技術(shù)進(jìn)行了介紹，并對(duì)常見無(wú)線定位技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比，如表1所示。

表1 常見無(wú)線定位技術(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison of common wireless location technologies

表中可以看出，無(wú)線脈沖的精度為厘米級(jí)，與其它定位方式相比，具有較好的定位精度。更關(guān)鍵的是，由于無(wú)線脈沖信號(hào)的特征，決定了無(wú)線脈沖定位能夠在電磁環(huán)境較為復(fù)雜的變電站中精度不會(huì)下降，而且對(duì)計(jì)量、保護(hù)設(shè)備及通信系統(tǒng)不會(huì)有干擾。

無(wú)線脈沖基于到達(dá)時(shí)間（TOA）的定位方式利用3個(gè)固定位置參考點(diǎn)向移動(dòng)標(biāo)簽發(fā)射信號(hào)，如圖2所示。標(biāo)簽根據(jù)信號(hào)接收時(shí)間以及固定參考點(diǎn)發(fā)射信號(hào)時(shí)間，以及3個(gè)參考點(diǎn)到標(biāo)簽的距離計(jì)算出標(biāo)簽的位置。

圖2 無(wú)線脈沖三參考點(diǎn)定位示意Fig.2 Wireless impulse positioning system based on three-point wireless impulse

3 車間資源感知定位系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于無(wú)線脈沖的車間資源感知定位系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括定位基站、定位標(biāo)簽硬件設(shè)計(jì)。車間資源感知定位系統(tǒng)主要完成對(duì)車間內(nèi)人員、設(shè)備、資產(chǎn)等位置信息的采集任務(wù)?？刂破髟O(shè)計(jì)主要根據(jù)車間資源感知定位系統(tǒng)需要采集的定位傳感器數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)處理精度來(lái)選擇主控芯片的類型、定位模塊型號(hào)、存儲(chǔ)器存儲(chǔ)方式、網(wǎng)絡(luò)通信方式、數(shù)據(jù)傳輸形式?？紤]到大型企業(yè)制造車間的復(fù)雜電磁應(yīng)用環(huán)境，硬件電路設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮無(wú)線定位模塊抗復(fù)雜電磁干擾能力。定位系統(tǒng)具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率以及較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性要求，系統(tǒng)選用高性能ARM芯片、DW1000無(wú)線定位模塊等完成控制器硬件部分電路設(shè)計(jì)，定位基站控制器硬件框圖如圖3所示。

圖3 定位基站硬件框圖Fig.3 Hardware system architecture diagram of base station

4 車間資源感知定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

車間資源感知定位系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括：定位基站控制器嵌入式軟件設(shè)計(jì)、定位系統(tǒng)管理軟件設(shè)計(jì)。

4.1 嵌入式軟件設(shè)計(jì)

嵌入式軟件設(shè)計(jì)主要是完成定位標(biāo)簽到定位基站信號(hào)到達(dá)時(shí)間的測(cè)量、定位基站之間信號(hào)到達(dá)時(shí)間信息的測(cè)量、將定位基站獲得位置信息傳送給監(jiān)控系統(tǒng)。嵌入式軟件的信息處理流程采用順序處理，包括主控芯片的復(fù)位和時(shí)鐘配置模塊、以太網(wǎng)模塊、定時(shí)器模塊、DW1000模塊等初始化，DW1000無(wú)線定位處理模塊采用中斷方式進(jìn)行處理。定位基站傳感器嵌入式軟件流程如圖4所示。

4.2 定位系統(tǒng)管理軟件設(shè)計(jì)

定位系統(tǒng)管理軟件主要完成定位分析、定位解算、定位基站狀態(tài)顯示、位置信息顯示、系統(tǒng)配置管理等。定位基站狀態(tài)顯示主要顯示定位基站是否連接到定位系統(tǒng)軟件，網(wǎng)絡(luò)連接是否成功；位置信息顯示主要顯示定位標(biāo)簽的位置信息以及定位標(biāo)簽的工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)顯示車間內(nèi)人員、設(shè)備、資產(chǎn)定位標(biāo)簽的活動(dòng)軌跡；系統(tǒng)配置管理主要包括定位管理系統(tǒng)的功能模塊配置以及定位基站的配置。定位系統(tǒng)管理軟件流程如圖5所示。

圖4 嵌入式軟件流程Fig.4 Embedded software flow chart

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)軟件流程Fig.5 Monitoring system software flow chart

5 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

車間資源感知定位系統(tǒng)的性能分析，主要是在實(shí)際的總裝聯(lián)調(diào)車間環(huán)境下通過(guò)安裝的一套定位系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證，車間資源感知定位系統(tǒng)由定位基站、定位標(biāo)簽、POE交換機(jī)以及定位系統(tǒng)管理軟件組成。系統(tǒng)驗(yàn)證包括：系統(tǒng)定位基站傳感器與定位標(biāo)簽通信測(cè)試、車間資源位置信息、定位管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)定位軌跡顯示、定位系統(tǒng)視頻聯(lián)動(dòng)功能展示、定位系統(tǒng)電子圍欄報(bào)警燈功能。通過(guò)定位基站傳感器通信指示燈以及定位系統(tǒng)后臺(tái)觀察定位基站與定位標(biāo)簽之間通信是否成功，如圖6所示管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示的定位基站與定位標(biāo)簽之間通信成功。如圖7所示為定位管理系統(tǒng)中車間資源實(shí)時(shí)定位軌跡顯示，圖示主要為人員實(shí)時(shí)軌跡顯示。如圖8所示為定位管理系統(tǒng)視頻聯(lián)動(dòng)功能顯示，主要為定位管理系統(tǒng)電子圍欄子系統(tǒng)中人員入禁區(qū)視頻聯(lián)動(dòng)功能驗(yàn)證。

6 結(jié)語(yǔ)

圖6 基站與標(biāo)簽通信成功Fig.6 Success of communication between base station and label

圖7 定位系統(tǒng)軌跡顯示Fig.7 Track display

圖8 定位系統(tǒng)視頻聯(lián)動(dòng)Fig.8 Video linkage supervision

本方案通過(guò)設(shè)計(jì)基于無(wú)線脈沖的車間資源感知定位系統(tǒng)，以無(wú)線脈沖作為無(wú)線定位系統(tǒng)通信的載體，提出并應(yīng)用了DW1000無(wú)線定位模塊以及高性能ARM芯片設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了定位基站傳感器。設(shè)計(jì)的車間資源感知定位系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線脈沖基站傳感器獲取車間內(nèi)人員、設(shè)備、資產(chǎn)的位置信息，車間管理人員通過(guò)定位系統(tǒng)管理軟件的圖形界面或文字列表直觀了解到車間資源的活動(dòng)范圍，確定了車間資源位置信息，完善了車間制造資源數(shù)據(jù)的完整性。本系統(tǒng)與傳統(tǒng)的室內(nèi)定位系統(tǒng)相比具有數(shù)據(jù)傳輸速度快、定位精度高、可靠性高、適應(yīng)惡劣工作環(huán)境、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。