淺析UWB定位技術(shù)的應(yīng)用

國網(wǎng)遼寧省電力有限公司遼陽供電公司 袁 帥 劉美妍

1 UWB技術(shù)簡介

隨著社會的發(fā)展，社會進(jìn)入移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，基于位置的服務(wù)受到了人們的廣泛關(guān)注。位置是人體或物體世界中的自然屬性，已經(jīng)成為了人們非常關(guān)心的信息。根據(jù)應(yīng)用場景的不同，當(dāng)前的定位技術(shù)可以分為室內(nèi)定位技術(shù)和室外定位技術(shù)兩種，在室外環(huán)境下應(yīng)用衛(wèi)星定位技術(shù)就可以滿足人們的實(shí)際使用需求，而在室內(nèi)環(huán)境下，在建筑物的影響下，衛(wèi)星定位信號不斷衰減，導(dǎo)致定位精度比較低，還可能出現(xiàn)定位失敗的情況。隨著社會的發(fā)展，人們在室內(nèi)環(huán)境下的活動(dòng)不斷增多，藍(lán)牙、WiFi等室內(nèi)技術(shù)的分辨率會受到RSSI值的影響，隨著距離的變化分辨率會降低，導(dǎo)致定位度只能夠達(dá)到米級，甚至更低，根本難以滿足高精度室內(nèi)定位的需求，因此研究高精度的室內(nèi)定位技術(shù)具有重要意義。

脈沖無線電技術(shù)（Ultra Wideband，UWB）通過發(fā)射納秒至微秒級的非正弦波窄脈沖實(shí)現(xiàn)定位，能實(shí)現(xiàn)高精度室內(nèi)定位。UWB技術(shù)具有多方面的優(yōu)點(diǎn)，在信噪比比較低的情況下，UWB系統(tǒng)能夠正常工作，而且發(fā)射的功率譜密度也比較低，幾乎被湮滅在各種電磁波的噪聲中，因此具有功耗低、系統(tǒng)復(fù)雜度低、隱秘性好、截獲率低、保密性好等優(yōu)點(diǎn)。此外，UWB技術(shù)還具有極高的傳輸速率，抗多徑效應(yīng)的能力也非常強(qiáng)，因此穿透力很強(qiáng)，非常適合在室內(nèi)應(yīng)用。

2 UWB定位優(yōu)勢分析

UWB是一種短距離無線通訊定位技術(shù)，其具有定位精度高、范圍覆蓋廣、實(shí)時(shí)性好、穿透能力強(qiáng)、傳輸能力強(qiáng)和發(fā)射功率小等多方面的優(yōu)點(diǎn)。下面對這幾方面的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的介紹：

2.1 定位精度高

當(dāng)前，在無線定位領(lǐng)域，常用的定位技術(shù)包括下面的表格給出了目前無線定位領(lǐng)域各種Proximity cards、GPS、Bluetooth、IEEE802.11、Dedicated RF、Unidirectional UWB和UBIsense UWB等，相較于其它無線定位技術(shù)，UWB定位技術(shù)的定位精度要高的多，各種常用無線定位技術(shù)的定位精度如表1中所示。

表1 常用無線定位技術(shù)的定位精度

2.2 范圍覆蓋廣

相較于其它無線定位技術(shù)，UWB定位技術(shù)還具有覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，其作為一種中短距離范圍內(nèi)的通訊技術(shù)，在室內(nèi)環(huán)境實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)的構(gòu)建中具有非常好的應(yīng)用效果，在當(dāng)前的技術(shù)條件下，單個(gè)傳感器單個(gè)單元的能夠?qū)崿F(xiàn)400m2范圍內(nèi)的信號覆蓋，傳感器網(wǎng)絡(luò)的信號發(fā)射節(jié)點(diǎn)和信號接收節(jié)點(diǎn)之間的最大距離能夠達(dá)到60m。此外，若想要擴(kuò)大覆蓋的面積，則可以采用多個(gè)定位單元聯(lián)合工作的方式，提高其覆蓋的范圍，滿足實(shí)際使用的要求。

2.3 實(shí)時(shí)性好

UWB定位技術(shù)具有實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)，這是其相較于其它定位技術(shù)的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)。在常用的定位技術(shù)中心，UWB技術(shù)的實(shí)時(shí)性具有明顯的優(yōu)勢，各定位技術(shù)的實(shí)時(shí)響應(yīng)頻率如表2所示。

表2 常用無線定位技術(shù)的定位精度

2.4 穿透力強(qiáng)

UWB具有非常強(qiáng)的信號穿透能力，其信號能夠穿透混凝土、土壤、水體以及樹葉等介質(zhì)，這是其在軍事、民用等方面都有

比較廣泛的應(yīng)用。如在軍事領(lǐng)域，應(yīng)用UWB技術(shù)制作的雷達(dá)可以進(jìn)行地雷的探測；在民用領(lǐng)域，可以用來進(jìn)行高速公路地基的探測以及地下金屬管道的查找等諸多領(lǐng)域。

2.5 傳輸能力強(qiáng)

UWB技術(shù)具有非常好的傳輸能力，在民用領(lǐng)域，UWB信號的傳輸范圍通常在10m以為，通過對信道容量公式的進(jìn)行修改，能夠使其的傳輸速率達(dá)到500Mbit/s，是實(shí)現(xiàn)個(gè)人通信和無線局域網(wǎng)的一種理想調(diào)制技術(shù)。由于具有非常寬的頻率帶寬，使UWN能夠以高速進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而且不需要單獨(dú)擠占當(dāng)前已經(jīng)非常擁擠的頻率資源，能夠和其它無線技術(shù)共同應(yīng)用頻帶。由于UWB具有非常大的擴(kuò)頻增益，從而使其在軍事領(lǐng)域可以具有重要應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、低截獲率、低檢測率、高安全性和高速的數(shù)據(jù)傳輸。

2.6 發(fā)射功率小

UWB技術(shù)能夠通過間歇脈沖的方式來進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，脈沖的持續(xù)時(shí)間通常在0.2ns～1.5ns的范圍內(nèi)，占空因素非常低，因此系統(tǒng)的好點(diǎn)量比較低，即使在高速通信的情況下，系統(tǒng)的耗電量也只有幾百μW～幾十mW。當(dāng)前，民用的UWB設(shè)備的功率非常低，相較于傳統(tǒng)的移動(dòng)電話，其功率僅為其的百分之一，相較于藍(lán)牙設(shè)備，其功率也僅為其的二十分之一左右。在軍事領(lǐng)域，UWB的耗電量同樣很低，能夠?qū)崿F(xiàn)長時(shí)間的應(yīng)用。由于其相較于傳統(tǒng)的無線電設(shè)備，具有較低的發(fā)射頻率，因此在電池壽命和電磁輻射方面都具有顯著的優(yōu)勢。

3 UWB定位技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例

3.1 在電廠安全管理中的應(yīng)用

以某電廠為例，該電廠通過在現(xiàn)場放置一定的UWB定位基站，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場3000多作業(yè)人員的精確定位，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場人員數(shù)量、位置等的實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過軟件能夠顯示出人員的實(shí)時(shí)位置，通過平面和列表等兩個(gè)方式展示出來，管理者能夠?qū)崟r(shí)了解人員的狀態(tài)，可以分區(qū)域進(jìn)行人員的統(tǒng)計(jì)。同時(shí)們該軟件還能夠?qū)T工的運(yùn)動(dòng)軌跡自動(dòng)保存，管理者通過軟件能夠查看員工在某段時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，并且確認(rèn)員工的姓名和工號等信息。同時(shí)，員工還能夠查找出員工的姓名和工號等信息。通過軟件，可以設(shè)定或者刪除電子圍欄，從而設(shè)置員工是否有進(jìn)入權(quán)限，設(shè)置安全距離和達(dá)成電子圍欄。若員工遭遇到突發(fā)情況以后，可以按“呼救”按鈕，能夠發(fā)送出撤離命令，并且選定撤離區(qū)域，軟件會發(fā)出撤離命令。

3.2 工程施工中的應(yīng)用

在某工程的施工工作中，應(yīng)用了加入振動(dòng)功能的UWB標(biāo)簽，標(biāo)簽的所有信息都存放在數(shù)據(jù)庫內(nèi)。數(shù)據(jù)庫設(shè)置有管理接口，通過其能夠?qū)?shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的添加和修改。接口的連接方式采用http，可以應(yīng)用GET或者是POST的方式來調(diào)用。在現(xiàn)場模擬演示工作中，由工作人員受持標(biāo)簽進(jìn)行移動(dòng)，模擬工人和車輛的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)有需要預(yù)警的情況發(fā)生時(shí)，預(yù)警程序會迅速響應(yīng)，調(diào)動(dòng)標(biāo)簽振動(dòng)或鳴叫命令，從而使存在危險(xiǎn)的標(biāo)簽通過振動(dòng)、鳴叫等方式進(jìn)行預(yù)警，提醒人員存在危險(xiǎn)。與此同時(shí)，程序還會對網(wǎng)絡(luò)斷對應(yīng)標(biāo)簽的狀態(tài)值記性更改，當(dāng)標(biāo)簽號的狀態(tài)值發(fā)生變化以后，相應(yīng)的三維模型的顏色也會跟隨其發(fā)生變化，從而對現(xiàn)場情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的反應(yīng)。

為了測試系統(tǒng)的功能，開展模擬實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)進(jìn)行了測試。在現(xiàn)場試驗(yàn)過程中，由一名工作人員手持標(biāo)簽來模擬動(dòng)作作業(yè)的施工人員，并設(shè)置好易燃區(qū)域，動(dòng)火工作人員模擬真實(shí)施工進(jìn)行移動(dòng)，當(dāng)前靠近距離易燃區(qū)域1m的范圍時(shí)，預(yù)警程序會進(jìn)行反應(yīng)，控制標(biāo)簽進(jìn)行振動(dòng)，在動(dòng)火作業(yè)人員離開危險(xiǎn)區(qū)域以后，標(biāo)簽停止振動(dòng)。在三維模型中，當(dāng)動(dòng)火作業(yè)人員進(jìn)入到易燃區(qū)域1m的范圍以后，其會變?yōu)榧t色，當(dāng)其走出易燃區(qū)域1m的范圍以后。其則會顯示為綠色。UWB系統(tǒng)會對動(dòng)火作業(yè)人員的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，并且將其位置信息實(shí)時(shí)發(fā)送給危險(xiǎn)源接口，由三維模型將動(dòng)火作業(yè)人員的位置實(shí)時(shí)的讀取并且展示出來。根據(jù)測試結(jié)果顯示，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)作業(yè)人員的實(shí)時(shí)定位，并且正在其進(jìn)入到危險(xiǎn)區(qū)域以后進(jìn)行報(bào)警，并改變標(biāo)簽顏色進(jìn)行提示，具有較高的精度和準(zhǔn)確性。從中可以看出，UWB定位技術(shù)具有較高的準(zhǔn)確性和實(shí)用性，在很多領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景，未來會獲得更加廣泛的應(yīng)用。

結(jié)論：UWB技術(shù)是一種具有較高精度、良好保密性和強(qiáng)抗干擾性的定位技術(shù)，而且能耗較低，由于其具有的這些優(yōu)勢，使其具有非常好的應(yīng)用前景，當(dāng)前在礦山開采、工程施工和電廠生產(chǎn)等眾多領(lǐng)域已經(jīng)獲得了應(yīng)用，出現(xiàn)了很多較為成熟的產(chǎn)品。隨著對UWB技術(shù)的研究不斷深入，還會研究出更多新穎、功能強(qiáng)大的UWB產(chǎn)品，更好地為人們的生產(chǎn)生活服務(wù)。