變電運維現場的多目標超聲定位系統設計

胡帆+李文鈞+何風行+姜華

摘 要：在變電運維作業現場，受定位精度及復雜電磁干擾等障礙條件限制，比較完善的定位技術無法很好被利用，因此變電站室內目標定位應用相對較少。研究依據TOA室內定位理論，利用超聲波傳播檢測優勢，解決測量精度不高的關鍵難題，利用偽隨機噪聲編碼技術實現多目標識別與精確定位，研發變電站目標定位系統，解決人員定位管理問題。經現場實測，系統在目標觸警區域定位精度≤0.3米，具有精度高、抗干擾能力強、區分多目標等優點。

關鍵詞：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，保障了電網安全、穩定和經濟運行。為加強變電運維安全管理，預防變電站安全事故，本研究探索研發變電站多目標精確定位系統，解決人員定位管理問題。

在變電站等一些復雜的室內環境中，利用現有室內定位技術，想要實時獲得工作人員、各種設施和物品在室內的精確位置信息困難較大。目前，國外室內定位技術[1]發展相對超前，比較完善為三大技術，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定位，優點在于配合AP可以搭載資料的特性，進而提供資訊服務。最佳的定位精度可以達到1米。而GPS Re-radiating技術使將GPS L1信號引入室內，使GPS接收機在室內能夠正常動作，但受限于其定位原理，高頻率的動態定位精度落在5～15米之間。

本設計采用的TOA 定位技術是利用測量已知點到待測點的位置，使用幾何關系算出待測點的位置，并結合室內網絡，建構出一個無間隙的室內定位構架[2]，其定位精度在公分級別。

1 ?系統架構設計及組成

本系統由三部分組成：智能定位安全終端、無線聲定位傳感器節點、無線數據傳輸基站。系統總體框架圖如圖1所示。

智能定位安全終端發出經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點（這些節點位置坐標已知）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，從而實現精確定位。多目標區分能力，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性，從而無線聲定位傳感器節點能根據不同偽隨機碼區分出相應目標。

圖1 ?系統總體架構圖

2 ?系統方案設計

2.1 ?系統實現原理

智能定位安全終端發出經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點（這些節點位置坐標已知）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點互相之間的到達時間差，可推算出終端與至少3個節點間的距離，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，經過推導：

聯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

本系統的多目標區分能力[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性，從而無線聲定位傳感器節點能根據不同偽隨機碼區分出相應目標。系統實現原理如圖3所示。

2.2 ?智能安全終端方案設計

2.2.1 ?硬件設計[9]

系統是基于STM32F302 ARM處理器芯片設計的，該芯片是低功耗的32位ARM，外設豐富，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的應用。整個系統分為超聲發射子模塊、無線子模塊、電源管理模塊等。系統結構如圖3。

超聲發射子模塊由音頻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轉換成模擬信號，經揚聲器驅動電路放大后，驅動揚聲器發出超聲波信號。無線子模塊與無線數據傳輸基站通過2.4 GHz信道交互，接收網絡同步時間參考信號，并軟件校正本地時鐘[6]。

圖4 ?智能定位安全終端系統結構圖

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

2.2.2 ?軟件設計

軟件設計的框架如圖5所示。系統初始化完畢后，交由實時操作系統FreeRTOS調度管理。收到無線模塊觸發的外部中斷，接收無線數據傳輸基站發送的數據幀，如果是參考時間幀，則調整本地時鐘時間[2]。按數據幀要求在指定時間發送超聲波定位信號或電池電量信號，通過設置定時器來實現指定時刻的對應操作。如定時器時間已到指定發送超聲波信號時刻，則定時器中斷觸發，經操作系統調度后，在中斷中啟動發送超聲波定位信號。

2.3 ?無線聲定位傳感節點方案設計

2.3.1 ?硬件設計

整個系統[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。系統結構圖如圖6所示。

圖5 ?智能定位安全終端軟件設計框圖

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理后執行模數轉換，MCU芯片采集轉換后的數字化超聲波信號。DSP子模塊完成超聲波信號的接收解調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據傳輸基站通過2.4 GHz信道交互，接收網絡同步時間參考信號，并軟件校正本地時鐘。另外，計算出超聲信標的到達時間后，發送給無線數據傳輸基站。

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

2.3.2 ?軟件設計

軟件設計的框架如圖7所示。系統初始化完畢后，交由實時操作系統FreeRTOS調度管理。收到無線模塊觸發的外部中斷，接收無線數據傳輸基站發送的數據幀，如果是參考時間幀，則調整本地時鐘時間?；虬磾祿笤谥付〞r間開始接收超聲波定位信號或電池電量信號，通過設置定時器來實現指定時刻的對應操作：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，經操作系統調度后，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，另外的任務會讀取這個隊列并通過無線信道發送給無線數據傳輸基站。

圖6 ?無線聲定位傳感節點系統結構圖

2.4 ?無線數據傳輸基站方案設計

2.4.1 ?硬件設計

系統基于STM32F407 ARM處理器芯片，具有片上以太網MAC控制器，可通過以太網與后臺管理系統通信。整個系統分為無線子模塊、DSP子模塊、溫濕度測量子模塊、以太網通信模塊、電源管理模塊等。系統結構如圖8所示。

圖8 ?無線數據傳輸基站系統結構圖

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

2.4.2 ?軟件設計

軟件設計的框架如圖9所示。

系統初始化完畢后，交由實時操作系統FreeRTOS調度管理。不斷接收到無線模塊接收到的數據幀，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，計算出的結果交由目標管理程序進行分析處理后，再送到TCP/IP協議棧處理，通過以太網送給后臺管理系統。另外，按無線數據傳輸基站預設周期，無線模塊發送各種數據幀，包括參考時間幀、要求發送超聲信號、要求采集溫濕度、要求采集電池電量數據等。

3 ?結 ?語

本文對復雜環境下的多目標精確定位技術進行深入的研究，總結出適合變電運維現場的多目標精確定位技術，并依據工程需要，設計出可靠的高精度定位系統，實現了變電站內現場設備定位、現場人員身份識別加動態定位。本系統已應用于無錫國家電網的變電運維現場安全防護與監控平臺中，對其他復雜環境下定位技術的應用也具有非常重要意義，同時為將來變電站室內目標定位應用的普及提供技術方案支持。

圖9 ?無線數據傳輸基站軟件設計框架圖

參考文獻

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