变电运维现场的多目标超声定位系统设计

胡帆+李文钧+何风行+姜华

摘 要：在变电运维作业现场，受定位精度及复杂电磁干扰等障碍条件限制，比较完善的定位技术无法很好被利用，因此变电站室内目标定位应用相对较少。研究依据TOA室内定位理论，利用超声波传播检测优势，解决测量精度不高的关键难题，利用伪随机噪声编码技术实现多目标识别与精确定位，研发变电站目标定位系统，解决人员定位管理问题。经现场实测，系统在目标触警区域定位精度≤0.3米，具有精度高、抗干扰能力强、区分多目标等优点。

关键词：变电运维 ;超声定位;伪随机噪声编码;多目标;抗干扰

中图分类号：TP277          文献标识码：A            文章编号：2095-1302（2015）01-00-04

0  引  言

电力系统运行中，变电运维承担着变电站的运维管理、倒闸操作和事故处理等重要工作，保障了电网安全、稳定和经济运行。为加强变电运维安全管理，预防变电站安全事故，本研究探索研发变电站多目标精确定位系统，解决人员定位管理问题。

在变电站等一些复杂的室内环境中，利用现有室内定位技术，想要实时获得工作人员、各种设施和物品在室内的精确位置信息困难较大。目前，国外室内定位技术[1]发展相对超前，比较完善为三大技术，一为AP（Access Point）信号定位，一为TOA（Time of Arrive）型定位，另外为GPS信号Re-radiating。利用AP的信号强度进行室内定位，优点在于配合AP可以搭载资料的特性，进而提供资讯服务。最佳的定位精度可以达到1米。而GPS Re-radiating技术使将GPS L1信号引入室内，使GPS接收机在室内能够正常动作，但受限于其定位原理，高频率的动态定位精度落在5～15米之间。

本设计采用的TOA 定位技术是利用测量已知点到待测点的位置，使用几何关系算出待测点的位置，并结合室内网络，建构出一个无间隙的室内定位构架[2]，其定位精度在公分级别。

1  系统架构设计及组成

本系统由三部分组成：智能定位安全终端、无线声定位传感器节点、无线数据传输基站。系统总体框架图如图1所示。

智能定位安全终端发出经过伪随机编码的超声波信号，不低于4个无线声定位传感器节点（这些节点位置坐标已知）用于接收超声波信号，利用TOA原理[3，4]和三边测量法[5]，可解算出智能定位安全终端的位置，从而实现精确定位。多目标区分能力，通过为不同的目标分配不同的伪随机码，伪随机码互相之间有较好的互相关性，从而无线声定位传感器节点能根据不同伪随机码区分出相应目标。

图1  系统总体架构图

2  系统方案设计

2.1  系统实现原理

智能定位安全终端发出经过伪随机编码的超声波信号，如果有不低于4个无线声定位传感器节点（这些节点位置坐标已知）接收到超声波信号，通过计算在同一时间基准下，终端到各个无线声定位传感器节点互相之间的到达时间差，可推算出终端与至少3个节点间的距离，再利用三边测量法[6，7]的原理，可解算出智能定位安全终端的位置，从而实现精确定位的功能。如图2所示。

图中终端到M1，M2，M3，M4的距离如下：

以M1为比较点，m2，m3，m4是终端到M2，M3，M4与到M1的距离差值，经过推导：

联立这个三元二次方程组，就可以求出终端的坐标（Xp，Yp）。

图2  精确定位原理

本系统的多目标区分能力[8]，是通过为为不同的终端目标分配不同的伪随机码，这些伪随机码互相之间有较好的互相关性，从而无线声定位传感器节点能根据不同伪随机码区分出相应目标。系统实现原理如图3所示。

2.2  智能安全终端方案设计

2.2.1  硬件设计[9]

系统是基于STM32F302 ARM处理器芯片设计的，该芯片是低功耗的32位ARM，外设丰富，片上FLASH和RAM都较大，具有一定的计算能力，非常适合无线传感网的应用。整个系统分为超声发射子模块、无线子模块、电源管理模块等。系统结构如图3。

超声发射子模块由音频CODEC芯片、MCU芯片组成。MCU芯片把超声信标信号编码处理后，交由音频芯片的DAC转换成模拟信号，经扬声器驱动电路放大后，驱动扬声器发出超声波信号。无线子模块与无线数据传输基站通过2.4 GHz信道交互，接收网络同步时间参考信号，并软件校正本地时钟[6]。

图4  智能定位安全终端系统结构图

系统工作过程如下：系统上电或复位后，完成初始化和子模块的配置工作后，等待无线数据传输基站的发射超声波信号命令，在不发射超声定位信号时，周期性与基站同步时间、同步频率。接到发射超声波信号命令后，根据基站指定的时隙，发射超声波定位信号，在发射超声波信号的同时，发射无线信标信号。

2.2.2  软件设计

软件设计的框架如图5所示。系统初始化完毕后，交由实时操作系统FreeRTOS调度管理。收到无线模块触发的外部中断，接收无线数据传输基站发送的数据帧，如果是参考时间帧，则调整本地时钟时间[2]。按数据帧要求在指定时间发送超声波定位信号或电池电量信号，通过设置定时器来实现指定时刻的对应操作。如定时器时间已到指定发送超声波信号时刻，则定时器中断触发，经操作系统调度后，在中断中启动发送超声波定位信号。

2.3  无线声定位传感节点方案设计

2.3.1  硬件设计

整个系统[9]分为超声接收子模块、无线子模块、DSP子模块、温湿度测量子模块、电源管理模块等。系统结构图如图6所示。

图5  智能定位安全终端软件设计框图

超声接收子模块由音频CODEC、MCU、MEMS麦克风组成。音频CODEC芯片中对两路麦克风信号进行放大调理后执行模数转换，MCU芯片采集转换后的数字化超声波信号。DSP子模块完成超声波信号的接收解调工作和伪随机码解扩与超声信号到达时间计算工作[5]。无线子模块与无线数据传输基站通过2.4 GHz信道交互，接收网络同步时间参考信号，并软件校正本地时钟。另外，计算出超声信标的到达时间后，发送给无线数据传输基站。

系统工作过程如下：系统上电或复位后，完成初始化和子模块的配置工作，等待无线数据传输基站的发射超声波信号命令，在不发射超声定位信号时，周期性与基站同步时间、同步频率。接到发射超声波信号命令后，根据基站指定的时隙，接收到智能定位安全中断发送的无线回应帧后，开始采集接收超声波定位信号。温湿度传感器采集环境的温湿度，发送给无线传输基站，在计算位置时，校正声速。

2.3.2  软件设计

软件设计的框架如图7所示。系统初始化完毕后，交由实时操作系统FreeRTOS调度管理。收到无线模块触发的外部中断，接收无线数据传输基站发送的数据帧，如果是参考时间帧，则调整本地时钟时间。或按数据帧要求在指定时间开始接收超声波定位信号或电池电量信号，通过设置定时器来实现指定时刻的对应操作：如定时器时间已到指定开始接收超声波信号时刻，则定时器中断触发，经操作系统调度后，在中断中启动接收超声波定位信号。启动接收超声波信号后，DSP不断解调解扩超声波定位信号，计算得出各个目标的到达时刻，并写入队列中，另外的任务会读取这个队列并通过无线信道发送给无线数据传输基站。

图6  无线声定位传感节点系统结构图

2.4  无线数据传输基站方案设计

2.4.1  硬件设计

系统基于STM32F407 ARM处理器芯片，具有片上以太网MAC控制器，可通过以太网与后台管理系统通信。整个系统分为无线子模块、DSP子模块、温湿度测量子模块、以太网通信模块、电源管理模块等。系统结构如图8所示。

图8  无线数据传输基站系统结构图

系统工作过程如下：系统上电或复位后，完成初始化和子模块的配置工作后，等待无线数据传输基站的发射超声波信号命令，在不发射超声定位信号时，周期性与基站同步时间、同步频率。接到发射超声波信号命令后，根据基站指定的时隙，接收到智能定位安全中断发送的无线回应帧后，开始采集接收超声波定位信号。

2.4.2  软件设计

软件设计的框架如图9所示。

系统初始化完毕后，交由实时操作系统FreeRTOS调度管理。不断接收到无线模块接收到的数据帧，包括各个目标的超声信号到达时间、温湿度信息、电池电量信息等，由DSP计算各个目标的位置，计算出的结果交由目标管理程序进行分析处理后，再送到TCP/IP协议栈处理，通过以太网送给后台管理系统。另外，按无线数据传输基站预设周期，无线模块发送各种数据帧，包括参考时间帧、要求发送超声信号、要求采集温湿度、要求采集电池电量数据等。

3  结  语

本文对复杂环境下的多目标精确定位技术进行深入的研究，总结出适合变电运维现场的多目标精确定位技术，并依据工程需要，设计出可靠的高精度定位系统，实现了变电站内现场设备定位、现场人员身份识别加动态定位。本系统已应用于无锡国家电网的变电运维现场安全防护与监控平台中，对其他复杂环境下定位技术的应用也具有非常重要意义，同时为将来变电站室内目标定位应用的普及提供技术方案支持。

图9  无线数据传输基站软件设计框架图

参考文献

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