如何通過「飛行時間」進行人員測距與定位？

人類為了不讓自己迷失在茫茫大自然中，發明羅盤、指南針、衛星等工具，解決了「我在哪裡」的問題；隨著大型工廠或礦下人員安全要求提高，還需解決「你在哪裡」的人員定位問題。

工廠企業規模生產規模不斷增加，動輒幾千畝的生產廠區對於安全生產的全程人員管理提出更高要求，尤其是電力、煉油化工企業屬於高溫、高壓、易燃、易爆、有毒的危險行業，加之具有生產裝置大型化、密集化、生產工藝複雜、生產過程緊密耦合等特點，與其他工業部門相比具有更大的危險性。

圖 1 大型工廠由於設備特點、行業特殊性等定位搜救困難

如何加強管控，及時定位工廠人員位置，降低危險事故發生的概率，一直是生產中的關鍵性問題。工業級技術的定位精度要求更高，要區分人群中的個人等，與專用標籤和感測器配套使用。

圖 2 不同類型的電子標籤與基站

今天我們這裡來了解下zigbee工業級定位方案。

圖 3 多種定位方案精度及開發難度二維圖

TOF測距功能：

ZM5168 模塊具有硬體Time-of-Flight（ToF）引擎，該引擎具有測量兩個zigbee 節點間2.4GHz 信號傳輸時間的功能。通過測量節點間信號的傳輸時間，可推算出這兩個zigbee 節點的距離。在測量出zigbee 節點間的距離後可用於開發zigbee 節點定位等應用系統。

兩個zigbee 節點間執行ToF 的運行機製為：本地節點發送一個ToF 報文給遠端節點，遠端節點對這個ToF 報文自動回復一個應答，如圖 4所示。

圖 4 ToF運行機制

本地節點測量從發送ToF 報文到接收到應答的時間，這個總的時間為。同時遠端節點會記錄回復ACK 所需要的時間。把總的時間減去遠端節點回復ACK 所耗費的時間，就是信號在兩節點間來回總的時間。假設信號在兩節點間來回的時間相等，則兩節點間的信號傳輸時間為來回總的時間的一半，如公式所示。

公式 1 ToF時間計算公式

因為ToF 測距是依靠測量本地和遠端節點的信號傳輸時間的，他會受到兩個節點的時鐘頻率誤差影響，為了減少這個影響，需要進行反向測量，即由遠端節點發送ToF 報文，本地節點回復應答，然後把正向測量和反向測量的結果求平均，就能消除這個頻率誤差影響。ZM5168 的ToF 測距命令提供正向和反向測距的功能。

測試示例：（CMD 為命令，RSP 為應答）

CMD：DE DF EF E1 20 01 00 08 AA

RSP： DE DF EF E1 20 01 00 07 00 01 54 28 2D FB 2D E6 00 01 42 50 2D FF 2E FA 00 01 36 7E 2D F2 2D F9 00 01 36 9E 2D E7 2D EE 00 01 4D 6B 2D F4 2E EC 00 01 3E E4 2D F5 2E F3 00 01 44 E6 2D EC 2D EF 00

命令需要正向測距8 次，返回的應答有7 次是測距成功，返回的測距數據如所示。

把測出的ToF 時間乘以0.03 得到兩節點的距離，單位是厘米。

表 1 示例測試數據

圖 5 致遠電子zigbee無線定位方案

zigbee的傳輸速率低，發射功率僅為1mW左右，而且接納了休眠模式，功耗低，因此zigbee配置非常省電。另外一個星型布局的zigbee網路在輪詢機制下，理論上節點容量高達 65535 個，而且網路組網靈活機動。目前zigbee無線定位方案廣泛應用於礦下人員定位、工廠人員定位以及隧道人員定位等應用現場。

ZM516x是ZLG致遠電子基於NXP JN5168無線微控制器開發的一系列低功耗、高性能zigbee模塊，並提供一個完整的基於IEEE802.15.4標準ISM頻段的應用集成方案。

圖 6 ZLG致遠電子ZM5168無線模塊

同時ZLG致遠電子研發生產了一款zigbee轉乙太網網關設備——ZBNET-300C-U工業級標準設計，實現zigbee網路與乙太網高速透傳，無需二次開發即可快速將zigbee區域網絡接入互聯網，實現遠程zigbee控制和數據採集的目的。

圖 7 zigbee轉乙太網網關設備

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