基于IBeacon的选煤厂人员定位系统的设计

2019-07-10成举炳

煤炭加工与综合利用 2019年5期

成举炳

(平顶山中选自控系统有限公司，河南平顶山 467002)

1 选煤厂人员定位系统现状

目前国内选煤厂的人员定位系统并未普遍实施，而在煤矿井下则已全面配备，主要原因是选煤厂并非如井下对此系统有必备要求；同时选煤厂的大面积、多层生产空间与井下的巷道结构明显不同，定位精度要求不高。但随着国内智能化选煤厂的实施与开展，作为基础服务的人员定位系统需求越来越多。

目前人员定位系统的技术主要是UWB、Zigbee、WIFI、RFID、Bluetooth。其中UWB、Zigbee、RFID、WIFI在井下都有使用。虽然这些技术的性能与经济性各有不同，但其基本原理都是利用“三角定位”，即依靠一种三角的形式：根据每个已知位置基站(平面布置)的RSSI(Received Signal Strength Indication)或者飞行时间法(TW-TOF，two way-time of flight)测算出一个圆，3个圆确定一个平面点(实际)。三角定位法的原理如图1所示。

图1 三角定位法的原理示意

以3个节点A、B、C为圆心作圆，坐标分别为(Xa，Ya)，(Xb，Yb)，(Xc，Yc)，这3个圆周相交于一点D(移动点)，交点D即为移动节点，A、B、C为已知节点，A、B、C与交点D的距离分别为da，db，dc。假设交点D的坐标为(X，Y)，可以得到交点D的坐标为：

由于各个节点的硬件和信号传输不尽相同，所测出的：

两个距离不可能是理想值，从而导致上面的3个圆未必刚好交于一点。在实际工作中，会相交于一个较小区域，因此利用此方法计算出来的(X，Y)坐标值存在一定误差。这样就需要通过一定的算法来估计一个相对理想的位置，作为当前移动节点坐标的最优解。由此可见，基站密度越高，定位精确度越高。此外还有线状定位，只需要2个基站，原理同上。

(1)UWB技术。UWB (Ultra Wideband)无线通信技术是一种不用载波，而采用时间间隔极短(小于1 ns)的脉冲进行通信的方式。利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号。UWB能在10 m左右的范围内实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率。而定位功能则是UWB的另外一种应用。测距原理是双向飞行时间法，每个模块从启动开始即会生成一条独立的时间戳，模块A的发射机在其时间戳上的Ta1发射请求性质的脉冲信号，模块B在Tb2时刻接收信号，在Tb1发射一个响应性质的信号，被模块A在自己的时间戳Ta2时刻接收。由此可以计算出脉冲信号在两个模块之间的飞行时间，从而确定飞行距离S。

S=C[(Ta2-Ta1)-(Tb2-Tb1)]/2

式中：C为光速。正是由于其频率较高，信号到达移动端的时间差可以有明显区别，因此定位精度较高，可以实现分米级的定位精度。但是由于UWB设备属于非标(相对蓝牙或WiFi)设备，难以集成进入标准移动端设备，所以系统价格相对较高。同时由于信号频率较高，绕射能力有限，易被阻挡，加之中间有障碍物或者通过反射到达，都将会导致接收的时间变长，从而测得的距离会变大而产生偏差。由于UWB设备不属于手机、平板电脑的标准配置，所以在设备成本、系统集成时存在价格高、开发难度大的情况。

(2)Zigbee技术。这是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。测距原理采用RSSI技术，接收端根据信号强度与距离的关系，画出1个圆，3个交叉的圆确定1个点(或区域)。Zigbee具备双向通信的能力，不仅能发送命令到设备，同时设备也会把执行状态和相关数据反馈回来。因此部分测温测振系统因为采用了Zigbee技术，也可以提供定位功能，同样由于Zigbee设备属于非标设备，所以在设备成本、系统集成时存在和UWB的同样情况。

(3)RFID技术。RFID(Radio Frequency Identification)技术，又称无线射频识别技术，可通过无线电讯号识别特定目标，并读写相关数据，而无需在识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。测距原理同Zigbee技术，也有使用超近场通信，而直接使用查表法定位的案例。

(4)WiFi和Bluetooth技术。WiFi、Bluetooth技术已被大家熟知，测距原理采用RSSI技术。同时由于WiFi、Bluetooth设备属于手机、平板电脑的标准设备，在手机、平板中已经集成，因此系统成本较低，在已有WiFi覆盖的情况下，只要进行软件开发，即可应用。

以上几种技术方案各有利弊，只是适用的场合不同，适应多场合的技术方案才是合理的选择。对于各种人员定位系统都具备的GIS(地图)功能，在此不做赘述。

在其他行业，比如超级商场，IBeacon已经进入成熟应用阶段，提供了APP室内导航、智能寻车、信息推送、儿童定位手环等服务，并将定位系统与电视监控系统、安防系统、视频指引系统关联，增强了用户的体验，提升了商场的档次。选煤厂的空间结构与超级商场有相近之处，比如：多层、大面积、通道众多。而IBeacon技术以其技术主流、价格低廉、开发环境完备等优势，非常适合作为选煤厂人员定位的开发技术。

2 选煤厂人员定位系统分析及IBeacon技术介绍

选煤厂人员定位系统有自己的特点：楼层平面多、面积大、通道众多，而且由于选煤工艺设备、管道、溜槽分布在整个空间，造成信号阻挡、绕射情况严重，电气干扰严重。选煤厂人员定位精度要求不高，2～3 m即可，在地图上表现为某一平面设备安装布置图叠加人员定位点及短时轨迹即可。同时根据轨迹数据记录可实现人员查询、轨迹回放、考勤、巡检记录等功能。通过SDK接口可与工业电视系统实现人员轨迹联动投屏，可与照明系统实现人员联动局部照明，以及与其他系统的拓展功能。

IBeacon是在2010年发布的蓝牙4.0技术规范的基础上发展而来，是蓝牙4.0技术规范的一部分，是苹果公司2013年9月发布的移动设备上配备的新功能，频率为2.4G。其工作方式是，配备有低功耗蓝牙BLE(Bluetooth Low Energy)通信功能的设备使用BLE技术向周围发送自己特有的ID，接收到该ID的应用软件会根据该ID采取一些行动。比如，在店铺里设置IBeacon通信模块的话，便可让iPhone和iPad上运行的APP将ID上传至服务器，由服务器向顾客发送对应的信息。如果iPhone和iPad可以收到多个IBeacon信号，则可以根据RSSI，利用三角定位法确定自己的位置，再将位置上传至服务器，由服务器向顾客发送对应的信息。

BLE最重要的特点在于能耗低，采用CR2045电池的IBeacon信标可以连续工作2 a之久。除此之外，BLE协议的传输速率比较低，除了用于发射信标和做一些简单通信之外，不太适合用于传输大量的数据流。

在开发IBeacon选煤厂定位系统时，采用高功率(10 MW，但对于WIFI来说功率很小)IBeacon信标作为发射基站，定位方法同WIFI模式。还可以利用IBeacon信标的低廉价格，进行高密度布置，采用ID对应位置的查表法实现。由于其为2.4G的频率，受选煤厂电气干扰相对较小，有利于信号接收。

图2 主动定位方式示意图

根据IBeacon信号发送方向，系统可分为主动定位、被动定位。主动定位(如图2)：IBeacon蓝牙信标+手机蓝牙用于主动定位，用户通过手机端主动获取位置等信息。被动定位(如图3)：可穿戴蓝牙设备+CloudBeacon蓝牙网关用于被动定位，应用后台通过蓝牙采集用户位置等信息。根据选煤厂实际情况，采用IBeacon技术，能够满足选煤厂人员定位需求。本定位系统采用主动定位，这样可以利用原有网络和移动终端，低成本、高效完成定位功能。

图3 被动定位方式示意图

3 设计方案

系统分为前端信标、移动端和后台3个部分，系统采用主动定位。前端信标采用智石科技的IBeacon信标，具有IP67防护等级，根据需要在选煤厂工作平面布置，平均1 000布置1台。高度为2 m，发射信标间隔频率为1 000 ms。移动端采用安卓工业平板和安卓工业手机，具有IP67防护等级，具备WiFi、蓝牙模块。操作系统为安卓4.4(安卓8.0可向下兼容)，采用Android studio进行开发。

在采用主动定位模式时，APP读取多个IBeacon信标的RSSI强度(如图4)，根据算法计算位置；也可以通过IBeacon信标的UUID和Major、Minor直接读出设备信息，但需要繁琐的设定每个IBeacon信标。完成定位后通过网络发送给后台服务器，服务器根据位置与地图比对，并根据移动端软件配置，发送地图、信息、语音，并记录位置到数据库。如果有其他系统(工业电视等)通信，则将位置信息发送给对方。微信开发需要开通公众号，摇一摇可以提供4个页面，分别为设备信息、设备故障、设备说明书、设备图纸。后台程序采用Visual Studio开发，在2U机架式服务器运行，另外须与Internet连接，提供微信服务。移动端与后台的通信，根据实际情况可采用4G和WiFi通信。