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[摘 要]随着经济的持续增长，电力施工场景呈现出逐渐递增的趋势。在很多电力施工过程中按照相关规程需要设置相关施工围栏，而这些围栏目前都是以实物装置设置，缺少电子信息化支撑，导致电力施工管理精细化缺失。文章介绍基于超宽带技术的電子围栏装置的研制，该装置将为电力施工精细化管理管控提供新的解决方案。
[关键词]超宽带定位;UWB;电子围栏;智慧安监
[中图分类号]TN925 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）07–00–02
Development of Electric Power Construction Safety Monitoring Electronic Fence Device Based on Ultra Wideband Technology
Cheng Xiao-lu，Ye Xiao-qi，Gao Chao，Dang Hai
[Abstract]As the economy continues to grow， the power construction scene has shown a gradual increase trend. In many electric power construction processes， relevant construction fences need to be set up in accordance with relevant regulations， and these fences are currently set up with physical devices， lacking electronic information support， resulting in the lack of fine power construction management. The article mainly introduces the development of an electronic fence device based on ultra-wideband technology， which will provide a new solution for the fine management and control of electric power construction.
[Keywords]UWB positioning;UWB;electronic fence;smart safety supervision
在目前普遍使用的室内定位技术中，红外定位[1]因为有障碍物对光线的阻挡，所以存在障碍物时，只能进行短距离的定位否则定位效果极差。超声波室内定位技术[2]通过用一个主要的测距仪和多个应答器构成实现，这种定位方式精度高，但容易被人们所干扰，设备的成本相对比较高。蓝牙定位简单易于实现整体集成，定位过程中不受角度和视距影响，但造价费用成本昂贵，抗噪性能力弱同时也带来了稳定性水平不高等问题。射频指纹定位技术所实现的装置虽然体积小却又不具有通信性，很难与其他系统进行集成。WiFi室内定位技术易于安装，总精度高，但容易受到其他信号的干扰影响。而UWB定位技术突破了目前普遍使用的室内定位技术的局限性，具有定位精度高等优点。
当前局域网定位是物联网发展的基础，不同场景下的万物互联可以促进各行各业的高效运转及科学管理甚至预研预判，同时又为消费者可以提供一个更加便捷的非凡体验[3]。与传统GPS定位系统技术不同的地方就是，UWB定位系统[4]主要是该技术适合于室内的高精度定位，用来实时获取目标人员或物体一定范围内的位置和数据信息。本文中UWB区域定位主要应用于安全施工电子围栏之上，通过施工人员佩戴电子标签可以实现施工安全区域内的定位状况，以确定人员是否在施工区域之中，为人员的精细定位和管理提供了新的解决方案。
1 装置设备采用技术方案
1.1 超宽带技术方案
超宽带（ultra wide-band，UWB）是一种目前比较广泛和流行的新型无线载波通信技术[5-7]，它主要是通过纳秒至微秒数量级的非正弦波窄脉冲电路来进行传输信息和数据。利用一个传输时间很短的窄脉冲，通过微分或者混频的形式，调制得到超宽带工作频段。UWB将成为未来短距离无线通讯的主要技术。总的来说，UWB室内定位精度可以达到厘米范围，早期被广泛用来研究和应用于近距离高速的数据传输，近年来国内外也已经开始使用其超狭窄的脉冲来对近距离准确室内的定位。
1.2 TDOA定位算法方案
基于发射到达的时间（TOA/TDOA）方法是一种基于UWB的定位方法其中的一种[8]。TDOA算法是指依靠信号从基站中到达等待检测目标的节点和基站之间的时差对其进行定位的算法。它主要是在基于被测到达的时间TOA算法的技术基础上进一步发展起来，TDOA定位算法主要通过根据被测到达的待测节点以及被检测到不同基站的时间误差来计算并获得被检测到目标节点的相位坐标，因此，不必再需要在基站和被检测到的节点之间进行严格的时钟同步。并且在原来的基础上对系统改动较少，因而被广泛适用。TDOA定位算法原理示意如图1所示，根据已知的数学知识，当待测节点与平面内两个定点的距离差为固定值时，其运动轨迹便为双曲线。所以当存在3个以上的基站时，便可以获得多条双曲线，根据多条双曲线建立方程组，便可以解得待测节点的初始位置坐标[9-10]。
1.3 定位系统集成方案
结构如图2所示，实现的UWB-TDOA定位系统产品通信架构是由感知层、传输层、服务层、网络层和应用层组成。 图2中，感知网络层主要原理是由一个移动定位系统的单个基站及其消息信道、通讯系统基站及其消息信道和单个定位信息标签三大部分一起来结合组成，定位系统基站与其他单个定位信息标签之间的ziUWBee定位消息信道连接模型等就可以直接用来实现对单个定位数据标签的信息获取和管理定位，然后通过一个定位系统基站与其他单个定位信息标签的间的zigbee定位信道连接模型等就可以直接实现一个定位系统基站对其他单个定位信息标签的各种参数数据配置、状态的数据回传以及上下行的远程控制数据和数字化数据传输等多种操作。
在数据传输层中的数据传送方式大致可以再细化为无线传输的方式和有线传输的两种，无线传输是指通过WiFi这种数据传送通信的方式可以为定位的基站用户提供一个数据传送的通道，有线传输则是通过互联网的方式可以为定位的基站用户提供一个数据传送的通道，并且有线传输也是可以为无线传输用户提供一个数据传送的通道。
服务层的组成软件主要部署在该服务层的一个服务器中，这些组成软件主要包括以下几种功能：UWB定位引擎软件可以实现对定位数据的精确化和数学运算，得到定位标签的具体坐标;而UWB系统管理软件可以直接实现对感知层、传递管理层、服务管理层、网络管理层、应用程序管理和维护等各个层次的系统管理和维护职责，并同时承担起应用程序层与感知管理层之间的数据交互通道;对内部接口软件为管理者所拥有的系统应用程序提供了一个数据接口;对外接口软件为外部人员提供了一个数据接口。
在网络层中，包含了互联网和局域网两种主要无线通信应用网络，局域网由网络用户方自行设计部署，互联网为广域网，对外使用，局域网为小范围对内使用。
应用层主要由系统内部应用软件和外部接口软件组成。该系统的应用软件具有了定位显示、轨迹记录等多种基本功能，以及适合于应用人员进行定位数据的电子范围、流程管理、考勤分析等可扩展。应用层可以提供外部接口或者软件接口，供项目设计人员开發和使用。
2 设备整体技术方案
本文设计实现了一种基于UWB定位技术的系统软硬件整合平台，并充分结合了各种适用基于UWB技术的定位系统方法，能够有效实现对较高定位精度的定位系统要求，具备低消耗功率和低功耗的特性。在同等的码速速度条件下，基于UWB技术的定位通信系统模块相比于其他的通信控制技术来说也将具有更好的抗干扰性，能够充分使用该通信模块与无线上位机之间的实时无线通讯，将无线定位机的数据直接实时透过上传到中端的无线上位机中。图3为基于超宽带技术的电子围栏装置研制及定位标签。施工人员通过携带定位标签，通过超宽带UWB定位基站及硬件系统实现后台位置的实时确定检测，实现电力施工人员精益化位置管理，保证施工人员的安全位置确定及危险区域的位置告警，如图3和图4所示。
3 结语
当前电力安监施工现场由于传统围栏都是通过警戒线或围栏装置直接围挡，缺少电子化与信息化的支撑，导致电力施工人员管理精细化缺失。本文介绍基于超宽带技术的电子围栏装置研制，该装置将为施工人员精细化管理管控提供新的解决方案。通过施工人员佩戴电子标签可以实现施工安全区域内的定位状况，以确定人员是否在施工区域之中。为人员精细化定位与管理提供新的解决方案。
参考文献
[1] 岳学彬，李恒毅，马立奇.基于红外通信的室内定位系统研制[J].自动化应用，2017（11）：83-84，136.
[2] 李博心，祁浩然，鲁祥，等.室内定位算法与技术综述[J].电子元器件与信息技术，2020，4（1）：47-50.
[3] 徐建，姚红亮，王伯恩.UWB定位系统在供电作业安全管控中的应用[J].大众用电，2020，35（9）：41-42.
[4] 晏勇，刘强，赵晓雨，等.基于WSN和UWB多点融合畜牧业电子围栏设计[J].昆明理工大学学报（自然科学版），2021，46（1）：68-74.
[5] 夏长庚，金贵红，石家德.便携式电子围栏在变电站作业区域周界应用[J].电子技术与软件工程，2019（24）：203-204.
[6] 毕新宇.电子围栏产品的现实问题[J].中国公共安全，2013（18）：106-107.
[7] 张泉，张子敬.脉冲式电子围栏周界报警系统[J].科技视界，2012（8）：137-138.
[8] 卞俊善.基于智能电网的变电站综合监控系统设计应用[D].北京：华北电力大学（北京），2011.
[9] 郭鹏宇.无人值班变电站立体安全防护系统探讨[J].电力安全技术，2011，13（5）：22-24.
[10] 邵奎军.太阳能电子围栏控制系统的研究与设计[D].延边：延边大学，2010.
[关键词]超宽带定位;UWB;电子围栏;智慧安监
[中图分类号]TN925 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）07–00–02
Development of Electric Power Construction Safety Monitoring Electronic Fence Device Based on Ultra Wideband Technology
Cheng Xiao-lu，Ye Xiao-qi，Gao Chao，Dang Hai
[Abstract]As the economy continues to grow， the power construction scene has shown a gradual increase trend. In many electric power construction processes， relevant construction fences need to be set up in accordance with relevant regulations， and these fences are currently set up with physical devices， lacking electronic information support， resulting in the lack of fine power construction management. The article mainly introduces the development of an electronic fence device based on ultra-wideband technology， which will provide a new solution for the fine management and control of electric power construction.
[Keywords]UWB positioning;UWB;electronic fence;smart safety supervision
在目前普遍使用的室内定位技术中，红外定位[1]因为有障碍物对光线的阻挡，所以存在障碍物时，只能进行短距离的定位否则定位效果极差。超声波室内定位技术[2]通过用一个主要的测距仪和多个应答器构成实现，这种定位方式精度高，但容易被人们所干扰，设备的成本相对比较高。蓝牙定位简单易于实现整体集成，定位过程中不受角度和视距影响，但造价费用成本昂贵，抗噪性能力弱同时也带来了稳定性水平不高等问题。射频指纹定位技术所实现的装置虽然体积小却又不具有通信性，很难与其他系统进行集成。WiFi室内定位技术易于安装，总精度高，但容易受到其他信号的干扰影响。而UWB定位技术突破了目前普遍使用的室内定位技术的局限性，具有定位精度高等优点。
当前局域网定位是物联网发展的基础，不同场景下的万物互联可以促进各行各业的高效运转及科学管理甚至预研预判，同时又为消费者可以提供一个更加便捷的非凡体验[3]。与传统GPS定位系统技术不同的地方就是，UWB定位系统[4]主要是该技术适合于室内的高精度定位，用来实时获取目标人员或物体一定范围内的位置和数据信息。本文中UWB区域定位主要应用于安全施工电子围栏之上，通过施工人员佩戴电子标签可以实现施工安全区域内的定位状况，以确定人员是否在施工区域之中，为人员的精细定位和管理提供了新的解决方案。
1 装置设备采用技术方案
1.1 超宽带技术方案
超宽带（ultra wide-band，UWB）是一种目前比较广泛和流行的新型无线载波通信技术[5-7]，它主要是通过纳秒至微秒数量级的非正弦波窄脉冲电路来进行传输信息和数据。利用一个传输时间很短的窄脉冲，通过微分或者混频的形式，调制得到超宽带工作频段。UWB将成为未来短距离无线通讯的主要技术。总的来说，UWB室内定位精度可以达到厘米范围，早期被广泛用来研究和应用于近距离高速的数据传输，近年来国内外也已经开始使用其超狭窄的脉冲来对近距离准确室内的定位。
1.2 TDOA定位算法方案
基于发射到达的时间（TOA/TDOA）方法是一种基于UWB的定位方法其中的一种[8]。TDOA算法是指依靠信号从基站中到达等待检测目标的节点和基站之间的时差对其进行定位的算法。它主要是在基于被测到达的时间TOA算法的技术基础上进一步发展起来，TDOA定位算法主要通过根据被测到达的待测节点以及被检测到不同基站的时间误差来计算并获得被检测到目标节点的相位坐标，因此，不必再需要在基站和被检测到的节点之间进行严格的时钟同步。并且在原来的基础上对系统改动较少，因而被广泛适用。TDOA定位算法原理示意如图1所示，根据已知的数学知识，当待测节点与平面内两个定点的距离差为固定值时，其运动轨迹便为双曲线。所以当存在3个以上的基站时，便可以获得多条双曲线，根据多条双曲线建立方程组，便可以解得待测节点的初始位置坐标[9-10]。
1.3 定位系统集成方案
结构如图2所示，实现的UWB-TDOA定位系统产品通信架构是由感知层、传输层、服务层、网络层和应用层组成。 图2中，感知网络层主要原理是由一个移动定位系统的单个基站及其消息信道、通讯系统基站及其消息信道和单个定位信息标签三大部分一起来结合组成，定位系统基站与其他单个定位信息标签之间的ziUWBee定位消息信道连接模型等就可以直接用来实现对单个定位数据标签的信息获取和管理定位，然后通过一个定位系统基站与其他单个定位信息标签的间的zigbee定位信道连接模型等就可以直接实现一个定位系统基站对其他单个定位信息标签的各种参数数据配置、状态的数据回传以及上下行的远程控制数据和数字化数据传输等多种操作。
在数据传输层中的数据传送方式大致可以再细化为无线传输的方式和有线传输的两种，无线传输是指通过WiFi这种数据传送通信的方式可以为定位的基站用户提供一个数据传送的通道，有线传输则是通过互联网的方式可以为定位的基站用户提供一个数据传送的通道，并且有线传输也是可以为无线传输用户提供一个数据传送的通道。
服务层的组成软件主要部署在该服务层的一个服务器中，这些组成软件主要包括以下几种功能：UWB定位引擎软件可以实现对定位数据的精确化和数学运算，得到定位标签的具体坐标;而UWB系统管理软件可以直接实现对感知层、传递管理层、服务管理层、网络管理层、应用程序管理和维护等各个层次的系统管理和维护职责，并同时承担起应用程序层与感知管理层之间的数据交互通道;对内部接口软件为管理者所拥有的系统应用程序提供了一个数据接口;对外接口软件为外部人员提供了一个数据接口。
在网络层中，包含了互联网和局域网两种主要无线通信应用网络，局域网由网络用户方自行设计部署，互联网为广域网，对外使用，局域网为小范围对内使用。
应用层主要由系统内部应用软件和外部接口软件组成。该系统的应用软件具有了定位显示、轨迹记录等多种基本功能，以及适合于应用人员进行定位数据的电子范围、流程管理、考勤分析等可扩展。应用层可以提供外部接口或者软件接口，供项目设计人员开發和使用。
2 设备整体技术方案
本文设计实现了一种基于UWB定位技术的系统软硬件整合平台，并充分结合了各种适用基于UWB技术的定位系统方法，能够有效实现对较高定位精度的定位系统要求，具备低消耗功率和低功耗的特性。在同等的码速速度条件下，基于UWB技术的定位通信系统模块相比于其他的通信控制技术来说也将具有更好的抗干扰性，能够充分使用该通信模块与无线上位机之间的实时无线通讯，将无线定位机的数据直接实时透过上传到中端的无线上位机中。图3为基于超宽带技术的电子围栏装置研制及定位标签。施工人员通过携带定位标签，通过超宽带UWB定位基站及硬件系统实现后台位置的实时确定检测，实现电力施工人员精益化位置管理，保证施工人员的安全位置确定及危险区域的位置告警，如图3和图4所示。
3 结语
当前电力安监施工现场由于传统围栏都是通过警戒线或围栏装置直接围挡，缺少电子化与信息化的支撑，导致电力施工人员管理精细化缺失。本文介绍基于超宽带技术的电子围栏装置研制，该装置将为施工人员精细化管理管控提供新的解决方案。通过施工人员佩戴电子标签可以实现施工安全区域内的定位状况，以确定人员是否在施工区域之中。为人员精细化定位与管理提供新的解决方案。
参考文献
[1] 岳学彬，李恒毅，马立奇.基于红外通信的室内定位系统研制[J].自动化应用，2017（11）：83-84，136.
[2] 李博心，祁浩然，鲁祥，等.室内定位算法与技术综述[J].电子元器件与信息技术，2020，4（1）：47-50.
[3] 徐建，姚红亮，王伯恩.UWB定位系统在供电作业安全管控中的应用[J].大众用电，2020，35（9）：41-42.
[4] 晏勇，刘强，赵晓雨，等.基于WSN和UWB多点融合畜牧业电子围栏设计[J].昆明理工大学学报（自然科学版），2021，46（1）：68-74.
[5] 夏长庚，金贵红，石家德.便携式电子围栏在变电站作业区域周界应用[J].电子技术与软件工程，2019（24）：203-204.
[6] 毕新宇.电子围栏产品的现实问题[J].中国公共安全，2013（18）：106-107.
[7] 张泉，张子敬.脉冲式电子围栏周界报警系统[J].科技视界，2012（8）：137-138.
[8] 卞俊善.基于智能电网的变电站综合监控系统设计应用[D].北京：华北电力大学（北京），2011.
[9] 郭鹏宇.无人值班变电站立体安全防护系统探讨[J].电力安全技术，2011，13（5）：22-24.
[10] 邵奎军.太阳能电子围栏控制系统的研究与设计[D].延边：延边大学，2010.