摘要：钢结构生产车间的职业健康安全环境因素监测涉及环境因素监测和人员定位,由于卫星定位适用于室外，信号到达地面较弱，不能穿透建筑物，超宽带(UWB)定位具有发射功率低、抗多径、安全系数高、传输速率高、穿透能力强，采用的超宽带(UWB)定位技术具有时间和空间分辨率高,保密性好,穿透能力强,定位精度高等优点,为高精度室内定位提供了很好的解决方案.本文介绍的是超宽带定位技术在钢结构生产车间的创新应用,针对超宽带有限空间内定位精度展开试验验证其可行性。
关键词：UWB超宽带技术；
1概念解读
1.1什么是UWB超宽带技术
UWB技术是一种使用1GHz以上频率带宽的无线载波通信技术。它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很大，尽管使用无线通信，但其数据传输速率可以达到几百兆比特每秒以上。使用UWB技术可在非常宽的带宽上传输信号，美国联邦通信委员会（FCC）对UWB技术的规定为：在3.1~10.6GHz频段中占用500MHz以上的带宽。
UWB技术始于20世纪60年代兴起的脉冲通信技术。UWB技术利用频谱极宽的超宽基带脉冲进行通信，故又称为基带通信技术、无线载波通信技术，主要用于军用雷达、定位和低截获率/低侦测率的通信系统中。2002年2月，美国联邦通信委员会发布了民用UWB设备使用频谱和功率的初步规定。该规定中，将相对带宽大于0.2或在传输的任何时刻带宽大于500MHz的通信系统称为UWB系统，同时批准了UWB技术可用于民用商品。随后，日本于2006年8月开放了超宽带频段。由于UWB技术具有数据传输速率高（达1Gbit/s）、抗多径干扰能力强、功耗低、成本低、穿透能力强、截获率低、与现有其他无线通信系统共享频谱等特点，UWB技术成为无线个人局域网通信技术（WPAN）的首选技术。[1]
1.2 UWB技术特点
（1）传输速率高
理论上，一个宽度趋于0的脉冲具有无限的带宽，因此，UWB即使把发送信号功率谱密度控制得很低，仍可实现高达100Mbit／s-500Mbit／s的传输速率。在民用方面，UWB脉冲宽度一般为纳秒级。如果一个脉冲代表一个数位，那么，理论上UWB可达1 Gbit／s的速率，这样在实际中实现100Mbit／s以上的速率是完全可能的。
（2）范围覆盖广
UWB属于中短距离范围内的通讯技术，非常适合构建室内环境的实时定位系统。根据最近的发展，目前的单个传感器定位单元的覆盖面积达到400平方米，传感器网络的信号发射节点跟信号接收节点之间的最大距离达到60米。可以实现多个定位单元（CelD）联合工作，按需扩大覆盖面积。
（3）实时性好
相对于其他定位技术，UWB定位一个很大的优势就是它具有较好的实时性。下面的表格给出了目前无线定位领域各种定位技术的实时响应频率。
（4）穿透力强
uwb信号具有非常强的穿透力。uwb信号能穿透树叶、土地、混凝土、水体等介质，因此军事上uwb雷达可用来探测地雷，民用上可以查找地下金属管道探测高速公路地基等。
（5）传输能力强
民用商品中，一般要求UWB3信号的传输范围为10m以内，再根据经过修改的信道容量公式，其传输速率可达500Mhit/s，是实现个人通信和无线局域网的一种理想调制技术，uwb以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输，并且不单独占用现在已经拥挤不堪的频率资源，而是共享其他无线技术使用的频带，在军事应用中，可以利用巨大的扩频增益来实现远距离低截获率、低检测率、高安全性和高速的数据传
（6）发射功率小
uwb系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在0.20ms~l.5ns之间，有很低的占空因数，系统耗电可以做到很低，在高速通信时系统的耗电量仅为几百uW~几十mW.民用的uwb设备功率一般是传统移动电话所需功率的1/100左右，是蓝牙设备所需功率的1/20左右军用的uwb电台耗电也很低因此，uwb设备在电池寿命和电磁辐射上，相对于传统无线设备有着很大的优越性。
2 UWB定位原理
无线定位系统实现定位的原理，一般是先获得和位置相关的变量，建立定位的数学模型，利用获取到的参数数据结合相关数学模型来计算目标的位置坐标。因此，按测量参数不同，可将UWB定位方法分为基于接收信号强度（RSS，Received Signal Strength）法、基于到达角度（AOA，Angle of Arrival）法和基于接收信号时间（TOA/TDOA，Time/Time Difference of Arrival）法。
基于接收信号时间法是由接收信号的传播时间来估计距离。相对于其他方法TOA方法有很大的优势，它精度最高，可以充分利用UWB的定位优势，而且最能体现出UWB信号时间分辨率高的特点。
3 UWB定位技术在有限空间的应用系统
3.1 UWB定位技术在有限空间的应用系统结构
定位系统应用由感知层、传输层、服务层、网络层、应用层组成。
感知层：由定位基站、通信基站、定位标签组成，通过定位基站与定位标签的定位信道实现对定位标签的定位，通过通信基站与定位标签通信信道实现定位基站对定位标签的配置、标签状态回传以及定位标签上下行数据。
传输层：分为无线网络传输和有线网络传输，无线网络传输通过WIFI实现，有线网络传输通过有限以太网实现。
服务层：由UWB定位引擎、定位系统管理软件、接口软件组成，软件统一部署在服务器端。定位引擎负责定位数据解算，得带标签坐标；管理系统软件实现定位的网络传输及参数配置管理，并作为应用层到感知层的数据交互通道；接口软件为其他系统平台整合提供数据。
网络层：为现场到达数据展示平台的以太网。
应用层：系统定位平台，面向用户做数据展示及定位参数控制等。
3.2有限空间UWB定位系统
工厂人员定位监控系统需要实现对工作人员位置信息、图像信息进行采集、分发、监控、统计汇总。结合用户真实需求，设计团队与用户共同商议并确定了工厂人员定位监控系统，系统具有经济性、可靠性、先进性和可持续发展特性;强调系统的可靠性，确保高起点的先进系统在未来应用过程中的稳定、可靠，而且能长期不间断无故障地运行;强调系统的经济性，利用新技术、新产品构建新系统，简化系统建设难度和环节，提高子系统乃至部件的集成度，有效地、合理地降低系统建设平均成本;强调系统的联动，将人员实时轨迹与监控系统结合起来，在一个平台上实现定位报警联动的功能，发挥平台的智能化、自动化特征。
（1）实时位置显示
以平面视图角度展示现场人员的定位位置以及人员信息，自定义人员信息，可以通过部门、区域、卡号、姓名等条件筛选出需要查看的人员位置。可以以列表形式展示人员信息和位置信息，并实现列表导出功能。
（2）历史轨迹回放
回放某段时间内多人在某个区域内的轨迹，支持自定义绘制区域进行轨迹回放，并支持回放速率调节。实现自动跳过无位置数据时间段，可以手动开启。
（3）电子围栏
可以实现地图中绘制权限区域，设置人员进出权限，违规操作实时报警提示，还原现场越界轨迹。
（4）长时间静止预警
UWB定位系统可实现“静止不动”行为监测功能，当员工处于危险状态（如昏迷）而无法主动报警，静止不动的时间超过了设定的时长，系统会发出预警信息，提醒管理者及时救援，防止无人发现而错失救援最佳时机的情况发生。
（5）超时预警
当人员或物品在某个区域滞留时间过长，UWB定位系统可发出预警信息，防止外来车辆或访客长时间滞留在危险区域，保障区域或人员安全。
4 uwb定位系统前景展望
前面分析可知uwb定位系统无论在定位精度、传输能力穿透力实时性等方面与其他的无线定位技术相比都有明显优势，能够满足未来无线定位的要求可以预见uwb技术将来一定会在无线定位领域得到广泛应用。但目前超宽带技术正处于发展初级阶段，精确定位技术的商业化正在进行之中，定位算法还有待改进，相关芯片还很少，市场推动力不足等因素，阻碍着uwb定位技术的推广和应用。
采用UWB进行无线定位，可以满足未来无线定位的需求，在众多无线定位技术中有相当大的优势，目前的研究表明超宽带定位的精度在实验室环境已经可以达到十几cm。此外，超宽带无线电定位，很容易将定位与通信结合，快速发展的短距离超宽带通信无疑将带动UWB在定位技术的发展，而常规无线电难以做到这一点。虽然无线精确定位技术已有了多年发展，但目前超宽带技术正处于发展初级阶段，精确定位技术的商业化正在进行之中，定位算法还有待改进。随着超宽带技术的不断成熟和发展，市场需求的不断增加，相信不久超宽带定位技术就可以完全实现商业化，精确的超宽带定位系统将会得到广泛应用。
5结语
室内定位技术众多，各种技术都有自己的局限性，彼此间又在一定程度上存在互相竞争。高精度室内定位技术均需要比较昂贵的额外辅助设备或前期大量的人工处理，这些都大大制约了技术的推广普及。低成本的定位技术则在定位精度上需要提高。在提供高精度定位的基础上降低成本也是室内定位的一个方向。未来的趋势一定是多种技术融合使用，实现优势互补，以面对复杂环境。其中成本越低、兼容性越好、精度越高的技术越容易普及。
参考文献：
[1] 李新平，杨红云编．物联网教育工程概论[M]．武汉：华中科技大学出版社，2016.05
作者简介：向少杰（1984.07-）男，汉族，湖北荆门人，本科，高级工程师，研究方向：企业信息化研究、软件研发、硬件实施。