摘 要：RTK差分高精度卫星定位技术、无线通信技术和边缘计算的结合，是解决时空精准位置感知和端-云通信的重要手段。边缘计算的引入，可降低网络通信传输压力和云端存储计算压力。基于精准位置服务和边缘计算技术的可穿戴设备，采用端-云协同的工作模式，使用北斗/GPS双模差分定位模组获取现场人员的时空信息，通过Wifi或蓝牙等低功耗小体积通信设备与现场的边缘物联代理进行双向数据传输，再经边缘物联代理与云端实现双向数据传输，减小数据传输量，并简化云端计算存储量，使得端侧设备小型化低功耗、云端平台的多用户接入实时处理成为可能。满足电网行业现场作业人员高精度监控、变电所人员安全保障等应用场景的需求。
关键词：差分卫星定位，边缘物联代理，现场可穿戴设备，端-云协同
1 简介
电力行业现场作业要保证人员人身安全、掌握人员位置、及时预警调度。泛在电力物联网建设大纲提出了端-云协同工作模式，通过采用现场安全可穿戴设备技术，可有效满足安全、定位监控、预警调度需求。终端设备的可穿戴化，有利于推广使用，结合精准位置服务技术，可显著提升定位精度，支持在云端实时准确监测作业人员是否越过安全线，并向工作人员发送警告信息，保障人身安全。
图1. 现场安全可穿戴设备功能框图
本文研究的安全可穿戴设备，采用RTK差分高精度卫星定位、无线通信和边缘计算相结合技术。设备体积小于45mm*45mm*22mm、功耗小于200mW，可连续工作12h以上，定位精度可达水平1cm、高程2cm。边缘物联代理采用CPU+FPGA构架，内部嵌入控制程序、RTCM3.2差分信息解析程序、数据加密程序，具备数据微处理功能和数据前置处理功能，边缘物联代理的上行通信采用4G或5G模式、下行通信采用Wifi和蓝牙通信。
2 系统架构设计
图1是设备功能框图，采用端-云协同的工作模式，包括端、边缘物联代理、网、云、用等五个层次。
端层：即现场可穿戴设备，其特点是小体积、低功耗、可穿戴，具备RTK差分高精度卫星定位、下行通信（WiFi或蓝牙）、告警三种功能；
边缘物联代理层：实现终端的数据采集、边缘计算、安全接入、隔离传输等多种功能，缩小终端体积，提升网络边缘计算能力。
网络层：包含两部分，一是4G或5G的上行通信网络，用于传输边缘计算结果和云端指令。二是基于RTK地面增强基站而建立的精准位置服务网，该网络的用处是利用差分信息，提升卫星定位精度，实现高精度定位远程监控。
云层：作为智能监控平台，具备数据管理、远程监控、数据统计、告警控制、智能分析等能力。
用层：主要实现现场作业人员的人身安全、精确定位监控、及时的预警调度和安全评估应用。
3 可穿戴终端设备的设计
图.2是可穿戴设备硬件框图，包括电源模块、卫星天线、通信天线、RTK差分高精度定位模块、低功耗SoC、计时模块、计时显示、振动马达（或语音发生器）。
图.2 高精度定位预警可穿戴设备框图
电源模块：提供3.3V、3.7V电源。3.3V为数字模块供电，分别为RTK高精度定位模块、计时模块、计时显示供电，3.7V电源为低功耗SoC芯片、振动马达（或语音发生器）供电；电池采用3.7V锂电池，可采用5V手机充电器进行充电，容量2000mAh。
卫星天线：采用北斗/GPS双模陶瓷天线多馈点设计方案，实现相位中心与几何中心的重合，将天线对测量误差的影响降低到最小，具备方向图波束宽，确保低仰角信号的技术效果，并带有抗多路径扼流板，降低多径对测量精度的影响。
通信天线：充分考虑小型化的要求，采用内置结构，并具备抗多径干扰的功能。
RTK高精度差分定位模块：用于获取定位信息，具备体积小功耗低的特性，并具备良好的捕获、跟踪灵敏度。适应复杂环境提供导航定位的可用性、连续性和可靠性。
低功耗SoC：将来自广域差分高精度模块的定位信息进行有效信息提取，完成协议打包并发送至边缘物联代理，进行边缘计算和通信预处理。当收到边缘物联代理发出的警告信息时，芯片发出指令，并将从边缘物联代理处得到的差分定位修正信息发送至RTK高精度定位模块进行定位修正，以提升定位精度。
计时模块、计时显示、振动马达（或语音发生器）：实现计时和告警功能。前两部分完成计时显示，振动马达或语音模组受SoC芯片驱动，当云平台收到定位信息之后，对比数据库中存储信息，分析出终端所在位置。
4 实验及结果
图5是传统预警模式和现场安全可穿戴设备预警的延迟对比结果。
从图中可以看到，随着工作人员越过危险区域的次数增加，传统模式的告警时间延迟显著增加，这是由于需要人为进行预警分析造成的，而现场安全可穿戴设备预警的延迟增加不明显，接近无延迟预警。
图5. 系统延迟对比
图6是传统预警模式和现场安全可穿戴设备预警的费用对比结果，从图中可以看出，当工作人员越过危险区域的次数不断增加后，传统预警的人力物力成本明显高于精准定位+边缘物联代理预警的成本。
图6. 预警费用对比
5 结论
本文结合泛在电力物联网技术框架，采用端-云协同工作模式，进行了基于精准位置服务和边缘物联技术的现场安全可穿戴设备技术研究。课题采用RTK差分高精度卫星定位技术、无线通信技术和边缘计算的结合的模式，使用北斗/GPS双模差分定位模组获取现场人员的时空信息，通过Wifi或蓝牙等低功耗小体积通信设备与现场的边缘物联代理进行双向数据传输，再经边缘物联代理与云端实现双向数据传输，将获取数据进行边缘计算预处理，减小数据传输量，简化云端计算存储量，使得端侧设备小型化低功耗、云端平台的多用户接入实时处理成为可能。满足对现场作业人员高精度监控、安全保障辅助等场景的需求。
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论文作者:方云龙，王汝英，张立，刘万龙，张海涛
论文发表刊物:《科技新时代》2019年10期
论文发表时间:2019/12/6
标签：边缘论文; 穿戴论文; 现场论文; 设备论文; 差分论文; 云端论文; 模块论文; 《科技新时代》2019年10期论文;