CN102542232B - 基于toa测距的人员精确定位系统及其定位方法 - Google Patents

Abstract

基于TOA测距的人员精确定位系统，它包括有读卡器和标识卡，读卡器包括有读卡器电源模块、读卡器级联模块、读卡器处理器、读卡器定位模块和读卡器通信协议模块，标识卡包括有标识卡处理器、标识卡电源模块和标识卡定位模块；基于TOA测距的人员精确定位方法，它通过标识卡发送的握手信息，由读卡器确定精确定位或RFID定位工作模式，完成标识卡的RFID定位或精确定位。本发明可以通过TOA测距方法准确测算出携带标识卡人员的具体位置和距离读卡器的距离，实现矿井下的人员准确定位，并且可以兼容RFID定位技术，在更换TOA定位系统时，RFID系统也可以继续使用，降低更换成本。

Description

基于TOA测距的人员精确定位系统及其定位方法

技术领域

本发明涉及一种定位系统及定位方法，特别是一种基于TOA测距的定位系统及定位方法。

背景技术

目前，国内市场已经开发出基于有源RFID技术的人员考勤管理系统，并得到了成功推广应用。从严格意义上说，现有的矿用人员定位系统只是考勤系统，若是标识卡在读卡器的测量范围内，则表示标识卡进入测量区域，反之则没有进入测量区域，无法确定标识卡的具体位置。市场上出现了一些精确定位系统，但它们的定位精度很低，还达不到煤矿的需求标准，并且也无法和RFID定位系统相兼容，更换成本太高。TOA测距方法目前还没有运用于煤矿人员定位系统上，并且也没有出现TOA测距方法与RFID技术相兼容的定位系统。

发明内容

本发明的目的就是提供一种基于TOA测距的人员精确定位系统，它可以准确的测算出带有标识卡人员的准确位置。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，它包括有读卡器和标识卡，其特征在于：所述读卡器包括有读卡器电源模块、读卡器级联模块、读卡器处理器、读卡器定位模块和读卡器通信协议模块，

读卡器电源模块，用于为读卡器提供电源；

读卡器级联模块，实现多个读卡器基于CAN通信协议的级联工作；

读卡器定位模块，发送、接收定位数据包，计算发送、接收数据包之间的时间延迟，并将时间延迟发往标识卡，计算标识卡位置信息； 

读卡器通信协议模块，用于读卡器与上位机的数据传输；

读卡器处理器，用于读卡器数据信息汇总，标识卡的多卡ID识别，读卡器之间的通信，控制读卡器的其他模块工作，实现读卡器休眠模式与正常模式之间的切换；

所述标识卡包括有标识卡处理器、标识卡电源模块和标识卡定位模块，

标识卡电源模块，为标识卡提供电源；

标识卡处理器，用于标识卡数据信息汇总，控制标识卡其他模块工作，实现标识卡休眠模式与正常模式之间的切换；

标识卡定位模块，发送、接收定位数据包，计算发送、接收数据包之间的时间延迟，并通过读卡器定位模块的时间延迟数据计算标识卡与读卡器之间的精确距离。

进一步，所述读卡器还包括有读卡器显示模块和读卡器存储模块，

读卡器显示模块，用于显示读卡器数据信息；

读卡器存储模块，用于存储标识卡的卡号、距离等信息。

进一步，所述标识卡还包括有标识卡显示模块、标识卡蜂鸣器和标识卡指示灯，

标识卡显示模块，用于显示标识卡信息；

标识卡蜂鸣器，在标识卡收到撤离命令时进行鸣叫；

标识卡指示灯，用于显示标识卡的工作状态。

进一步，所述读卡器包括有一个主读卡器和多个辅读卡器，主读卡器计算标识卡方位。

本发明的另一个目的就是提供一种基于TOA测距的人员精确定位方法，它可以兼容RFID定位，准确测算出携带标识卡人员的准确位置。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，读卡器包括有TOA精确定位读卡器和RFID读卡器，标识卡包括有TOA精确定位标识卡和RFID标识卡，具体步骤如下：

1）标识卡向读卡器发送握手信息，读卡器判断基于TOA精确定位或基于RFID定位，若为RFID定位则转入步骤2），若为精确定位则转入步骤3）；

2）读卡器发送RFID定位模式确认信息至标识卡，标识卡收到确认信息后向读卡器发送定位信息，若读卡器收到定位信息，则表示该标识卡在读卡器测量区间内，若读卡器未收到定位信息，则表示该标识卡不在读卡器测量区间内，完成RFID定位；

3）读卡器发送精确定位模式确认信息至标识卡；

4）标识卡收到读卡器精确定位模式确认信息，向读卡器发送第一次定位数据包，读卡器收到第一次定位数据包后，立即发出第一次应答消息，并且读卡器记录下收到第一次定位数据包到发出第一次应答消息的时间段，记为T₂，标识卡收到读卡器发出的第一次应答消息，记录下标识卡从发送第一次定位数据包到接收到第一次应答消息的时间段，记为T₁；

5）读卡器向标识卡发出第二次定位数据包，第二次定位数据包包含了T₂时间信息，并接收标识卡发回的第二次应答消息，记录读卡器从发出第二次定位数据包到接收第二次应答消息的时间段记为T₃，标识卡收到第二次定位数据包后向读卡器发出第二次应答消息，标识卡记录从接收到发送的时间段记为T₄，读卡器收到标识卡的第二次应答消息后将记录有T₃信息的数据包发送给标识卡；

6）标识卡根据T₁、T₂、T₃和T₄时间信息，代入公式计算读卡器与标识卡之间的距离d：

   

其中C为光速；

7）根据多台读卡器测算同一标识卡的距离信息，测算出标识卡的方位信息。

进一步，步骤1）中读卡器的判断方法为：读卡器接收标识卡发送的握手信息，握手信息包括有TOA格式握手信息和RFID格式握手信息，能识别标识卡发出的TOA格式握手信息，则判断为精确定位模式，若读卡器不能识别标识卡发出的TOA格式握手信息，则等待标识卡发出RFID格式握手信息，判断为RFID定位模式。

进一步，所述标识卡为TOA精确定位标识卡，则交替发出TOA格式握手信息和RFID格式握手信息各10次，若得到读卡器回应则确定定位模式，若无法得到读卡器回应则继续交替发出TOA格式握手信息和RFID格式握手信息，TOA精确定位标识卡初始默认为发送10次TOA格式握手信息。

进一步，所述标识卡为RFID标识卡，则默认一直发送RFID格式握手信息。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明可以通过TOA测距方法准确测算出携带标识卡人员的具体位置和距离读卡器的距离，实现矿井下的人员准确定位，并且可以兼容RFID定位技术，在更换TOA系统时RFID系统也可以继续使用，降低更换成本。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下。

图1为本发明采用TOA原理进行测距的示意图；

图2为本发明所述装置的结构示意图；

图3为本发明所述方法的流程图；

图4为读卡器计算标识卡位置信息的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

基于TOA测距的人员精确定位系统，它包括有读卡器和标识卡，所述读卡器包括有读卡器电源模块、读卡器级联模块、读卡器处理器、读卡器定位模块和读卡器通信协议模块，

读卡器电源模块，用于为读卡器提供电源；

读卡器级联模块，实现多个读卡器基于CAN通信协议的级联工作；

读卡器定位模块，发送、接收定位数据包，计算发送、接收数据包之间的时间延迟，并将时间延迟发送至标识卡进行距离计算，计算标识卡位置信息；

读卡器通信协议模块，用于读卡器与上位机的数据传输；

读卡器处理器，用于读卡器数据信息汇总，标识卡的多卡ID识别，读卡器之间的通信，控制读卡器的其他模块工作，实现读卡器休眠模式与正常模式之间的切换；

所述标识卡包括有标识卡处理器、标识卡电源模块和标识卡定位模块，

标识卡电源模块，为标识卡提供电源；

标识卡处理器，用于标识卡数据信息汇总，控制标识卡其他模块工作，实现标识卡休眠模式与正常模式之间的切换；

标识卡定位模块，发送、接收定位数据包，计算发送、接收数据包之间的时间延迟，并通过读卡器定位模块的时间延迟数据计算标识卡与读卡器之间的精确距离。

读卡器分为TOA精确定位读卡器和RFID读卡器，本发明所述读卡器为TOA精确定位读卡器，可以接收、发送TOA格式数据包，与TOA精确定位标识卡共同实现精确定位，同时也可以接收、发送RFID格式数据包，与RFID标识卡共同实现RFID定位。标识卡分为TOA精确定位标识卡和RFID标识卡，本发明所述标识卡为TOA精确定位标识卡，可以接收、发送TOA格式数据包，计算标识卡至读卡器之间的距离和方位，同时也可以接收、送RFID格式数据包，与RFID读卡器共同实现RFID定位。基于以上设置，本发明可以兼容TOA测距与RFID定位。

为了方便使用，所述读卡器还包括有读卡器显示模块和读卡器存储模块，读卡器显示模块，用于显示读卡器数据信息；读卡器存储模块，用于存储标识卡的卡号、距离等信息。存储模块可以储存测算信息，便于上传给上位机。

所述标识卡还包括有标识卡显示模块、标识卡蜂鸣器和标识卡指示灯。

标识卡显示模块，用于显示标识卡信息；标识卡可以显示时间信息、距离信息和方位信息等 。

标识卡蜂鸣器，在标识卡收到撤离命令时进行鸣叫。在携带标识卡的人员进入危险区域或离开测算区域时，蜂鸣器振动提示携卡人员。

标识卡指示灯，用于显示标识卡的工作状态。

所述读卡器包括有一个主读卡器和多个辅读卡器，主读卡器计算标识卡方位。

基于TOA测距的人员精确定位方法，读卡器包括有TOA精确定位读卡器和RFID读卡器，标识卡包括有TOA精确定位标识卡和RFID标识卡，具体步骤如下：

1）标识卡向读卡器发送握手信息，读卡器判断基于TOA精确定位或基于RFIDRFID定位，若为RFID定位则转入步骤2），若为精确定位则转入步骤3）；

2）读卡器发送RFID定位模式确认信息至标识卡，标识卡收到确认信息后向读卡器发送定位信息，若读卡器收到定位信息，则表示该标识卡在读卡器测量区间内，若读卡器未收到定位信息，则表示该标识卡不在读卡器测量区间内，完成RFID定位；

3）读卡器发送精确定位模式确认信息至标识卡；

4）标识卡收到读卡器精确定位模式确认信息，向读卡器发送第一次定位数据包，读卡器收到第一次定位数据包后，立即发出第一次应答消息，并且读卡器记录下收到第一次定位数据包到发出第一次应答消息的时间段，记为T₂，标识卡收到读卡器发出的第一次应答消息，记录下标识卡从发送第一次定位数据包到接收到第一次应答消息的时间段，记为T₁；

5）读卡器向标识卡发出第二次定位数据包，第二次定位数据包包含了T₂时间信息，并接收标识卡发回的应答消息，记录读卡器从发出第二次定位数据包到接收应答消息的时间段记为T₃，标识卡收到第二次定位数据包后向读卡器发出应答消息，标识卡记录从接收到发送的时间段记为T₄，读卡器收到标识卡的应答消息后将记录有T₃信息的数据包发送给标识卡；

6）标识卡根据T₁、T₂、T₃和T₄时间信息，代入公式计算读卡器与标识卡之间的距离d：

   

其中C为光速；

7）根据多台读卡器测算同一标识卡的距离信息，测算出标识卡的方位信息。

本发明第一步进行工作模式选择，确认了工作模式后再进行精确定位或RFID定位，RFID定位基于RFID射频原理，标识卡处于读卡器测量范围内，读卡器能收到定位信息，则表明标识卡位于检测区域，无法再进一步精确定位，RFID定位技术一般用于工作考勤，确认员工是否在工作区域。而TOA测距方法根据时间可以计算出标识卡与读卡器之间的准确距离，若有两台以上的读卡器同时显示标识卡的距离信息就可以定位出标识卡的位置信息，完成精确定位过程。而TOA测距方法有一个技术难点在于时间同步，若时间同步出现误差，则测量出的结果相差会很大。如图1所示，本发明为了解决时间同步问题，采用了时间段计算的方式，通过标识卡和读卡器各自收、发数据包的时间差来计算距离，避免了时间同步的问题，计算结果精确。

步骤1）中读卡器的判断方法为：读卡器接收标识卡发送的握手信息，握手信息包括有TOA格式握手信息和RFID格式握手信息，能识别标识卡发出的TOA格式握手信息，则判断为精确定位模式，若读卡器不能识别标识卡发出的TOA格式握手信息，则等待标识卡发出RFID格式握手信息，判断为RFID定位模式。

以读卡器和标识卡的类型进行划分，本发明可以分为4种情况：

第一种，TOA精确定位读卡器和TOA精确定位标识卡，标识卡发送TOA格式握手信息给读卡器，读卡器能识别，确认为精确定位模式。

第二种，TOA精确定位读卡器和RFID标识卡，标识卡发送RFID格式握手信息给读卡器，读卡器能识别，确认为RFID定位模式。

第三种，RFID读卡器和TOA精确定位标识卡，标识卡先发送TOA格式握手信息给读卡器，读卡器不能识别，标识卡切换为RFID格式握手信息，读卡器能识别，确认为RFID定位模式。

第四种，RFID读卡器和RFID标识卡，标识卡发送RFID格式握手信息给读卡器，读卡器能识别，确认为RFID定位模式。

所述标识卡为TOA精确定位标识卡，则交替发出TOA格式握手信息和RFID格式握手信息各10次，若得到读卡器回应则确定定位模式，若无法得到读卡器回应则继续交替发出TOA格式握手信息和RFID格式握手信息，TOA精确定位标识卡初始默认为发送10次TOA格式握手信息。TOA精确定位标识卡每10次切换一次握手信息的格式，确保读卡器能识别，RFID标识卡只发送RFID格式的握手信息，一旦标识卡进入读卡器的测量范围，读卡器对标识卡进行回复，证明标识卡在测量区域内，完成区域模式的测量。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.基于TOA测距的人员精确定位方法，其特征在于，读卡器包括有TOA精确定位读卡器和RFID读卡器，标识卡包括有TOA精确定位标识卡和RFID标识卡，具体步骤如下：

1）标识卡向读卡器发送握手信息，读卡器判断基于TOA精确定位方式或基于RFID定位方式，若为RFID定位则转入步骤2），若为精确定位则转入步骤3）；

2）读卡器发送RFID定位模式确认信息至标识卡，标识卡收到确认信息后向读卡器发送定位信息，若读卡器收到定位信息，则表示该标识卡在读卡器测量区间内，若读卡器未收到定位信息，则表示该标识卡不在读卡器测量区间内，完成RFID定位；

3）读卡器发送精确定位模式确认信息至标识卡；

4）标识卡收到读卡器精确定位模式确认信息，向读卡器发送第一次定位数据包，读卡器收到第一次定位数据包后，立即发出第一次应答消息，并且读卡器记录下收到第一次定位数据包到发出第一次应答消息的时间段，记为T₂，标识卡收到读卡器发出的第一次应答消息，记录下标识卡从发送第一次定位数据包到接收到第一次应答消息的时间段，记为T₁；

5）读卡器向标识卡发出第二次定位数据包，第二次定位数据包包含了T₂时间信息，并接收标识卡发回的应答消息，记录读卡器从发出第二次定位数据包到接收应答消息的时间段记为T₃，标识卡收到第二次定位数据包后向读卡器发出应答消息，标识卡记录从接收到发送的时间段记为T₄，读卡器收到标识卡的应答消息后将记录有T₃信息的数据包发送给标识卡；

6）标识卡根据T₁、T₂、T₃和T₄时间信息，代入公式计算读卡器与标识卡之间的距离d：

$d=\frac{T_1-T_2+T_3-T_4}{4}\×C$

其中C为光速；

7）根据多台读卡器测算同一标识卡的距离信息，主读卡器测算出标识卡的方位信息；

步骤1）中读卡器的判断方法为：读卡器接收标识卡发送的握手信息，握手信息包括有TOA格式握手信息和RFID格式握手信息，能识别标识卡发出的TOA格式握手信息，则判断为精确定位模式，若读卡器不能识别标识卡发出的TOA格式握手信息，则等待标识卡发出RFID格式握手信息，判断为RFID定位模式；

所述标识卡为TOA精确定位标识卡，则交替发出TOA格式握手信息和RFID格式握手信息各10次，若得到读卡器回应则确定定位模式，若无法得到读卡器回应则继续交替发出TOA格式握手信息和RFID格式握手信息，TOA精确定位标识卡初始默认为发送10次TOA格式握手信息。

2.如权利要求1所述的基于TOA测距的人员精确定位方法，其特征在于：所述标识卡为RFID标识卡，则默认一直发送RFID格式握手信息。

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