CN103971072A - 一种适用于智慧城市应用的局部范围内的无线定位系统 - Google Patents

Abstract

一种适用于智慧城市应用的局部范围内的无线定位系统，由内场定位基站和智能掌上体验终端构成，内场定位基站由射频发射电路和曼彻斯特编码构成，用于内场位置信息通过射频发射电路不断向空间发射信号；智能掌上体验终端的中央处理器通过同步串行外设接口与射频接收电路连接，中央处理器通过异步收发器与ID读卡电路连接，中央处理器通过异步收发器与语音合成电路连接，中央处理器通过串行总线与触摸屏连接；该终端进入信号区间时，射频接收电路接收信号给中央处理器，并通同步串行数据接口读出并解码出位置标号，联动多媒体内容，通过触摸屏展示给用户，可用于旅游、购物、医疗、家居、参观体验厅、图书馆、博物馆、会展馆等场所。

Description

一种适用于智慧城市应用的局部范围内的无线定位系统

技术领域

本发明涉及一种无线定位系统，具体地说是一种适用于智慧城市应用的局部小范围内的无线定位系统。

背景技术

随着移动计算和嵌入式系统的高速发展，人们对位置感知的兴趣日趋浓厚，因此定位服务系统也受到越来越多的关注。全球定位系统是目前应用最为广泛的定位系统。然而，在室内等用户无法与轨道卫星保持视距的场合，GPS系统定位精度不高，甚至失效。为了提高室内定位的精度，人们采用了红外线定位、超声波定位、无线局域网定位、射频识别定位等技术。与其他技术相比，射频识别技术具有非接触、非视距、传输范围大和性价比高等优点。

射频识别技术是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，它利用射频信号通过交变磁场或电磁场耦合实现信息传递并通过所传递的信息达到识别的目的。RFID标签实现了无接触操作，具有体积小，容量大，应用便利，无机械磨损，寿命长，无需可见光源，穿透性好，可重复使用，抗污染能力和耐久性强等特点。并且，RFID标签可以在恶劣环境下工作，读取距离远，并使用了防碰撞技术，可支持多个目标的快速读写、多目标识别、移动识别、非可视识别、实时定位及长期跟踪管理。上世纪九十年代以来，RFID技术得到了飞速的发展。

由于应用RFID技术可大幅提高管理与运作效率，降低成本，因此经济发达国家和地区将其应用于很多领域，并积极推动相关技术与应用标准的国际化。目前，RFID技术在物流和供应管理、生产制造和装配、文档追踪、图书馆管理、动物身份标识、航空行李处理、邮件包裹处理、运动计时、门禁控制及电子门票、道路自动收费等方面得到了广泛的应用。自从2003年沃尔玛超市规定其供应商使用RFID标签开始，RFID的商业化发展真正迈出了一大步。而在2006年德国世界杯和2008年北京奥运会等世界性体育比赛中，RFID技术也做出了很大的贡献。虽然RFID拥有着美好的应用前景和广阔的市场空间，但其在中国的应用尚处于培育阶段。近年来，我国已初步开展了RFID相关技术的研发及产业化工作，并在部分领域开始应用，但相对来说应用基础薄弱，缺乏核心技术，应用分散，不具备规模优势。

目前，我国的RFID技术还缺乏具有重大示范效应的典型应用，影响了RFID的推广，加上终端用户对RFID技术所能带来的效益理解不够深，使研究、制造、生产RFID标签及读写器的企业和机构虽然热情很高，但终端用户如物流业、制造业仍在观望和等待。随着相关技术的不断完善和成熟，我国的RFID产业将成为一个新兴的高科技技术产业群，成为国民经济的新增长点。因此，研究RFID技术，发展RFID产业对提高我国社会信息化水平，促进经济可持续发展，提高人民生活质量，增强公共安全等方面将会产生深远的影响。近几年来，无线通信系统正以惊人的速度成长着。无线技术已经进入了通信、工业、医疗、消费应用、物流运输以及公共安全等领域，其发展与人民的日常生活息息相关。目前，自组织无线传感器网络能提供跟踪、导航等内容的信息服务。而无线网络的发展，使得用户能广泛地获得无线信息接入，从而对无线网络中的准确定位包括室外定位和室内定位提出了更高的要求。RFID定位被称为“定位新星”，该技术是继GPS定位技术后兴起的一个重要定位技术。该领域是除手机定位技术外，普通民众值得关注的一个重要领域。RFID定位系统具有自组织性，无需卫星或者手机网络的配合，其精确度在于RFID设备如读写器、标签的分布，而应用无线射频读写器及标签，用户可以根据自身实际需要，在自己布置的特定区域进行定位。因此，RFID定位系统对于只需在特定区域进行定位的用户，如在超市、图书馆、医疗部门以及生产管理等需要定位、监控以及导航的场合，都具有应用重大的价值。根据调查，仅2005年一年，全球使用RFID定位技术的企业就比前一年增长了3倍之多。从医疗部f-JNN造业，在需要实时数据以及运输中需要定位的地方，都已经出现了RFID定位系统的身影。例如在英国，一些医院应用RFID定位系统对医疗器械设备进行定位和追踪，有效降低了医疗器械设备失窃的可能性；丰田汽车公司在汽车物流供应链建立了RFID定位系统，该系统既降低了人工成本，也使工作流程自动化，提高了整个流程的工作效率。因此，RFID技术在定位尤其是室内定位领域，具有广阔的应用前景。

完整的RFID系统由读写器、电子标签和数据管理系统三部分组成。

读写器是将标签中的信息读出，或将标签所需要存储的信息写入标签的装置。根据使用的结构和技术不同，读写器可以是读或读/写装置，是RFID系统信息控制和处理中心。在RFID系统工作时，由读写器在一个区域内发送射频能量形成电磁场，区域的大小取决于发射功率。在读写器覆盖区域内的标签被触发，发送存储在其中的数据，或根据读写器的指令修改存储在其中的数据，并能通过接口与计算机网络进行通信。

读写器的基本构成通常包括：收发天线，发送射频信号给标签，并接收标签返回的响应信号及标签信息；频率产生器，产生系统的工作频率；锁相环，产生所需的载波信号；调制电路，把发送至标签的信号加载到载波并由射频电路送出；微处理器，产生要发送往标签的信号，同时对标签返回的信号进行译码，并把译码所得的数据回传给应用程序，若是加密的系统还需要进行解密操作；存储器，存储用户程序和数据；解调电路，解调标签返回的信号，并交给微处理器处理；外设接口，与计算机进行通信。

根据标签的供电形式，电子标签分为有源电子标签和无源电子标签。有源电子标签也叫主动标签，标签内装有电池，使用标签内电池的能量，识别距离较长，可达几十米甚至上百米，但其价格较高。而且因为自带电池，有源标签体积较大，无法做成薄卡的形式，还需要定期更换电池。无源电子标签也叫被动标签，标签不含电池，利用读写器发射的电磁场能量作为自己的能量。无源标签体积小、重量轻、成本低，但发射距离受限制，一般只有几十厘米，而且需要有较大的读写器发射功率。

比较有源标签与无源标签的特点：

在读写距离方面，有源标签有内置电池供电，因此其读写距离相对无源标签较远；

在使用寿命方面，无源标签一般可做到免维护，具有极长的使用寿命，而有源标签的内置电池不能长久使用，能量耗尽后需要更换，因此寿命相对较短。但随着硬件技术的发展，目前有源标签的寿命也可以做到很长，一些低功耗的有源标签寿命可达10年以上；

在工作频率方面，有源标签的频率比无源标签高；而相比有源标签，无源标签在识别速度方面会略有限制；在尺寸大小和成本方面，因为无源标签不含电池，因此体积较有源标签小，价格也较便宜。

根据各自的特点，有源标签在定位、追踪等应用上较有优势；而无源标签更能适应物流、票证防伪对低成本及小尺寸的要求。

电子标签的基本构成通常包括：收发天线：接收来自读写器的信号，并把所要求的数据送回给读写器；AC/DC电路：利用读写器发射的电磁场能量，经大电容把能量存储下来，再经稳压电路输出为其他电路提供稳定的电源；解调电路：从接收的信号中去除载波，解调出原信号；逻辑控制电路：对来自读写器的信号进行译码，并依读写器的要求回发信号；存储器：作为系统运作及存放识别数据的位置；调制电路：逻辑控制电路所送出的数据经调制电路后加载到天线送给读写器。

现有的RFID技术，是通过读写器寻找电子标签，用来确定移动或可移动目标的位置，采用这样的系统或方法，存在着明显的缺陷：在读写器射频覆盖区域以外的电子标签的位置无法确定，要做到全覆盖需要增加读写器的数量，这样一来就增加了建设成本，其次是应用范围受到局限。本发明采用的定位的系统或方法是将读写器和电子标签所担任的角色进行了调换，使得其建设成本更加低廉、使用方法更加灵活、适用范围更广和操作更加简单。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足之处，提供一种适用于智慧城市应用的局部范围内的无线定位系统。

为了实现本发明的目的，将采用如下的技术方案予以实施。

一种适用于智慧城市应用的局部范围内的无线定位系统，由内场定位基站和智能终端构成，内场定位基站内嵌125K射频发射电路，用于不断地向空中发射内场的位置信息；智能终端为平板电脑，由电源、中央处理器、触摸屏、ID读卡电路、语音合成电路和125K射频接收电路构成，电源，用于终端的电力供应；中央处理器，用于对125K射频接收电路、ID读卡电路、语音合成电路和触摸屏的信号的处理；125K射频接收电路，用于接收125K射频发射电路的时钟和数据信号；ID读卡电路，用于对内场定位基站的时钟和数据信号进行编码；语音合成电路，用于接收待合成的文本，实现文本到声音的转换；触摸屏，用于人机互动和多媒体内容的播放；其特征在于：所述的内场定位基站还内嵌曼彻斯特编码，其是一个同步时钟编码技术，被物理层使用来编码一个同步位流的时钟和数据；

所述的智能终端的中央处理器通过同步串行外设接口与125K射频接收电路连接，中央处理器通过异步收发器与ID读卡电路连接，中央处理器通过异步收发器与语音合成电路连接，中央处理器通过串行总线与触摸屏连接。

所述的中央处理器为S5PV210。

所述的125K射频接收电路为AS3933。

所述的ID读卡电路为u2270b。

所述的语音合成电路为SYN6288。

所述的125K射频发射电路，采用分立元件实现，分立元件包括：TC4426、IRF7389、PMEG4010。

有益效果

支持多种媒体格式、MPEG-1/2/4、H.263和H.264等格式，支持多种ID卡芯片、TKID卡芯片、TK4100芯片、4100芯片和EM4100芯片射频卡芯片；可用于识别高速运动物品；标签的同时读取能力大大增强，能识别大批目标人或车辆的同时进出；125K低频最远6米的触发距离，可用于自动识别、追踪、定位、收集，无需人工干预；125K低频与2.45G微波频段相结合，使其定位更加准确，数据传输速度更加高，功耗更加低；实时语音合成，自动告知人或车辆的目的地并准确进行引导；使得其建设成本更加低廉、使用方法更加灵活、适用范围更广和操作更加简单。

附图说明

图1是该系统的结构框图；

图2为该系统中内场定位基站和智能终端的结构框图；

具体实施方式

结合附图，对本发明做进一步的说明。

如图1和图2所示，首先使用智能终端中的ID读卡电路将位置标号进行编码；内场定位基站通过125K射频发射电路不断向空间发射曼彻斯特编码的同步位流的时钟和数据；当智能终端进入内场定位基站的射频覆盖区时，125K射频接收电路接收到125K射频发射电路发射的时钟和数据信号给处理器，并通同步串行外设接口读出并解码出位置标号，并联动相关区域的多媒体内容，通过触摸屏展示给用户，用户可以触模操作；也可以通过ID读卡电路接近物体自动识别物体上的ID标签，软件自动联动相关多媒体内容，讲解相关物品的情况；如果需要语音提示时，再由中央处理器通过异步收发器发送语音合成指令给语音合成电路，实现人的智慧工作提醒等。

1、景区室内外旅游导航

当游客在景区室外游览时，向其发放本发明的智能终端，景区内的景点通过125K射频发射电路不断向空间发射曼彻斯特编码的同步时钟和数据信号；当智能终端进入射频覆盖区时，125K射频接收电路接收到125K射频发射电路发射的时钟和数据信号给处理器，并通同步串行外设接口读出并解码出位置标号，并联动该景点和相关区域的多媒体内容，通过触摸屏展示给用户，用户可以对触模屏的操作，自动联动本景点多媒体内容，可以自行选择具体内容讲解；当游客在景区室内参观时，也可以通过ID读卡电路接近景点的ID标签，该系统的数据管理软件自动联动相关多媒体内容，讲解相关景点的情况，讲解时可以暂听、停止、重放等操作；如果设备无意中被客人带走时，由中央处理器通过异步收发器发送语音合成指令给语音合成电路，实现人的智慧工作提醒，在主要门口会提示报警。

2、商场内购物导航

当消费者在商场购物时，向其发放本发明的智能终端，消费者会根据智能终端的125K射频接收电路接受商场内的内场定位基站中的125K射频发射电路的曼彻斯特编码的同步时钟和数据信号给中央处理器，并通同步串行外设接口读出并解码出各个商铺的标号，管理软件根据标号绘制购物地图，消费者根据购物地图找到自己所喜欢的品牌进行购物；消费者经过某品牌店时，智能终端根据位置标号，联动该品牌店的多媒体内容，会自动播放该品牌近期的打折信息；消费者进入某品牌店后会自动记录到店次数，供商家统计什么品牌最受消费者喜欢；同时消费者还可在店里自拍，存入到系统中，系统可根据本店服装与消费者合成3D的试装效果。

3、医院内就医引导

当患者在医院就医时，向其发放本发明的智能终端，患者根据自己情况选择挂号，挂号后可通过智能终端对市民卡进行快捷支付挂号费用；挂号后根据就医地图自动引导患者到达诊室，医生根据患者病情把处方信息发送到智能终端，患者通过智能终端的处方信息去药房拿药，全程就医实现无纸化。

4、医院内住院检查

当医生对住院患者进行病情检查时，向其发放本发明的智能终端，医生到达患者床位时自动跳出该患者病情详情，同时医院也通过智能终端对医生进行考核，是否对每个床位进行了例行检查；护士可通过本智能终端核对患者用药情况。

5、智能家居互动控制

在智能家居，主人通过本智能终端，可实现对电视、空调、洗衣机等电器的开关控制；对灯光强弱的调节、对音响设备声音大小的调节。还可通过一键模式，如选择“离家模式”，窗帘、空调、电视等自动关闭，门外安保摄像头进入工作状态。

6、参观场所热点互动

当参观者进入体验厅、博物馆、企事业单位等场所时，向其发放本发明的智能终端，当用户走入热点区域时，自动联动本区域多媒体内容，可以自行选择具体内容讲解，也可以用此设备更加接近读取ID物品标签，自动联动更加具体内容讲解，讲解时可以暂听、停止、重放等操作。

智能终端的中央处理器为S5PV210又名“蜂鸟”，它是三星推出的一款适用于智能手机和平板电脑、车载导航等多媒体设备的应用处理器，S5PV210和S5PC110功能一样，110小封装适用于智能手机，210封装较大，主要用于平板电脑和上网本，苹果的iPad和IPhone4上有的A4处理器(三星制造的)，就用的和S5PV210一样的架构(只是3D引擎和视频解码部分不同)，三星的Galaxy Tab平板电脑上用的也是S5PV210；采用ARM CortexTM-A8内核，ARM V7指令集，主频可达1GHZ，64/32位内部总线结构，32/32KB的数据/指令一级缓存，512KB的二级缓存，可以实现2000DMIPS(每秒运算2亿条指令集)的高性能运算能力；包含很多强大的硬件编解码功能，内建MFC(MultiFormat Codec)，支持MPEG-1/2/4，H.263，H.264等格式视频的编解码，支持模拟/数字TV输出。JPEG硬件编解码，最大支持8000x8000分辨率；内建高性能PowerVR SGX5403D图形引擎和2D图形引擎，支持2D/3D图形加速，是第五代PowerVR产品，其多边形生成率为2800万多边形/秒，像素填充率可达2.5亿/秒，在3D和多媒体方面比以往大幅提升，能够支持DX9，SM3.0，OpenGL2.0等PC级别显示技术；具备IVA3硬件加速器，具备出色的图形解码性能，可以支持全高清、多标准的视频编码，流畅播放和录制30帧/秒的1920×1080像素(1080p)的视频文件，可以更快解码更高质量的图像和视频，同时，内建的HDMlv1.3，可以将高清视频输出到外部显示器上；S5PV210的存储控制器支持LPDDR1，LPDDR2和DDR2类型的RAM Flash支持Nandflash，Norflash，OneNand等；

125k射频接收电路，采用AS3933，并采用精度比较高的电感，实现6米以上的触发距离，并具有3通道数字RSSI；AS3933出类拔萃的80μVrms敏感度，可对BOM成本及唤醒范围进行优化，其2.7μA超低电流消耗也极大地延长了电池寿命；其接收频率范围广泛，为15至150kHz，为设计师设计有源RFID技术、高价值资产跟踪、实时定位系统、操作员识别、无线传感器网络和访问控制或远程无钥匙进入等各种应用提供了灵活性。AS3933为每个工作通道提供了一个数字RSSI(接收信号强度指示)值，并支持可编程数据速率和带时钟恢复的曼彻斯特解码。它还包括一个由晶体振荡器或内部RC振荡器产生的内部时钟发生器，且AS3933在同类器件中首次提供了内置自动天线调谐器，可将天线调谐到所需的载波频率。通常客户都会要求这些功能来降低他们的BOM成本，又不影响性能；可编程功能允许为更长的距离进行优化设置，同时保持可靠的“唤醒”。AS3933的灵敏度级别可在较强的射频场或噪声环境下进行调节。天线调谐得到了极大简化，因其自动调谐功能可确保完美匹配所需的载波频率。

触摸屏为9.7寸电容屏，支持5点电容触模，支持1024*600分辨率，IPS全视角，显示比例16∶9；

语音合成电路，主要使用宇音天下的SYN6288芯片，当本发明的标签提醒会议签到结果、紧急通知等情况时，处理器会通过异步收发器发送合成指令给语音合成电路；

ID卡识别电路，以u2270b为核心，载波频率为100-150k，支持TKID卡芯片、TK4100芯、4100芯片、EM4100等射频卡芯片；

曼彻斯特编码，也叫做相位编码，是一个同步时钟编码技术，被物理层使用来编码一个同步位流的时钟和数据。提供一个简单的方式给编码简单的二进制序列而没有长的周期没有转换级别，因而防止时钟同步的丢失，或来自低频率位移在贫乏补偿的模拟链接位错误。在这个技术下，实际上的二进制数据被传输通过这个电缆，不是作为一个序列的逻辑1或0来发送的。相反地，这些位被转换为一个稍微不同的格式，它通过使用直接的二进制编码有很多的优点。

125k射频发射电路，采用分立元件实现，分立元件包括TC4426、IRF7389、PMEG4010。

Claims (6)

1.一种适用于智慧城市应用的局部范围内的无线定位系统，由内场定位基站和智能终端构成，内场定位基站内嵌125K射频发射电路，用于不断地向空中发射内场的位置信息；智能终端为平板电脑，由电源、中央处理器、触摸屏、ID读卡电路、语音合成电路和125K射频接收电路构成，电源，用于智能终端的电力供应；中央处理器，用于对125K射频接收电路、ID读卡电路、语音合成电路和触摸屏的信号的处理；125K射频接收电路，用于接收125K射频发射电路的时钟和数据信号；ID读卡电路，用于对内场定位基站的时钟和数据信号进行编码；语音合成电路，用于接收待合成的文本，实现文本到声音的转换；触摸屏，用于人机互动和多媒体内容的播放；其特征在于：所述的内场定位基站还内嵌曼彻斯特编码，其是一个同步时钟编码技术，被物理层使用来编码一个同步位流的时钟和数据；

所述的智能终端的中央处理器通过同步串行外设接口与125K射频接收电路连接，中央处理器通过异步收发器与ID读卡电路连接，中央处理器通过异步收发器与语音合成电路连接，中央处理器通过串行总线与触摸屏连接。

2.根据权利要求1所述的一种适用于智慧城市应用的局部范围内的无线定位系统，其特征在于：所述的中央处理器为S5PV210。

3.根据权利要求1所述的一种适用于智慧城市应用的局部范围内的无线定位系统，其特征在于：所述的125K射频接收电路为AS3933。

4.根据权利要求1所述的一种适用于智慧城市应用的局部范围内的无线定位系统，其特征在于：所述的ID读卡电路为u2270b。

5.根据权利要求1所述的一种适用于智慧城市应用的局部范围内的无线定位系统，其特征在于：所述的语音合成电路为SYN6288。

6.根据权利要求1所述的一种适用于智慧城市应用的局部范围内的无线定位系统，其特征在于：所述的125K射频发射电路，采用分立元件实现，分立元件包括：TC4426、IRF7389、PMEG4010。