CN105574581A - 一种用于实时定位系统的便携式低功耗标签及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于实时定位系统的便携式低功耗标签及其定位方法，该标签包括电源管理电路、数据处理控制电路、射频网络匹配电路、低噪声功率放大电路、第一射频收发通道转换电路、第二射频收发通道转换电路以及带通滤波电路。电源管理电路为整个标签系统进行供电。数据处理控制电路用于实现定位信息的处理；射频网络匹配电路用于实现定位信息交互；低噪声功率放大电路用于实现射频信号的功率放大；第一、第二射频收发通道转换电路用于实现射频发射、接收信号通道的转换；带通滤波电路用于实现射频信号的滤波处理。本发明功耗低、尺寸小，十分轻便，具有可穿戴性，方便定位人员携带，满足多场合的定位需求。

Description

一种用于实时定位系统的便携式低功耗标签及其定位方法

技术领域

本发明涉及便携式定位的技术领域，特别涉及一种用于实时定位系统的便携式低功耗标签及其定位方法。

背景技术

目前无线传感网在工业以及日常生活中得到了广泛应用，在其应用于传感网络的监测活动时，其对位置信息的检测至关重要。事件发生的位置或获取信息的节点位置是传感网络节点监测信息中所包含的重要信息。

物联网的快速发展使得人们获取精确位置信息的需求更多，例如在矿井、停车场、图书馆、仓库等场合中，常常需要确定人员或物品的位置信息；但是，这些应用场合中的环境一般受到空间、温度等许多条件限制，导致GPS、RSSI、超声波、WiFi、蓝牙等定位技术无法进行精确定位，满足不了人们对精确定位的需求。

目前的室内定位一般采用UWB技术实现高精度定位，具有成本高的缺点。同时由于采用这种技术的定位标签体积大，因此不便于携带，应用场合受到限制，

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种用于实时定位系统的便携式低功耗标签，该标签可采用USB充电，尺寸小，工作时间长，功耗低。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述便携式低功耗标签的定位方法，该方法具有功耗低、定位准确的优点。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种用于实时定位系统的便携式低功耗标签，包括：

天线，与带通滤波电路相连，用于标签与基站之间的通信；

带通滤波电路，与第一射频收发通道转换电路和天线连接，用于进行射频信号的滤波；

第一射频收发通道转换电路，其还与第二射频收发通道转换电路和低噪声功率放大电路连接，用于将带通滤波电路滤波后的信号发送到第二射频收发通道转换电路，同时将低噪声功率放大电路处理后的信号传递到带通滤波电路；

低噪声功率放大电路，与第一射频收发通道转换电路、第二射频收发通道转换电路相连，用于对射频网络匹配电路处理后的信号进行射频信号的功率放大；

第二射频收发通道转换电路，与射频网络匹配电路、低噪声功率放大电路和第一射频收发通道转换电路，用于将第一射频收发通道转换电路传递的信号传输至射频网络匹配电路，同时将射频网络匹配电路处理后的信号传输至低噪声功率放大电路；

射频网络匹配电路，与数据处理控制电路、第二射频收发通道转换电路连接，用于射频信号的终端网络匹配；

数据处理控制电路，与射频网络匹配电路连接，用于进行定位信息的处理；

电源管理电路，用于为整个标签进行供电。

优选的，所述带通滤波电路包括第一电容C16、第二电容C20、第三电容C21以及第一电感L7、第二电感L8，其中第一电容、第二电容、第三电容构成Π型滤波网络，第一电容、第三电容接地；所述第一电感与Π型滤波网络串联，构成一低通滤波器；所述第二电感与Π型滤波网络并联，构成一高通滤波器；所述低通滤波器与高通滤波器串联，即构成了宽通频带的带通滤波器。

优选的，所述低噪声功率放大电路包括μPG2250TN芯片、第一LC低通滤波电路，所述第一LC低通滤波电路包括第三电感L9和第四电容C51，所述μPG2250TN芯片与第三电感串联，与第四电容并联。

优选的，所述第一射频收发通道转换电路和第二射频收发通道转换电路均为以μPG2214TK芯片或μPG2215芯片为主的开关电路，在低噪声功率放大电路中μPG2250TN芯片和所述第二射频收发通道转换电路中开关电路之间还设有一LC相位匹配电路，所述第二LC相位匹配电路包括第四电感L7和第五电容C52，所述μPG2250TN芯片与第四电感串联，与第五电容并联。

优选的，所述射频网络匹配电路包括NA5TR1射频芯片、阻抗匹配网络、第一巴伦(Balun)、第二巴伦；所述阻抗匹配网络包括第五电感L4、第六电感L5、第七电感L6、第六电容C18、第七电容C21，所述第六电感两端与NA5TR1射频芯片的差分输入端并联，差分输入端其中一端与第五电感、第六电容串联后与第一巴伦U7的一个输出端连接，差分输入端另一端与第七电感、第七电容串联后与第一巴伦U7的另一个输出端连接；所述第八电感L3两端与NA5TR1射频芯片的差分输出端并联，差分输出端的两端分别与第二巴伦U10的两个输出端连接。通过Balun实现阻抗从50欧到200欧的转变。

优选的，所述数据处理控制电路采用STM8L151G6U6单片机，所述STM8L151G6U6单片机通过SPI总线与射频网络匹配电路中的NA5TR1射频芯片进行通信；所述STM8L151G6U6单片机通过内置A/D转换通道对锂电池的电压进行实时测量。

优选的，所述电源管理电路包括USB供电电路、锂电池、锂电池充电管理电路、供电电源选择电路、2.5V/1.8V线性稳压电路，所述USB供电电路的输入端通过USB端口与外部电源连接，USB供电电路的输出端分别与锂电池充电管理电路的输入端、供电电源选择电路的输入端连接；所述锂电池的输入端与锂电池充电管理电路的输出端连接，锂电池的输出端与供电电源选择电路的输入端连接；所述供电电源选择电路的输出端与2.5V/1.8V线性稳压电路的输入端连接；所述2.5V/1.8V线性稳压电路的输出端与标签中其他电路相连，用于为各电路供电。因此电源管理电路除了为标签中的电路供电外，还能对锂电池进行充电管理以及控制供电电源的选择。

更进一步的，所述锂电池充电管理电路包括L6924U芯片，用于对锂电池进行充电管理；所述供电电源选择电路包括AO3401场效应管，用于选择是通过USB供电还是锂电池供电；所述2.5V/1.8V线性稳压电路包括2.5V线性稳压电路和1.8V线性稳压电路，所述2.5V线性稳压电路包括ADP150AUJZ-2.5芯片，用于为标签提供稳定的2.5V直流供电，所述1.8V线性稳压电路包括ADP150AUJZ-1.8芯片，用于为低噪声功率放大电路提供稳定的1.8V直流供电。

一种基于上述低功耗标签的定位方法，包括步骤：

(1)数据处理控制电路按照标签定位信号发射时序向外发射检测信号，每个基站遇到该检测信号后对应发射一包括基站本身的位置坐标信息的反馈信号，标签中的天线接收到该反馈信号后，先经带通滤波电路进行滤波，然后经第一射频收发通道转换电路、第二射频收发通道转换电路后进入射频网络匹配电路；

所述射频网络匹配电路对反馈信号进行相位和阻抗的匹配后，将信号发送到数据处理控制电路，数据处理控制电路接收上述反馈信号后计算出检测信号与基站反馈信号之间的时间差，并将该时间差信息发送到射频网络匹配电路；

(2)所述射频网络匹配电路对所述时间差信息进行相位和阻抗的匹配，然后经第二射频收发通道转换电路后进入低噪声功率放大电路，所述低噪声功率放大电路对所述时间差信息进行功率放大，然后经第一射频收发通道转换电路后进入带通滤波电路，带通滤波电路滤波后通过天线将所述时间差信息发送到基站；

基站根据该时间差信息，基于到达时间差(TDOA)方法计算出标签的位置所在，完成定位。

优选的，所述步骤(1)中，标签定位信息发射时序与标签电源的供电时序匹配，在需要发射标签定位信息的时隙内才开启标签电源的供电，其他时间则关闭电源。从而使得整个标签处于超低功耗状态，极大节约了标签电池能量。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明标签功耗低、尺寸小，十分轻便，具有可穿戴性，方便定位人员携带，满足多场合的定位需求。

2、本发明中设有两个射频收发通道转换电路，根据信号发送还是接收的不同，选择不同的电路处理，可进一步降低功耗，减小尺寸。

3、本发明中射频网络匹配电路通过NA5TR1射频芯片、阻抗匹配网络、巴伦相结合方式，可将阻抗从50欧到200欧的转变，可有效降低射频杂散，提高射频信号稳定性与强度。

4、本发明中的电源管理电路可采用USB或锂电池供电，通过供电电源选择电路可自动选择外部USB供电，还是锂电池供电。且可通过将标签定位信息发射时序与标签电源的供电时序匹配，来控制系统供电，减少能量损耗。

5、本发明中低功耗功率放大电路提高了发射功率，标签灵敏度高，提高了定位精度。

附图说明

图1为本实施例的框架图；

图2(a)为本实施例电源管理电路的电路图；

图2(b)为2.5V/1.8V线性稳压电路的电路图；

图3(a)为本实施例数据处理控制电路的电路图；

图3(b)为基于到达时间差(TDOA)的方法的原理图；

图3(c)为标签定位信息发射时序与标签电源的供电时序示意图；

图4为本实施例射频网络匹配电路的电路图；

图5为本实施例低噪声功率放大电路与第二射频收发通道转换电路的电路图；

图6为本实施例带通滤波电路的电路图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，本实施例一种用于实时定位系统的便携式低功耗标签，包括天线、电源管理电路、数据处理控制电路、射频网络匹配电路、第一射频收发通道转换电路、第二射频收发通道转换电路、低噪声功率放大电路以及带通滤波电路，所述射频网络匹配电路与数据处理控制电路、第二射频收发通道转换电路连接；所述低噪声功率放大电路分别与第一射频收发通道转换电路、第二射频收发通道转换电路连接，所述第一射频收发通道转换电路与带通滤波电路连接；带通滤波电路与天线连接。所述电源管理电路整个标签系统提供2.5V和1.8V的直流供电。

如图2(a)所示，本实施例中，所述电源管理电路为整个标签系统提供2.5V和1.8V的电压。按照功能，所述电源管理电路可划分为USB供电电路、锂电池、锂电池充电管理电路、供电电源选择电路、2.5V/1.8V线性稳压电路，上述电路的连接关系参见图1，其中USB供电电路的输入端通过USB端口与外部电源连接，USB供电电路的输出端分别与锂电池充电管理电路的输入端、供电电源选择电路的输入端连接；所述锂电池的输入端与锂电池充电管理电路的输出端连接，锂电池的输出端与供电电源选择电路的输入端连接；所述供电电源选择电路的输出端与2.5V/1.8V线性稳压电路的输入端连接；所述2.5V/1.8V线性稳压电路的输出端与标签中其他电路相连，用于为各电路供电。

本实施例中电源管理电路可以为标签中的电路供电，还能对锂电池进行充电管理以及控制供电电源的选择。其中锂电池充电管理电路包括L6924U芯片，为单节锂电池充电提供管理与保护，图2(a)中，通过设置电阻R1、R2阻值比例来设置充电保护温度阈值，高于设置的温度阈值会进行充电保护，防止锂电池损坏，通过电阻R6、R7的阻值可设定充电电流以及充电结束涓流的大小。发光二极管D2、D1分别指示电池的充电和充电完成状态。所述供电源选择电路包括AO3401场效应管，通过场效应管Q1的开关选择是USB供电还是锂电池供电，电阻R5将Q1的源极拉低到零电位确保Q1开关动作正确，而二极管D3保护Q1不被反向电流或过压损坏。

本实施例中，2.5V/1.8V线性稳压电路的电路图参见图2(b)，其包括2.5V线性稳压电路和1.8V线性稳压电路，2.5V线性稳压电路主要包括ADP150AUJZ-2.5U2芯片，为标签提供稳定的2.5V直流供电，1.8V线性稳压电路主要包括ADP150AUJZ-1.8U4芯片，为低噪声功率放大电路提供稳定的1.8V直流供电。电源的转换可由数据处理控制电路来控制。

如图3(a)所示，所述数据处理控制电路的核心是STM8L151G6U6单片机，该单片机通过SPI总线与射频网络匹配电路中的NA5TR1芯片进行双向通信，用于接收定位基站的位置、标签与基站之间的通信时间信息等。所述STM8L151G6U6单片机还通过内置A/D转换通道对锂电池的电压进行实时测量，以便随时监测锂电池的电量，如果电量不足，可以对外提醒。

如图4所示，所述射频网络匹配电路主要由NA5TR1射频芯片、阻抗匹配网络、第一巴伦、第二巴伦构成，在NA5TR1射频芯片和第一巴伦之间的阻抗匹配网络包括第五电感L4、第六电感L5、第七电感L6、第六电容C18、第七电容C21，所述第六电感两端与NA5TR1射频芯片的差分输入端并联，差分输入端其中一端与第五电感、第六电容串联后与第一巴伦U7的一个输出端连接，差分输入端另一端与第七电感、第七电容串联后与第一巴伦U7的另一个输出端连接。在NA5TR1射频芯片和第二巴伦之间的阻抗匹配网络包括第八电感L3，第八电感L3两端与NA5TR1射频芯片的差分输出端并联，差分输出端的两端分别与第二巴伦U10的两个输出端连接。通过本实施例所述的射频网络匹配电路，可以实现射频信号相位和阻抗的匹配，实现阻抗从50欧到200欧的转变，同时降低射频杂散，提高射频信号稳定性与强度。

本实施例中第一射频收发通道转换电路和第二射频收发通道转换电路均为以μPG2214TK芯片或μPG2215芯片为主的开关电路，低噪声功率放大电路主要由功率放大器μPG2250TN、第一LC低通滤波电路构成，具体电路结构参见图5。第一LC低通滤波电路用于滤除电源的高频干扰，具体包括第三电感L9和第四电容C51，其中μPG2250TN芯片与第三电感L9串联，与第四电容C51并联。具体电路结构

在低噪声功率放大电路中μPG2250TN芯片和所述第二射频收发通道转换电路中开关电路之间还设有一LC相位匹配电路，所述第二LC相位匹配电路包括第四电感L7和第五电容C52，所述μPG2250TN芯片与第四电感串联，与第五电容并联。

如图6所示，本实施例中，带通滤波电路包括第一电容C16、第二电容C20、第三电容C21以及第一电感L7、第二电感L8，其中第一电容C16、第二电容C20、第三电容C21构成Π型滤波网络，第一电容C16、第三电容C21接地；所述第一电感L7与Π型滤波网络串联，构成一低通滤波器；所述第二电感L8与Π型滤波网络并联，构成一高通滤波器；所述低通滤波器与高通滤波器串联，即构成了宽通频带的带通滤波器。

基于上述低功耗标签的定位方法，包括步骤：

(1)数据处理控制电路按照标签定位信号发射时序向外发射检测信号，每个基站遇到该检测信号后对应发射一包括基站本身的位置坐标信息的反馈信号，标签中的天线接收到该反馈信号后，先经带通滤波电路进行滤波，然后经第一射频收发通道转换电路、第二射频收发通道转换电路后进入射频网络匹配电路；

所述射频网络匹配电路对反馈信号进行相位和阻抗的匹配后，将信号发送到数据处理控制电路，数据处理控制电路接收上述反馈信号后计算出检测信号与基站反馈信号之间的时间差，并将该时间差信息发送到射频网络匹配电路；

(2)所述射频网络匹配电路对所述时间差信息进行相位和阻抗的匹配，然后经第二射频收发通道转换电路后进入低噪声功率放大电路，所述低噪声功率放大电路对所述时间差信息进行功率放大，然后经第一射频收发通道转换电路后进入带通滤波电路，带通滤波电路滤波后通过天线将所述时间差信息发送到基站；基站根据该时间差信息，基于到达时间差(TDOA)方法计算出标签的位置所在，完成定位。

基于到达时间差(TDOA)方法的原理参见图3(b)，假设有4个基站，分别为R1、R2、R3、R4，当前标签位置为T，那么标签到各个基站的到达时间差分别为ToA1、ToA2、ToA3、ToA4，根据结合双曲面相交的原理，即计算ToA1-ToA2、ToA2-ToA3两条曲线相交的交点，最终确定标签的位置。

数据处理控制电路可控制标签电源供电时间以及定位时间间隙，具体控制时序逻辑参见图3(c)，通过标签定位信息发射时序来控制标签电源管理的时序，在需要发射标签定位信息的时隙内开启标签供电，而标签在处于休眠时隙内时关闭电源，使得整个标签处于超低功耗状态，极大节约了标签电池能量。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于实时定位系统的便携式低功耗标签，其特征在于，包括：

天线，与带通滤波电路相连，用于标签与基站之间的通信；

带通滤波电路，与第一射频收发通道转换电路和天线连接，用于进行射频信号的滤波；

第一射频收发通道转换电路，其还与第二射频收发通道转换电路和低噪声功率放大电路连接，用于将带通滤波电路滤波后的信号发送到第二射频收发通道转换电路，同时将低噪声功率放大电路处理后的信号传递到带通滤波电路；

低噪声功率放大电路，与第一射频收发通道转换电路、第二射频收发通道转换电路相连，用于对射频网络匹配电路处理后的信号进行射频信号的功率放大；

第二射频收发通道转换电路，与射频网络匹配电路、低噪声功率放大电路和第一射频收发通道转换电路，用于将第一射频收发通道转换电路传递的信号传输至射频网络匹配电路，同时将射频网络匹配电路处理后的信号传输至低噪声功率放大电路；

射频网络匹配电路，与数据处理控制电路、第二射频收发通道转换电路连接，用于射频信号的终端网络匹配；

数据处理控制电路，与射频网络匹配电路连接，用于进行定位信息的处理；

电源管理电路，用于为整个标签进行供电。

2.根据权利要求1所述的用于实时定位系统的便携式低功耗标签，其特征在于，所述带通滤波电路包括第一电容、第二电容、第三电容以及第一电感、第二电感，其中第一电容、第二电容、第三电容构成Π型滤波网络，第一电容、第三电容接地；所述第一电感与Π型滤波网络串联，构成一低通滤波器；所述第二电感与Π型滤波网络并联，构成一高通滤波器；所述低通滤波器与高通滤波器串联，即构成了宽通频带的带通滤波器。

3.根据权利要求1所述的用于实时定位系统的便携式低功耗标签，其特征在于，所述低噪声功率放大电路包括μPG2250TN芯片、第一LC低通滤波电路，所述第一LC低通滤波电路包括第三电感和第四电容，所述μPG2250TN芯片与第三电感串联，与第四电容并联。

4.根据权利要求3所述的用于实时定位系统的便携式低功耗标签，其特征在于，所述第一射频收发通道转换电路和第二射频收发通道转换电路均为以μPG2214TK芯片或μPG2215芯片为主的开关电路，在低噪声功率放大电路中μPG2250TN芯片和所述第二射频收发通道转换电路中开关电路之间还设有一LC相位匹配电路，所述第二LC相位匹配电路包括第四电感和第五电容，所述μPG2250TN芯片与第四电感串联，与第五电容并联。

5.根据权利要求1所述的用于实时定位系统的便携式低功耗标签，其特征在于，所述射频网络匹配电路包括NA5TR1射频芯片、阻抗匹配网络、第一巴伦、第二巴伦；所述阻抗匹配网络包括第五电感、第六电感、第七电感、第六电容、第七电容，所述第六电感两端与NA5TR1射频芯片的差分输入端并联，差分输入端其中一端与第五电感、第六电容串联后与第一巴伦的一个输出端连接，差分输入端另一端与第七电感、第七电容串联后与第一巴伦的另一个输出端连接；

所述第八电感两端与NA5TR1射频芯片的差分输出端并联，差分输出端的两端分别与第二巴伦的两个输出端连接。

6.根据权利要求5所述的用于实时定位系统的便携式低功耗标签，其特征在于，所述数据处理控制电路采用STM8L151G6U6单片机，所述STM8L151G6U6单片机通过SPI总线与射频网络匹配电路中的NA5TR1射频芯片进行通信；所述STM8L151G6U6单片机通过内置A/D转换通道对电源管理电路中的锂电池的电压进行实时测量。

7.根据权利要求1所述的用于实时定位系统的便携式低功耗标签，其特征在于，所述电源管理电路包括USB供电电路、锂电池、锂电池充电管理电路、供电电源选择电路、2.5V/1.8V线性稳压电路，所述USB供电电路的输入端通过USB端口与外部电源连接，USB供电电路的输出端分别与锂电池充电管理电路的输入端、供电电源选择电路的输入端连接；所述锂电池的输入端与锂电池充电管理电路的输出端连接，锂电池的输出端与供电电源选择电路的输入端连接；所述供电电源选择电路的输出端与2.5V/1.8V线性稳压电路的输入端连接；所述2.5V/1.8V线性稳压电路的输出端与标签中其他电路相连，用于为各电路供电。

8.根据权利要求7所述的用于实时定位系统的便携式低功耗标签，其特征在于，所述锂电池充电管理电路包括L6924U芯片，用于对锂电池进行充电管理；所述供电电源选择电路包括AO3401场效应管，用于选择是通过USB供电还是锂电池供电；所述2.5V/1.8V线性稳压电路包括2.5V线性稳压电路和1.8V线性稳压电路，所述2.5V线性稳压电路包括ADP150AUJZ-2.5芯片，用于为标签提供稳定的2.5V直流供电，所述1.8V线性稳压电路包括ADP150AUJZ-1.8芯片，用于为低噪声功率放大电路提供稳定的1.8V直流供电。

9.一种基于权利要求1-8任一项所述用于实时定位系统的便携式低功耗标签的定位方法，其特征在于，包括步骤：

(1)数据处理控制电路按照标签定位信号发射时序向外发射检测信号，每个基站遇到该检测信号后对应发射一包括基站本身的位置坐标信息的反馈信号，标签中的天线接收到该反馈信号后，先经带通滤波电路进行滤波，然后经第一射频收发通道转换电路、第二射频收发通道转换电路后进入射频网络匹配电路；

所述射频网络匹配电路对反馈信号进行相位和阻抗的匹配后，将信号发送到数据处理控制电路，数据处理控制电路接收上述反馈信号后计算出检测信号与基站反馈信号之间的时间差，并将该时间差信息发送到射频网络匹配电路；

(2)所述射频网络匹配电路对所述时间差信息进行相位和阻抗的匹配，然后经第二射频收发通道转换电路后进入低噪声功率放大电路，所述低噪声功率放大电路对所述时间差信息进行功率放大，然后经第一射频收发通道转换电路后进入带通滤波电路，带通滤波电路滤波后通过天线将所述时间差信息发送到基站；

基站根据该时间差信息，基于到达时间差的方法计算出标签的位置所在，完成定位。

10.根据权利要求9所述的定位方法，其特征在于，包括步骤：

所述步骤(1)中，标签定位信息发射时序与标签电源的供电时序匹配，在需要发射标签定位信息的时隙内才开启标签电源的供电，其他时间则关闭电源。