CN106033981A - 一种超宽带目标定位系统及其超宽带数字标签 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带目标定位系统及其超宽带数字标签，利用UWB通信独特的技术特点，实现低成本数字识别标签，非常适合于低成本的商用射频标签(RFID)识别系统。其技术方案为：设计一种超宽带数字标签，并通过几个固定的传感器，对待定位的超宽带数字标签进行测距，通过各传感器接收到超宽带数字标签发出的信号的绝对到达时间的差值来计算到达时间差，实现对超宽带数字标签的准确定位。

Description

一种超宽带目标定位系统及其超宽带数字标签

技术领域

本发明涉及标签技术，尤其涉及基于超宽带通信技术实现的数字标签技术。

背景技术

数字标签的应用范围越来越广，一种普遍使用的数字标签就是商用射频标签(RFID)。数字标签技术中的一项重要指标就是标签的识别，传统的RFID在识别上存在着通信速率较低、安全性不高、系统复杂度较高、抗多径效应较差以及定位精度不够等缺点。

超宽带(UWB)通信是一种与传统通信技术完全不同的利用纳秒级窄脉冲发射基带无线信号的通信技术，其应用频段在3.1GHz到10.6GHz之间。UWB技术因其准确的三维定位能力而在短距离定位与跟踪系统中具有重要的应用价值。美国从上世纪八十年代开始利用超宽带技术用于军用雷达系统研究；国内还仅限于理论性研究。超宽带(UWB)通信具有比窄带通信系统显著的优势在于：高通信速率、安全性高、低系统复杂度、抗多径效应、能提供数厘米的定位精度等优点，是目前为最具竞争力和发展前景的技术之一。利用UWB技术设计的数字标签可广泛应用于精确定位系统，如区域内资产跟踪、人员定位等。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

本发明的目的在于解决上述问题，提供了一种超宽带目标定位系统及其超宽带数字标签，利用UWB通信独特的技术特点，实现低成本数字识别标签，非常适合于低成本的商用射频标签(RFID)识别系统。

本发明的技术方案为：本发明揭示了一种超宽带数字标签，其特征在于，包括：

微控制单元，产生并发送周期脉冲、具有身份标识号码的数据报文；

脉冲调制单元，连接微控制单元，接收微控制单元发送的数据报文并将数据报文调制成脉冲信号；

脉冲压缩单元，连接脉冲调制单元，接收脉冲调制单元发来的脉冲信号并通过压缩处理使脉冲信号变窄到超宽带应用频段，使脉冲信号成为超宽带信号；

射频滤波单元，连接脉冲压缩单元，将脉冲压缩单元处理后的超宽带信号进行滤波处理；

天线，连接射频滤波单元，发射滤波处理后的超宽带信号；

电源控制电路，分别连接微控制单元、脉冲调制单元、脉冲压缩单元、射频滤波单元，为标签提供电压。

根据本发明的超宽带数字标签的一实施例，超宽带的应用频段在3.1GHz到10.6Ghz之间。

根据本发明的超宽带数字标签的一实施例，脉冲压缩单元将脉冲信号进一步变窄到6GHz到7GHz之间。

根据本发明的超宽带数字标签的一实施例，天线是微带贴片天线。

根据本发明的超宽带数字标签的一实施例，超宽带数字标签还包括：

低频前端电路，通过LC感应线圈接收来自外部的配置命令，进行识别、滤波后输出到微控制单元，将微控制单元从休眠中唤醒，存储参数并按照配置命令执行操作。

本发明还揭示了一种超宽带目标定位系统，其特征在于，包括：

至少一个超宽带数字标签；

多个传感器，由该多个传感器围成标签监视范围，该多个传感器通过网络连接到中央处理器，每一传感器将接收到的超宽带数字标签发出的信号的绝对到达时间通过网络分别发送到中央处理器；

中央处理器，基于该多个传感器发来的绝对到达时间的差值进行超宽带数字标签的定位。

根据本发明的超宽带目标定位系统的一实施例，超宽带数字标签的应用频段在3.1GHz到10.6Ghz之间。

根据本发明的超宽带目标定位系统的一实施例，超宽带数字标签的应用频段进一步变窄到6GHz到7GHz之间。

根据本发明的超宽带目标定位系统的一实施例，超宽带数字标签中的天线是微带贴片天线。

根据本发明的超宽带目标定位系统的一实施例，超宽带数字标签还包括：

低频前端电路，通过LC感应线圈接收来自外部的配置命令，进行识别、滤波后输出到微控制单元，将微控制单元从休眠中唤醒，存储参数并按照配置命令执行操作。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明的方案是设计一种超宽带数字标签，并通过几个固定的传感器，对待定位的超宽带数字标签进行测距，通过各传感器接收到超宽带数字标签发出的信号的绝对到达时间的差值来计算到达时间差，实现对超宽带数字标签的准确定位。本发明的超宽带数字标签可广泛应用于物流管理、生产监控、人员监管等民用通信领域。

附图说明

图1示出了本发明的超宽带数字标签的较佳实施例的原理框图。

图2示出了本发明的超宽带数字标签中的微控制单元的电路图。

图3示出了本发明的超宽带数字标签中的脉冲调制单元的电路图。

图4示出了本发明的超宽带数字标签中的脉冲压缩单元的电路图。

图5示出了本发明的超宽带数字标签中的射频滤波单元的电路图。

图6示出了本发明的超宽带数字标签中的电源控制电路的电路图。

图7示出了本发明的超宽带数字标签中的低频前端电路的电路图。

图8示出了本发明的超宽带目标定位系统的较佳实施例的系统原理框图。

具体实施方式

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1示出了本发明的超宽带数字标签的较佳实施例的原理。请参见图1，本实施例的超宽带数字标签包括：图2所示的微控制单元11(MCU)、图3所示的脉冲调制单元12、图4所示的脉冲压缩单元13、图5所示的射频滤波单元14、天线15、图6所示的电源控制电路16。

这些组件之间的连接关系是：微控制单元11的输出端连接脉冲调制单元12，脉冲调制单元12的输出端连接脉冲压缩单元13，脉冲压缩单元13的输出端连接射频滤波单元14，射频滤波单元14的输出端连接天线15，电源控制电路16的输出端分别连接微控制单元11、脉冲调制单元12、脉冲压缩单元13、射频滤波单元14。

超宽带数字标签的实现原理如下。微控制单元11产生并发送周期脉冲、具有唯一的身份标识号码(ID)的数据报文。脉冲调制单元12接收微控制单元11发送的数据报文并将数据报文调制成脉冲信号。脉冲压缩单元13接收脉冲调制单元12发来的脉冲信号并通过压缩处理使脉冲信号变窄到超宽带应用频段，使脉冲信号成为超宽带信号。此处的超宽带应用频段可以是常规的3.1GHz到10.6Ghz之间的频段，较佳的进一步变窄到6GHz到7GHz之间。射频滤波单元14将脉冲压缩单元13处理后的超宽带信号进行滤波处理。天线15发射滤波处理后的超宽带信号，本实施例中的天线15例如是微带贴片天线。

电源控制电路16是为其所连接的微控制单元11、脉冲调制单元12、脉冲压缩单元13、射频滤波单元14(亦即整个超宽带数字标签)提供电压。正常工作状态下，微控制单元11处于休眠状态下，当参数设定的时间到时，启动电源控制电路16，纽扣电池3V电压加入到上述超宽带数字标签的整个工作电路中，以完成报文的发射。

较佳的，超宽带数字标签还包括图7所示的低频前端电路17。当需要对超宽带数字标签进行工作参数配置时，可用系统专用设置工具在LF频段向标签发送配置参数命令，如启动、停止标签工作、标签发射信号时间间隔等。在标签内的低频前端电路17通过LC感应线圈接收到配置命令，进行识别、滤波、输出到微控制单元11，将微控制单元11从休眠中唤醒，微控制单元11存储参数并按命令执行操作。

基于上述设计的本发明的超宽带(UWB)数字标签最大定位距离大于40米，最小分辨率小于10厘米，正常工作模式下平均工作消耗电流不大于5微安，可连续工作达十年。

至于超宽带数字标签的存在方式，可以以单板结构的形式，安装在一个薄型塑料盒内，共人体佩戴；也可粘贴依附在需要监控的资产表面。

图8示出了本发明的超宽带目标定位系统的较佳实施例的系统原理。请参见图8，本实施例的超宽带目标定位系统包括至少一个超宽带数字标签(图8示出了多个依附在资产上的资产标签和多个佩戴在人员上的人员标签)、多个传感器(图8示出为传感器1至传感器x)、以及一个中央处理器2。超宽带数字标签的具体实施参见前述的实施例，在此不再赘述。

系统中各个设备的连接关系是：这些传感器通过网络(例如局域网)连接到中央处理器2。

标签监视范围由系统内各传感器所围成的区域范围所限定，即系统工作场所边界内。各传感器通过局域网3连接到中央处理器2。每个传感器将接收到超宽带数字标签发出的信号的绝对到达时间通过网络分别发送到中央处理器2，由中央处理器2进行到达时间差值和定位计算，实现对标签的准确定位。

本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。

结合本文所公开的实施例描述的各种解说性逻辑板块、模块、和电路可用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。

结合本文中公开的实施例描述的方法或算法的步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中体现。软件模块可驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读取和写入信息。在替换方案中，存储介质可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在ASIC中。ASIC可驻留在用户终端中。在替换方案中，处理器和存储介质可作为分立组件驻留在用户终端中。

在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现为计算机程序产品，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (10)

1.一种超宽带数字标签，其特征在于，包括：

微控制单元，产生并发送周期脉冲、具有身份标识号码的数据报文；

脉冲调制单元，连接微控制单元，接收微控制单元发送的数据报文并将数据报文调制成脉冲信号；

脉冲压缩单元，连接脉冲调制单元，接收脉冲调制单元发来的脉冲信号并通过压缩处理使脉冲信号变窄到超宽带应用频段，使脉冲信号成为超宽带信号；

射频滤波单元，连接脉冲压缩单元，将脉冲压缩单元处理后的超宽带信号进行滤波处理；

天线，连接射频滤波单元，发射滤波处理后的超宽带信号；

电源控制电路，分别连接微控制单元、脉冲调制单元、脉冲压缩单元、射频滤波单元，为标签提供电压。

2.根据权利要求1所述的超宽带数字标签，其特征在于，超宽带的应用频段在3.1GHz到10.6Ghz之间。

3.根据权利要求2所述的超宽带数字标签，其特征在于，脉冲压缩单元将脉冲信号进一步变窄到6GHz到7GHz之间。

4.根据权利要求1所述的超宽带数字标签，其特征在于，天线是微带贴片天线。

5.根据权利要求1所述的超宽带数字标签，其特征在于，超宽带数字标签还包括：

低频前端电路，通过LC感应线圈接收来自外部的配置命令，进行识别、滤波后输出到微控制单元，将微控制单元从休眠中唤醒，存储参数并按照配置命令执行操作。

6.一种超宽带目标定位系统，其特征在于，包括：

至少一个如权利要求1所述的超宽带数字标签；

多个传感器，由该多个传感器围成标签监视范围，该多个传感器通过网络连接到中央处理器，每一传感器将接收到的超宽带数字标签发出的信号的绝对到达时间通过网络分别发送到中央处理器；

中央处理器，基于该多个传感器发来的绝对到达时间的差值进行超宽带数字标签的定位。

7.根据权利要求6所述的超宽带目标定位系统，其特征在于，超宽带数字标签的应用频段在3.1GHz到10.6Ghz之间。

8.根据权利要求7所述的超宽带目标定位系统，其特征在于，超宽带数字标签的应用频段进一步变窄到6GHz到7GHz之间。

9.根据权利要求6所述的超宽带目标定位系统，其特征在于，超宽带数字标签中的天线是微带贴片天线。

10.根据权利要求6所述的超宽带目标定位系统，其特征在于，超宽带数字标签还包括：

低频前端电路，通过LC感应线圈接收来自外部的配置命令，进行识别、滤波后输出到微控制单元，将微控制单元从休眠中唤醒，存储参数并按照配置命令执行操作。