CN106291446A - 基于超宽带的分米级物联网定位标签、系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超宽带的分米级物联网定位标签、系统及控制方法，定位标签包括射频发射器及微处理器，射频发射器用于发射脉冲信号，所述脉冲信号定义所述定位标签的当前位置；微处理器存储有更新频率；其中，所述射频发射器根据所述更新频率定时发送所述脉冲信号。本发明的定位标签采用分离原件实现，成本低、功耗低，且可提高更新频率。

Description

基于超宽带的分米级物联网定位标签、系统及控制方法

技术领域

本发明涉及物联网定位领域，尤其涉及一种基于超宽带的分米级物联网定位标签、系统及控制方法。

背景技术

工信部在《物联网“十二五”发展规划》中提出要在智能工业、农业、物流、交通、电网、环保、安防、医疗、家居九大重点领域开展应用示范工程，探索应用模式。定位技术作为物联网的一项重要感知技术，借助其获取物体的即时位置信息，可以衍生一系列基于位置信息的物联网应用。特别是在交通、物流领域，物体的位置实时变化，采集的其他信息通常必须与位置信息关联才有价值，因此，定位技术在智能交通、物流领域得到广泛的应用和发展。

目前的定位技术（例如GPS，北斗，WIFI，蓝牙等）虽然已有很多应用，但无法满足上述的复杂环境下的稳定定位，且定位精度无法达到需求（例如在仓库环境中分辨库位宽度定位精度需要小于0.5m），同时有些应用场景中定位装置必须超低功耗且体积需要小巧（例如足球负荷监控，需要将定位器嵌入球中，电池寿命至少3年以上，运动员也不能佩戴大的设备），以上技术都无法满足需求。

基于超宽带的定位装置及系统，正好可满足高精度（小于0.3m），超低功耗（1秒定位1次时电池寿命5年），工业环境（超宽带具有非常好的抗多路径性能）等复杂应用场景。

超宽带高精度定位是非常新的技术，在国外的商用大约5年，国内刚刚起步，由于发展年限相对较短、技术和经济性上有一定限制还未形成规模化的商业体系，很多领域尚待填补空白。根据产业的生命周期理论，该产业正处于最初期的初创期阶段，后续发展空间巨大。

特别是与定位系统相关的定位标签，其需要实现超低功耗、超小尺寸、超高位置更新率、双频通讯等功效，才能在物联网相关应用中（例如人员、小型物联网设备、嵌入式安全设备等）更加普及和高效。

现有技术中，通常采用具有DecaWave公司芯片的标签作为解决方案。DecaWave公司的芯片为基于802.15.4a标准的UWB基带芯片，采用该解决方案可实现超宽带UWB定位系统的标签设计。

采用上述芯片虽然可以简化设计，但其缺点包括：成本高，标签功耗高（采用CR2335钮扣电池时1秒定位一次，工作寿命约3-6个月）、无双触发器功能，定位更新频率通常最高为50Hz。

发明内容

为解决上述问题，本发明一实施方式提供一种基于超宽带的分米级物联网定位系统用定位标签，包括：

射频发射器，其用于发射脉冲信号，所述脉冲信号定义所述定位标签的当前位置；

微处理器，其存储有更新频率；

其中，所述射频发射器根据所述更新频率定时发送所述脉冲信号。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述脉冲信号为超宽带脉冲信号。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述定位标签还包括内部传感器，所述内部传感器用于检测所述定位标签的当前状态，当所述定位标签处于运动状态时，所述射频发射器根据所述更新频率定时发送所述脉冲信号，当所述定位标签处于静止状态时，所述射频发射器停止发送所述脉冲信号。

本发明一实施方式还提供一种基于超宽带的分米级物联网定位系统用定位标签，包括：

射频发射器，其用于发射脉冲信号，所述脉冲信号定义所述定位标签的当前位置；

微处理器，其存储有更新频率；

内部传感器，其用于检测所述定位标签的当前状态；

其中，当所述内部传感器检测到所述定位标签处于静止状态时，所述定位标签进入休眠状态，所述射频发射器不工作；当所述内部传感器检测到所述定位标签处于运动状态时，所述定位标签进入工作状态，于一发送周期内，所述射频发射器发射所述脉冲信号后进入休眠状态，所述射频发射器重复所述发送周期，所述发送周期与所述更新频率相对应。

本发明一实施方式还提供一种基于超宽带的分米级物联网定位系统，包括：

如上任一技术方案所述的定位标签；

定位接收器，所述定位接收器用于接收所述定位标签发送的脉冲信号。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述定位标签与所述定位接收器之间为单向通信。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述系统还包括触发点设备，当所述定位标签经过所述触发点设备时，所述定位标签获取所述触发点设备的触发点设备ID，所述定位标签具有标签ID，所述定位标签将所述标签ID及所述触发点设备ID作为脉冲信号发送至所述定位接收器。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述定位标签还包括磁接收器，所述磁接收器用于接收所述触发点设备和/或所述定位接收器的信号。

本发明一实施方式还提供一种基于超宽带的分米级物联网定位系统控制方法，所述系统包括定位标签、定位接收器及定位处理器，包括步骤：

定位标签根据预设的更新频率定时发送脉冲信号；

定位接收器接收所述脉冲信号；

定位处理器根据所述脉冲信号获取所述定位标签的当前位置。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述系统还包括触发点设备，步骤“定位标签根据预设的更新频率定时发送脉冲信号”具体包括：

定位标签获取相邻的触发点设备的触发点设备ID；

定位标签根据预设的更新频率定时发送脉冲信号，所述脉冲信号包括标签ID及触发点设备ID。

与现有技术相比，本发明一实施方式的有益效果在于：本发明的定位标签采用分离原件实现，成本低、功耗低，且可提高更新频率。

附图说明

图1是本发明一实施方式的基于超宽带的分米级物联网定位系统用定位标签一示意图；

图2是本发明一实施方式的基于超宽带的分米级物联网定位系统用定位标签另一示意图；

图3是本发明一实施方式的基于超宽带的分米级物联网定位系统原理图；

图4是本发明一实施方式的基于超宽带的分米级物联网定位系统的控制方式步骤图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

如图1所示，为本发明一实施方式的基于超宽带的分米级物联网定位系统用定位标签100的示意图。

定位标签100可用于需要进行位置追踪的物体上，例如，运动员、快递包裹、犯人等等。

所述定位标签100包括射频发射器10及微处理器20。

射频发射器10用于发射脉冲信号，所述脉冲信号定义所述定位标签100的当前位置；

微处理器20用于存储有更新频率f；

其中，所述射频发射器10根据所述更新频率f定时发送所述脉冲信号。

这里，脉冲信号为超宽带脉冲信号（UWB脉冲信号），在标签电路中，通过微处理器（MCU）20控制射频发射器10发射脉冲信号后，定位标签100迅速进入休眠状态，并依据设定的更新频率f自动唤醒，如此，在以某个更新频率f发送脉冲信号后，定位标签100进入低功耗的休眠，然后定时醒来，重新发射脉冲信号，如此往复，可以有效降低定位标签100的功耗。

需要说明的是，射频发射器10可以为微处理器20的一部分，微处理器20中包括非易失内存30，非易失内存30用于存储更新频率f，当然，更新频率f可根据实际需求进行调节。

本实施方式基于低功耗MCU和分离元件实现基于超宽带的分米级物联网定位系统的定位标签100，MCU采用Microchip公司的PIC16F系列，可以实现低成本及超低功耗。

基于超低功耗的电路设计，利用MCU的特点，可将定位更新频率f最快设置在200Hz，而保证定位标签100的电池寿命实现实用级的应用，从而使对于高速动态运动物体的定位追踪成为可能。

在本实施方式中，所述定位标签100还包括内部传感器40，其为运动传感器，所述内部传感器40用于检测所述定位标签100的当前状态，当所述定位标签100处于运动状态时，所述射频发射器10根据所述更新频率f定时发送所述脉冲信号，当所述定位标签100处于静止状态时，所述射频发射器10停止发送所述脉冲信号。

也就是说，当内部传感器40检测到定位标签100处于静止状态时，无论定位标签100是否设置为按照更新频率f定时发送，一旦定位标签100进入静止状态，定位标签100便进入深度休眠的超低功耗状态。一旦定位标签100发生运动，则内部传感器40检测到这种运动而唤醒定位标签100进入工作状态。

具体的，当所述内部传感器40检测到所述定位标签100处于静止状态时，所述定位标签100进入休眠状态，所述射频发射器10不工作；当所述内部传感器40检测到所述定位标签100处于运动状态时，所述定位标签100进入工作状态，于一发送周期T内，所述射频发射器10发射所述脉冲信号后进入休眠状态，所述射频发射器10重复所述发送周期T，所述发送周期T与所述更新频率f相对应。

可以理解，在本实施方式中，当定位标签100处于静止状态时，定位标签100不产生功耗，且定位标签100在运动状态时也只是发送脉冲信号时产生功耗，如此，定位标签100功耗极低，采用CR2335钮扣电池时，1秒定位一次工作寿命约84个月。

本发明一实施方式还提供一种基于超宽带的分米级物联网定位系统，参图2及图3，所述系统包括定位标签100、定位接收器200及定位处理器400，所述定位接收器200用于接收所述定位标签100发送的脉冲信号。

本实施方式的基于超宽带的分米级物联网定位系统的工作原理如图3所示。当定位标签100位于定位接收器200所覆盖的定位区域时，根据定位标签100的运动或静止状态，以及设定的定位更新频率f，发送脉冲信号。当定位接收器200接收到定位标签100的脉冲信号后，通过网线将数据传输到定位处理器400中。定位处理器400中的定位引擎通过TDOA算法，实现对定位标签100的1分米级定位精度（15cm-30cm），应用软件根据该定位标签的ID和高精度的位置信息实现身份识别及定位相关应用。

在本实施方式中，为了进一步实现超低功耗，脉冲信号为单向传输。

本实施方式中只用于定位标签100向定位接收器200发送脉冲信号，从而简化了电路，降低了功耗。当定位接收器200需要与定位标签100进行双向通信时，则采用定位标签100内部的125Khz磁接收器50接收信号，实现配置和触发等功能。

在本实施方式中，双频触发器功能则使用了定位标签100内置的6.5Ghz的射频发射器10和125Khz的磁接收器50来实现。

结合图3，当所述定位标签100经过触发点设备300时，所述定位标签100获取所述触发点设备300的触发点设备ID，所述定位标签100具有标签ID，所述定位标签100将所述标签ID及所述触发点设备ID作为脉冲信号发送至所述定位接收器200。

具体的，当定位标签100经过某个触发点设备300时，定位标签100的125Khz的磁接收器50与触发点设备300进行低频通信，并将触发点设备的ID发送到定位标签100，此时，定位标签100将触发点设备ID和标签ID同时发送到后端定位接收器200，定位接收器200到两个ID后，即可通过定位处理器400分辨该该定位标签100经过了哪个位置的定位触发点设备300，从而实现了双频触发器功能。

本发明还提供一种基于超宽带的分米级物联网定位系统控制方法，结合上述定位标签100及定位系统的说明，参图4，所述控制方法包括步骤：

定位标签100根据预设的更新频率f定时发送脉冲信号；

定位接收器200接收所述脉冲信号；

定位处理器400根据所述脉冲信号获取所述定位标签100的当前位置。

在本实施方式中，步骤“定位标签100根据预设的更新频率f定时发送脉冲信号”具体包括：

定位标签100获取相邻的触发点设备300的触发点设备ID；

定位标签100根据预设的更新频率f定时发送脉冲信号，所述脉冲信号包括标签ID及触发点设备ID。

综上所述，本发明的基于超宽带的分米级物联网定位系统包括如下优势：

（1）对于要求定位设备体积小、精度高、寿命长、快速运动的场合带了来颠覆性的改变。例如足球运动员负荷监控(必须满足配置带方便，高速追踪跑动过程等）。

（2）对于需要进行嵌入式位置追踪的场合带来颠覆性改变。例如需要将定位设备嵌入到安全帽、工作服，且可长时间工作的定位需求，本发明方案特别使用。

（3）对供电要求及管理简化要求的智能物联网物流应用可大幅改善布设成本和使用效率。例如本标签可方便安装与叉车上而不需改造任何设备。

（4）其它需要超低功耗和体积小巧的领域带来极大方便。例如司法领域对犯人的定位追踪。本发明方案的防拆定位标签可实现从入狱到出狱的整个过程的标签使用寿命，极大减轻了管理难度。

（5）物联网信息采集。通过内置的传感器接口，将物联网应用的中传感器数据通过超宽带UWB实现定位和采集的同步实现。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于超宽带的分米级物联网定位系统用定位标签，其特征在于包括：

射频发射器，其用于发射脉冲信号，所述脉冲信号定义所述定位标签的当前位置；

微处理器，其存储有更新频率；

其中，所述射频发射器根据所述更新频率定时发送所述脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的基于超宽带的分米级物联网定位系统用定位标签，其特征在于，所述脉冲信号为超宽带脉冲信号。

3.根据权利要求1所述的基于超宽带的分米级物联网定位系统用定位标签，其特征在于，所述定位标签还包括内部传感器，所述内部传感器用于检测所述定位标签的当前状态，当所述定位标签处于运动状态时，所述射频发射器根据所述更新频率定时发送所述脉冲信号，当所述定位标签处于静止状态时，所述射频发射器停止发送所述脉冲信号。

4.一种基于超宽带的分米级物联网定位系统用定位标签，其特征在于包括：

射频发射器，其用于发射脉冲信号，所述脉冲信号定义所述定位标签的当前位置；

微处理器，其存储有更新频率；

内部传感器，其用于检测所述定位标签的当前状态；

其中，当所述内部传感器检测到所述定位标签处于静止状态时，所述定位标签进入休眠状态，所述射频发射器不工作；当所述内部传感器检测到所述定位标签处于运动状态时，所述定位标签进入工作状态，于一发送周期内，所述射频发射器发射所述脉冲信号后进入休眠状态，所述射频发射器重复所述发送周期，所述发送周期与所述更新频率相对应。

5.一种基于超宽带的分米级物联网定位系统，其特征在于包括：

如权利要求1-4中任意一项所述的定位标签；

定位接收器，所述定位接收器用于接收所述定位标签发送的脉冲信号。

6.根据权利要求5所述的基于超宽带的分米级物联网定位系统，其特征在于，所述定位标签与所述定位接收器之间为单向通信。

7.根据权利要求5所述的基于超宽带的分米级物联网定位系统，其特征在于所述系统还包括触发点设备，当所述定位标签经过所述触发点设备时，所述定位标签获取所述触发点设备的触发点设备ID，所述定位标签具有标签ID，所述定位标签将所述标签ID及所述触发点设备ID作为脉冲信号发送至所述定位接收器。

8.根据权利要求7所述的基于超宽带的分米级物联网定位系统，其特征在于，所述定位标签还包括磁接收器，所述磁接收器用于接收所述触发点设备和/或所述定位接收器的信号。

9.一种基于超宽带的分米级物联网定位系统控制方法，所述系统包括定位标签、定位接收器及定位处理器，其特征在于包括步骤：

定位标签根据预设的更新频率定时发送脉冲信号；

定位接收器接收所述脉冲信号；

定位处理器根据所述脉冲信号获取所述定位标签的当前位置。

10.根据权利要求9所述的基于超宽带的分米级物联网定位系统控制方法，其特征在于所述系统还包括触发点设备，步骤“定位标签根据预设的更新频率定时发送脉冲信号”具体包括：

定位标签获取相邻的触发点设备的触发点设备ID；

定位标签根据预设的更新频率定时发送脉冲信号，所述脉冲信号包括标签ID及触发点设备ID。