CN107255794B

CN107255794B - 一种基于uwb的定位装置及火车站儿童定位方法

Info

Publication number: CN107255794B
Application number: CN201710391189.5A
Authority: CN
Inventors: 刘紫秀; 缪赟晨; 刘红秀
Original assignee: CETC 29 Research Institute
Current assignee: CETC 29 Research Institute
Priority date: 2017-05-27
Filing date: 2017-05-27
Publication date: 2021-06-01
Anticipated expiration: 2037-05-27
Also published as: CN107255794A

Abstract

本发明涉及室内定位领域，针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于UWB的定位装置及火车站儿童定位方法。本发明基于UWB技术，进行位置定位；通过采用可扩展基站的UWB定位系统实现对大范围内儿童的高精度定位，有效预防儿童走失。该定位系统主要对候车室内的儿童进行定位。本发明定位标签通过在基站单元检测范围内，实时发送定位信息给基站单元；基站单元通过主、辅基站之间的相互定位，并建立坐标系，对与其通信的定位标签发送的定位信息进行对应定位标签实时距离测量，并将获得的实时距离信息回传给监控终端；监控终端根据基站单元上传的距离信息解析对应定位标签的定位位置，若定位标签定位位置超过阈值范围，则发出警报信号。

Description

一种基于UWB的定位装置及火车站儿童定位方法

技术领域

本发明涉及室内定位领域，尤其是一种基于UWB的定位装置及火车站儿童定位方法。

背景技术

近年来，孩子走丢、被拐事件发生日益频繁。孩子贪玩好动，人贩诱拐手段多样，家长防范意识缺失是孩子被拐的主要原因。火车站是人流最集中的地方，是孩子走丢的一个多发场所。尤其每逢节假日，旅客出行数量猛增，人群拥挤，各色人等混杂其中，孩子易被人群挤散，趁乱被抱走，一旦丢失就不易找到。因此在火车站内对儿童进行追踪定位，及时发现儿童的去向，对预防儿童走失是非常必要的。火车站内人流密集，环境复杂，需要定位的儿童数量大，定位范围广，需要一种可以在大的、复杂的环境下准确定位的系统。

目前室内定位技术主要有红外线定位、超声波定位、射频识别技术、WIFI技术、ZigBee技术、蓝牙技术、超宽带定位等。红外线技术定位精度5～10米，信号穿透性差，易受环境干扰。超声波定位技术定位精度可达厘米级，但是定位范围小且易受干扰。射频识别技术定位精度较高，工作距离比较近，不利于相互联合工作。WIFI技术，定位精度2～3米，易受到其他信号的干扰。ZigBee技术定位精度为3米，网络稳定性差，易受到环境干扰。蓝牙技术定位精度可达0.3米，设备复杂成本高，复杂环境下易受到干扰。超宽带(UWB)技术利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，带宽极宽，定位精度高达10厘米，具有很强的穿透性，多径分辨力强，具有很高的抗干扰能力，测量距离可达100米，发射功率低，能耗低，收发器体积小。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，提供一种基于UWB的定位装置及火车站儿童定位方法。本发明基于UWB技术，进行位置定位；进一步的，针对火车站内人流密集，环境复杂，定位范围大等特点，本发明提供一种高精度多基站火车站儿童定位系统，通过采用可扩展基站的UWB定位系统实现对大范围内儿童的高精度定位，实时追踪儿童位置，及时报警，有效预防儿童走失。该火车站儿童定位系统主要对候车室内的儿童进行定位。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于UWB的定位装置包括：

定位标签，用于通过在基站单元检测范围内，实时发送定位信息给基站单元；

基站单元，用于通过主、辅基站之间的相互定位，并建立坐标系，对与其通信的定位标签发送的定位信息进行对应定位标签实时距离测量，并将获得的实时距离信息回传给监控终端；

监控终端，用于根据基站单元上传的距离信息解析对应定位标签的定位位置，若定位标签定位位置超过阈值范围，则发出警报信号。

进一步的，辅基站添加过程是：

每添加一个辅基站都要添加其与主基站和另一个辅基站测距的过程；

标签的测距时序中要加入添加的辅基站，因为每个标签都要与所有基站进行测距，优选三个测距信息进行定位标签定位。

进一步的，主基站扩展过程为：多主基站系统，各主基站通过有线的方式与监控终端连接。

定位标签先与各个主基站进行测距，根据测距距离判断标签位于哪个主基站的区域；

每个主基站为所有定位标签留有时序，确定了标签的区域后，标签在各自的区域进行测距定位，主基站将各自测得的标签距离信息传给监控终端，由监控终端进行解析定位。

进一步的，所述定位标签扩展过程：

将定位标签的地址数据位进行扩展，并延长主基站分配给定位标签的测距轮询时间周期；

缩短主基站分配给各个标签的测距时间周期，即缩短各个标签在完成与各个基站之间的通信后的睡眠时间；

缩短单个标签的测距时间周期。

进一步的，所述基站单元对定位标签实时距离测量的具体过程是：

定位标签至少与3个基站进行通信，基站单元在接收到的实时测距信息中优选三个测距信息采用三点定位法，计算出定位标签的位置；

三个基站中必须有一个主基站，其他的辅基站将测距结果传给主基站，由主基站将测距信息统一上传至监控终端。

进一步的，一种基于UWB的定位装置还包括与监控终端连接的查询终端，用于通过定位标签ID查询对应定位标签的位置。

进一步的，所述在定位标签测距过程中采用TOF飞行时差测距方法，利用消息在标签与基站之间的传送时间差来计算距离。

一种基于UWB的定位装置的定位方法，应用基于UWB的定位装置，其特征在于包括：

在基站单元检测范围内，定位标签实时发送定位信息给基站单元；

基站单元通过主、辅基站之间的相互定位，建立坐标系，对与其通信的定位标签发送的定位信息进行对应定位标签实时距离测量，并将获得的实时距离信息回传给监控终端；

监控终端根据基站单元上传的距离信息解析对应定位标签的定位位置，若定位标签定位位置超过阈值范围，则发送警报。

一种基于UWB的定位装置的火车站儿童定位方法，应用UWB的定位装置，所述在火车站入口处将定位标签佩戴在儿童身上，用于儿童火车站候车室内活动位置的定位。(等需要取消定位标签时，通过磁扣解锁器将定位标签解锁即可)

进一步的，阈值范围指的是定位标签超出规定范围、进入警戒区域或者遭到强行破坏的范围，当儿童超过阈值范围，则监控终端发出声音报警信号。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本系统采用基于UWB的定位技术，双向测距方式，定位精度可达10厘米，数据传输速率高达6.8Mbps。抗干扰能力强，在火车站候车室等人流密集场所具有高精度的定位能力，多径分辨力高。

(2)本系统可容纳500个定位标签，一套系统对应一个候车室，系统容量满足每个候车室需要定位的儿童的数量要求。扩展标签的系统容量可达上千个标签。

(3)本系统可根据定位范围确定基站数量，100m*100m范围内可设置1个主基站和4个辅基站，200m*200m范围内设置2个主基站和6个辅基站，扩展基站时对基站与标签之间的通信时序进行了改进，以保证系统在扩容后可以正常通信。

(4)监控终端和查询终端根据火车站实际候车室等监控区域大小建立三维空间模型，在三维空间中显示标签实时位置，可查询标签历史轨迹。可对儿童实时定位追踪，当佩戴标签的儿童超出规定范围、进入警戒区或者定位标签遭到强行破坏时发出报警信号，及时发现儿童位置，可有效预防儿童走失。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是主基站或辅基站结构图。

图2是定位标签结构图。

图3是单个主基站以及四个辅基站形成的最小火车站儿童定位系统布局图。

图4是单个主基站以及四个辅基站形成的最小火车站儿童定位系统工作流程图。

图5是本发明多基站系统定位布局图。

图6是本发明多基站系统定位示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1

基站单元中的主、辅基站之间的相互定位，并建立坐标系具体过程是：上电后首先进行的是基站之间的自定位，基站之间进行相互测距，主基站根据各个基站之间的测距信息建立坐标系，主基站为坐标原点，其他基站位于坐标系各个象限内，定位标签的定位就是基于这个坐标系；

(1)本发明的定位系统包括：

1)基站单元：包括主基站以及辅基站；

主基站：主基站与查询终端和监控终端有线连接，将测距信息上传至终端。

辅基站：辅基站与主基站无线通信连接，辅基站与定位标签无线通信连接。辅基站将测距信息传送给主基站，由主基站统一上传到监控终端。

主基站或者辅基站都包括主处理器ARM、DWM模块、供电模块、收发指示模块、工作指示模块、USB通信模块、JTAG模块、复位模块、时钟模块、同步模块。其中收发指示模块与DWM模块连接，用于指示基站处于发送还是接收状态。其余模块均与主处理器ARM相连接。其中DWM模块集天线、射频电路和处理电路于一体，具备UWB通信功能。供电模块为电路提供3.7V供电电压，供电方式有USB供电和电池供电两种方式，通过开关选择一种供电方式。工作指示模块对通信状态进行指示。主基站和上位机通过USB接口有线连接，主基站通过USB模块将测距信息上传至上位机。JTAG模块具备下载程序的功能。复位模块可以重新启动主处理器。时钟模块为主处理器提供精确的时钟。当使用两个以上主基站时，主基站之间通过同步模块进行同步。辅基站不使用同步模块。

主基站或者辅基站通过其USB通信模块与监控终端连接。工作指示模块是指示灯，对通信状态进行显示。

2)定位标签：儿童在进入候车室安检时佩戴上标签，标签套于胳膊，采用磁扣形式闭合，

不可强行取下，在检票出口通过机器取下。强行取下会触发监控终端和查询终端的报警信号。定位标签具有电池电量检测功能，当电量低时发出报警信号，提示及时更换标签。定位标签与基站之间通过无线方式进行通信。

定位标签包括处理器ARM、DWM模块、供电模块、收发指示模块、工作指示模块、JTAG模块、复位模块、时钟模块、电量检测模块。其中收发指示模块(指示灯，标签和基站之间信号传递是否正常的一种表现形式，若是正常传递数据，则指示灯一直是闪烁的，否则常亮或者长灭就是有问题的。)与DWM模块连接，用于指示标签处于发送还是接收状态。其余模块均与处理器ARM相连接。其中DWM模块集天线、射频电路和处理电路于一体，具备UWB通信功能。供电模块采用电池供电，为标签提供3.7V电压。工作指示模块对通信状态进行指示。电池电量检测模块对电池电量进行检测，当电量低时发出报警信号。标签与基站之间进行无线通信。

定位标签通过标签自身的ID与其他定位标签进行区别。距离计算指的是标签主动发送请求信号，基站按照轮询方式决定此刻接收哪个标签的信息，然后返回信息给该标签，得到发送信息和接收信息时间差*光速就得到该标签到基站的距离。

采用轮询机制传递信号有延迟时间的校正设计：首先，在计算距离的算法中已经考虑到每一部分的延迟，在计算过程已经通过算法进行延迟校正。其次，轮询延迟指的时间推迟，而具体时间并不是主要考虑的因素，不管时间如何推迟，系统是按照时间差来计算距离而不是按照时间来计算距离的，这也是采用时间差来计算距离的算法的优势，不受具体时间的不准确的影响。

3)查询终端：查询终端与主基站和监控终端有线连接，在三维空间中显示标签位置信息，可通过输入标签上的编号搜索标签位置。具有报警功能，当标签超出规定范围、进入禁区或者遭到强行破坏时发出声音报警信号。查询终端设置在候车室内，可供用户直接使用。

4)监控终端：监控终端与主基站和查询终端有线连接，根据实际候车室的大小建立三维空间模型，在三维空间中显示标签位置信息，可通过输入标签编号搜索标签位置。具有报警功能，当标签超出规定范围、进入禁区或者遭到强行破坏时发出声音报警信号。监控终端设置在总监控室内，供监控人员对候车室的儿童进行监控。

监控终端具有实时定位显示功能、声音报警功能、查询功能、历史轨迹查询功能。监控终端对主基站传过来的测距信息进行处理，计算出标签的三维坐标，并在三维空间模型中显示标签的位置，对标签进行实时定位。当定位标签超出规定范围、进入警戒区域或者遭到强行破坏时监控终端发出声音报警信号。在终端上输入标签的编号就可以查询标签的实时位置和历史轨迹。

查询终端具有与监控终端相同的功能，可供用户直接使用。

5)移动终端：手机通过扫描标签上的二维码下载定位APP，在APP上通过输入标签编号可查询标签实时位置。

6)出入口标签穿戴器：在入口处佩戴标签，标签套于胳膊上，不可强行拆下，在入口处也配备取标签器，可以在入口处更换或者取下标签。在检票出口处通过取标签器取下标签，回收标签。

定位标签扩展过程中：定位标签的数量在算法中是由标签地址的数据位数决定的，在扩展的过程中将标签的地址数据位数扩展到8位以上，系统容纳标签的数量就可达到256个以上。在扩展标签数量的同时系统的刷新频率会降低，为了使系统的性能最优在扩展标签数量的过程中要同时更改以下方面：

1)延长主基站分配给标签的测距轮询时间周期，即延长系统的刷新周期，降低系统的刷新频率。

2)缩短主基站分配给各个标签的测距时间周期，主要指缩短各个标签在完成与各个基站之间的通信后的睡眠时间。

3)缩短单个标签的测距时间周期来保证在扩展标签数量的同时系统依然可以保持较高的刷新频率。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims

1.一种基于UWB的定位装置，其特征在于包括：

监控终端，用于根据基站单元上传的距离信息解析对应定位标签的定位位置，若定位标签定位位置超过阈值范围，则发出警报信号；

其中，主基站扩展过程为：多主基站系统，各主基站通过有线的方式与监控终端连接；

每个主基站为所有定位标签留有时序，确定了标签的区域后，标签在各自的区域进行测距定位，主基站将各自测得的标签距离信息传给监控终端，由监控终端进行解析定位；

辅基站添加过程是：

标签的测距时序中要加入添加的辅基站，因为每个标签都要与所有基站进行测距，选择三个测距信息进行定位标签定位。

2.根据权利要求1所述的一种基于UWB的定位装置，其特征在于所述定位标签扩展过程：

缩短单个标签的测距时间周期。

3.根据权利要求1所述的一种基于UWB的定位装置，其特征在于所述基站单元对定位标签实时距离测量的具体过程是：

定位标签至少与3个基站进行通信，基站单元在接收到的实时测距信息中选择三个测距信息采用三点定位法，计算出定位标签的位置；

4.根据权利要求1至3之一所述的一种基于UWB的定位装置，其特征在于还包括与监控终端连接的查询终端，用于通过定位标签ID查询对应定位标签的位置。

5.根据权利要求4所述的一种基于UWB的定位装置，其特征在于所述在定位标签测距过程中采用TOF飞行时差测距方法，利用消息在标签与基站之间的传送时间差来计算距离。

6.基于权利要求5所述基于UWB定位装置的定位方法，应用基于UWB的定位装置，其特征在于包括：

监控终端根据基站单元上传的距离信息解析对应定位标签的定位位置，若定位标签定位位置超过阈值范围，则发送警报；

辅基站添加过程是：

7.基于权利要求6所述定位方法，应用基于UWB的定位装置，其特征在于在火车站入口处将所述定位标签佩戴在儿童身上，用于儿童火车站候车室内活动位置的定位。

8.根据权利要求7所述定位方法，其特征在于阈值范围指的是定位标签超出规定范围、进入警戒区域或者遭到强行破坏的范围，当儿童超过阈值范围，则监控终端发出声音报警信号。