CN107957577B - 一种在位识别告警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在位识别告警系统及方法，包括：在空间内布置标签系统和基站测距系统；所述基站测距系统与标签系统无线连接，通过与标签系统之间的无线通信获取当前标签系统与基站测距系统的距离信息。本发明结合了高频无线电通讯、中频无线电通讯和低频无线电通讯三种测距方式，并通过有线通讯以太网连接上位机对标签和基站进行统一的调度和管理，构成覆盖区域广泛，无死角的测距系统，同时降低通讯的能源消耗和通讯成本。

Description

一种在位识别告警系统及方法

技术领域

本发明涉及通信控制领域，具体地说是一种在位识别告警系统及方法。

背景技术

随着局域定位技术的迅猛发展，在位识别系统得到了广泛的应用。

由于局域定位技术应用环境复杂多变，比如工厂、矿场、学校、部队等这种环境中，有可能会存在树木、汽车、人类等各种障碍物遮挡，所以测距的有效实施就变得极为重要。

对于社会上大多的测距设备都是采用RFID、Zigbee或者UWB等测距方式，这些通信方式都各有各的优缺点。

RFID定位是根据读写器与标签的通信状态(如通信时间或信号强度)和读写器的物理位置等来确定标签的位置，定位算法可以分为距离估计法、场景分析法和邻近法。一般情况下，需要多个读写器的配合通过三角定位来实现，理想条件下可覆盖100米的范围。但实际应用中由于RFID工作在高频段，且读写器与标签的通信距离较近，因此很难精确地计算出两者的距离值实现定位。

ZigBee(又称紫蜂)是遵循IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。

UWB(Ultra Wideband)是一种不用载波，而采用时间间隔小于1ns的脉冲进行通信的方式，频带从3.1GHz～10.6GHz，带宽大于500MHz，信号的发射功率限制在-41dBm以下。UWB通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，能在10米左右的范围内实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率，抗干扰性能强、传输速率高、发射功率非常小，因而大大延长系统工作时间。但由于其工作频率太高，所以有遮挡的时候，往往会接收不到信号，无法完成测距。

市面上的声光报警器基本上都是不带控制方式的，上电即马上发生声光报警。这种声光报警器不够智能，我们不能派个人去看着目标是否超出了设定的阈值范围。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种在位识别告警系统及方法,结合了高频无线电通讯、中频无线电通讯和低频无线电通讯三种测距方式，并通过有线通讯以太网连接上位机对标签和基站进行统一的调度和管理，构成覆盖区域广泛，无死角的测距系统，同时降低通讯的能源消耗和通讯成本。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种在位识别告警系统，包括：在空间内布置标签系统和基站测距系统；

所述基站测距系统与标签系统无线连接，通过与标签系统之间的无线通信获取当前标签系统与基站测距系统的距离信息。

所述标签系统包括若干个标签，其中每一个标签包括第一中央处理器，连接第一FPGA驱动电路，作为串行接口，用于1分3扩展硬盘接口；第一FPGA驱动电路连接第一无线通信单元；

第一中央处理器通过I²C接口连接运动传感器，用于判断目标的运动状态，做为第一无线通信单元是否开启的依据；

第一无线通信单元电源控制电路连接第一中央处理器，用于接收第一中央处理器的电源开关控制信号，控制第一无线通信单元开启或关闭；

电源模块连接第一中央处理器，为标签供电。

所述第一无线通信单元包括第一通信控制单元和第一天线，其中第一通信控制单元包括UWB通信控制单元、zigbee通信控制单元和433Mhz通信控制单元；第一天线包括3.5～6GHZ天线、2.4GHZ天线和433Mhz天线；其中UWB通信控制单元连接3.5～6GHZ天线，zigbee通信控制单元连接2.4GHZ天线，433Mhz通信控制单元连接433Mhz天线。

所述电源模块包括锂电池组、电池电量检测电路和电源适配器，锂电池组连接中央处理器，为中央处理器供电；电池电量检测电路一端连接锂电池组，另一端连接中央处理器，检测锂电池组的电量情况并发送到中央处理器；电源适配器输出电源连接到锂电池组和中央处理器，用于为标签供电以及为锂电池充电，当电池电量充满时，自动切断充电电源，防止过充。

还包括EEPROM连接中央处理器，用于标签掉电情况下不丢失信息存储；

看门狗连接中央处理器，实时接收中央处理器的状态信息，用于防止异常情况发生；

防拆电路连接中央处理器，用于检测当前目标的拆除状态。

所述基站测距系统通过以太网连接上位机，用于将数据信息上报上位机系统。

声光报警系统与基站测距系统和/或上位机系统连接，用于通过基站测距系统和/或上位机判断目标离位时，发生声光报警。

所述基站测距系统包括第二中央处理器，连接第二FPGA驱动电路，作为串行接口，用于1分3扩展硬盘接口；第二FPGA驱动电路连接第二无线通信单元；

第二无线通信单元电源控制电路连接第二中央处理器，用于接收第二中央处理器的电源开关控制信号，控制第二无线通信单元开启或关闭；

有线通信单元连接第二中央处理器，有线通信单元包括RS232串行接口和以太网接口，RS232串行接口用于发送串口命令，控制声光报警系统，以太网接口用于连接上位机，将数据信息上报上位机系统。

所述第二无线通信单元包括第二通信控制单元和第二天线，其中第二通信控制单元包括UWB通信控制单元、zigbee通信控制单元和433Mhz通信控制单元；第二天线包括3.5～6GHZ天线、2.4GHZ天线和433Mhz天线；其中UWB通信控制单元连接3.5～6GHZ天线，zigbee通信控制单元连接2.4GHZ天线，433Mhz通信控制单元连接433Mhz天线。

还包括EEPROM连接第二中央处理器，用于基站测距系统掉电情况下不丢失信息存储；

看门狗连接第二中央处理器，实时接收第二中央处理器的状态信息，用于防止异常情况发生；

防拆电路连接第二中央处理器，用于检测当前目标的拆除状态。

所述声光报警系统包括第三中央处理器通过串口电平转换芯片连接RS232串行接口，第三中央处理器通过功率驱动芯片连接功率继电器，功率继电器连接声光报警器电源接口，用于控制声光报警器的电源；电源芯片为声光报警系统供电。

一种在位识别告警方法，包括：

当目标静止时，关闭UWB通信控制单元、zigbee通信控制单元和433Mhz通信控制单元，标签的第一中央处理器处于静止模式；

当目标运动时，运动传感器唤醒中央处理器，中央处理器开启UWB通信控制单元，如果UWB通信控制单元状态正常，则检测标签与基站测距系统的距离是否超过设定阈值，如果超过设定阈值则通过声光报警系统进行报警，否则保持测距状态；

当标签超出UWB通信控制单元的测距范围或被障碍物遮挡时，标签的第一中央处理器开启zigbee通信控制单元，如果zigbee通信控制单元状态正常，则检测标签与基站测距系统的距离是否超过设定阈值，如果超过设定阈值则声光报警系统进行报警，否则保持测距状态；

当标签超出zigbee通信控制单元的测距范围或被障碍物遮挡时，标签的第一中央处理器开启433Mhz通信控制单元，如果433Mhz通信控制单元状态正常，则检测标签与基站测距系统的距离是否超过设定阈值，如果超过设定阈值则声光报警系统进行报警，否则保持测距状态。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明采用无线UWB测距、zigbee测距和433Mhz测距自适应测距方式，在室外可视通信距离能达到1000米以上，最高测距精度到达10cm，并且能够有效绕过树木、汽车、人类或其他障碍物；

2.本发明采用了先进功耗管理技术，当目标静止时，将关闭UWB测距、zigbee测距和433Mhz测距三种测距单元，中央处理器处于静止模式，整体功耗低于20uA；当目标运动时，运动传感器唤醒中央处理器后，中央处理器开启UWB驱动单元电源，当标签超出了UWB测距范围或者被障碍物遮挡时，中央处理器开启zigbee控制单元，当zigbee也通信无法连通时，中央处理器开启433Mhz控制单元；充满电后使用超过180天；

3.本发明采用FPGA来进行串口扩展，实现的是纯硬件扩展，速度快，不存在程序跑飞等问题，解决了中央处理器串口资源不够，和占用中央处理器处理时间问题；

4.本发明的实时时钟是用于同步时钟，便于Log存储时间准确的记录到上位机中；

5.本发明增加了合法离位功能，只要本系统超出了设定的在位范围，系统立刻报警，当设置了合法离位时，将不会发生告警；

6.本发明增加了防拆除功能，只要本系统被拆除或者破坏，系统立刻报警，当设置了合法拆除时，将不会发生告警；

7.本发明在低电量时发出告警，用于检测电池的电量，防止丢失时电量不足；

8.本发明的电源控制有两种控制方式：一种是可充电电池自供电；另一种是通过适配器输出的5V电源接到标签充电座上，可以同时给电池充电和标签供电，好处在于当外部供电的时候，自动切换到外部供电，此时电池转为自动充电，标签充电座中加入了电池充放保护电路，当电池电量充满时，充电保护电量可以自动切断充电电源，防止过冲；

9.本发明为声光报警系统加入了串行可控电路，实现了智能控制。

附图说明

图1是本发明的系统框图；

图2是本发明的基站测距系统硬件框图；

图3是本发明的标签系统硬件框图；

图4是本发明的声光报警器系统硬件框图；

图5是本发明的标签充电框图；

图6是本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，为本发明的系统框图。本发明为在位识别告警系统，包括基站测距系统、标签系统、上位机系统和声光报警系统四部分。基站测距系统与上位机系统是以太网连接；声光报警系统与基站测距系统和上位机系统是通过串口连接；标签与基站测距系统是通过无线UWB通讯、zigbee通讯或者433Mhz通讯测距。

标签系统与基站测距系统之间采用三种通信测距方式：

中央处理器通过FPGA串行接口连接UWB驱动单元，同时与3.5～6GHZ天线连接，进行近距离高精度测距；

中央处理器通过FPGA串行接口连接zigbee控制单元，同时与2.4GHZ天线连接，进行中短距离测距；

中央处理器通过FPGA串行接口连接433Mhz控制单元，同时与433Mhz天线连接，进行远距离测距。

结合高频、中频和低频三种测距方式，实现了三种测距方式自由切换，不仅测距精度高，测量距离远，而且解决树木、草丛、人类、汽车等障碍物的遮挡问题，避免了误报、错报等现象发生。

基站测距系统与声光报警系统采用串行接口连接，待基站测距系统判断标签离位时，立即发出串行报警命令，声光报警系统报警；带基站测距系统判断标签在位时，立即发出串行取消报警命令，声光报警系统停止报警。

基站测距系统与上位机系统采用有线的以太网连接，用于人机交互、监管；

上位机系统可以通过串行接口连接到声光报警系统，此连接方式可作为备选；

如图2所示，为本发明的基站测距系统硬件框图。

基站测距系统用于测量多个标签在位的实时距离，当基站测距系统开始运行时，会同时开启UWB测距、zigbee测距和433Mhz测距获取标签距离信息。

中央处理器控制UWB测距、zigbee测距和433Mhz测距三种测距通过FPGA扩展实现的，中央处理器作为主站，3个串口设备为从站，进行协议地址区分访问。

无线通信单元：中央处理器通过串口连接FPGA，FPGA扩展的三个串口分别连接到UWB驱动单元、zigbee控制单元和433Mhz控制单元，同时分别连接3.5～6GHZ天线、2.4GHZ天线和433Mhz天线。

存储单元：中央处理器通过I²C连接EEPROM，用于存储基站ID及出厂信息，系统掉电不丢失信息存储，如基站ID等。

看门狗芯片连接中央处理器，实时接收中央处理器的状态信息，用于防止异常情况发生。

有线通信单元：中央处理器顺次与PHY芯片和网络变压器连接，并通过以太网接口输出，用于将上位机软件管理的硬件接口。

中央处理器顺次与串口电平转换芯片连接，并通过串行接口输出，用于控制声光报警器报警。串行接口包括RS232串行接口，用于发送串口命令控制声光报警器是否报警。以太网接口用于连接到上位机以太网接口上，用于将数据信息上报上位机软件。

时钟控制芯片连接中央处理器，用于同步时钟。

电源接口，用于连接5VDC适配器。

如图3所示，为本发明的标签系统硬件框图。

标签系统用于目标在位时，对目标进行实时定位，并在目标离位时，降低自身数据上报频率，可以自适应选择测距方式。采用FPGA做为串行接口1分3扩展硬件接口，中央处理器作为主站，3个串口设备为从站，进行协议地址区分访问。

无线通信单元：中央处理器通过串口连接FPGA，FPGA扩展的三个串口分别连接到UWB驱动单元、zigbee控制单元和433Mhz控制单元，同时分别连接3.5～6GHZ天线、2.4GHZ天线和433Mhz天线。并分别有电源控制电路进行控制节约功耗。中央处理器分别通过三路电源控制电路，连接到三路通信控制单元的电源端，用于控制三路通信单元的开启或关闭。

运动传感器：中央处理器通过I²C连接运动传感器，用于判断标签是否处于运动状态，当标签处于静止时，中央处理器处于静止模式，UWB驱动单元、zigbee控制单元和433Mhz控制单元的电源控制将关闭，此时功耗低于20uA，此控制方式可以保证标签充满电后可以持续工作180天以上，标签静止时会每20分钟自动唤醒一次，这样做是为了节约大量的功耗，并且模块每20分钟自动唤醒增强了误报率。

电源：有两种控制方式：一种是可充电电池自供电；另一种是通过适配器输出的5V电源接到标签电源接口，可以同时给电池充电和标签供电，好处在于当外部供电的时候，自动切换到外部供电，此时电池转为自动充电。

电池电量检测电路连接中央处理器，检测电池电量。

防拆电路连接中央处理器，用于检测当前目标的拆除状态。

在位单元还包括看门狗芯片连接中央处理器，采集中央处理器实时状态信息，用于防止异常状态发生。

标签三种无线测距控制方式：当运动传感器唤醒中央处理器后，中央处理器开启UWB驱动单元电源，当标签超出了UWB测距范围或者被障碍物遮挡时，中央处理器开启zigbee控制单元，当zigbee也通信无法连通时，中央处理器开启433Mhz控制单元。

如图4所示，为本发明的声光报警器系统硬件框图。

声光报警器系统用于通过基站或上位机判断目标离位时，发生声光报警，实现其智能控制。

无线通信单元：中央处理器顺次与串口电平转换芯片连接，并通过串行接口输出，用于控制声光报警器报警。

声光报警控制单元：中央处理器顺次通过功率控制器和继电器连接到串行接口，用于连接基站测距系统和上位机系统的串行接口上，待标签超出了阈值设定距离或标签电池电量不足或被恶意破坏时，控制声光报警器报警。

上位机系统用于作为人机界面及声光报警控制，其通过以太网接口连接到基站，可以实时读取并显示标签距基站的距离；其通过串行接口连接到声光报警系统，待上位机判断标签超出了设定阈值位置时发生声光报警；上位机软件能够进行标签管理，加大对监督管理力度。

如图5所示，为本发明的标签充电框图。

电源适配器：为220VAC转5VDC 3A适配器，输出电缆加入抗干扰磁环，解决了充电时不受电磁干扰。

充电器：结合了滤波、过压、短路保护和过充保护电路，可以快速安全为标签充电；另外充电器和标签设计了防插反机制，可以进行无脑充电。

如图6所示为本发明的方法流程图。

当目标静止时，将关闭UWB测距、zigbee测距和433Mhz测距三种测距单元，中央处理器处于静止模式，整体功耗低于20uA；当目标运动时，运动传感器唤醒中央处理器后，中央处理器开启UWB驱动单元电源，如果UWB测距正常，将检测标签距基站距离是否超出设定阈值，超出阈值声光报警器报警，否则，检测标签是否还在继续运动，运动则UWB测距，静止则标签进入休眠状态；当标签超出了UWB测距范围或者被障碍物遮挡时，中央处理器开启zigbee控制单元，如果zigbee测距正常，将检测标签距基站距离是否超出设定阈值，超出阈值声光报警器报警，否则，检测标签是否还在继续运动，运动则zigbee测距，静止则标签进入休眠状态；当标签超出了zigbee测距范围或者被障碍物遮挡时，中央处理器开启433Mhz控制单元，如果zigbee测距正常，将检测标签距基站距离是否超出设定阈值，超出阈值声光报警器报警，否则，检测标签是否还在继续运动，运动则433Mhz测距，静止则标签进入休眠状态。

Claims (6)

1.一种在位识别告警系统，其特征在于，包括：在空间内布置标签系统和基站测距系统；

所述基站测距系统与标签系统无线连接，通过与标签系统之间的无线通信获取当前标签系统与基站测距系统的距离信息；

所述标签系统包括若干个标签，其中每一个标签包括第一中央处理器，连接第一FPGA驱动电路，作为串行接口，用于1分3扩展硬盘接口；第一FPGA驱动电路连接第一无线通信单元；

第一中央处理器通过I²C接口连接运动传感器，用于判断目标的运动状态，做为第一无线通信单元是否开启的依据；

第一无线通信单元电源控制电路连接第一中央处理器，用于接收第一中央处理器的电源开关控制信号，控制第一无线通信单元开启或关闭；

电源模块连接第一中央处理器，为标签供电；

所述基站测距系统通过以太网连接上位机，用于将数据信息上报上位机系统；

声光报警系统与基站测距系统和/或上位机系统连接，用于通过基站测距系统和/或上位机判断目标离位时，发生声光报警；

所述基站测距系统包括第二中央处理器，连接第二FPGA驱动电路，作为串行接口，用于1分3扩展硬盘接口；第二FPGA驱动电路连接第二无线通信单元；

第二无线通信单元电源控制电路连接第二中央处理器，用于接收第二中央处理器的电源开关控制信号，控制第二无线通信单元开启或关闭；

有线通信单元连接第二中央处理器，有线通信单元包括RS232串行接口和以太网接口，RS232串行接口用于发送串口命令，控制声光报警系统，以太网接口用于连接上位机，将数据信息上报上位机系统；

所述第一无线通信单元包括第一通信控制单元和第一天线，其中第一通信控制单元包括UWB通信控制单元、zigbee通信控制单元和433Mhz通信控制单元；第一天线包括3.5～6GHZ天线、2.4GHZ天线和433Mhz天线；其中UWB通信控制单元连接3.5～6GHZ天线，zigbee通信控制单元连接2.4GHZ天线，433Mhz通信控制单元连接433Mhz天线；

第二无线通信单元包括第二通信控制单元和第二天线，其中第二通信控制单元包括UWB通信控制单元、zigbee通信控制单元和433Mhz通信控制单元；第二天线包括3.5～6GHZ天线、2.4GHZ天线和433Mhz天线；其中UWB通信控制单元连接3.5～6GHZ天线，zigbee通信控制单元连接2.4GHZ天线，433Mhz通信控制单元连接433Mhz天线；

当目标静止时，关闭UWB通信控制单元、zigbee通信控制单元和433Mhz通信控制单元，标签的第一中央处理器处于静止模式；

当目标运动时，运动传感器唤醒中央处理器，中央处理器开启UWB通信控制单元，如果UWB通信控制单元状态正常，则检测标签与基站测距系统的距离是否超过设定阈值，如果超过设定阈值则通过声光报警系统进行报警，否则保持测距状态；

当标签超出UWB通信控制单元的测距范围或被障碍物遮挡时，标签的第一中央处理器开启zigbee通信控制单元，如果zigbee通信控制单元状态正常，则检测标签与基站测距系统的距离是否超过设定阈值，如果超过设定阈值则声光报警系统进行报警，否则保持测距状态；

当标签超出zigbee通信控制单元的测距范围或被障碍物遮挡时，标签的第一中央处理器开启433Mhz通信控制单元，如果433Mhz通信控制单元状态正常，则检测标签与基站测距系统的距离是否超过设定阈值，如果超过设定阈值则声光报警系统进行报警，否则保持测距状态。

2.根据权利要求1所述的在位识别告警系统，其特征在于：所述电源模块包括锂电池组、电池电量检测电路和电源适配器，锂电池组连接中央处理器，为中央处理器供电；电池电量检测电路一端连接锂电池组，另一端连接中央处理器，检测锂电池组的电量情况并发送到中央处理器；电源适配器输出电源连接到锂电池组和中央处理器，用于为标签供电以及为锂电池充电，当电池电量充满时，自动切断充电电源，防止过充。

3.根据权利要求1所述的在位识别告警系统，其特征在于：还包括EEPROM连接中央处理器，用于标签掉电情况下不丢失信息存储；

看门狗连接中央处理器，实时接收中央处理器的状态信息，用于防止异常情况发生；

防拆电路连接中央处理器，用于检测当前目标的拆除状态。

4.根据权利要求1所述的在位识别告警系统，其特征在于：还包括EEPROM连接第二中央处理器，用于基站测距系统掉电情况下不丢失信息存储；

看门狗连接第二中央处理器，实时接收第二中央处理器的状态信息，用于防止异常情况发生；

防拆电路连接第二中央处理器，用于检测当前目标的拆除状态。

5.根据权利要求1所述的在位识别告警系统，其特征在于：所述声光报警系统包括第三中央处理器通过串口电平转换芯片连接RS232串行接口，第三中央处理器通过功率驱动芯片连接功率继电器，功率继电器连接声光报警器电源接口，用于控制声光报警器的电源；电源芯片为声光报警系统供电。

6.根据权利要求1～5任一项所述系统的在位识别告警方法，其特征在于：包括：

当目标静止时，关闭UWB通信控制单元、zigbee通信控制单元和433Mhz通信控制单元，标签的第一中央处理器处于静止模式；

当目标运动时，运动传感器唤醒中央处理器，中央处理器开启UWB通信控制单元，如果UWB通信控制单元状态正常，则检测标签与基站测距系统的距离是否超过设定阈值，如果超过设定阈值则通过声光报警系统进行报警，否则保持测距状态；

当标签超出UWB通信控制单元的测距范围或被障碍物遮挡时，标签的第一中央处理器开启zigbee通信控制单元，如果zigbee通信控制单元状态正常，则检测标签与基站测距系统的距离是否超过设定阈值，如果超过设定阈值则声光报警系统进行报警，否则保持测距状态；

当标签超出zigbee通信控制单元的测距范围或被障碍物遮挡时，标签的第一中央处理器开启433Mhz通信控制单元，如果433Mhz通信控制单元状态正常，则检测标签与基站测距系统的距离是否超过设定阈值，如果超过设定阈值则声光报警系统进行报警，否则保持测距状态。