CN108650623A - 一种基于超宽带室内定位技术的智能人员可视化管理方法 - Google Patents

一种基于超宽带室内定位技术的智能人员可视化管理方法 Download PDF

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卢安文
丁科宇
陈世祥
周守森
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Abstract

本发明请求保护一种基于超宽带室内定位技术的智能人员可视化管理方法，主要包括以下步骤：根据监管的室内的大小形状以及UWB模块天线辐射区域范围，在室内安装若干数量的UWB基站，使待管理的目标人员携带一个UWB信标标签，基站根据定位算法确定人员的位置信息以及收到标签发来的其它待处理的信息，信息传送到发给终端设备进行统筹管理，终端设备处理后发送给微信小程序或者手机APP等终端应用。

Description

一种基于超宽带室内定位技术的智能人员可视化管理方法
技术领域
本发明属于UWB室内定位技术，具体属于一种基于超宽带室内定位技术的智能人员可视化管理方法。
背景技术
室外定位技术，如全球定位系统(GPS)和北斗已成功应用于各个领域，包括室外营救，车载导航，物流运输，是目前室外定位中最为成功的一种技术，但值得注意的是，由于GPS信号或者北斗信号无法有效穿透建筑物的墙壁等障碍物，这样会导致室外定位误差增大。GPS或者北斗的定位精度在几十米范围内，能够满足室外定位的要求。但是，对于室内定位而言，精度必须精确到几十厘米才能够满足需要，而室内定位技术必须结合无线传感网络，传感器技术，信号处理技术等众多交叉领域。
针对于室内外的无线定位技术多种多样，比如红外线、蓝牙、Zigbee、Wi-Fi、RFID、超宽带UWB等。这些技术都分别适用于不用的环境也都有各自的优势与不足。
红外线室内定位技术，如最早的室内定位系统Active Badge，由于红外线自身的穿透力不强和环境中直射光线引起的散射，导致定位效果并不理想。超声波的主要优点是传播距离远、方向性强。但是超声波的定位功能往往不如外线技术，需要结合反射式方法(三角定位)来实现精确地定位。
蓝牙技术的最主要优点是功耗较低、对人体危害小，而且应用简单、容易实现，体积较小，方便集成在PDA、PC和手机中，所以易于推广。但是蓝牙的造价比较高，稳定性容易受环境影响。
RFID技术具有非接触识别、非可视性、高速阅读、NLOS等优点。该技术的最大缺点是工作的距离比较近，不利于与其他系统进行联合工作。
UWB技术以它自身的诸多优势崭露头角，并逐渐成为未来无线定位技术的研究热点。它的优点有：较低的功耗、很高的安全性、良好的抗多径效果、很低的系统复杂度以及能够精确提供定位精度等。更适合于作为士兵协同对抗这种对定位要求很高的室内环境使用。
从企业、市场、学校、社群等有人生活、工作的地方必然少不了管理，而管理的本质也是“人”，随着人工智能和互联网新信息技术的发展，对传统复杂费时的管理办法也迫切需要创新。
如何更有效的进行人员管理，如减少基础管理的成本、加强管理过程的效率，减少人员管理控制系统的危险系数、加强人员调度的能动性等，这是每个管理机制和结构的刚需，对管理方资本集成化具有重要意义。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种提高管理效率的基于超宽带室内定位技术的智能人员可视化管理方法。本发明的技术方案如下：
一种基于超宽带室内定位技术的智能人员可视化管理方法，其包括以下步骤：
(1)布局定位基站，根据监管的室内的大小形状以及超宽带模块天线辐射区域范围，在室内安装若干数量的定位基站，管理者通过无线传感器设备将状态控制信息发送给定位基站；
(2)被管理人员携带一个定位标签，每个定位标签与定位基站之间以超宽带信号周期性地收发数据帧，同时基站与信标记录发送和接收数据帧的时间戳信息；
(3)定位基站接收标签发送过来带有时间戳信息的数据帧，结合基站记录的时间戳信息确定标签达到不同定位基站之间的时间差，并利用快速定位技术及优化算法来计算标签位置；
(4)将需要检测的信息与位置信息发送给终端设备，并通过互联网传给手机应用。
进一步的，所述步骤(1)布局定位基站，根据监管的室内的大小形状以及超宽带模块天线辐射区域范围，在室内安装若干数量的定位基站，具体包括：针对目标场地绘制室内平面电子地图，并规定x、y、z轴的方向；安装若干个定位基站，并测量确定每个定位基站在平面电子地图中的位置坐标；将定位锚节点的位置坐标输入到服务器中；为每个目标用户设置移动标签。
进一步的，所述步骤2)-步骤4具体包括：每间隔时间Δt1，目标用户上的移动标签通过UWB发射芯片向每个定位基站发送定位信号，所述定位信号包括所在移动标签的ID号；定位基站通过UWB无线接收器接收每个移动标签的定位信号，并将移动标签ID号和定位信号到达定位基站的时间戳组合成时间戳数据，通过Wi-Fi模块发送给服务器的无线访问节点；服务器对时间戳数据进行解算，利用TDOA(到达时间差)算法得到每个目标用户的X、Y、Z坐标信息，并在平面电子地图上显示每个目标用户的位置。
进一步的，所述定位基站通过Micro USB或锂电池供电，以STM32F103C8T6为主控，控制与协调各个模块的运行，用DWM1000模块记录与信标之间信息收发的时间戳，通过ESP8266串口WIFI模块把数据通过局域网传送给终端机进行处理。
进一步的，所述信标通过锂电池供电，以STM32C8T6为主控，用DWM1000模块记录与基站信息收发的时间戳，通过ESP8266串口WIFI模块通过局域网与终端机交换信息，通过OLED与按键进行人机交互，用蜂鸣器发出警报信息。本发明的优点及有益效果如下：
本发明1)位置地图服务：
a.地图可缩放、拖拽、多地图切换
b.点击任意标签查看详情
c.地图实时截屏
d.适应监控中心大屏、分屏模式的全屏地图显示
(2)实时轨迹显示
a.组织结构式分级人员管理，部门/个人信息数据库
b.按标签ID检索
c.配置考勤任务
(3)自动点名服务
a.任意区域内人数实时动态点名
b.区域内人员详情列表显示
c.实时监控人员的状态
(4)自动考勤
a.平面区域考勤和立体空间区域考勤
b.统计人员的出勤时间/迟到
c.考勤结果自动输出
(5)安全报警:当人员出现危险时，自动报警
附图说明
图1是本发明提供优选实施例，表示人员管理系统的电子围栏与警告管理功能，在上位机上的平面地图上划定一定区域作为电子围栏，可同时划定多个区域，管理者设置电子围栏范围内的人员标签ID群组。启动电子围栏后，能够进行人员进围栏区域、出围栏区域警告，警告实时在标签短与监控端双重提示，并且可以查询警告记录，方便管理者管理。
图2表示人员管理系统的区域统计与电子点名功能，能够在任意划定区域内进行人数实时动态点名，区域统计能够将该划定区域实时区域内人员详情列表显示，电子点名能够由管理者设置应到人员，实时显示应道人员、实到人员、缺勤人员和其他人员总数与详细列表信息。
图3表示人员管理系统的系统架构图，若干UWB定位基站分布在管理区域范围内，被管理人员携带定位标签，基站和标签之间通过有线以太网或WiFi与基站连接到局域网，由服务器管理和处理数据，管理者通过工作台进行管理系统运行。
图4表示UWB基站的系统方框图，基站以STM32F103C8T6为主控，留有SWD下载接口与一个串口接口，通过Micro USB或锂电池供电，用DWM1000模块记录与信标之间信息收发的时间戳，通过ESP8266串口WIFI模块把数据通过局域网传送给终端机进行通信。
图5表示UWB信标的系统方框图，以STM32C8T6为主控，留有SWD下载接口，通过锂电池供电，用DWM1000模块记录与基站信息收发的时间戳，通过ESP8266串口WIFI模块通过局域网与终端机交换信息，通过OLED与按键进行人机交互，用蜂鸣器发出警报信息。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
我们设计了一套这样的智能人员可视化管理系统，它可运用在养老院、幼儿园、地下矿工等场景。
图1是本发明提供优选实施例，表示人员管理系统的电子围栏与警告管理功能，在上位机上的平面地图上划定一定区域作为电子围栏，可同时划定多个区域，管理者设置电子围栏范围内的人员标签ID群组。启动电子围栏后，能够进行人员进围栏区域、出围栏区域警告，警告实时在标签短与监控端双重提示，并且可以查询警告记录，方便管理者管理。
图2表示人员管理系统的区域统计与电子点名功能，能够在任意划定区域内进行人数实时动态点名，区域统计能够将该划定区域实时区域内人员详情列表显示，电子点名能够由管理者设置应到人员，实时显示应道人员、实到人员、缺勤人员和其他人员总数与详细列表信息。
图3表示人员管理系统的系统架构图，若干UWB定位基站分布在管理区域范围内，被管理人员携带定位标签，基站和标签之间通过有线以太网或WiFi与基站连接到局域网，由服务器管理和处理数据，管理者通过工作台进行管理系统运行。
图4表示UWB基站的系统方框图，基站以STM32F103C8T6为主控，留有SWD下载接口与一个串口接口，通过Micro USB或锂电池供电，用DWM1000模块记录与信标之间信息收发的时间戳，通过ESP8266串口WIFI模块把数据通过局域网传送给终端机进行通信。
图5表示UWB信标的系统方框图，以STM32C8T6为主控，留有SWD下载接口，通过锂电池供电，用DWM1000模块记录与基站信息收发的时间戳，通过ESP8266串口WIFI模块通过局域网与终端机交换信息，通过OLED与按键进行人机交互，用蜂鸣器发出警报信息。
【基于物联网定位的养老院管理系统】
我国正在迎来老龄化社会。养老机构在我国也在不断增加，护工人数供不应求，不能对每个老人状态进行实时的监控，会造成老人丢失或突发疾病等。
家属和养老院之间信息交流有脱节，由此产生的信任危机。
老人、敬老院的各项管理和安全行为是社会关注问题，也会社会敏感问题的多发点，福利性医院的成本加大，对人工人性化服务和管理不到位，因而产生众多隐患，UWB搭载配套服务系统可有效满足这一类需求。
【基于物联网定位幼儿园管理系统】
随着城市中双亲就业的家庭越来越多，家长在家照顾幼儿的比例逐渐下降，但对子女的关爱无时无刻不对家长造巨大的心理压力，父母们很希望能随时看到子女在幼儿园的就学情况。同时随着居民收入水平的提高，城市的高档幼儿园逐年增多，幼儿园也在积极寻找一种有效提升品牌的手段。
通过实际调查，幼儿园是一个幼儿众多的幼儿学习之地，学校应对每一个幼儿有一定的个人信息掌握及管理。本着对好宝贝幼儿园的了解，幼儿园需要一个幼儿园信息管理系统，来对幼儿的所有信息信息管理，以此来方便幼儿指导教师及管理员的操作，也可以让家长随时随地掌握孩子的情况，提高他们的工作质量和效率。
【公路、铁路隧道以及地下矿工安排导视和救援工作预防系统】
公路、铁路隧道以及地下矿工的施工环境艰苦恶劣，工种危险系数高，工作人员人数多，使隧道建筑施工企业面临巨大的管理困难，迫切需求一种能够高效、准确的人员管理和安全管理系统。
(1)布局定位基站。根据监管的室内的大小形状以及uwb模块天线辐射区域范围，在室内安装若干数量的UWB基站。
(2)每个定位标签以UWB脉冲重复不间断发送数据帧,定位标签发送的UWB脉冲串被定位基站接收，同时通过无线传感器设备将需要检测的信息发送给基站。
(3)每个定位基站利用高敏度的短脉冲侦测器测量每个定位标签的数据帧到达接收器天线的时间，同时收到需要检测的信息。
(4)定位基站引擎参考标签发送过来的校准数据，确定标签达到不同定位基站之间的时间差，并利用快速定位技术及优化算法来计算标签位置。
(5)将需要检测的信息与位置信息发送给终端设备，并通过互联网传给手机应用。
定位具体实施步骤如下：
步骤A、针对目标场地绘制室内平面电子地图，并规定x、y、z轴的方向；
步骤B、安装若干个定位基站，并测量确定每个定位基站在平面电子地图中的位置坐标；将定位锚节点的位置坐标输入到服务器中；
步骤C、为每个目标用户设置移动标签；
步骤D、每间隔时间Δt1，目标用户上的移动标签通过UWB发射芯片向每个定位基站发送定位信号，所述定位信号包括所在移动标签的ID号；
步骤E、定位基站通过UWB无线接收器接收每个移动标签的定位信号，并将移动标签ID号和定位信号到达定位基站的时间戳组合成时间戳数据，通过Wi-Fi模块发送给服务器的无线访问节点；
步骤F、服务器对时间戳数据进行解算，利用TDOA算法得到每个目标用户的X、Y、Z坐标信息，并在平面电子地图上显示每个目标用户的位置。
最后，用户可以根据现场环境自己在上位机界面上完成制图。上位机软件平台设计借助定位系统运行组件能够建立并校准基站、定位标签，并通过可视化界面配置定位空间和移动标签。上位机通过Wi-Fi获取各个基站中的时间戳数据，通过现有的TDOA算法和滤波算法，获得各个信标位置，进行规划统筹管理。
3.发明硬件设计
(1)基站硬件结构设计
基站通过Micro USB或锂电池供电，以STM32F103C8T6为主控，控制与协调各个模块的运行，用DWM1000模块记录与信标之间信息收发的时间戳，通过ESP8266串口WIFI模块把数据通过局域网传送给终端机进行处理。
(2)信标硬件结构设计
信标通过锂电池供电，以STM32C8T6为主控，用DWM1000模块记录与基站信息收发的时间戳，通过ESP8266串口WIFI模块通过局域网与终端机交换信息，通过OLED与按键进行人机交互，用蜂鸣器发出警报信息。
4.本发明优点：
(1)位置地图服务：
a.地图可缩放、拖拽、多地图切换
b.点击任意标签查看详情
c.地图实时截屏
d.适应监控中心大屏、分屏模式的全屏地图显示
(2)实时轨迹显示
a.组织结构式分级人员管理，部门/个人信息数据库
b.按标签ID检索
c.配置考勤任务
(3)自动点名服务
a.任意区域内人数实时动态点名
b.区域内人员详情列表显示
c.实时监控人员的状态
(4)自动考勤
a.平面区域考勤和立体空间区域考勤
b.统计人员的出勤时间/迟到
c.考勤结果自动输出
(5)安全报警:当人员出现危险时，自动报警
本发明的关键点和保护点
1.【实时位置定位】：当人员进入场景时，在任何时刻任意位置都可以感到相应信号，并上传到监控中心服务器，经过软件处理，得出各具体信息(如：人员ID，位置，具体时间)，同时可把它动态显示(实时)在监控中心的大屏并在电脑终端进行备份，使得管理人员可随时了解施工人员的状态。
2.【紧急人员搜救】：当突发情况发生时，UWB定位系统将保留人员最后的活动位置，为精确紧急搜寻提供重要参考。利用定位手持系统，进行现场人员搜救。
3.【日常人员管理】：管理者可随时观看大屏幕或电脑上施工人员以及设备的活动情况，并可查看任意区域、任何班组/部分/个人信息的状况，并可进行报表打印，历史数据查询，为管理带来极大方便。
4.【唯一ID标识】：人员佩戴微标签，全网唯一ID。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (5)

1.一种基于超宽带室内定位技术的智能人员可视化管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)布局定位基站，根据监管的室内的大小形状以及超宽带模块天线辐射区域范围，在室内安装若干数量的定位基站，管理者通过无线传感器设备将状态控制信息发送给定位基站；
(2)被管理人员携带一个定位标签，每个定位标签与定位基站之间以超宽带信号周期性地收发数据帧，同时基站与信标记录发送和接收数据帧的时间戳信息；
(3)定位基站接收标签发送过来带有时间戳信息的数据帧，结合基站记录的时间戳信息确定标签达到不同定位基站之间的时间差，并利用快速定位技术及优化算法来计算标签位置；
(4)将需要检测的信息与位置信息发送给终端设备，并通过互联网传给手机应用。
2.根据权利要求1所述的一种基于超宽带室内定位技术的智能人员可视化管理方法，其特征在于，所述步骤(1)布局定位基站，根据监管的室内的大小形状以及超宽带模块天线辐射区域范围，在室内安装若干数量的定位基站，具体包括：针对目标场地绘制室内平面电子地图，并规定x、y、z轴的方向；安装若干个定位基站，并测量确定每个定位基站在平面电子地图中的位置坐标；将定位锚节点的位置坐标输入到服务器中；为每个目标用户设置移动标签。
3.根据权利要求1所述的一种基于超宽带室内定位技术的智能人员可视化管理方法，其特征在于，所述步骤2)-步骤4具体包括：每间隔时间Δt1，目标用户上的移动标签通过UWB发射芯片向每个定位基站发送定位信号，所述定位信号包括所在移动标签的ID号；定位基站通过UWB无线接收器接收每个移动标签的定位信号，并将移动标签ID号和定位信号到达定位基站的时间戳组合成时间戳数据，通过Wi-Fi模块发送给服务器的无线访问节点；服务器对时间戳数据进行解算，利用TDOA到达时间差算法得到每个目标用户的X、Y、Z坐标信息，并在平面电子地图上显示每个目标用户的位置。
4.根据权利要求1所述的一种基于超宽带室内定位技术的智能人员可视化管理方法，其特征在于，所述定位基站通过Micro USB或锂电池供电，以STM32C8T6为主控，控制与协调各个模块的运行，用DWM1000模块记录与信标之间信息收发的时间戳，通过ESP8266串口WIFI模块把数据通过局域网传送给终端机进行处理。
5.根据权利要求1所述的一种基于超宽带室内定位技术的智能人员可视化管理方法，其特征在于，所述信标通过锂电池供电，以STM32F103C8T6为主控，用DWM1000模块记录与基站信息收发的时间戳，通过ESP8266串口WIFI模块通过局域网与终端机交换信息，通过OLED与按键进行人机交互，用蜂鸣器发出警报信息。
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