CN109640268A - 一种超宽带无线通信室内定位系统的组网方法 - Google Patents

一种超宽带无线通信室内定位系统的组网方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超宽带无线通信室内定位系统的组网方法，由组网基站模块发起时间片周期：所述时间片周期的时序安排，从左至右时间递增，预留16个基站广播时间片，分别为零号基站广播时间片‑十五号基站广播时间片；1个网络服务时间片，10个标签测距时间片，分别为零号标签测距时间片‑九号标签测距时间片；1个数据通信时间片，本发明采用了时间片的方法实现不同功能的分时运行，大大减小了UWB局域网内多模块的通信冲突问题；将应用场景内的所有模块连入统一的UWB局域网，实现网内模块之间的互联互知，对外提供WiFi、以太网等接口，实现对UWB局域网的远程管理功能。

Description

一种超宽带无线通信室内定位系统的组网方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体是一种超宽带无线通信室内定位系统的组网方法。
背景技术
UWB(Ultra-wideBandwidth)超宽带无线通信是一种不使用载波，采用时间间隔极短的纳秒级脉冲进行通信的技术，相比于WiFi、蓝牙等通信技术，UWB具有以下优势：
1.功耗低：使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间短，系统耗电低。2.多径分辨能力强：由于UWB无线电发射的是单周期脉冲且占空比极低，多径信号在时间上是可分离的，很容易分离出多径分量以排除干扰。3.定位精度高：超宽带具有较强的穿透能力，对于室内常见塑料、墙面等材质，穿透后信号衰减较少，可提高定位测距的准确性，从而提高定位精度。
目前常见的UWB定位系统，包括两种功能模块，分别是普通基站模块和移动标签模块，普通基站模块为坐标已知的固定位置的模块，移动标签模块为位于待定位物体上的移动模块。系统组网方式简单，并未对应用场景内的所有模块进行统一的组网管理，多为4基站、6基站、多标签的定位系统。
上述组网方式存在以下缺点：1、标签无法提前预知周围基站的分布，采用固定顺序测距定位，无法根据实际情况作出更优选择。2、基站数量无法增加，当应用场景物品较多，遮挡较多的时候，无法通过增加基站提高场景的UWB覆盖率；当应用场景场地较大的时候，无法通过增加基站提高UWB覆盖面积。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够实现网内模块之间的互联互知的超宽带无线通信室内定位系统的组网方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种超宽带无线通信室内定位系统的组网方法，具体步骤如下：
(1)由组网基站模块发起时间片周期：所述时间片周期的时序安排，从左至右时间递增，预留16个基站广播时间片，分别为零号基站广播时间片-十五号基站广播时间片；1个网络服务时间片，10个标签测距时间片，分别为零号标签测距时间片-九号标签测距时间片；1个数据通信时间片；组网基站模块上电运行以后，占用零号基站广播时间片，并以固定的时间间隔T循环发起下一个时间片周期，以维持整个UWB局域网络的正常运行；组网基站广播的信息包括系统时间、网络识别号、身份识别码、基站坐标、占用情况的基本信息；
(2)尚未入网的普通基站模块上电以后，开始监听周围的组网基站模块发出的广播信号；若接收到了组网基站模块的广播信号，从中获取到系统时间tr和组网基站模块的坐标(x0，y0，z0)，再根据此普通基站模块的坐标(x1，y1，z1)以及电磁波的传输速度c，求出理论的延迟时间td，公式为：
此时，得到的此普通基站模块的理论系统时间为tr+td，完成该普通基站模块与系统时间的初步同步；接下来该普通基站模块开始监听网络服务时间片是否有其他基站正在进行入网申请，如果有，则等待3个时间片周期，再进行判断，如果没有，则开始发起入网申请，在网络服务时间片，该普通基站模块向组网基站模块发起入网申请信息，并记录发送时间tsend；组网基站模块收到入网申请后，间隔固定时间tp，向该普通基站模块发送入网确认信息，该普通基站模块收到入网确认信号，记录接收时间trec；求出该普通基站模块到组网基站模块的真实延迟时间trd：
经过3个时间片周期的连续发送入网申请，并一一得到组网基站模块的回复之后，则确定申请入网过程中没有与其他等待入网的基站产生同时申请入网的冲突，根据公式(2)得到三个真实延迟时间trd1、trd2、trd3，得到该普通基站到组网基站的平均延时trd-a＝(trd1+trd2+trd3)/3；此时，计算出该基站的系统时间为tr+trd-a；从而普通基站的系统时间与组网基站的系统时间完成同步，顺利加入该局域网，获得占用一号基站广播时间片的广播权限；
(3)按照步骤(2)的过程，其他普通基站模块依次加入局域网，分配到对应的基站广播时间片，完成所有普通基站模块的入网；若基站广播时间片分配满了，则新的普通基站模块无法加入该局域网，处于等待状态；若基站广播时间片未分配完，则剩下的基站广播时间片处于空闲状态；此后，在每一个时间片周期，组网基站模块和各普通基站模块依次向外广播自己网络识别号、身份识别码、坐标信息、占用情况的信息；
(4)移动标签模块上电后，按照与普通基站模块一样的方法完成入网与时间同步，然后开始在零号基站广播时间片-十五号基站广播时间片监听附近的组网基站模块和各普通基站模块的广播，将附近的组网基站模块和各普通基站模块的信息存入自己的缓存里，根据读取到的基站广播时间片占用情况，选择空闲的标签测距时间片，向3～4个基站发起测距定位广播，完成标签的定位；随后将该标签的身份识别码和定位坐标的标签信息广播给路由基站模块；
(5)路由基站模块将接收到的标签信息暂时存储在其缓存中，等到数据通信时间片，将存储的标签信息发送给组网基站模块，组网基站模块完成所有标签信息的收集整理；
(6)完成一个时间片周期以后，组网基站模块将局域网内普通基站模块与移动标签模块的情况通过WiFi或4G或以太网接口将数据上传至远程监控端，完成局域网对外的状态更新；
(7)若远程监控端发出了模块的设置指令，通过WiFi或4G或以太网方式下传至组网基站模块，组网基站将指令暂时保存起立，等到数据通信时间片，再通过广播下发至对应的模块，完成参数的设置。
作为本发明进一步的方案：
所述时间片周期的时间为100ms。
作为本发明进一步的方案：
所述步骤(7)中模块的设置指令包括移动标签更新频率修改以及更改基站坐标。
作为本发明进一步的方案：
所述移动标签更新频率为时间片周期的倍数nT，n＝1、2、3、…。
作为本发明进一步的方案：
所述超宽带无线通信室内定位系统，包括至少一个组网基站模块、两个及以上普通基站模块、一个或多个移动标签模块、远程监控端；所述普通基站模块是位置已知的固定模块，主要功能是参与UWB局域网组网、响应移动标签模块的测距请求，帮助移动标签模块完成测距定位；所述组网基站模块是位置已知的固定模块，其具备普通基站模块的功能，还是整个UWB局域网的发起者与控制者，提供局域网基准时钟，控制其他基站的入网退网，并通过以太网接口，实现与远程监控端的交互；所述移动标签模块是待定位模块，位于定位目标上，通过与周边基站进行测距，实现对自身的位置定位；所述远程监控端中设置有运行的UWB管理程序，通过WiFi或4G或以太网接口，实现与组网基站模块的通信，从而实现远程的监视与控制。
作为本发明进一步的方案：
所述超宽带无线通信室内定位系统还包括路由器基站模块，所述路由基站模块是位置已知的固定模块，其具备普通基站模块的功能，还是整个UWB局域网中的中继节点，负责转发组网基站的时钟基准信号，转发其他模块与组网基站的交互信息，以辅助实现组网基站模块与自身信号覆盖范围外的其他模块进行通信的功能。
作为本发明再进一步的方案：
所述远程监控端为台式电脑或平板电脑。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用了时间片的方法实现不同功能的分时运行，大大减小了UWB局域网内多模块的通信冲突问题；将应用场景内的所有模块连入统一的UWB局域网，实现网内模块之间的互联互知，对外提供WiFi、以太网等接口，实现对UWB局域网的远程管理功能。
附图说明
图1为本发明组网中正常运行的时序图。
图2为本发明中宽带无线通信室内定位系统布置方法的结构示意图。
图3为本发明的实施例中组网中正常运行的时序图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
请参阅图1，一种超宽带无线通信室内定位系统的组网方法，具体步骤如下：
(1)由组网基站模块发起时间片周期：所述时间片周期的时序安排，从左至右时间递增，时间片周期的时间为100ms，预留16个基站广播时间片，分别为零号基站广播时间片-十五号基站广播时间片；1个网络服务时间片，10个标签测距时间片，分别为零号标签测距时间片-九号标签测距时间片；1个数据通信时间片；组网基站模块上电运行以后，占用零号基站广播时间片，并以固定的时间间隔T循环发起下一个时间片周期，以维持整个UWB局域网络的正常运行；组网基站广播的信息包括系统时间、网络识别号、身份识别码、基站坐标、占用情况的基本信息；
(2)尚未入网的普通基站模块上电以后，开始监听周围的组网基站模块发出的广播信号；若接收到了组网基站模块的广播信号，从中获取到系统时间tr和组网基站模块的坐标(x0，y0，z0)，再根据此普通基站模块的坐标(x1，y1，z1)以及电磁波的传输速度c，求出理论的延迟时间td，公式为：
此时，得到的此普通基站模块的理论系统时间为tr+td，完成该普通基站模块与系统时间的初步同步；接下来该普通基站模块开始监听网络服务时间片是否有其他基站正在进行入网申请，如果有，则等待3个时间片周期，再进行判断，如果没有，则开始发起入网申请，在网络服务时间片，该普通基站模块向组网基站模块发起入网申请信息，并记录发送时间tsend；组网基站模块收到入网申请后，间隔固定时间tp，向该普通基站模块发送入网确认信息，该普通基站模块收到入网确认信号，记录接收时间trec；求出该普通基站模块到组网基站模块的真实延迟时间trd：
经过3个时间片周期的连续发送入网申请，并一一得到组网基站模块的回复之后，则确定申请入网过程中没有与其他等待入网的基站产生同时申请入网的冲突，根据公式(2)得到三个真实延迟时间trd1、trd2、trd3，得到该普通基站到组网基站的平均延时trd-a＝(trd1+trd2+trd3)/3；此时，计算出该基站的系统时间为tr+trd-a；从而普通基站的系统时间与组网基站的系统时间完成同步，顺利加入该局域网，获得占用一号基站广播时间片的广播权限；
(3)按照步骤(2)的过程，其他普通基站模块依次加入局域网，分配到对应的基站广播时间片，完成所有普通基站模块的入网；若基站广播时间片分配满了，则新的普通基站模块无法加入该局域网，处于等待状态；若基站广播时间片未分配完，则剩下的基站广播时间片处于空闲状态；此后，在每一个时间片周期，组网基站模块和各普通基站模块依次向外广播自己网络识别号、身份识别码、坐标信息、占用情况的信息；
(4)移动标签模块上电后，按照与普通基站模块一样的方法完成入网与时间同步，然后开始在零号基站广播时间片-十五号基站广播时间片监听附近的组网基站模块和各普通基站模块的广播，将附近的组网基站模块和各普通基站模块的信息存入自己的缓存里，根据读取到的基站广播时间片占用情况，选择空闲的标签测距时间片，向3-4个基站发起测距定位广播，完成标签的定位；随后将该标签的身份识别码和定位坐标的标签信息广播给路由基站模块；
(5)路由基站模块将接收到的标签信息暂时存储在其缓存中，等到数据通信时间片，将存储的标签信息发送给组网基站模块，组网基站模块完成所有标签信息的收集整理；
(6)完成一个时间片周期以后，组网基站模块将局域网内普通基站模块与移动标签模块的情况通过WiFi或4G或以太网接口将数据上传至远程监控端，完成局域网对外的状态更新；
(7)若远程监控端发出了模块的设置指令，包括移动标签更新频率修改以及更改基站坐标，通过WiFi或4G或以太网方式下传至组网基站模块，组网基站将指令暂时保存起立，等到数据通信时间片，再通过广播下发至对应的模块，完成参数的设置；所述移动标签更新频率为时间片周期的倍数nT，n＝1、2、3、…。因此，虽然只有10个标签测距时间片，但是并不表示该系统仅支持10个移动标签模块，当每个移动标签模块的更新频率设置为2T的时候，该系统就可以支持20个移动标签模块正常定位；每个标签的更新频率设置为10T的时候，该系统就可以支持100个移动标签模块正常定位，其他的数量以此类推。
请参见图2，所述超宽带无线通信室内定位系统，包括至少一个组网基站模块A0、三个路由器模块A1-A3、八个普通基站模块A4-A11、七个移动标签模块T1-T7、远程监控端；所述普通基站模块是位置已知的固定模块，主要功能是参与UWB局域网组网、响应移动标签模块的测距请求，帮助移动标签模块完成测距定位；所述组网基站模块是位置已知的固定模块，其具备普通基站模块的功能，还是整个UWB局域网的发起者与控制者，提供局域网基准时钟，控制其他基站的入网退网，并通过以太网接口，实现与远程监控端的交互；所述移动标签模块是待定位模块，位于定位目标上，通过与周边基站进行测距，实现对自身的位置定位；所述组网基站模块的覆盖范围是一个半径约为60米的圆，如果应用场景超出组网基站模块的信号覆盖范围，则还需要加入一个或多个路由基站模块。所述路由基站模块是位置已知的固定模块，其具备普通基站模块的功能，还是整个UWB局域网中的中继节点，负责转发组网基站的时钟基准信号，转发其他模块与组网基站的交互信息，以辅助实现组网基站模块与自身信号覆盖范围外的其他模块进行通信的功能；所述远程监控端中设置有运行的UWB管理程序，通过WiFi或4G或以太网接口，实现与组网基站模块的通信，从而实现远程的监视与控制。所述远程监控端为台式电脑或平板电脑。
实施例
请参见图3，一种超宽带无线通信室内定位系统的组网方法，该超宽带无线通信室内定位系统包括一个组网基站模块、三个普通基站模块、一个移动标签模块和远程监控端；按照横轴t的时间顺序，占用零号基站广播时间片的组网基站模块发起广播，其他模块监听组网基站模块的信号保持时间同步；随后占用一号基站广播时间片-三号基站广播时间片的一号普通基站模块-三号普通基站模块分别广播自己的信息；在零号基站广播时间片-十五号基站广播时间片，零号移动标签模块全程监听，将组网基站模块、一号普通基站模块-三号普通基站模块的信息存在自己缓存中；在网络服务时间片，组网基站模块监听处理是否有模块入网请求；在零号标签测距时间片，零号移动标签模块向周边广播测距请求，请求中指定组网基站模块、一号普通基站模块-三号普通基站模块参与测距，组网基站模块、一号普通基站模块-三号普通基站模块协助完成零号移动标签模块的测距定位。完成测距后，零号移动标签模块将身份识别码、坐标广播出去，由于零号移动标签模块位于组网基站模块覆盖范围，因此零号移动标签模块的信息直接被组网基站模块保存；一号标签测距时间片-九号标签测距时间片由于没有其他移动标签模块发起申请，因此处于空闲状态；在数据通信时间片，组网基站将整个局域网络状态通过WiFi、4G、以太网等接口发送到远程监控端，并将远程端的控制指令下发至对应模块；到此时，完成了一个完整的时间片周期。
本发明利用组网基站模块加路由基站模块的功能组合，实现了组网基站与自身信号覆盖范围外的其他模块进行通信的功能，使得整个方案可以根据实际场景进行灵活的布置，且组网基站能够拥有对所有模块的监控能力；局域网的时间同步，利用了基站间坐标值计算出UWB信号的理论传输延迟，结合实际信号的收发计时计算，算出各模块与组网基站的时间延迟，从而实现UWB局域网的时间同步；时间片周期的合理设计，根据实际中UWB局域网的网络管理功能、定位测距功能的耗时，设计出时间片周期，使UWB局域网内所有模块能够有序的工作，避免通信的冲突。
上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (7)

1.一种超宽带无线通信室内定位系统的组网方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)由组网基站模块发起时间片周期：所述时间片周期的时序安排，从左至右时间递增，预留16个基站广播时间片，分别为零号基站广播时间片-十五号基站广播时间片；1个网络服务时间片，10个标签测距时间片，分别为零号标签测距时间片-九号标签测距时间片；1个数据通信时间片；组网基站模块上电运行以后，占用零号基站广播时间片，并以固定的时间间隔T循环发起下一个时间片周期，以维持整个UWB局域网络的正常运行；组网基站广播的信息包括系统时间、网络识别号、身份识别码、基站坐标、占用情况的基本信息；
(2)尚未入网的普通基站模块上电以后，开始监听周围的组网基站模块发出的广播信号；若接收到了组网基站模块的广播信号，从中获取到系统时间tr和组网基站模块的坐标(x0，y0，z0)，再根据此普通基站模块的坐标(x1，y1，z1)以及电磁波的传输速度c，求出理论的延迟时间td，公式为：
此时，得到的此普通基站模块的理论系统时间为tr+td，完成该普通基站模块与系统时间的初步同步；接下来该普通基站模块开始监听网络服务时间片是否有其他基站正在进行入网申请，如果有，则等待3个时间片周期，再进行判断，如果没有，则开始发起入网申请，在网络服务时间片，该普通基站模块向组网基站模块发起入网申请信息，并记录发送时间tsend；组网基站模块收到入网申请后，间隔固定时间tp，向该普通基站模块发送入网确认信息，该普通基站模块收到入网确认信号，记录接收时间trec；求出该普通基站模块到组网基站模块的真实延迟时间trd：
经过3个时间片周期的连续发送入网申请，并一一得到组网基站模块的回复之后，则确定申请入网过程中没有与其他等待入网的基站产生同时申请入网的冲突，根据公式(2)得到三个真实延迟时间trd1、trd2、trd3，得到该普通基站到组网基站的平均延时trd-a＝(trd1+trd2+trd3)/3；此时，计算出该基站的系统时间为tr+trd-a；从而普通基站的系统时间与组网基站的系统时间完成同步，顺利加入该局域网，获得占用一号基站广播时间片的广播权限；
(3)按照步骤(2)的过程，其他普通基站模块依次加入局域网，分配到对应的基站广播时间片，完成所有普通基站模块的入网；若基站广播时间片分配满了，则新的普通基站模块无法加入该局域网，处于等待状态；若基站广播时间片未分配完，则剩下的基站广播时间片处于空闲状态；此后，在每一个时间片周期，组网基站模块和各普通基站模块依次向外广播自己网络识别号、身份识别码、坐标信息、占用情况的信息；
(4)移动标签模块上电后，按照与普通基站模块一样的方法完成入网与时间同步，然后开始在零号基站广播时间片-十五号基站广播时间片监听附近的组网基站模块和各普通基站模块的广播，将附近的组网基站模块和各普通基站模块的信息存入自己的缓存里，根据读取到的基站广播时间片占用情况，选择空闲的标签测距时间片，向3～4个基站发起测距定位广播，完成标签的定位；随后将该标签的身份识别码和定位坐标的标签信息广播给路由基站模块；
(5)路由基站模块将接收到的标签信息暂时存储在其缓存中，等到数据通信时间片，将存储的标签信息发送给组网基站模块，组网基站模块完成所有标签信息的收集整理；
(6)完成一个时间片周期以后，组网基站模块将局域网内普通基站模块与移动标签模块的情况通过WiFi或4G或以太网接口将数据上传至远程监控端，完成局域网对外的状态更新；
(7)若远程监控端发出了模块的设置指令，通过WiFi或4G或以太网方式下传至组网基站模块，组网基站将指令暂时保存起立，等到数据通信时间片，再通过广播下发至对应的模块，完成参数的设置。
2.根据权利要求1所述的超宽带无线通信室内定位系统的组网方法，其特征在于，所述时间片周期的时间为100ms。
3.根据权利要求1所述的超宽带无线通信室内定位系统的组网方法，其特征在于，所述步骤(7)中模块的设置指令包括移动标签更新频率修改以及更改基站坐标。
4.根据权利要求3所述的超宽带无线通信室内定位系统的组网方法，其特征在于，所述移动标签更新频率为时间片周期的倍数nT，n＝1、2、3、…。
5.根据权利要求1所述的超宽带无线通信室内定位系统的组网方法，其特征在于，所述超宽带无线通信室内定位系统，包括至少一个组网基站模块、两个及以上普通基站模块、一个或多个移动标签模块、远程监控端；所述普通基站模块是位置已知的固定模块，主要功能是参与UWB局域网组网、响应移动标签模块的测距请求，帮助移动标签模块完成测距定位；所述组网基站模块是位置已知的固定模块，其具备普通基站模块的功能，还是整个UWB局域网的发起者与控制者，提供局域网基准时钟，控制其他基站的入网退网，并通过以太网接口，实现与远程监控端的交互；所述移动标签模块是待定位模块，位于定位目标上，通过与周边基站进行测距，实现对自身的位置定位；所述远程监控端中设置有运行的UWB管理程序，通过WiFi或4G或以太网接口，实现与组网基站模块的通信，从而实现远程的监视与控制。
6.根据权利要求5所述的超宽带无线通信室内定位系统的组网方法，其特征在于，所述超宽带无线通信室内定位系统还包括路由器基站模块，所述路由基站模块是位置已知的固定模块，其具备普通基站模块的功能，还是整个UWB局域网中的中继节点，负责转发组网基站的时钟基准信号，转发其他模块与组网基站的交互信息，以辅助实现组网基站模块与自身信号覆盖范围外的其他模块进行通信的功能。
7.根据权利要求5所述的超宽带无线通信室内定位系统的组网方法，其特征在于，所述远程监控端为台式电脑或平板电脑。
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