CN109660963A - 基于uwb的停车系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于UWB的停车系统，包括：标签，用于周期性发射UWB信号，与基站相互通信，使标签自身被定位；基站，用于接收来自标签的定位报文，并通过定位报文将测距信息发送至定位引擎，得到距离信息后，通过交换机发送给服务器进行定位计算；定位引擎，用于依据基站上传的测距信息计算标签的位置坐标。可大大提高室内定位精度，具有结构简单、功耗低的优点，适用于低成本完成室内和厂区小范围内的精确定位和实时跟踪，具有广阔的应用前景；架构清晰；统一管理；灵活度高；扩展性强；实现精准定位管理；减少人力投入。

Description

基于UWB的停车系统

技术领域

本发明属于物联网应用技术领域，尤其涉及一种基于UWB的停车系统。

背景技术

随着物联网、大数据和云计算技术的蓬勃发展，为室内定位问题提供了新的发展思路，即通过物联网技术将处于空间散布的移动标签连接在一起，通过终端数据采集及大数据分析，将移动标签状态位置信息实时共享至云端，形成智慧定位系统。GPS定位系统是专门为实现无线导航定位功能而组建的具有特定结构的定位系统，对于信号到达较为容易的室外开阔环境，GPS可以提供米级精度的定位信息，在室外定位导航中得到广泛应用。但是，由于室内建筑物本身及其内部结构和设备等的影响，使得在室内和地下环境中很难接收到GPS信号，无法提供定位所需的有效信息。如何有效精确地室内定位，是室内外一体化定位导航一体化系统要考虑的首要问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于UWB的停车系统。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。

本发明采用如下技术方案：

在一些可选的实施例中，提供一种基于UWB的停车系统，包括：标签，用于周期性发射UWB信号，与基站相互通信，使标签自身被定位；基站，用于接收来自所述标签的定位报文，并通过所述定位报文将测距信息发送至定位引擎；定位引擎，用于依据所述基站上传的所述测距信息计算所述标签的位置坐标。

在一些可选的实施例中，所述定位引擎位于本地服务器或云端。

在一些可选的实施例中，待监测停车区域每隔1-50米布设一个基站，且基站布设为正方形，基站的数量至少为四个。

在一些可选的实施例中，所述标签包括：惯导INS模块及双缓冲模块；所述惯导INS模块，用于当UWB信号失效时进行辅助定位以及校验数据帧的有效性；所述双缓冲模块，用于在标签收集锚点的地址消息过程中，安排多个缓冲区存放数据，且令标签处于只能接收数据的状态。

在一些可选的实施例中，所述的基于UWB的停车系统，还包括：交换机；所述基站通过所述交换机将测距信息上传至所述定位引擎。

在一些可选的实施例中，所述的基于UWB的停车系统，还包括：显示终端，用于显示所述定位引擎计算出的标签的位置坐标。

在一些可选的实施例中，所述定位引擎还包括：缓存筛选模块，用于缓存所述定位引擎接收到的数据，定时后根据标签的ID和消息的序列号筛选测距结果，筛选出有效数据；判断模块，用于当所述缓存筛选模块缓存的数据不满足所述定位引擎的定位运算要求时，通过逻辑运算器判断决定数据再收集或者丢弃；所述缓存筛选模块的定时时间设置为标签监听最大周期的1.5倍时间。

在一些可选的实施例中，所述标签包括：搜索模块，用于周期性发送广播消息以搜索可用于测距的基站，根据基站返回的消息学习记录基站地址以用于测距；第一判断模块，用于判断基站地址列表是否达到最大存储量；第二判断模块，用于判断发送广播消息的过程中是否发生超时；第三判断模块，用于当所述第二判断模块的判断结果为超时时，判断收集的基站个数是否大于四个；轮询模块，用于当基站地址列表达到最大存储量时，根据地址列表轮询所有基站地址，且当有基站未响应测距消息时继续轮询地址列表中下一个需要测距的基站，重新发送测距消息至没有成功轮询的基站，且当超过设置的轮询尝试次数，控制标签放弃当前这一轮测距，通知所述搜索模块重新开始搜索，当一轮测距成功结束得到定位结果，则刷新瞬时测距结果以及平均测距结果，令标签继续下一轮定位；测距模块，用于当所述第三判断模块的判断结果为收集的基站个数大于四个时令标签进行入测距阶段。

在一些可选的实施例中，所述基站包括：配对模块，用于监听所有标签的广播消息，并与第一个到达的标签配对；第四判断模块，用于判断基站接收到的是否为来自特定标签地址的消息以及确认帧；计算模块，用于当基站接收到来自特定标签地址的消息以及确认帧时，根据消息时间戳获取标签发射的UWB信号到达基站的时间，到达基站的时间乘以光速得到基站与标签之间的距离；上传模块，用于当所述计算模块计算得出的测距信息满足定位要求时，将所述测距信息上传至所述服务器。

本发明所带来的有益效果：可大大提高室内定位精度，具有结构简单、功耗低的优点，适用于低成本完成室内和厂区小范围内的精确定位和实时跟踪，具有广阔的应用前景；架构清晰；统一管理；灵活度高；扩展性强；实现精准定位管理；减少人力投入。

为了上述以及相关的目的，一个或多个实施例包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明某些示例性方面，并且其指示的仅仅是各个实施例的原则可以利用的各种方式中的一些方式。其它的益处和新颖性特征将随着下面的详细说明结合附图考虑而变得明显，所公开的实施例是要包括所有这些方面以及它们的等同。

附图说明

图1是本发明一种基于UWB的停车系统的结构示意图；

图2是本发明是基站建设示意图；

图3是本发明标签的工作流程图；

图4是本发明基站的工作流程图。

具体实施方式

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。

如图1所示，在一些说明性的实施例中，提供一种基于UWB的停车系统，UWB定位使用的是极窄的脉冲信号或者极宽的频谱带宽信号进行信息的传递，与其他定位技术相比，主要优点是穿透能力强、定位精度高，具有厘米级的定位能力。UWB定位技术可以在封闭的室内或者障碍物较多的情况下完成测距定位任务。

本发明的基于UWB的停车系统包括：标签、基站、定位引擎及交换机。

标签，用于周期性发射UWB信号，与基站相互通信，使标签自身被定位。

基站，用于接收来自标签的定位报文，并通过定位报文将测距信息发送至定位引擎。标签向基站周期性发送数据，基站的STM32单片机控制模块读取UWB信号，把读取的数据放在双缓冲区内，通过中断串口USART来接收数据，STM32单片机控制模块根据飞行时计算出标签到基站的距离。

定位引擎，用于依据基站上传的所述测距信息计算所述标签的位置坐标。定位引擎位于本地服务器或云端。

交换机，基站通过交换机将测距信息上传至定位引擎。基站得到距离信息后，通过交换机发送给定位引擎进行定位计算，同时通过显示终端显示定位引擎计算出的标签的位置坐标。

如图2所示，布设待监测停车区域时，每隔1-50米布设一个基站，且基站布设为正方形，确保标签发出的脉冲信号能同时被其中任意三个基站接收到，实现三维定位。需要求出被定位标签的XYZ三维坐标，在基站架设时，需要拉开Z轴的高度差，以确保在Z轴上的精确度。由于定位引擎的定位用TDOA定位方式，因此，基站的数量至少为四个。

定位引擎还包括：缓存筛选模块及判断模块。

主定位基站通过udp报文将测距信息发送给定位引擎，缓存筛选模块用于缓存定位引擎接收到的数据，定时后根据标签的ID和消息的序列号筛选测距结果，筛选出有效数据，即在数据提供给算法之前，需要筛选有效数据的同时还要进行有效数据的初步分析。

判断模块，用于当缓存筛选模块缓存的数据不满足定位引擎的定位运算要求时，通过逻辑运算器判断决定数据再收集或者丢弃。比如考虑到当基站距离标签太近或者太远的情况下，获得的结果误差超出预期的情况，对小于5cm以及大于20km的测量结果排除，防止极限值对定位过程产生影响。

缓存筛选模块的定时时间设置为标签监听最大周期的1.5倍时间。

标签包括：惯导INS模块及双缓冲模块

所述惯导INS模块，用于当UWB信号失效时进行辅助定位以及校验数据帧的有效性。

双缓冲模块，用于在标签收集锚点的地址消息过程中，安排多个缓冲区存放数据，且令标签处于只能接收数据的状态。标签收集锚点的地址消息过程中需要打开双缓冲功能，双缓冲功能是由于标签接收消息和锚点发送消息的速度不一致，标签需要即时收集多个锚点的回复，因此安排多个缓冲区存放来不及接收的数据。双缓冲功能只在接收数据时使用，这时候发送机无法开启，只能接收数据。

本发明通过在待监测停车区域布置已知坐标的基站，需要定位的标签按照一定的频率发射脉冲，不断和四个已知位置的基站进行测距，通过基站和标签的通信产生的位置信息被传输到定位引擎所在的服务器，通过服务器集成的TOA/TDOA算法精确的计算定位标签的位置，解算后将员工和物资的位置信息呈现在调度中心的显示终端上，实时监控员工和物资状态，本发明基于UWB的停车系统得具体架构包括感知层、传输层、服务层及网络层。

感知层由基站和标签组成，通过基站与标签的UWB定位信道实现对定位标签的定位。

传输层通过有线以太网，如POE方式为基站提供数据传输链路。

服务层由UWB定位引擎软件、UWB定位系统管理软件、对内和对外接口软件组成，这些软件部署在系统服务层服务器。UWB定位引擎软件实现定位数据的解算，得到定位标签的坐标；UWB定位系统管理软件实现定位网、通信网、无线传输网的管理及维护功能，并作为应用层到感知层的数据交换桥梁；对内接口软件给系统应用软件提供数据接口；对外接口软件给第三方应用提供数据接口。

管理层可以通过服务器实时获得标签位置信息，同时通过一系列导航技术，运营者通过服务器实时掌握标签位置数据和移动方向，实现精准定位管理、减少人力投入。大数据分析为运营者提高室内和厂区运营效益提供有力决策依据，并支持多标签统一管理、多种海量设备统一管理。

网络层分为互联网和局域网，局域网由用户方部署。

在一些说明性的实施例中，标签包括：

搜索模块，用于周期性发送广播消息以搜索可用于测距的基站，根据基站返回的消息学习记录基站地址以用于测距；

第一判断模块，用于判断基站地址列表是否达到最大存储量；

第二判断模块，用于判断发送广播消息的过程中是否发生超时；

第三判断模块，用于当所述第二判断模块的判断结果为超时时，判断收集的基站个数是否大于四个；

轮询模块，用于当基站地址列表达到最大存储量时，根据地址列表轮询所有基站地址，且当有基站未响应测距消息时继续轮询地址列表中下一个需要测距的基站，重新发送测距消息至没有成功轮询的基站，且当超过设置的轮询尝试次数，控制标签放弃当前这一轮测距，通知所述搜索模块重新开始搜索，当一轮测距成功结束得到定位结果，则刷新瞬时测距结果以及平均测距结果，令标签继续下一轮定位；

测距模块，用于当所述第三判断模块的判断结果为收集的基站个数大于四个时令标签进行入测距阶段。

如图3所示，标签的工作流程为：

S1：搜索阶段中，标签发送广播消息以搜索可用于测距的锚点。

S2：根据锚点的消息，学习锚点地址用于后期的测距。

S3：判断发送广播消息的过程中是否发生超时，若超时，进行步骤S4，否则进行步骤S5。标签开始发送广播地址的过程中假如发生超时，则停止收集锚点地址，并判断收集的锚点个数是否可以开始测距，二维定位需要3个锚点，三维定位至少需缓存4个锚点地址。

S4：判断收集的基站个数是否大于四个，若大于四个，则进行步骤S6，否则返回步骤S1。

S5：判断基站地址列表是否达到最大存储量，若达到最大存储量，则进行步骤S6，否则返回步骤S1。锚点地址列表的最大存储量为6个，地址列表记录满之后可以立即中止记录流程。

S6：测距阶段。测距阶段中标签按照锚点地址列表，依次发送轮询消息。假如有锚点未响应测距消息，标签会继续轮询地址列表中下一个需要测距的锚点；同时对于没有成功轮询的锚点，会重新发送测距消息，当超过设置的轮询尝试次数，标签选择放弃这轮测距，重新开始一轮搜索阶段；如果一轮测距成功结束得到定位结果，则刷新瞬时测距结果以及平均测距结果，标签继续下一轮定位，以使定位结果更加精确。

在一些说明性的实施例中，基站包括：

配对模块，用于监听所有标签的广播消息，并与第一个到达的标签配对；

第四判断模块，用于判断基站接收到的是否为来自特定标签地址的消息以及确认帧；

计算模块，用于当基站接收到来自特定标签地址的消息以及确认帧时，根据消息时间戳获取标签发射的UWB信号到达基站的时间，到达基站的时间乘以光速得到基站与标签之间的距离；

上传模块，用于当所述计算模块计算得出的测距信息满足定位要求时，将所述测距信息上传至所述服务器

如图4所示，基站的工作流程包括：

S11：在搜索阶段，基站监听所有标签的广播消息。

S12：与第一个到达的标签配对，记录标签地址。

S13：判断基站接收到的是否为来自特定标签地址的消息以及确认帧，若是，则进行步骤S14，否则返回步骤S11。在测距阶段，基站只接收来自特定标签地址的消息以及确认帧。在测距阶段，标签和基站的通信目的地址已经确定，所以每次轮询只向列表中特定目的地址转发数据帧，因此这个过程需要开启帧过滤功能。如果基站没有接收到来自目标地址的标签发送的确认消息，就无法再接收后续来自标签的广播消息，需要手动关闭帧过滤以重新开始搜索阶段。

S14：判断是否满足定位要求，若是，则进行步骤S15，否则返回步骤S11。

S15：上传测距数据至定位引擎。根据消息时间戳，计算基站和标签距离的过程由基站完成距离计算。基站位置为已知，标签发出无线脉冲，到达每个基站的时间再乘以光速，从而得到标签到每个基站的距离，再通过TDOA算法最终就可以得到标签的位置坐标。

本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。

Claims (9)

1.基于UWB的停车系统，其特征在于，包括：

标签，用于周期性发射UWB信号，与基站相互通信，使标签自身被定位；

基站，用于接收来自所述标签的定位报文，并通过所述定位报文将测距信息发送至定位引擎；

定位引擎，用于依据所述基站上传的所述测距信息计算所述标签的位置坐标。

2.根据权利要求1所述的基于UWB的停车系统，其特征在于，所述定位引擎位于本地服务器或云端。

3.根据权利要求1所述的基于UWB的停车系统，其特征在于，待监测停车区域每隔1-50米布设一个基站，且基站布设为正方形，基站的数量至少为四个。

4.根据权利要求3所述的基于UWB的停车系统，其特征在于，所述标签包括：惯导INS模块及双缓冲模块；所述惯导INS模块，用于当UWB信号失效时进行辅助定位以及校验数据帧的有效性；所述双缓冲模块，用于在标签收集锚点的地址消息过程中，安排多个缓冲区存放数据，且令标签处于只能接收数据的状态。

5.根据权利要求4所述的基于UWB的停车系统，其特征在于，还包括：交换机；所述基站通过所述交换机将测距信息上传至所述定位引擎。

6.根据权利要求5所述的基于UWB的停车系统，其特征在于，还包括：显示终端，用于显示所述定位引擎计算出的标签的位置坐标。

7.根据权利要求6所述的基于UWB的停车系统，其特征在于，所述定位引擎还包括：

缓存筛选模块，用于缓存所述定位引擎接收到的数据，定时后根据标签的ID和消息的序列号筛选测距结果，筛选出有效数据；

判断模块，用于当所述缓存筛选模块缓存的数据不满足所述定位引擎的定位运算要求时，通过逻辑运算器判断决定数据再收集或者丢弃；

所述缓存筛选模块的定时时间设置为标签监听最大周期的1.5倍时间。

8.根据权利要求7所述的基于UWB的停车系统，其特征在于，所述标签包括：

搜索模块，用于周期性发送广播消息以搜索可用于测距的基站，根据基站返回的消息学习记录基站地址以用于测距；

第一判断模块，用于判断基站地址列表是否达到最大存储量；

第二判断模块，用于判断发送广播消息的过程中是否发生超时；

第三判断模块，用于当所述第二判断模块的判断结果为超时，判断收集的基站个数是否大于四个；

轮询模块，用于当基站地址列表达到最大存储量时，根据地址列表轮询所有基站地址，且当有基站未响应测距消息时继续轮询地址列表中下一个需要测距的基站，重新发送测距消息至没有成功轮询的基站，且当超过设置的轮询尝试次数，控制标签放弃当前这一轮测距，通知所述搜索模块重新开始搜索，当一轮测距成功结束得到定位结果，则刷新瞬时测距结果以及平均测距结果，令标签继续下一轮定位；

测距模块，用于当所述第三判断模块的判断结果为收集的基站个数大于四个时令标签进行入测距阶段。

9.根据权利要求8所述的基于UWB的停车系统，其特征在于，所述基站包括：

配对模块，用于监听所有标签的广播消息，并与第一个到达的标签配对；

第四判断模块，用于判断基站接收到的是否为来自特定标签地址的消息以及确认帧；

计算模块，用于当基站接收到来自特定标签地址的消息以及确认帧时，根据消息时间戳获取标签发射的UWB信号到达基站的时间，到达基站的时间乘以光速得到基站与标签之间的距离；

上传模块，用于当所述计算模块计算得出的测距信息满足定位要求时，将所述测距信息上传至所述服务器。