CN110412507A - 基于uwb的室内定位系统 - Google Patents

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徐翔龙
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Abstract

本发明公开了一种基于UWB的室内定位系统，包括：主传感器，设置在定位区域的第一位置作为锚节点；第一从传感器，设置在定位区域的第二位置作为第一桥节点；第二从传感器，设置在定位区域的第三位置作为第二桥节点；待定位标签，以预设频率发出UWB脉冲信号；UWB脉冲信号包括时间戳和待定位标签的UUID；射频模块，用于控制至少一个待定位标签轮流测距；主传感器分别从第一从传感器和第二从传感器接收第二距离信息和第三距离信息；主传感器汇总第一距离信息、第二距离信息和第三距离信息，获取定位信息。设置射频模块，控制多个待定位标签有序地收发UWB脉冲信号，最高可实现1000ms/8=125个待定位标签和基站的测距，实现UWB测距系统扩容。

Description

基于UWB的室内定位系统
技术领域
本发明涉及室内定位技术领域，具体涉及一种基于UWB的室内定位系统。
背景技术
超宽带技术（Ultra Wideband，UWB）是一种与传统通信技术有极大差异的通信技术。它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有GHz量级的带宽。超宽带系统与传统的窄带系统相比，具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。因此，超宽带技术可以应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航，且能提供十分精确的定位精度。
在DW1000的设备中，其射频不支持冲突侦听避免(CSMA)机制，若两个标签同时测距，会导致射频冲突。待定位标签比较少的情况下，并且在只有18%的占空比的情况下，有97%的几率不会冲突。若所有标签按1Hz（1秒一次的频率进行测距）工作，占空比为18%，即1秒中内只有0.18s是在收发数据的，最小传输单位为一个字节，用6.8Mbps的速率传输数据，180ms/8≈22.5。也就是说在同一周期内，不能超过22个标签进行测距，UWB定位系统容量较小。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于UWB的室内定位系统，以解决现有技术中的UWB定位系统容量较小的问题。
本发明实施例提供了一种基于UWB的室内定位系统，包括：
主传感器，设置在定位区域的第一位置作为锚节点；
第一从传感器，设置在定位区域的第二位置作为第一桥节点；
第二从传感器，设置在定位区域的第三位置作为第二桥节点；
待定位标签，以预设频率发出UWB脉冲信号；UWB脉冲信号包括时间戳和待定位标签的UUID；
射频模块，用于控制至少一个待定位标签轮流测距；
主传感器根据接收到UWB脉冲信号的时间差获取主传感器与待定位标签之间的第一距离信息；
第一从传感器根据接收到UWB脉冲信号的时间差获取从传感器与待定位标签之间的第二距离信息；
第二从传感器根据接收到UWB脉冲信号的时间差获取从传感器与待定位标签之间的第三距离信息；
主传感器分别从第一从传感器和第二从传感器接收第二距离信息和第三距离信息；
主传感器汇总第一距离信息、第二距离信息和第三距离信息，采用TOF、TdoA和AoA中的一种或多种算法对待定位标签进行定位，获取定位信息。
可选地，还包括：
第三从传感器，设置在定位区域的第四位置作为第三桥节点；
其中，主传感器、第一从传感器和第二从传感器构成第一平面；
主传感器、第一从传感器和第三从传感器构成第二平面。
可选地，主传感器、第一从传感器、第二从传感器和第三从传感器之间通过中心网络或级联的方式实现时间同步。
可选地，主传感器、第一从传感器、第二从传感器和第三从传感器之间通过WiFi数据回传实现时间同步。
可选地，预设频率范围为0.001Hz-10Hz。
可选地，当待定位标签在预设时间范围内未发生移动时，降低预设频率至十分之一或百分之一。
可选地，主传感器、第一从传感器和第二从传感器均包括加密模块，分别对第一距离信息、第二距离信息和第三距离信息进行加密。
可选地，主传感器还用于将定位信息上传至地图服务器；
地图服务器用于存储至少一个待定位标签在地图上的历史记录。
本发明实施例的有益效果：
1.通过设置射频模块，控制多个待定位标签有序地收发UWB脉冲信号，提高占空比至100%，使多个待定位标签避免冲突，以6.8Mbps的速率，最高可实现1000ms/8=125个待定位标签和基站的测距，实现UWB测距系统扩容。
2.佩戴待定位标签的工作人员在同一位置滞留时间超过5分钟，待定位标签的UWB脉冲信号发射频率1Hz降低到0.1Hz或0.01Hz，即，从每秒1次降低至每10秒一次或每100秒一次，降低待定位标签的功耗，保证其续航能力。
3.加密模块采用非对称公钥私钥加密算法进行加密，对第一距离信息、第二距离信息和第三距离信息进行加密，防止定位信息被劫持、篡改，提高定位信息的可靠性。
4.在本实施例中，可以在服务器或者后台查看指定人员的所有历史轨迹记录；对于特殊区域，一旦发现又可疑人员进出，可以实时查看其进出时间、活动轨迹，及时提高警惕，防患于未然。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1示出了本发明实施例中一种基于UWB的室内定位系统的结构图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种基于UWB的室内定位系统，如图1所示，包括主传感器1、第一从传感器2、第二从传感器3、待定位标签4和射频模块5，其中：主传感器设置在定位区域的第一位置作为锚节点；第一从传感器设置在定位区域的第二位置作为第一桥节点；第二从传感器设置在定位区域的第三位置作为第二桥节点；待定位标签以预设频率发出UWB脉冲信号；UWB脉冲信号包括时间戳和待定位标签的UUID；射频模块用于控制至少一个待定位标签轮流测距；主传感器根据接收到UWB脉冲信号的时间差获取主传感器与待定位标签之间的第一距离信息；第一从传感器根据接收到UWB脉冲信号的时间差获取从传感器与待定位标签之间的第二距离信息；第二从传感器根据接收到UWB脉冲信号的时间差获取从传感器与待定位标签之间的第三距离信息；主传感器分别从第一从传感器和第二从传感器接收第二距离信息和第三距离信息；主传感器汇总第一距离信息、第二距离信息和第三距离信息，采用TOF、TdoA和AoA中的一种或多种算法对待定位标签进行定位，获取定位信息。
在本实施例中，主传感器1为全动能节点，具有运算功能；第一从传感器2和第二从传感器3为半功能节点，主要负责信号收发。由主传感器1进行位置解算。主传感器及从传感器均采用DW-Z2，待定位标签型号为DW-K2。主传感器及从传感器的功能为测距基站。
射频模块5集成在主传感器1中，或者设置在室内中心位置。射频模块5采用时分复用技术来控制待定位标签4轮流测距。在具体实施例中，射频模块控制多个待定位标签有序地收发UWB脉冲信号，提高占空比至100%，使多个待定位标签避免冲突，以6.8Mbps的速率，最高可实现1000ms/8=125个待定位标签和基站的测距，实现UWB测距系统扩容。
作为可选的实施方式，还包括：第三从传感器6，设置在定位区域的第四位置作为第三桥节点；其中，主传感器、第一从传感器和第二从传感器构成第一平面；主传感器、第一从传感器和第三从传感器构成第二平面。
在本实施例中，第三从传感器6与其他三个传感器设置在不同平面上，以此实现三维定位。
作为可选的实施方式，主传感器、第一从传感器、第二从传感器和第三从传感器之间通过中心网络或级联的方式实现时间同步。
在本实施例中，通过有线做时间同步，有线时间同步可以控制在0.1ns以内，同步精度非常高。
作为可选的实施方式，主传感器、第一从传感器、第二从传感器和第三从传感器之间通过WiFi数据回传实现时间同步。
在本实施例中，通过无线做时间同步，采用无线同步一般可以达到0.25ns，精度稍逊于有线时间同步，但其系统相对来说更为简单，定位基站只需要供电，数据回传可以采用WiFi的方式，有效降低了成本，基站时间同步之后，标签发送一个广播报文，基站收到之后，标记接收到此报文的时间戳，将才内容发送到计算服务器，计算服务器更加其他基站的定位报文的时间戳，计算出被定为目标的位置。
作为可选的实施方式，预设频率范围为0.001Hz-10Hz。
在本实施例中，待定位标签的UWB脉冲信号发送频率范围为每秒10次到每千秒1次。
作为可选的实施方式，当待定位标签在预设时间范围内未发生移动时，降低预设频率至十分之一或百分之一。
在本实施例中，佩戴待定位标签的工作人员在同一位置滞留时间超过5分钟，待定位标签的UWB脉冲信号发射频率1Hz降低到0.1Hz或0.01Hz，即，从每秒1次降低至每10秒一次或每100秒一次，降低待定位标签的功耗，保证其续航能力。
作为可选的实施方式，主传感器、第一从传感器和第二从传感器均包括加密模块，分别对第一距离信息、第二距离信息和第三距离信息进行加密。
在本实施例中，加密模块采用非对称公钥私钥加密算法进行加密，对第一距离信息、第二距离信息和第三距离信息进行加密，防止定位信息被劫持、篡改，提高定位信息的可靠性。
作为可选的实施方式，主传感器还用于将定位信息上传至地图服务器；地图服务器用于存储至少一个待定位标签在地图上的历史记录。
在本实施例中，可以在服务器或者后台查看指定人员的所有历史轨迹记录；对于特殊区域，一旦发现又可疑人员进出，可以实时查看其进出时间、活动轨迹，及时提高警惕，防患于未然。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (8)

1.一种基于UWB的室内定位系统，其特征在于，包括：
主传感器，设置在定位区域的第一位置作为锚节点；
第一从传感器，设置在所述定位区域的第二位置作为第一桥节点；
第二从传感器，设置在所述定位区域的第三位置作为第二桥节点；
待定位标签，以预设频率发出UWB脉冲信号；所述UWB脉冲信号包括时间戳和所述待定位标签的UUID；
射频模块，用于控制至少一个所述待定位标签轮流测距；
所述主传感器根据接收到所述UWB脉冲信号的时间差获取所述主传感器与所述待定位标签之间的第一距离信息；
所述第一从传感器根据接收到所述UWB脉冲信号的时间差获取所述从传感器与所述待定位标签之间的第二距离信息；
所述第二从传感器根据接收到所述UWB脉冲信号的时间差获取所述从传感器与所述待定位标签之间的第三距离信息；
所述主传感器分别从所述第一从传感器和所述第二从传感器接收所述第二距离信息和所述第三距离信息；
所述主传感器汇总所述第一距离信息、所述第二距离信息和所述第三距离信息，采用TOF、TdoA和AoA中的一种或多种算法对所述待定位标签进行定位，获取定位信息。
2.根据权利要求1所述的室内定位系统，其特征在于，还包括：
第三从传感器，设置在所述定位区域的第四位置作为第三桥节点；
其中，所述主传感器、所述第一从传感器和所述第二从传感器构成第一平面；
所述主传感器、所述第一从传感器和所述第三从传感器构成第二平面。
3.根据权利要求2所述的室内定位系统，其特征在于，所述主传感器、所述第一从传感器、所述第二从传感器和所述第三从传感器之间通过中心网络或级联的方式实现时间同步。
4.根据权利要求2所述的室内定位系统，其特征在于，所述主传感器、所述第一从传感器、所述第二从传感器和所述第三从传感器之间通过WiFi数据回传实现时间同步。
5.根据权利要求1所述的室内定位系统，其特征在于，所述预设频率范围为0.001Hz-10Hz。
6.根据权利要求1所述的室内定位系统，其特征在于，当所述待定位标签在预设时间范围内未发生移动时，降低所述预设频率至十分之一或百分之一。
7.根据权利要求1所述的室内定位系统，其特征在于，所述主传感器、所述第一从传感器和所述第二从传感器均包括加密模块，分别对所述第一距离信息、所述第二距离信息和所述第三距离信息进行加密；
所述主传感器还包括解密模块，用于对经过加密的所述第一距离信息、所述第二距离信息和所述第三距离信息进行解密。
8.根据权利要求1所述的室内定位系统，其特征在于，所述主传感器还用于将所述定位信息上传至地图服务器；
所述地图服务器用于存储至少一个所述待定位标签在地图上的历史记录。
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