CN112014794A - 一种三维位置定位系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种三维位置定位系统及方法，涉及物联网物品定位领域，包括触发器、多个电子标签以及读头，所述电子标签分别与触发器、读头通讯连接，所述触发器包括第一微控制器、低频功率驱动控制器、低频触发天线、第一电源模块以及充电泵，所述低频触发天线通过低频功率驱动控制器与第一微控制器连接，所述第一电源模块与第一微控制器连接，并且通过充电泵与低频功率驱动控制器连接。本发明解决了现有技术中物品无法确定自身的相对位置，并且由于耗电问题，无法适用于物联网电池供电的应用场合的问题。

Description

一种三维位置定位系统及方法
技术领域
本发明涉及物联网物品定位领域，尤其涉及一种三维位置定位系统及方法。
背景技术
目前，对于物联网物品自身定位，主要采用标识法，即通过电子标签定位物品的位置，并在计算机软件地图上标识出来，通过电子标签上报的信息来区分物品信息。
由于采用标识法进行物品自身定位，在电子标签安装时，需要标识出绝对位置(即地理上的绝对位置，包含经度和纬度)信息，同时只能确定自身的绝对位置，不能确定自身的相对位置，所以不具有灵活性，增加了电子标签安装成本，并且位置标识工作繁琐；同时采用标识法进行物品自身定位非常耗电，无法应用在物联网小电池供电的应用场合。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种三维位置定位系统及方法，用于解决现有技术中物品无法确定自身的相对位置，并且由于耗电问题，无法适用于物联网小电池供电的应用场合的问题。
本发明提供一种三维位置定位系统，包括触发器、多个电子标签以及读头，所述电子标签分别与触发器、读头通讯连接，所述触发器包括第一微控制器、低频功率驱动控制器、低频触发天线、第一电源模块以及充电泵，所述低频触发天线通过低频功率驱动控制器与第一微控制器连接，所述第一电源模块与第一微控制器连接，并且通过充电泵与低频功率驱动控制器连接。
进一步的，所述读头包括第二微控制器、信号收发放大器、读头射频天线、第二电源模块，射频天线通过信号收发放大器与第二微控制器连接，第二电源模块与第二微控制器连接。
进一步的，所述电子标签包括第三微控制器、射频天线、低频发射天线、低频接收天线，所述射频天线、低频发射天线、低频接收天线分别与第三微控制器连接。
进一步的，所述读头还包括LCD显示器、蓝牙模块，LCD显示器和蓝牙模块分别与第二微控制器连接，第二微控制器通过RS-485接口或者串口与计算机终端通讯连接，通过蓝牙模块与移动终端通信连接。
进一步的，所述充电泵包括串联设置的一级充电泵和二级充电泵，一级充电泵与第一电源模块连接，二级充电泵与低频功率驱动控制器连接。
一种三维位置定位方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：触发器向多个电子标签发送低频预触发信号；
步骤2：多个电子标签分别响应预触发信号，经过预设的等待时间后，其中之一的电子标签发送低频触发信号到相邻电子标签；
步骤3：相邻的电子标签的信号接收端口响应低频触发信号，并且发送反馈信号到读头；
步骤4：重复步骤2和步骤3，直至所有的电子标签都发送反馈信号到读头；
步骤5：通过读头获取反馈信号，依据反馈信号得到不同电子标签之间的位置关系，进而得到安装有不同电子标签的不同物品之间的位置关系；
其中，不同的电子标签预设的等待时间不同。
进一步的，触发信号包括发出该信号的电子标签的标签ID；反馈信号包括发出该信号的电子标签的标签ID、该电子标签收到的触发信号包含的标签ID、信号接收端口号以及该电子标签接收到的触发信号的RSSI强度。
进一步的，电子标签的信号接收端口共计3个，分别设置于电子标签的左侧、右测、下侧。
进一步的，所述步骤5具体如下：
步骤5.1：通过读头获取反馈信号，依据发出该信号的电子标签的标签ID和电子标签收到的触发信号包含的标签ID获取两个相邻物品信息；
步骤5.2：通过信号接收端口号获取两个相邻物品的位置信息；
步骤5.3：通过电子标签接收到的触发信号的RSSI强度获取两个相邻物品的距离信息。
进一步的，触发信号的RSSI强度越大，则两个相邻物品的距离越近；触发信号的RSSI强度越小，则两个相邻物品的距离越远。
本发明的一种三维位置定位系统及方法，具有以下有益效果：本发明通过触发器、电子标签、读头的配合使用，能够得到不同电子标签之间的相对位置关系，进而得到安装有不同电子标签的不同物品之间的相对位置关系；并且系统耗电量低，适用于物联网电池供电的应用场合。
附图说明
图1显示为本发明实施例中公开的三维位置定位系统的系统框图；
图2显示为本发明实施例中公开的触发器的结构示意图；
图3显示为本发明实施例中公开的读头的结构示意图；
图4显示为本发明实施例中公开的电子标签的自身定位系统图；
图5显示为本发明实施例中公开的电子标签的第三控制器和射频天线电路图；
图6显示为本发明实施例中公开的电子标签的低频接收天线电路图；
图7显示为本发明实施例中公开的电子标签的低频发射天线电路图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明提供一种三维位置定位系统，如图1所示，包括触发器、多个电子标签以及读头，所述电子标签分别与触发器、读头通讯连接，如图2所示，所述触发器包括RF控制触发模块、第一微控制器、低频功率驱动控制器、低频触发天线、第一电源模块以及充电泵，所述低频触发天线通过低频功率驱动控制器与第一微控制器连接，所述第一电源模块与第一微控制器连接，并且通过充电泵与低频功率驱动控制器连接。
进一步的，所述充电泵包括串联设置的一级充电泵和二级充电泵，一级充电泵与第一电源模块连接，二级充电泵与低频功率驱动控制器连接。
如图3所示，所述读头包括第二微控制器、信号收发放大器、读头射频天线、第二电源模块，射频天线通过信号收发放大器与第二微控制器连接，第二电源模块与第二微控制器连接。
进一步的，所述读头还包括LCD显示器、蓝牙模块，LCD显示器和蓝牙模块分别与第二微控制器连接，第二微控制器通过RS-485接口或者串口与计算机终端通讯连接，通过蓝牙模块与移动终端通信连接。
所述电子标签包括第三微控制器、射频天线、低频发射天线、低频接收天线，所述射频天线、低频发射天线、低频接收天线分别与第三微控制器连接。
进一步的，如图5所示，采用射频收发芯片U2及其外围电路实现第三微控制器和射频天线相关功能，具体的包括射频收发芯片U2，电容C12、C13、C14、C15、C16、C19、C20、C21、C22、C23、C27，电阻R9、R16，电感L3、L5、L7，晶振Y2，二极管D1，所述射频收发芯片U2的第2引脚、第3引脚、第4引脚、第6引脚、第9引脚、第29引脚、第27引脚、第25引脚分别经过电容C21、电容C22、电容C23、电阻R11、电容C27、二极管D1和电阻R16、电容C15、电阻R9接地，第30引脚和第31引脚之间串联设置有晶振Y2，射频收发芯片U2的第22引脚与电感L3、L5一端连接，所述电感L3的另一端经过电容C14、C16接地，电感L5另一端经过电感L7、电容C20接地，并且与射频收发芯片U2的第21引脚连接，射频收发芯片U2的第20引脚分别经过电容C19、C20接地，其中，射频收发芯片U2型号选用NRF24LEI。
如图6所示，采用低频接收芯片U1及其外围电路实现低频接收天线的相关功能，具体的包括低频接收芯片U1，电感L1、L2、L6，电容C10、C11、C7、C8、C17、C18，电阻R2、R6、R10，所述低频接收芯片U1的第8引脚经过电感L2、电容C10、电容C11接地，第9引脚经过电感L1、电容C7、电容C8接地，第7引脚经过电感L6、电容C17、电容C18，所述低频接收芯片U1的第1引脚与射频收发芯片U2的第32引脚连接，第2引脚与射频收发芯片U2的第1引脚连接，第3引脚与射频收发芯片U2的第18引脚连接，第4引脚与射频收发芯片U2的第17引脚连接，第4引脚与射频收发芯片U2的第17引脚连接，第16引脚与射频收发芯片U2的第10引脚连接，第15引脚与射频收发芯片U2的第7引脚连接，第14引脚与射频收发芯片U2的第12引脚连接，所述低频接收芯片U1的型号为AS3933；
其中，对应的低频接收天线的信号接收端口共计3个，分别设置于电子标签的左侧、右侧以及下侧。
如图7所示，所述低频发射天线包括三级管Q5、Q6，电阻R12、R13、R14、R15、R17，电容C2、C24、C25、C26、C29，电感L8，电阻R12的一端与射频收发芯片U2的第28引脚连接，另一端与三极管Q5的基级连接，电阻R15的一端与射频收发芯片U2的第5引脚连接，另一端与三极管Q5的发射级连接，三极管Q5的集电极与电容C2、电容C29、电容C24一端连接，并且与三级管Q6的集电极连接，电容C2和电容C29的另一端接地，电容C24的另一端与三级管Q5的发射级连接，并且经过电阻R14与三级管Q6的基级连接，三级管Q6的发射级与电感L8、电容C25、电容C26、电阻R17的一端连接，电感L8的另一端经过电阻R13接地，电容C25、电容C26、电阻R17的另一端接地。
其中，电子标签的第三微控制器和射频天线对应的电路可以作为触发器的RF控制触发模块和第一微控制器；电子标签的低频发射天线对应的电路可以作为触发器低频触发天线；只是触发器的第一微控制器和低频触发天线之间设置有低频功率驱动控制器，然而电子标签第三微控制器和低频发射天线之间是直接连接的。
其中，所述触发器工作原理如下：
触发器的第一电源模块一方面为第一微控制器供电，另一方面经过一级充电泵和二级供电泵进行升压处理后，为低频功率驱动控制器供电；
RF控制触发模块接收到射频控制信号，通过触发器的第一微控制器通过低频功率驱动控制器控制低频触发天线向多个电子标签发出低频预触发信号；
所述电子标签工作原理如下：
电子标签的第三微控制器分别响应低频接收天线接收到触发器和相邻的电子标签发出的低频预触发信号和低频触发信号，并且通过低频发射天线发出另一低频触发信号到相邻的电子标签，通过射频天线发出反馈信号；
所述读头工作原理如下：
读头的第二电源模块为第二微控制器供电，通过读头射频天线接收电子标签发送的反馈信号，通过信号收发放大器进行信号放大后传输到第二微控制器，并且通过RS-485接口/串口将反馈信号发送到计算机终端；
并且可以通过LCD状态显示器进行状态显示，通过蓝牙模块与移动终端进行通讯连接，实现反馈信号的无线传输。
如图4所示，本发明提供一种三维位置定位方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：触发器向多个电子标签发送低频预触发信号；
步骤2：多个电子标签分别响应预触发信号，经过预设的等待时间后，其中之一的电子标签发送低频触发信号到相邻电子标签；
步骤3：相邻的电子标签响应低频触发信号，并且发送反馈信号到读头；
步骤4：重复步骤2和步骤3，直至所有的电子标签都发送反馈信号到读头；
步骤5：通过读头获取反馈信号，依据反馈信号得到不同电子标签之间的位置关系，进而得到安装有不同电子标签的不同物品之间的位置关系；
其中，不同的电子标签预设的等待时间不同，电子标签的信号接收端口共计三个，分别设置于电子标签的左侧、右测、下侧。
所述触发信号包括发出该信号的电子标签的标签ID；反馈信号包括发出该信号的电子标签的标签ID、该电子标签收到的触发信号包含的标签ID、信号接收端口号以及该电子标签接收到的触发信号的RSSI强度。
具体的，根据两个相邻两个电子标签的标签ID，可以知道两个电子标签对应的物品信息，通过触发信号的RSSI强度可以知道两个物品之间的距离(即强度越大，则距离越近，强度越小，则距离越远)，通过判断信号接收端口号可以知道两个物品之间的相对位置信息，即在左侧或者右测或者下侧。
综上所述，本发明通过触发器、电子标签、读头的配合使用，能够得到不同电子标签之间的相对位置关系，进而得到安装有不同电子标签的不同物品之间的相对位置关系；并且系统耗电量低，适用于物联网电池供电的应用场合。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种三维位置定位系统，其特征在于：包括触发器、多个电子标签以及读头，所述电子标签分别与触发器、读头通讯连接，所述触发器包括第一微控制器、低频功率驱动控制器、低频触发天线、第一电源模块以及充电泵，所述低频触发天线通过低频功率驱动控制器与第一微控制器连接，所述第一电源模块与第一微控制器连接，并且通过充电泵与低频功率驱动控制器连接。
2.根据权利要求1所述的三维位置定位系统，其特征在于：所述读头包括第二微控制器、信号收发放大器、读头射频天线、第二电源模块，射频天线通过信号收发放大器与第二微控制器连接，第二电源模块与第二微控制器连接。
3.根据权利要求1所述的三维位置定位系统，其特征在于：所述电子标签包括第三微控制器、射频天线、低频发射天线、低频接收天线，所述射频天线、低频发射天线、低频接收天线分别与第三微控制器连接。
4.根据权利要求2所述的三维位置定位系统，其特征在于：所述读头还包括LCD显示器、蓝牙模块，LCD显示器和蓝牙模块分别与第二微控制器连接，第二微控制器通过RS-485接口或者串口与计算机终端通讯连接，通过蓝牙模块与移动终端通信连接。
5.根据权利要求1所述的三维位置定位系统，其特征在于：所述充电泵包括串联设置的一级充电泵和二级充电泵，一级充电泵与第一电源模块连接，二级充电泵与低频功率驱动控制器连接。
6.一种三维位置定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：触发器向多个电子标签发送低频预触发信号；
步骤2：多个电子标签分别响应预触发信号，经过预设的等待时间后，其中之一的电子标签发送低频触发信号到相邻电子标签；
步骤3：相邻的电子标签的信号接收端口响应低频触发信号，并且发送反馈信号到读头；
步骤4：重复步骤2和步骤3，直至所有的电子标签都发送反馈信号到读头；
步骤5：通过读头获取反馈信号，依据反馈信号得到不同电子标签之间的位置关系，进而得到安装有不同电子标签的不同物品之间的位置关系；
其中，不同的电子标签预设的等待时间不同。
7.根据权利要求6所述的三维位置定位方法，其特征在于：触发信号包括发出该信号的电子标签的标签ID；反馈信号包括发出该信号的电子标签的标签ID、该电子标签收到的触发信号包含的标签ID、信号接收端口号以及该电子标签接收到的触发信号的RSSI强度。
8.根据权利要求6所述的三维位置定位方法，其特征在于：电子标签的信号接收端口共计3个，分别设置于电子标签的左侧、右测、下侧。
9.根据权利要求7或8所述的三维位置定位方法，其特征在于，所述步骤5具体如下：
步骤5.1：通过读头获取反馈信号，依据发出该信号的电子标签的标签ID和电子标签收到的触发信号包含的标签ID获取两个相邻物品信息；
步骤5.2：通过信号接收端口号获取两个相邻物品的位置信息；
步骤5.3：通过电子标签接收到的触发信号的RSSI强度获取两个相邻物品的距离信息。
10.根据权利要求9所述的三维位置定位方法，其特征在于：触发信号的RSSI强度越大，则两个相邻物品的距离越近；触发信号的RSSI强度越小，则两个相邻物品的距离越远。
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