CN112637868B - 一种基于uwb技术的配网方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于UWB技术的配网方法，基于UWB技术的智能设备的配网方法实现手机指向未配网的智能设备即可进入配网模式，旨在完善用户对智能设备的配网体验，简化配网步骤。本发明中，由于传统的智能设备的配网步骤过于繁琐，对用户来说配网流程体验较差且难以理解，而本发明可以有效地解决以上问题，通过UWB技术可以让用户体验到更简洁的配网流程，提高了该系统的易操作性，从而使得该系统的配网方法适合不同年龄段的人群使用，为人们的生活带来了更大的便利。

Description

一种基于UWB技术的配网方法
技术领域
本发明属于串口通信技术领域，具体为一种基于UWB技术的配网方法。
背景技术
现有智能设备都是通过手机WIFI方式，经路由器去添加智能设备的，主要的配网步骤有以下几步：下载APP、注册帐号、在智能设备上按WIFI连接键让设备进入配网状态、手机APP端输入路由器的密码、手动选择设备热点、配网成功。
整个配网过程操作十分复杂，对于初次使用的新手或中老年人来说耗时较长且难以理解，不利于用户初次使用和体验智能设备，因此，有必要进一步简化繁琐的配网步骤。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决上述提出的问题，提供一种基于UWB技术的配网方法。
本发明采用的技术方案如下：一种基于UWB技术的配网方法，所述基于UWB技术的配网方法包括以下步骤：
S1:用户使用具有UWB芯片的手机打开APP并进入找队友模式，然后手机指向已配网的智能设备后，手机UWB芯片会发送找队友信号给到已配网的智能设备的UWB模块；
S2:已配网设备收到找队友信号后WIFI模组进入STA+AP模式并回复APP设备已进入找队友模式，通知手机APP等待进行下一步；
S3:机APP收到等待下一步后，将手机指向未配网的智能设备，手机UWB芯片会发送配网信号给到未配网的智能设备的UWB模块，未配网设备收到配网信号后WIFI模组进入AP模式；
S4:未配网设备扫描已配网设备的AP并接入；
S5:已配网的设备在收到找队友信号后会每隔3秒广播一次IP和端口号，未配网的设备收到配网信号后会扫描已配网设备的AP并接入，从而建立AP连接；
S6:未配网设备接入AP后单播设备信息，已配网设备收到这些设备信息后透传到云端，APP显示设备品类；
S7:用户再点击该设备发送WIFI配置给未配网设备，未配网设备收到WIFI配置信息后连接家庭路由器和云端；
S8:新设备发现绑定流程，APP显示新设备，流程结束。
在一优选的实施方式中，所述步骤S1中，通过多个天线或者说多个模块，让手机和多个UWB模块测距就可以获得手机和这多个模块的距离从而通过算法反算出手机和模块的角度，也就是手机和智能设备的角度，这样我们就可以知道手机想要控制哪个智能设备了；而使用阵列天线的排列方式可以实现厘米级定位和±3°的角度测量精度。
在一优选的实施方式中，所述步骤S2中，模组STA模式与云端保持连接；之后设备已进入找队友模式WIFI模组进入STA+AP模式；STA模式保持与云端连接；AP模式每3秒广播IP和端口。
在一优选的实施方式中，所述步骤S1中的UWB芯片在UWB发射模块方面，采用0.18μmCMOS工艺实现全集成UWB发射芯片；通过一个E类功放和一个A类功放相级联，对输出脉冲进行整形以符合FCCERIP要求，通过开关脉冲信号控制A类功放仅在发射脉冲信号的时间内导通，从而有效的降低了芯片功耗；利用高斯单脉冲作为信号传输载体，利用二选一数据选择器来实现信号的PPM调制；实现了全数字集成的脉冲产生和调制单元；再通过驱动放大器滤波以得到符合要求的UWB信号；中，通过在脉冲产生器中引入可控延迟单元；实现了全集成可调脉宽波形发射模块；结果显示，能产生峰值电压0.3～0.6V、脉宽140～350ps的高斯单脉冲；利用小波合成技术，采用0.18μmCMOS工艺实现高斯5阶脉冲波形的生成；在此基础上，加入数字控制单元控制5阶脉冲波形的相位和幅值；从而实现BPSK调制、发射功率可控的UWB脉冲产生器；从脉冲信号PSD定义出发，推导出系统主要参数，采用5阶切比雪夫滤波器对输出脉冲整形，得到高频谱利用率的UWB信号波形。
在一优选的实施方式中，所述步骤S1中的UWB芯片在接收机设计方面，采用0.18μmCMOS工艺实现自相关(coherent)结构接收机，通过将接收信号与本地模版信号在混频器中进行相关操作；再对相关值进行数字采样，从而还原原始数据；测试结果显示，在480Mbps传输速率下，峰值功耗仅99mW；给出了采用90nmCMOS工艺实现的工作在3～5GHz频段、适用于PPM调制信号接收的非相干(non-coherent)接收机；使用0.13μmCMOS工艺实现DC(thedirectconversion)结构接收机，通过使用32位D-Latch锁定在不同相位上对输入信号采样，从而提高ADC的实际采样率；详细对比分析了几种常见接收机结构的性能，给出了在功耗限定条件下最佳接收机结构模型，采用0.18μmCMOS工艺实现QAC接收机，在20Mpuses的脉冲重复速率下功耗仅为16mW。
在一优选的实施方式中，所述步骤S2中，Wifi模块为串口或TTL电平转WIFI通信的一种传输转换模块，内置无线网络协议IEEE802.11协议栈以及TCP/IP协议栈，能够实现用户中口或TTL电平数据到无线网络之间的转换；Wifi模块包括两种类型的拓扑形式∶基础网(Infra)和自组网(Adhoc)要说明无线网络的拓扑形式，基于AP组建的基础无线网络(Infra)；Infra也称为基础网，是出AP创建，众多STA加入所组成的无线网络，这种类型的网络的特点是AP是整个网络的中心，网络中所有的通信都通过AP来转发完成。
在一优选的实施方式中，所述步骤S3中的UWB模块包含配置地址和数据信息的文档位于Wisman安装目录下的Default_NoAck.txt中；默认需要顺序配置4195个寄存器；此外，对于特定接口(如以太网接口)以及特定参数(如物理层速率，调频序列等)需要另行配置，共有8个相关寄存器；因此总共需要配置的寄存器为4203个；由于配置一个寄存器需要获知16位地址信息和8位数据信息，因此一个寄存器需要存储的信息量为24位，而需要配置的寄存器达4203个，如果将这些信息全固化入ROM中，将占用大量的FPGA资源，不利于系统其他功能的开发；为此，针对这4203个寄存器，进行分类优化。
在一优选的实施方式中，所述步骤S3中的UWB模块内部的寄存器一共可分为三个部分：第一部分是前5个寄存器；这5个寄存器的地址和数据没有规律，但由于数量很少，配置时枚举即可；第二部分包括41组寄存器，共4052个；其中每组寄存器的起始地址都相同，偏移地址在起始地址的基础上依次增加1；配置这部分寄存器时，只需用ROM存储8位的数据信息，其地址信息则由该组寄存器的起始地址以及该寄存器的配置顺序号决定；这样24位宽的ROM变为8位宽，大大减少了资源；第三部分包括148个寄存器，其地址和数据也没有规律，对这部分寄存器信息用24位的ROM来存储。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明中，由于传统的智能设备的配网步骤过于繁琐，对用户来说配网流程体验较差且难以理解，而本发明可以有效地解决以上问题，通过UWB技术可以让用户体验到更简洁的配网流程，提高了该系统的简便易操作性，从而使得该系统的配网方法适合不同年龄段的人群使用，为人们的生活带来了更大的便利。
2、本发明中，UWB模块的内部通过使用FPGA来代替软件完成配置，实现UWB模块的数据收发功能，其高度降低了50％，大大压缩了该系统内部关键模块的体积，有利于UWB模块在使用时的设备集成；去掉了母板，用FPGA来提供UWB子板的电压，从而使得该系统在运行时更加绿色环保。
附图说明
图1为本发明的简略流程图；
图2为本发明中手机定位设备图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1-2，
一种基于UWB技术的配网方法，所述基于UWB技术的配网方法包括以下步骤：
S1:用户使用具有UWB芯片的手机打开APP并进入找队友模式，然后手机指向已配网的智能设备后，手机UWB芯片会发送找队友信号给到已配网的智能设备的UWB模块，步骤S1中，通过多个天线或者说多个模块，让手机和多个UWB模块测距就可以获得手机和这多个模块的距离从而通过算法反算出手机和模块的角度，也就是手机和智能设备的角度，这样我们就可以知道手机想要控制哪个智能设备了；而使用阵列天线的排列方式可以实现厘米级定位和±3°的角度测量精度，步骤S1中的UWB芯片在UWB发射模块方面，采用0.18μmCMOS工艺实现全集成UWB发射芯片；通过一个E类功放和一个A类功放相级联，对输出脉冲进行整形以符合FCCERIP要求，通过开关脉冲信号控制A类功放仅在发射脉冲信号的时间内导通，从而有效的降低了芯片功耗；利用高斯单脉冲作为信号传输载体，利用二选一数据选择器来实现信号的PPM调制；实现了全数字集成的脉冲产生和调制单元；再通过驱动放大器滤波以得到符合要求的UWB信号；中，通过在脉冲产生器中引入可控延迟单元；实现了全集成可调脉宽波形发射模块；结果显示，能产生峰值电压0.3～0.6V、脉宽140～350ps的高斯单脉冲；利用小波合成技术，采用0.18μmCMOS工艺实现高斯5阶脉冲波形的生成；在此基础上，加入数字控制单元控制5阶脉冲波形的相位和幅值；从而实现BPSK调制、发射功率可控的UWB脉冲产生器；从脉冲信号PSD定义出发，推导出系统主要参数，采用5阶切比雪夫滤波器对输出脉冲整形，得到高频谱利用率的UWB信号波形；步骤S1中的UWB芯片在接收机设计方面，采用0.18μmCMOS工艺实现自相关(coherent)结构接收机，通过将接收信号与本地模版信号在混频器中进行相关操作；再对相关值进行数字采样，从而还原原始数据；测试结果显示，在480Mbps传输速率下，峰值功耗仅99mW；给出了采用90nmCMOS工艺实现的工作在3～5GHz频段、适用于PPM调制信号接收的非相干(non-coherent)接收机；使用0.13μmCMOS工艺实现DC(thedirectconversion)结构接收机，通过使用32位D-Latch锁定在不同相位上对输入信号采样，从而提高ADC的实际采样率；详细对比分析了几种常见接收机结构的性能，给出了在功耗限定条件下最佳接收机结构模型，采用0.18μmCMOS工艺实现QAC接收机，在20Mpuses的脉冲重复速率下功耗仅为16mW；
S2:已配网设备收到找队友信号后WIFI模组进入STA+AP模式并回复APP设备已进入“找队友”模式，通知手机APP等待进行下一步，步骤S2中，模组STA模式与云端保持连接；之后设备已进入找队友模式WIFI模组进入STA+AP模式；STA模式保持与云端连接；AP模式每3秒广播IP和端口，步骤S2中，Wifi模块为串口或TTL电平转WIFI通信的一种传输转换模块，内置无线网络协议IEEE802.11协议栈以及TCP/IP协议栈，能够实现用户中口或TTL电平数据到无线网络之间的转换；Wifi模块包括两种类型的拓扑形式∶基础网(Infra)和自组网(Adhoc)要说明无线网络的拓扑形式，基于AP组建的基础无线网络(Infra)；Infra也称为基础网，是出AP创建，众多STA加入所组成的无线网络，这种类型的网络的特点是AP是整个网络的中心，网络中所有的通信都通过AP来转发完成；
S3:机APP收到等待下一步后，将手机指向未配网的智能设备，手机UWB芯片会发送配网信号给到未配网的智能设备的UWB模块，未配网设备收到配网信号后WIFI模组进入AP模式；步骤S3中的UWB模块包含配置地址和数据信息的文档位于Wisman安装目录下的Default_NoAck.txt中；默认需要顺序配置4195个寄存器；此外，对于特定接口(如以太网接口)以及特定参数(如物理层速率，调频序列等)需要另行配置，共有8个相关寄存器；因此总共需要配置的寄存器为4203个；由于配置一个寄存器需要获知16位地址信息和8位数据信息，因此一个寄存器需要存储的信息量为24位，而需要配置的寄存器达4203个，如果将这些信息全固化入ROM中，将占用大量的FPGA资源，不利于系统其他功能的开发；为此，针对这4203个寄存器，进行分类优化；步骤S3中的UWB模块内部的寄存器一共可分为三个部分：第一部分是前5个寄存器；这5个寄存器的地址和数据没有规律，但由于数量很少，配置时枚举即可；第二部分包括41组寄存器，共4052个；其中每组寄存器的起始地址都相同，偏移地址在起始地址的基础上依次增加1；配置这部分寄存器时，只需用ROM存储8位的数据信息，其地址信息则由该组寄存器的起始地址以及该寄存器的配置顺序号决定；这样24位宽的ROM变为8位宽，大大减少了资源；第三部分包括148个寄存器，其地址和数据也没有规律，对这部分寄存器信息用24位的ROM来存储；
S4:未配网设备扫描已配网设备的AP并接入；
S5:已配网的设备在收到找队友信号后会每隔3秒广播一次IP和端口号，未配网的设备收到配网信号后会扫描已配网设备的AP并接入，从而建立AP连接；
S6:未配网设备接入AP后单播设备信息，已配网设备收到这些设备信息后透传到云端，APP显示设备品类；
S7:用户再点击该设备发送WIFI配置给未配网设备，未配网设备收到WIFI配置信息后连接家庭路由器和云端；
S8:新设备发现绑定流程，APP显示新设备，流程结束。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于UWB技术的配网方法，其特征在于：所述基于UWB技术的配网方法包括以下步骤：
S1:用户使用具有UWB芯片的手机打开APP并进入找队友模式，然后手机指向已配网的智能设备后，手机UWB芯片会发送找队友信号给到已配网的智能设备的UWB模块;
S2:已配网设备收到找队友信号后WIFI模组进入STA+AP模式并回复APP设备已进入找队友模式，通知手机APP等待进行下一步;
S3:手机APP收到等待下一步后，将手机指向未配网的智能设备，手机UWB芯片会发送配网信号给到未配网的智能设备的UWB模块，未配网设备收到配网信号后WIFI模组进入AP模式；
S4:未配网设备扫描已配网设备的AP并接入；
S5:已配网的设备在收到找队友信号后会每隔3秒广播一次IP和端口号，未配网的设备收到配网信号后会扫描已配网设备的AP并接入，从而建立AP连接；
S6:未配网设备接入AP后单播设备信息，已配网设备收到这些设备信息后透传到云端，APP显示设备品类；
S7:用户再点击未配网设备，手机发送WIFI配置给未配网设备，未配网设备收到WIFI配置信息后连接家庭路由器和云端；
S8:新设备发现绑定流程，APP显示新设备，流程结束；
所述步骤S1中，通过多个天线或者说多个模块，让手机和多个UWB模块测距就可以获得手机和这多个模块的距离从而通过算法反算出手机和模块的角度，也就是手机和智能设备的角度，这样我们就可以知道手机想要控制哪个智能设备了；而使用阵列天线的排列方式可以实现厘米级定位和±3°的角度测量精度；
所述步骤S2中，模组STA模式与云端保持连接；之后设备已进入找队友模式WIFI模组进入STA+AP模式；STA模式保持与云端连接； AP 模式每3秒广播IP和端口；
所述步骤S1中的UWB芯片在UWB发射模块方面，采用0.18μmCMOS工艺实现全集成UWB发射芯片；通过一个E类功放和一个A类功放相级联，对输出脉冲进行整形以符合FCCERIP要求，通过开关脉冲信号控制A类功放仅在发射脉冲信号的时间内导通，从而有效的降低了芯片功耗；利用高斯单脉冲作为信号传输载体，利用二选一数据选择器来实现信号的PPM调制；实现了全数字集成的脉冲产生和调制单元；再通过驱动放大器滤波以得到符合要求的UWB信号；通过在脉冲产生器中引入可控延迟单元，实现了全集成可调脉宽波形发射模块；结果显示，能产生峰值电压0.3~0.6V、脉宽140~350ps的高斯单脉冲；利用小波合成技术，采用0.18μmCMOS工艺实现高斯5阶脉冲波形的生成；在此基础上，加入数字控制单元控制5阶脉冲波形的相位和幅值；从而实现BPSK调制、发射功率可控的UWB脉冲产生器；从脉冲信号PSD定义出发，推导出系统主要参数，采用5阶切比雪夫滤波器对输出脉冲整形，得到高频谱利用率的UWB信号波形。
2.如权利要求1所述的一种基于UWB技术的配网方法，其特征在于：所述步骤S1中的UWB芯片在接收机设计方面，采用0.18μmCMOS工艺实现自相关（coherent）结构接收机，通过将接收信号与本地模版信号在混频器中进行相关操作；再对相关值进行数字采样，从而还原原始数据；测试结果显示，在480Mbps传输速率下，峰值功耗仅99mW；给出了采用90nmCMOS工艺实现的工作在3~5GHz频段、适用于PPM调制信号接收的非相干（non-coherent）接收机；使用0.13μmCMOS工艺实现DC（thedirectconversion）结构接收机，通过使用32位D-Latch锁定在不同相位上对输入信号采样，从而提高ADC的实际采样率；详细对比分析了几种常见接收机结构的性能，给出了在功耗限定条件下最佳接收机结构模型，采用0.18μmCMOS工艺实现QAC接收机，在20Mpuses的脉冲重复速率下功耗仅为16mW。
3.如权利要求1所述的一种基于UWB技术的配网方法，其特征在于：所述步骤S2中，Wifi模块为串口或TTL电平转WIFI通信的一种传输转换模块，内置无线网络协议IEEE802.11协议栈以及TCP/IP协议栈，能够实现用户中口或TTL电平数据到无线网络之间的转换；Wifi模块包括两种类型的拓扑形式∶基础网（Infra）和自组网（Adhoc）要说明无线网络的拓扑形式，基于AP组建的基础无线网络（Infra）；Infra也称为基础网，是出AP创建，众多STA加入所组成的无线网络，这种类型的网络的特点是AP是整个网络的中心，网络中所有的通信都通过AP来转发完成。
4.如权利要求1所述的一种基于UWB技术的配网方法，其特征在于：所述步骤S3中的UWB模块包含配置地址和数据信息的文档位于Wisman安装目录下的Default_NoAck．txt中；默认需要顺序配置4195个寄存器；此外，对于以太网接口以及物理层速率和调频序列需要另行配置，共有8个相关寄存器；因此总共需要配置的寄存器为4203个；由于配置一个寄存器需要获知16位地址信息和8位数据信息，因此一个寄存器需要存储的信息量为24位，而需要配置的寄存器达4203个，如果将这些信息全固化入ROM中，将占用大量的FPGA资源，不利于系统其他功能的开发；为此，针对这4203个寄存器，进行分类优化。
5.如权利要求1所述的一种基于UWB技术的配网方法，其特征在于：所述步骤S3中的UWB模块内部的寄存器一共可分为三个部分：第一部分是前5个寄存器；这5个寄存器的地址和数据没有规律，但由于数量很少，配置时枚举即可；第二部分包括41组寄存器，共4052个；其中每组寄存器的起始地址都相同，偏移地址在起始地址的基础上依次增加1；配置这部分寄存器时，只需用ROM存储8位的数据信息，其地址信息则由该组寄存器的起始地址以及该寄存器的配置顺序号决定；这样24位宽的ROM变为8位宽，大大减少了资源；第三部分包括148个寄存器，其地址和数据也没有规律，对这部分寄存器信息用24位的ROM来存储。
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