CN112731287A - 一种基于UWB和ZigBee的低功耗定位标签及定位系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于UWB和ZigBee的低功耗定位标签及定位系统，其中低功耗定位标签包括电源模块、UWB定位模块、微控制器，UWB定位模块和微控制器的电源端均与电源模块的输出端电连接，微控制器与UWB定位模块相连，UWB定位模块用于将UWB测距信息发送至微控制器，微控制器用于根据测距信息计算出定位信息；还包括ZigBee无线通信模块，ZigBee无线通信模块的电源端与电源模块的输出端电连接，微控制器与ZigBee无线通信模块相连。本发明将ZigBee无线通信模块集成在定位标签中，可以实现大量定位标签的自组网及多功能应用，并能够实现远程控制；可通过周期性的休眠与唤醒操作使定位标签具备低功耗、待机时间长的特点，能够保证长期使用；抗干扰效果好，系统复杂度低、定位精度高。
Description
技术领域
本发明属于定位技术领域，特别涉及一种基于UWB和ZigBee的低功耗定位标签及定位系统。
背景技术
室内定位在城市化建设的步伐中愈发凸显其重要性，这是由于在城市化的进程中，人们的日常交际、购物、办公及各种社会活动多发生在室内场景中，人们对于基于位置的定位服务也从室外延伸到了室内。
由于传统卫星导航定位方式会受到建筑物、结构复杂的城市环境及障碍物遮挡，无法实现在室内环境中的有效定位，进而无法满足人们对室内位置定位服务的需求。因此，室内定位技术成为时下里热门的研究领域，并成为学术界与产业界的研发重点。
目前常见的室内定位技术有：Wi-Fi、蓝牙、ZigBee、RFID及UWB(Ultra WideBand，超宽带)技术，Wi-Fi定位精度低、易受其他信号干扰，蓝牙定位范围小、精度低、稳定性差，ZigBee定位衍射能力弱定位精度低，RFID定位范围小、不便于整合到移动设备中，这些技术均存在其固有缺陷。
UWB定位技术因其具有的极宽的带宽、高数据速率、低发射功率，基于UWB的定位标签通常由需要定位的人员或物资携带或安置，其通常由UWB定位模块、微控制器、通信模块(为4G或WIFI通信模块)组成，利用通信模块接收来自远程上位机的工作指令并将工作指令发送至微控制器，微控制器控制UWB定位模块工作，UWB定位模块通过接收来自UWB基站的UWB测距信息并将该UWB测距信息发送至微控制器，微控制器用于根据所述UWB测距信息计算出UWB定位信息，最终微控制器通过通信模块将UWB定位信息发送至上位机，进而确定所需定位的人员或物资位置。
现有技术中，利用4G或WIFI通信模块与远程上位机进行通讯，也不利于自组网和实现远程控制，且抗干扰性差。此外，由于UWB定位模块始终处于工作状态，因而其功耗较大、待机时间较短。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种基于UWB和ZigBee的低功耗定位标签及定位系统，便于自组网和实现远程控制，抗干扰效果好，功耗低、待机时间长。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种基于UWB和ZigBee的低功耗定位标签，包括电源模块、UWB定位模块、微控制器，UWB定位模块和微控制器的电源端均与电源模块的输出端电连接，微控制器与UWB定位模块相连，UWB定位模块用于将UWB测距信息发送至微控制器，微控制器用于根据所述UWB测距信息计算出UWB定位信息；其特点是还包括ZigBee无线通信模块，ZigBee无线通信模块的电源端与电源模块的输出端电连接，微控制器与ZigBee无线通信模块相连。
进一步地，所述微控制器用于根据来自ZigBee无线通信模块的指令控制UWB定位模块处于工作状态或休眠状态，所述ZigBee无线通信模块用于接收来自远程上位机的工作指令或休眠指令。
进一步地，所述微控制器用于设置UWB定位模块的休眠时间。
进一步地，所述微控制器可定时休眠与定时唤醒。
进一步地，微控制器还用于根据来自ZigBee无线通信模块的中断唤醒指令切换至工作状态。
进一步地，所述电源模块包括电池模组和降压模块，电池模组与降压模块的输入端电连接，降压模块的输出端为电源模块的输出端。
进一步地，所述电池模组为充电电池模组；所述电源模块还包括电池充电模块和充电接口，充电接口通过电池充电模块与所述电池模组电连接。
作为一种优选方式，所述微控制器为STM32F103系列单片机及其外围电路。
作为一种优选方式，所述ZigBee无线通信模块为CC2530芯片及其外围电路。
基于同一个发明构思，本发明还提供了一种基于UWB和ZigBee的低功耗定位系统，其特点是包括若干所述的定位标签，各定位标签中的ZigBee无线通信模块与远程上位机组成无线通讯网络。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明将ZigBee无线通信模块集成在定位标签中，可以实现大量定位标签的自组网及多功能应用，并能够实现远程控制。
2、本发明所提供的基于UWB和ZigBee的低功耗定位标签可通过周期性的休眠与唤醒操作使定位标签具备低功耗、待机时间长的特点，能够保证长期使用。
3、本发明所提供的基于UWB和ZigBee的低功耗定位标签抗干扰效果好，系统复杂度低、定位精度高，达到10cm～20cm。
附图说明
图1为本发明基于UWB和ZigBee的低功耗定位标签的结构示意图。
其中，1为电源模块，2为UWB定位模块，3为微控制器，4为ZigBee无线通信模块，101为电池模组，102为降压模块，103为电池充电模块，104为充电接口。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细的说明。
如图1所示，本发明基于UWB和ZigBee的低功耗定位标签包括电源模块1、UWB定位模块2、微控制器3、ZigBee无线通信模块4，UWB定位模块2的电源端、微控制器3的电源端、ZigBee无线通信模块4的电源端均与电源模块1的输出端电连接。
UWB定位模块2用于收发UWB测距信息(UWB定位模块2通过模块之间的无线收发完成测距)。微控制器3与UWB定位模块2之间通过SPI总线相连，UWB定位模块2用于将UWB测距信息发送至微控制器3，微控制器3用于根据所述UWB测距信息计算出UWB定位信息。
ZigBee无线通信模块4用于大量定位标签的星型组网与远程传输控制指令。微控制器3与ZigBee无线通信模块4之间通过串口相连。
所述定位标签可以由需要定位服务的人员携带或者安置在需要定位服务的物资上，定位标签由人员携带或物资安置的高度需要满足距离地面垂直方向1米以上，以保证定位标签工作的稳定性和定位精度。UWB定位模块2需要配合UWB定位基站使用，以获得UWB测距信息。UWB定位模块2用于接收来自UWB定位基站的UWB测距信息并将该UWB测距信息发送至微控制器3，微控制器3用于根据所述UWB测距信息计算出UWB定位信息。
所述微控制器3用于根据来自ZigBee无线通信模块4的指令控制UWB定位模块2处于工作状态或休眠状态。
所述微控制器3用于设置UWB定位模块2的休眠时间。
所述微控制器3可定时休眠与定时唤醒。微控制器3还用于根据来自ZigBee无线通信模块4的中断唤醒指令切换至工作状态。
所述电源模块1包括电池模组101和降压模块102，电池模组101与降压模块102的输入端电连接，降压模块102的输出端为电源模块1的输出端。
所述电池模组101为充电电池模组；所述电源模块1还包括电池充电模块103和充电接口104，充电接口104通过电池充电模块103与所述电池模组101电连接。
所述微控制器3为意法半导体公司生产的STM32F103系列单片机及其外围电路。该单片机芯片基于ARM 32位的Cortex-M3内核，具有最高72MHz工作频率，拥有休眠、停机、待机三种低功耗工作模式，待机电流仅3.4uA，可通过闹钟中断唤醒后使用或按照相关指令进入其他低功耗工作模式，并由外部指令唤醒后执行相关操作。
所述ZigBee无线通信模块4为德州仪器公司生产的CC2530芯片及其外围电路。该芯片专为无线传感器网络中进行数据传输的集成芯片，超小体积，低功耗模式下电流仅1uA，采用星型结构，自组网，具备一对多、多对一、一对一通信，用于大量定位标签的自组网，上传标签信息以及下达特定工作指令。
所述UWB定位模块2为DecaWave公司生产的DW1000芯片及其外围电路。该芯片是一款符合IEEE 802.15.4-2011超宽带标准的完全集成的低功耗单芯片CMOS无线电收发器IC，其特点是支持跨越3.5GHz至6.5GHz的6个RF频段，可以程控选择110kbps、850kbps、6.8Mbps三种数据速率，在系统对定位范围要求不高的情况下可以选择设置为高数据速率，保持较短播放时间，降低定位标签功耗。该芯片具有两种低功耗工作模式，分别为睡眠模式和深度睡眠模式，其工作电流分别为1uA和50nA，通过程控可令DW1000芯片进入深度睡眠模式，并设置唤醒事件并置位SPICSn与WAKEUP线，使DW1000在正常工作模式与深度睡眠模式之间切换以进一步降低定位标签功耗。
所述电池模组101为锂电池模组。相应的，所述电池充电模块103为锂电池充电模块。所述锂电池充电模块为拓微集成公司生产的TP4056芯片及其外围电路。该芯片是一款采用恒定电流/电压线性充电器，其特点是内部采用了PMOSFET架构，具有防倒充电路，无需外加隔离二极管，其具备热反馈自动调节充电电流功能，能够在大功率操作或者高温环境下对芯片温度加以限制，以保证芯片的稳定工作。充电电压固定于4.2V，充电电流可通过外部电阻器设置。当充电电源拿掉时，芯片进入低电流状态，将锂电池漏电流降至2uA以下进而有效保护锂电池电量。通过外置，满电与充电LED信号指示灯可令使用者判断电池是否充电完成，且芯片具有自动再充电功能能够有效判断锂电池电量情况。
所述充电接口104为USB充电接口，所述USB充电接口为Micro-USB接口母座。
充电接口104采用5V直流充电电压。
定位标签有两种充电方式，第一种是由充电接口104通过电池充电模块103(TP4056芯片)对电池模组101进行充电；第二种是充电电路为5V直流电压直充，此时锂电池模组自身具有充放电功能。两种充电方式通过设置短接帽实现。
所述的电池模组101容量决定了定位标签单次使用时间，微控制器3利用内部ADC对锂电池电压进行实时采集，当电压低于预设的阈值时，微控制器3通过ZigBee无线通信模块4上传低电量信息，工作人员获取信息后通过充电接口104对定位标签进行充电操作。
电池模组101输出5V直流电。所述的降压模块102包括：5V转3.3V降压单元及外围电路，3.3V转1.8V降压单元及外围电路，所述的5V转3.3V降压单元为德州仪器公司生产的TPS73633芯片，其特点是具有低噪声，反向电流保护功能，最大负载电流可达400mA。所述的3.3V转1.8V降压单元为村田公司生产的LXDC2HL芯片，该芯片是一款LDO线性降压芯片，具有极低的噪声且最大负载电流达600mA，芯片具有使能控制引脚，通过微处理器使能控制该引脚能够对降压模块102进行工作模式与停机模式的切换，进一步降低定位标签的功耗。
本发明还提供了一种基于UWB和ZigBee的低功耗定位系统，包括若干所述的定位标签，各定位标签中的ZigBee无线通信模块4与远程上位机组成无线通讯网络。
所述的微控制器3通过串口与SPI总线对ZigBee无线通信模块4与UWB定位模块2进行初始化配置，然后通过检测来自ZigBee模块的外部指令或通过延长一定的休眠唤醒UWB定位模块2的时间周期来控制UWB定位模块2进行工作状态与休眠状态的切换，以此降低定位标签的功耗。然后微控制器3进入定时休眠与定时唤醒状态，并可通过ZigBee无线通信模块4的外部中断唤醒指令切换微控制器3的工作状态，同时通过将UWB定位模块2设置为高传输速率以进一步降低定位标签的功耗。所述的微控制器3具体的休眠唤醒周期与进入休眠、停机、待机三种低功耗工作模式的哪种模式，将依照特定的应用场景而针对性设定。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于UWB和ZigBee的低功耗定位标签，包括电源模块(1)、UWB定位模块(2)、微控制器(3)，UWB定位模块(2)和微控制器(3)的电源端均与电源模块(1)的输出端电连接，微控制器(3)与UWB定位模块(2)相连，UWB定位模块(2)用于将UWB测距信息发送至微控制器(3)，微控制器(3)用于根据所述UWB测距信息计算出UWB定位信息；其特征在于，还包括ZigBee无线通信模块(4)，ZigBee无线通信模块(4)的电源端与电源模块(1)的输出端电连接，微控制器(3)与ZigBee无线通信模块(4)相连。
2.如权利要求1所述的基于UWB和ZigBee的低功耗定位标签，其特征在于，所述微控制器(3)用于根据来自ZigBee无线通信模块(4)的指令控制UWB定位模块(2)处于工作状态或休眠状态，所述ZigBee无线通信模块(4)用于接收来自远程上位机的工作指令或休眠指令。
3.如权利要求1所述的基于UWB和ZigBee的低功耗定位标签，其特征在于，所述微控制器(3)用于设置UWB定位模块(2)的休眠时间。
4.如权利要求1所述的基于UWB和ZigBee的低功耗定位标签，其特征在于，所述微控制器(3)可定时休眠与定时唤醒。
5.如权利要求4所述的基于UWB和ZigBee的低功耗定位标签，其特征在于，微控制器(3)还用于根据来自ZigBee无线通信模块(4)的中断唤醒指令切换至工作状态。
6.如权利要求1所述的基于UWB和ZigBee的低功耗定位标签，其特征在于，所述电源模块(1)包括电池模组(101)和降压模块(102)，电池模组(101)与降压模块(102)的输入端电连接，降压模块(102)的输出端为电源模块(1)的输出端。
7.如权利要求6所述的基于UWB和ZigBee的低功耗定位标签，其特征在于，所述电池模组(101)为充电电池模组；所述电源模块(1)还包括电池充电模块(103)和充电接口(104)，充电接口(104)通过电池充电模块(103)与所述电池模组(101)电连接。
8.如权利要求1所述的基于UWB和ZigBee的低功耗定位标签，其特征在于，所述微控制器(3)为STM32F103系列单片机及其外围电路。
9.如权利要求1所述的基于UWB和ZigBee的低功耗定位标签，其特征在于，所述ZigBee模块为CC2530芯片及其外围电路。
10.一种基于UWB和ZigBee的低功耗定位系统，其特征在于，包括若干如权利要求1至9任一项所述的定位标签，各定位标签中的ZigBee无线通信模块(4)与远程上位机组成无线通讯网络。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210430 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |