CN114125704A - 一种基于uwb的船舶舱室人员定位装置及定位方法 - Google Patents

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杨晓飞
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Abstract

本发明公开了一种基于UWB的船舶舱室人员定位装置，基于UWB定位技术，进行船舶舱室人员定位，可以有效对舱内人员进行科学位置管理。此装置包括定位基站、定位标签、WIFI网络路由器、POE交换机、定位服务器、管理服务器以及用户显示终端。定位基站和定位标签之间通过UWB脉冲信号进行实时通信，完成定位测距信息收集；同时，定位基站收集足够的距离信息后，通过预先部署的系统无线网络，把数据通过交换机上传至定位服务器进行数据分析和处理，定位服务器同时从管理服务器获取定位基站的参考坐标信息，利用多边定位算法解算出定位标签的坐标，把相关坐标信息发布到用户显示终端；最后，用户显示终端根据解算的定位坐标，在地图上显示标签轨迹位置。

Description

一种基于UWB的船舶舱室人员定位装置及定位方法
技术领域
本发明涉及一种定位装置，尤其是涉及一种基于UWB的船舶舱室人员定位装置及定位方法。
背景技术
随着船舶市场的飞速发展，船舶向大型化、复杂化、智能化发展趋势明显。大型船舶体型巨大、舱室多且复杂，船舶内部通道也错综复杂，船舶人员在航行过程中需要操作船舶、检查舱室、巡视各重要部位，而船本身是一个高度复杂且存在一定危险系数的综合体，船舶全身具有复杂的电路、管道，且环境闭塞，较容易出现安全事故，尤其是大型邮轮，人员众多，邮轮本身的视频监控系统不能全方位覆盖整个船体区域，存在安全风险，必须通过信息系统进行人员科学管理，提供船舶人员实时定位信息，当出现状况时能第一时间发现且快速做出准确处理，所以研究一种船舶舱室人员定位方法非常有必要。
目前室内定位常见室内定位技术的有射频识别定位技术、WIFI定位技术、蓝牙定位技术、射频识别技术、ZigBee定位技术等。
WIFI技术相对成熟，应用范围广，价格低廉，但在定位领域，WIFI具有功耗高、信号稳定性低、容易受到同频干扰的劣势，而且定位精度最高只能达到1m。
蓝牙定位技术应用范围广，具有功耗低的优点。定位原理是通过测量蓝牙信号在空中的强弱来测量距离，但由于通讯距离短，只能在小范围定位中应用，且在复杂的室内环境中容易受到干扰，稳定性差，精度不高。
RFID射频识别技术通过测量信号强弱来计算距离，具有传输距离短，定位速度快、精度高等特点。由于其不具备通信能力，抗干扰能力较差，在室内定位中不常使用。
ZigBee无线通信技术有着可靠性高、自组网、稳定性好、成本低等特点，但通信距离短、速率低，精度不高，常用于简单定位应用中。
发明内容
发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于UWB的船舶舱室人员定位装置，实现大型船舶人员定位、位置管理及设备管理，有效提高应急响应速度和事件的处置速度，提高船舶人员管理水平和管理效率。并提供其定位方法。
技术方案：一种基于UWB的船舶舱室人员定位装置，包括定位基站、定位标签、WIFI无线路由器、POE交换机、定位服务器、管理服务器和用户显示终端，定位基站在船舶舱室内设有多个，信号覆盖整个船舶舱室，定位标签由人员佩戴，定位标签与定位基站通过UWB脉冲信号连接，定位基站通过WIFI无线路由器与POE交换机信号连接，POE交换机、管理服务器分别与定位服务器信号连接，定位服务器与用户显示终端信号连接。
进一步的，定位基站包括中央处理模块、以及分别与其信号连接的参数配置模块一、UWB无线通讯模块一、Wi-Fi传输模块，Wi-Fi传输模块与WIFI无线路由器信号连接，UWB无线通讯模块一与定位标签信号连接。
进一步的，定位标签包括中央处理模块二、以及分别与其信号连接的参数配置模块二、UWB无线通讯模块二，UWB无线通讯模块二与定位基站信号连接。
进一步的，定位基站与定位标签之间通过UWB脉冲信号进行无线通信，定位过程中采用基于到达时间算法，获得定位基站与定位标签之间的距离，完成定位信息收集，二维测距几何模型为：
Figure BDA0003370079530000021
距离R的计算模型为：
Figure BDA0003370079530000022
其中c为信号在空气中传播的速度，T为发送信号时间。
最佳的，WIFI无线路由器通过综合布线网络接入POE交换机。
最佳的，用户显示终端设有采用QT软件架构的上位机界面。
最佳的，定位基站与WIFI无线路由器的数量比为1:3。
进一步的，管理服务器包含数据库，数据库为MYSQL数据库，数据库的数据表包括定位标签数据表、定位基站数据表、人员信息数据表。
一种上述的基于UWB的船舶舱室人员定位装置的定位方法，包括以下步骤：
步骤一：给人员佩戴定位标签；
步骤二：佩戴定位标签的人员进入定位基站辐射接收范围内时广播信息，定位基站收到通讯信息后，通过预先部署的系统无线网络将数据统一传输到POE交换机；
步骤三：POE交换机与服务器相连接，进行数据交互，定位服务器将POE交换机传输的数据进行分析和处理，定位服务器同时从管理服务器获取定位基站的参考坐标信息，利用多边定位算法解算出要定位的标签的坐标，最后将相关坐标信息发布到用户显示终端；
步骤四：通过用户显示终端获取人员位置信息。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：
(1)系统采用UWB定位技术，由于UWB信号具有超宽频带的特性，其传输速率可达到1Gbps以上，具有良好的抗多径和抗干扰能力，功耗低，传输速率高，定位精度可达厘米级，相对于复杂船舶室内环境有很强的适应能力，定位精度更高。
(2)系统通过有线和无线的方式，根据大小不一的舱室、上下楼梯以及长走廊进行系统装置配置，这样无论人员在哪个位置，都能够获得舱室人员的位置，保障了船舶上人员的安全。
(3)系统建立了本地数据库，数据库主要用处是存储管理员账户与定位数据。这些保存的数据可以用来还原定位轨迹，通过测试发现坐标不准确时，可以根据对比距离信息，从而发现问题大致出现在哪里。
附图说明
图1为本发明定位装置原理结构图；
图2为本发明定位器电路结构图；
图3为本发明数据库设计流程图；
图4为本发明船舶舱室定位装置部署图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
一种基于UWB的船舶舱室人员定位装置，如图1～4所示，包括定位基站1、定位标签2、WIFI无线路由器3、POE交换机4、定位服务器5、管理服务器6和用户显示终端7。
定位基站1在船舶舱室内设有多个，信号覆盖整个船舶舱室，定位标签2由人员佩戴，定位标签2与定位基站1通过UWB脉冲信号连接，定位基站1通过WIFI无线路由器3与POE交换机4信号连接，WIFI无线路由器3通过综合布线网络接入POE交换机4，定位基站1与WIFI无线路由器3的数量比为1:3，POE交换机4、管理服务器6分别与定位服务器5信号连接，定位服务器5与用户显示终端7信号连接。
定位基站1包括中央处理模块12、以及分别与其信号连接的参数配置模块一11、UWB无线通讯模块一13、Wi-Fi传输模块14，定位标签2包括中央处理模块二22、以及分别与其信号连接的参数配置模块二21、UWB无线通讯模块二23，Wi-Fi传输模块14与WIFI无线路由器3信号连接，UWB无线通讯模块二23与定位基站1信号连接，UWB无线通讯模块一13与UWB无线通讯模块二23信号连接。
中央处理模块12控制UWB信号的发送和接收；UWB无线通讯模块一13负责定位基站1与定位标签2之间进行无线通信，获得时间戳信息；Wi-Fi传输模块14将定位基站1与WIFI无线路由器3相连接，定位基站1收集到所有距离后通过WIFI模块14发送给WIFI无线路由器3；参数配置模块1负责配置定位模式、数据输出模式和定位基站1、定位标签2的ID。
定位基站1和定位标签2可集成为一体，通过配置拨码开关来设置定位器的两种模式：基站模式和标签模式。中央处理模块12、中央处理模块二22选择STM32F107作为主控，STM32F107主控单元以SPI总线方式与DWM1000连接，对DWM1000寄存器进行读写控制，获得UWB无线通讯模块一13、UWB无线通讯模块二23信号的发送和接收时间戳。同时，DWM1000在信号接收事件发生时会触发STM32F107的外部中断而进入中断服务程序，从而主控模块获取DWM1000模块中的测距数据进行数据处理。处理好的测距数据通过串口发送给Wi-Fi传输模块14，Wi-Fi传输模块14与内部无线网络互连(TCP/IP)，将定位测距信息发送至POE交换机4。
定位基站1与定位标签2之间通过UWB脉冲信号进行无线通信，定位过程中采用基于到达时间算法，获取定位标签1和定位基站2之间的距离，完成定位信息收集。测距几何模型如下所示：
Figure BDA0003370079530000041
再由距离R计算方法得：
Figure BDA0003370079530000051
其中c为信号在空气中传播的速度，T为发送信号时间，两式结合即可解得标签坐标，三维坐标可以以此类推。
上述的基于UWB的船舶舱室人员定位装置的定位方法，包括以下步骤：
步骤一：给人员佩戴定位标签；
步骤二：佩戴定位标签的人员进入定位基站辐射接收范围内时广播信息，定位基站收到通讯信息后，通过预先部署的系统无线网络将数据统一传输到POE交换机；
步骤三：POE交换机与服务器相连接，进行数据交互，定位服务器将POE交换机传输的数据进行分析和处理，定位服务器同时从管理服务器获取定位基站的参考坐标信息，利用多边定位算法解算出要定位的标签的坐标，最后将相关坐标信息发布到用户显示终端；
步骤四：通过用户显示终端获取人员位置信息。
定位基站与定位基站之间互相通信，并建立坐标系。定位标签处在定位基站信号辐射范围内时进行实时测距，将定位测距信息通过WIFI无线路由器上传至POE交换机。
定位标签用于配置在人员或者装备上，通过在定位基站辐射范围内，进行UWB脉冲信号通信，完成实时定位信息交互。
WIFI无线路由器，用于较大区域，作为定位基站接入公共计算网络的中间接入点，将定位基站采集的定位距离信息上通过POE交换机传至定位服务器。
POE交换机是构建硬件系统中通信网络的重要组成部分，用于定位测距数据传输，实现数据信息汇总至定位服务器，为定位基站和WIFI无线路由器提供电源，采用POE交换机进行设计，减少综合布线网络的复杂程度，简化系统电力线的部署和电力接口。
定位服务器依据测距的数据，从管理服务器获取定位基站的参考坐标信息，结合采集的距离信息，利用定位算法解算出要定位目标的坐标，将解算后的定位信息发送到用户显示终端，并存储到管理服务器的本地数。采用圆周解算方案：三边定位法，并运用最小二乘法解算非理想情况下标签的坐标。
管理服务器自身建立本地数据库，用于配置定位基站的坐标，管理定位设备的状态信息，存储人员定位信息。管理服务器包含数据库61，数据库61采用MYSQL数据库，在设计数据库时，考虑字段名称、字段类型、主键、含义等。其中主键主要保证唯一性，为了保证账号不冲突，所以账号需要设置为主键。此外，数据表满足定位解算的数据帧格式，提高数据库的使用效率。数据表包括定位标签数据表611、定位基站数据表612、人员信息数据表613。
用户显示终端采用基于C++的QT软件架构设计的上位机界面，用于打开服务器客户端连接，定位数据上传之后，坐标在地图上显示位置。用户显示终端主要包含四个部分：
1)登录界面：通过账号密码登入系统，对系统进行操作；
2)网络连接功能：点击connect，显示本机IP，连接TCP，与定位设备进行无线连接；
3)菜单栏及导航栏：包含系统大部分操作功能，如基站配置、栅格设置、地图配置、日志记录、管理员设置等；
4)地图监控及轨迹绘制：在地图上显示设备分布情况，对定位标签进行轨迹绘制。
由于船舶内部舱室复杂，大小差别很大，根据功能舱室可分为工作区、居住区、路线区等等。考虑到舰船内部舱室的空间区域与布线情况，每个大舱室都布置至少3个基站，因为一个标签的定位解算必须有3个基站的距离信息。而小舱室比较小，只需要知道人在舱室内，所以只布置一个基站。每个舱室布置一个WIFI无线路由器，再将所有WIFI无线路由器通过有线的方式接入POE交换机，最终POE交换机与定位服务器相连接。系统硬件部署需要考虑综合布线网络，留出网络接口。

Claims (9)

1.一种基于UWB的船舶舱室人员定位装置，其特征在于：包括定位基站(1)、定位标签(2)、WIFI无线路由器(3)、POE交换机(4)、定位服务器(5)、管理服务器(6)和用户显示终端(7)，定位基站(1)在船舶舱室内设有多个，信号覆盖整个船舶舱室，定位标签(2)由人员佩戴，定位标签(2)与定位基站(1)通过UWB脉冲信号连接，定位基站(1)通过WIFI无线路由器(3)与POE交换机(4)信号连接，POE交换机(4)、管理服务器(6)分别与定位服务器(5)信号连接，定位服务器(5)与用户显示终端(7)信号连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于UWB的船舶舱室人员定位装置，其特征在于：定位基站(1)包括中央处理模块(12)、以及分别与其信号连接的参数配置模块一(11)、UWB无线通讯模块一(13)、Wi-Fi传输模块(14)，Wi-Fi传输模块(14)与WIFI无线路由器(3)信号连接，UWB无线通讯模块一(13)与定位标签(2)信号连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于UWB的船舶舱室人员定位装置，其特征在于：定位标签(2)包括中央处理模块二(22)、以及分别与其信号连接的参数配置模块二(21)、UWB无线通讯模块二(23)，UWB无线通讯模块二(23)与定位基站(1)信号连接。
4.根据权利要求1～3任一所述的一种基于UWB的船舶舱室人员定位装置，其特征在于：定位基站(1)与定位标签(2)之间通过UWB脉冲信号进行无线通信，定位过程中采用基于到达时间算法，获得定位基站(1)与定位标签(2)之间的距离，完成定位信息收集，二维测距几何模型为：
Figure FDA0003370079520000011
距离R的计算模型为：
Figure FDA0003370079520000012
其中c为信号在空气中传播的速度，T为发送信号时间。
5.根据权利要求1所述的一种基于UWB的船舶舱室人员定位装置，其特征在于：WIFI无线路由器(3)通过综合布线网络接入POE交换机(4)。
6.根据权利要求1所述的一种基于UWB的船舶舱室人员定位装置，其特征在于：用户显示终端(7)设有采用QT软件架构的上位机界面。
7.根据权利要求1所述的一种基于UWB的船舶舱室人员定位装置，其特征在于：定位基站(1)与WIFI无线路由器(3)的数量比为1:3。
8.根据权利要求1所述的一种基于UWB的船舶舱室人员定位装置，其特征在于：管理服务器(6)包含数据库(61)，数据库(61)为MYSQL数据库，数据库(61)的数据表包括定位标签数据表(611)、定位基站数据表(612)、人员信息数据表(613)。
9.一种权利要求1～3、5～8任一所述的基于UWB的船舶舱室人员定位装置的定位方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：给人员佩戴定位标签；
步骤二：佩戴定位标签的人员进入定位基站辐射接收范围内时广播信息，定位基站收到通讯信息后，通过预先部署的系统无线网络将数据统一传输到POE交换机；
步骤三：POE交换机与服务器相连接，进行数据交互，定位服务器将POE交换机传输的数据进行分析和处理，定位服务器同时从管理服务器获取定位基站的参考坐标信息，利用多边定位算法解算出要定位的标签的坐标，最后将相关坐标信息发布到用户显示终端；
步骤四：通过用户显示终端获取人员位置信息。
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