CN114363809B - 基于uwb技术的信息定位传输装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于UWB技术的信息定位传输装置及方法，涉及煤矿井下定位及信息传输技术领域。该装置包括现有的UWB基站和基于UWB技术的信息定位卡；基于UWB技术的信息定位卡包括UWB射频芯片、MCU、电源管理模块、电池、存储器、协议转换模块、隔离器和本安栓；信息定位卡中的UWB射频芯片向UWB基站每奇数秒发射一次定位脉冲，每偶数秒时若UWB射频芯片上一个奇数秒中收到过UWB基站回复的定位回应脉冲，UWB射频芯片向UWB基站发送数据报名；UWB基站收到来自UWB射频芯片发送的定位脉冲信号时，回复定位回应脉冲，收到报名时，回复确认信号，并转发给上位机。该装置及方法将井下人员定位系统和信息传输系统融合为一体。
Description
技术领域
本发明涉及信息定位及传输技术领域，尤其涉及一种基于UWB技术的信息定位传输装置及方法。
背景技术
随着现代科技的不断进步，煤矿行业逐渐向自动化、信息化方向发展。人员车辆定位系统的出现，能够更好地处理煤矿人员、车辆安全与生产、安全与效率的关系，提高煤矿企业抢险救灾的能力，确保安全救援的有效进行。同时还改变了煤矿井下人员、车辆相对滞后的管理模式，实现了煤矿人员、车辆管理的现代化、信息化。但现有的煤矿定位系统只能实现人员和车辆的定位，无法实时传输煤矿车辆车载状态信息数据，所有车载状态信息数据只能本地显示或者通过煤矿无线通信系统上传；但只有部分条件好的煤矿安装有无线通信系统，大部分矿井不具备该系统，且煤矿无线通信系统需要在矿井中布置基站，安装支架，铺设光缆及线缆等操作，造价高昂，既增加了使用方资金的投入，也增加了安装维护量。
UWB技术是一种无线定位技术，利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传递定位数据，UWB定位过程中，先确定一个参照标签的具体位置，然后，通过四周安装好的接收器得出目标携带的UWB标签相对于参照标签的精确位置信息，最终传远给主机。按照国家煤矿安全规程要求，每个煤矿都需要安装定位系统，现有的UWB技术已广泛应用于煤矿精确定位系统，还无法同时传输信息数据。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于UWB技术的信息定位传输装置及方法，通过UWB定位技术传递煤矿车辆状态数据，同时实现精确定位。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一方面，本发明提供一种基于UWB定位技术的信息定位装置，包括现有的UWB基站和基于UWB技术的信息定位卡；
所述信息定位卡，包括UWB射频芯片、微控制单元、电源管理模块、电池、存储器、协议转换模块、隔离器和本安栓；
其中，电源管理模块通过本安栓与外部电源连接，同时与微控制单元连接为其他设备提供电源，并对电池进行充电管理；微控制单元与存储器、UWB射频芯片、协议转换模块连接；协议转换模块通过隔离器与煤矿车辆的行车电脑或车载综合保护装置连接。
优选地，所述电源管理模块当煤矿车辆具备车载供电能力时，通过本安栓与车载供电的直流24V连接，并将其转换为直流5V给其它模块供电，同时给电池充电；
当煤矿车辆不具备车载供电能力时，电源管理模块将电池输出电压变换为直流5V给其它设备供电。
优选地，所述信息定位卡有车辆状态信息需发送时：协议转换模块以CAN或者485协议接口通过隔离器接收行车电脑或车载综合保护装置发送的车辆状态数据，将车辆状态数据转换为TTL或者232接口数据传递给微控制单元，微控制单元解析车辆状态数据，将其编译成车辆信息包，并分类存储于存储器中，待收到UWB基站的确认信息后，微控制单元从存储器中取出最新的车辆信息包传递给UWB射频芯片，再由UWB射频芯片通过无线发送给UWB基站，UWB基站接收后通过工业以太网传递给上位机。
优选地，所述UWB射频芯片用UWB第三通道，频率范围为4243.2-4742.4MHz，带宽为499.2MHz，支持单芯片双天线输出，支持单芯片方向判断。
优选地，所述微控制单元使用32位ARM Cortex-M3处理器，配置72MHz时钟，具有512K FLASH，64K SRAM；同时，具有睡眠、停止和待机三种低功耗模式，用电池为RTC和备份寄存器供电，具有2个I2C接口，5个串口，3个SPI接口，1个CAN2.0，1个USB OTG和1个SDIO接口。
优选地，所述电源管理模块，具备直流电压变换功能，将输入电压变换为DC5V，具备锂电池充放电管理功能，充电电流最大为1A；所述电池，具备煤安证和防爆证，容量为4Ah，带电池保护电路，过充保护电压为4.3V，过放电压为2.8V，电流保护为2A。
优选地，所述存储器，标配为4G，能够通过SD模式扩展，最大可扩展至64G；
优选地，所述协议转换模块，支持TTL，232、485、CANBUS接口互转；所述隔离器，对协议转换模块输入输出进行光耦隔离，耐压不小于2500V；所述本安栓，对外部电源输入实施二级过流过压保护，保护电压为25V，保护电流为500mA。
另一方面，本发明还提供一种基于UWB技术的信息定位传输方法，能够同时传输煤矿车辆状态数据及定位数据，包括信息定位卡的工作方法和UWB基站的工作方法两部分；
所述信息定位卡的工作方法为：
步骤1、信息定位卡的UWB射频芯片向UWB基站每奇数秒发射一次定位脉冲；
步骤2、UWB射频芯片每奇数秒发送定位脉冲情况下，在设定时间内，如果信息定位卡的UWB射频芯片收到UWB基站回复的定位回应脉冲，则UWB射频芯片再次向UWB基站发送一次定位脉冲后进入休眠；若超过设定时间未收到任何回应，则直接进入休眠；
步骤3、每偶数秒，信息定位卡的微控制单元通过协议转换模块及隔离器读取并转换行车电脑或车载综合保护装置中的车辆状态数据为车辆信息包，分类存储于存储器内；
若UWB射频芯片上一个奇数秒中未收到UWB基站回复的定位回应脉冲，则UWB射频芯片直接进入休眠；
若UWB射频芯片上一个奇数秒中收到过UWB基站回复的定位回应脉冲，则信息定位卡的UWB射频芯片向UWB基站发送数据报名，如果设定时间内，信息定位卡中的UWB射频芯片接收到UWB基站回复的确认信号，信息定位卡中的微控制单元从存储器中取出最新的车辆信息包传递给UWB射频芯片，UWB射频芯片发送该车辆信息包给UWB基站，发送完成后信息定位卡进入休眠；若超过设定时间信息定位卡中的UWB射频芯片未收到任何回应，则直接进入休眠；
所述UWB基站的工作方法为：
步骤S1、UWB基站收到来自信息定位卡中的UWB射频芯片发送的定位脉冲信号时，回复定位回应脉冲，如果设定时间内再次收到信息定位卡中的UWB射频芯片发送的定位脉冲，则通过前后2次定位脉冲的飞行时间计算出信息定位卡和UWB基站之间的距离，将结果发送上位机；
步骤S2、UWB基站收到来自信息定位卡中的UWB射频芯片发送的数据报名时，回复确认信号，然后，如果设定时间内接收到信息定位卡中的UWB射频芯片发送的车辆信息包，则将该信息包转发给上位机；如果设定时间内没收到UWB射频芯片发送的车辆信息包，则UWB基站不做任何处理，等待下一个报名信号。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的基于UWB技术的信息定位传输装置及方法，采用UWB技术，在煤矿现有UWB基站的基础上，在实现矿下人员定位的同时又能实时高效的传输车辆的状态信息数据，节约了煤矿开采的成本。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于UWB技术的信息定位传输装置的结构框图；
图2为本发明实施例提供的信息定位卡的工作流程图；
图3为本发明实施例提供的UWB基站的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例中，一种基于UWB定位技术的信息定位装置，如图1所示，包括现有的UWB基站和基于UWB技术的信息定位卡；
所述信息定位卡，包括UWB射频芯片、微控制单元、电源管理模块、电池、存储器、协议转换模块、隔离器和本安栓；
其中，电源管理模块通过本安栓与外部电源连接，同时与微控制单元连接为其他设备提供电源，并对电池进行充电管理；微控制单元与存储器、UWB射频芯片、协议转换模块连接；协议转换模块通过隔离器与煤矿车辆的行车电脑或车载综合保护装置连接。
电源管理模块当煤矿车辆具备车载供电能力时，通过本安栓与车载供电的直流24V连接，并将其转换为直流5V给其它模块供电，同时给电池充电；当煤矿车辆不具备车载供电能力时，电源管理模块将电池输出电压变换为直流5V给其它设备供电。
信息定位卡有车辆状态信息需发送时：协议转换模块以CAN或者485协议接口通过隔离器接收行车电脑或车载综合保护装置发送的车辆状态数据，将车辆状态数据转换为TTL或者232接口数据传递给微控制单元，微控制单元解析车辆状态数据，将其编译成车辆信息包，并分类存储于存储器中，待收到UWB基站的确认信息后，微控制单元从存储器中取出最新的车辆信息包传递给UWB射频芯片，再由UWB射频芯片通过无线发送给UWB基站，UWB基站接收后通过工业以太网传递给上位机。
本实施例中，UWB射频芯片用UWB第三通道，频率范围为4243.2-4742.4MHz，带宽为499.2MHz，支持单芯片双天线输出，支持单芯片方向判断。微控制单元使用32位高性能ARMCortex-M3处理器，配置72MHz时钟，具有512K FLASH，64K SRAM；同时，具有睡眠、停止和待机三种低功耗模式，用电池为RTC和备份寄存器供电，具有2个I2C接口，5个串口，3个SPI接口，1个CAN2.0，1个USB OTG和1个SDIO接口。电源管理模块具备直流电压变换功能，将输入电压变换为DC5V，具备锂电池充放电管理功能，充电电流最大为1A；电池具备煤安证和防爆证，容量为4Ah，带电池保护电路，过充保护电压为4.3V，过放电压为2.8V，电流保护为2A。存储器标配为4G，能够通过SD模式扩展，最大可扩展至64G；协议转换模块支持TTL，232、485、CANBUS接口互转；隔离器对协议转换模块输入输出进行光耦隔离，耐压不小于2500V；本安栓对外部电源输入实施二级过流过压保护，保护电压为25V，保护电流为500mA。
另一方面，本发明还提供一种基于UWB技术的信息定位传输方法，能够同时传输煤矿车辆状态数据及定位数据，包括信息定位卡的工作方法和UWB基站的工作方法两部分；
所述信息定位卡的工作方法如图2所示，具体为：
步骤1、信息定位卡的UWB射频芯片向UWB基站每奇数秒发射一次定位脉冲；
步骤2、UWB射频芯片每奇数秒发送定位脉冲情况下，在设定时间内(本实施例中，设定时间为20ms)，如果信息定位卡的UWB射频芯片收到UWB基站回复的定位回应脉冲，则UWB射频芯片再次向UWB基站发送一次定位脉冲后进入休眠；若超过设定时间未收到任何回应，则直接进入休眠；
步骤3、每偶数秒，信息定位卡的微控制单元通过协议转换模块及隔离器读取并转换行车电脑或车载综合保护装置中的车辆状态数据为车辆信息包，分类存储于存储器内；
若UWB射频芯片上一个奇数秒中未收到UWB基站回复的定位回应脉冲，则UWB射频芯片直接进入休眠；
若UWB射频芯片上一个奇数秒中收到过UWB基站回复的定位回应脉冲，则信息定位卡的UWB射频芯片向UWB基站发送数据报名，如果设定时间内，信息定位卡中的UWB射频芯片接收到UWB基站回复的确认信号，信息定位卡中的微控制单元从存储器中取出最新的车辆信息包传递给UWB射频芯片，UWB射频芯片发送该车辆信息包给UWB基站，发送完成后信息定位卡进入休眠；若超过设定时间信息定位卡中的UWB射频芯片未收到任何回应，则直接进入休眠；
所述UWB基站的工作方法如图3所示，具体为：
步骤S1、UWB基站收到来自信息定位卡中的UWB射频芯片发送的定位脉冲信号时，回复定位回应脉冲，如果设定时间内再次收到信息定位卡中的UWB射频芯片发送的定位脉冲，则通过前后2次定位脉冲的飞行时间计算出信息定位卡和UWB基站之间的距离，将结果发送上位机；
步骤S2、UWB基站收到来自信息定位卡中的UWB射频芯片发送的数据报名时，回复确认信号，然后，如果设定时间内接收到信息定位卡中的UWB射频芯片发送的车辆信息包，则将该信息包转发给上位机；如果设定时间内没收到UWB射频芯片发送的车辆信息包，则UWB基站不做任何处理，等待下一个报名信号。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。
Claims (1)
1.一种基于UWB技术的信息定位传输方法，基于一种基于UWB技术的信息定位传输装置实现，该装置包括现有的UWB基站和基于UWB技术的信息定位卡；
所述信息定位卡包括UWB射频芯片、微控制单元、电源管理模块、电池、存储器、协议转换模块、隔离器和本安栓；
其中，电源管理模块通过本安栓与外部电源连接，同时与微控制单元连接为其他设备提供电源，并对电池进行充电管理；微控制单元与存储器、UWB射频芯片、协议转换模块连接；协议转换模块通过隔离器与煤矿车辆的行车电脑或车载综合保护装置连接；
所述信息定位卡有车辆状态信息需发送时：协议转换模块以CAN或者485协议接口通过隔离器接收行车电脑或车载综合保护装置发送的车辆状态数据，将车辆状态数据转换为TTL或者232接口数据传递给微控制单元，微控制单元解析车辆状态数据，将其编译成车辆信息包，并分类存储于存储器中，待收到UWB基站的确认信息后，微控制单元从存储器中取出最新的车辆信息包传递给UWB射频芯片，再由UWB射频芯片通过无线发送给UWB基站，UWB基站接收后通过工业以太网传递给上位机；
所述方法能够同时传输煤矿车辆状态数据及定位数据，包括信息定位卡的工作方法和UWB基站的工作方法两部分，其特征在于：所述信息定位卡的工作方法为：
步骤1、信息定位卡的UWB射频芯片向UWB基站每奇数秒发射一次定位脉冲；
步骤2、UWB射频芯片每奇数秒发送定位脉冲情况下，在设定时间内，如果信息定位卡的UWB射频芯片收到UWB基站回复的定位回应脉冲，则UWB射频芯片再次向UWB基站发送一次定位脉冲后进入休眠；若超过设定时间未收到任何回应，则直接进入休眠；
步骤3、每偶数秒，信息定位卡的微控制单元通过协议转换模块及隔离器读取并转换行车电脑或车载综合保护装置中的车辆状态数据为车辆信息包，分类存储于存储器内；
若UWB射频芯片上一个奇数秒中未收到UWB基站回复的定位回应脉冲，则UWB射频芯片直接进入休眠；
若UWB射频芯片上一个奇数秒中收到过UWB基站回复的定位回应脉冲，则信息定位卡的UWB射频芯片向UWB基站发送数据报名，如果设定时间内，信息定位卡中的UWB射频芯片接收到UWB基站回复的确认信号，信息定位卡中的微控制单元从存储器中取出最新的车辆信息包传递给UWB射频芯片，UWB射频芯片发送该车辆信息包给UWB基站，发送完成后信息定位卡进入休眠；若超过设定时间信息定位卡中的UWB射频芯片未收到任何回应，则直接进入休眠；
所述UWB基站的工作方法为：
步骤S1、UWB基站收到来自信息定位卡中的UWB射频芯片发送的定位脉冲信号时，回复定位回应脉冲，如果设定时间内再次收到信息定位卡中的UWB射频芯片发送的定位脉冲，则通过前后2次定位脉冲的飞行时间计算出信息定位卡和UWB基站之间的距离，将结果发送上位机；
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Non-Patent Citations (1)
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| 基于UWB技术的煤矿井下无线定位系统;申伟光;;煤矿安全(第10期);全文 * |
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