CN208402135U

CN208402135U - 基于2·4G RFID、UWB和LoRa人员调度通信定位终端

Info

Publication number: CN208402135U
Application number: CN201821184881.7U
Authority: CN
Inventors: 杨锐; 孙华晨; 李华青
Original assignee: Shandong Absolute Sincerity Electronic Science And Technology Co Ltd
Current assignee: Shandong Absolute Sincerity Electronic Science And Technology Co Ltd
Priority date: 2018-07-25
Filing date: 2018-07-25
Publication date: 2019-01-18
Anticipated expiration: 2028-07-25

Abstract

本实用新型公开了一种基于2.4G RFID、UWB和LoRa人员调度通信定位终端，属于人员定位技术领域，采用的技术方案为：其结构包括电路板，电路板上设置有主控制器、LoRa模块、2.4G RFID模块、UWB模块、蓝牙模块、三轴加速度传感器、TTS语音合成模块和EEPRPOM，主控制器分别通过串口连接LoRa模块、2.4G RFID模块、UWB模块、蓝牙模块和TTS语音合成模块，主控制器分别通过I2C总线连接三轴加速度传感器和EEPROM。本实用新型利用2.4G RFID模块和UWB模块获取区域定位和精确定位信息，并利用LoRa模块网络上传定位信息，实现区域和精确定位工作；同时实现在LoRa网络覆盖下的实时通信，提供一种低带宽、低成本的实时通信方式。

Description

基于2·4G RFID、UWB和LoRa人员调度通信定位终端

技术领域

本实用新型涉及人员定位技术领域，具体地说是一种基于2.4G RFID、UWB和LoRa人员调度通信定位终端。

背景技术

矿井当前使用的井下人员定位系统普遍采用的是区域定位技术，定位精度根据采用的无线技术的不同几十米到几百米不等，且无法连续获知人员位置，使得矿井无法进行精细化人员管理工作，随着矿井高产、高效生产需求，井下精确定位需求越来越强烈。

定位采用的无线技术主要包括WIFI、Zigbee、RFID、UWB，算法上基本上都采用TW-TOA测距算法（两路时差法），常州煤科院的KJ69J矿用人员定位管理系统采用zigbee技术实现3米的定位精度，定位精度低，不能满足目前矿井下对人员定位的需求。而辽宁瑞华实业集团高新科技有限公司的KJ98矿井井下人员与设备管理系统采用WiFi技术实现30厘米的定位精度，定位精度较高但是成本相对较高。

UWB（UltraWideband）是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，UWB能在10米左右的范围内实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率。UWB定位精度可以达到厘米级，但受限于UWB传输距离只能达到100米的限制，如何利用UWB实现矿井下人员精准定位的同时实现低成本的无线传输是目前急需解决的技术问题。

专利号为CN202059580U的专利文献公开了一种井下定位UWB救援系统，包括UWB信号识别卡，通过信号传输系统与该UWB信号识别卡连通的基站，以及与该基站顺次连接的数据传输设备、工控机和显示屏。但是该技术方案中UWB定位标签和UWB定位基站的方式实现定位功能，系统要求两个相邻的基站的间距为50-100米，UWB定位分站部署数量过大，整体部署难度过大，整个系统部署造价太高。

专利号为CN206042382U的专利文献公开了隧道施工人员管理系统，包括由进入隧道人员携带的人员定位信息卡，人员定位信息卡上有RFID定位标签和UWB定位标签；安装在隧道洞内的多个定位基站，根据隧道的实际情况安装，定位基站内设有RFID接收模块和UWB接收模块，与人员定位信息卡上的RFID定位标签和UWB定位标签进行无线通信获取人员定位信息；服务器，通过有线或无线方式与定位基站连接，接收或处理定力基站传来的人员定位信息；第一显示装置，用于显示施工人员的相关信息。该技术方案中人员定位标识卡采用的RFID和UWB进行定位，并通过GSM模块进行实时信息通信，采用RFID实现考勤和路线记录，采用UWB实现精确定位技术，但是在矿井井下单独部署GSM基站的成本过高。

综上所述，目前矿井井人员定位存在如下问题：

（1）、区域定位中定位仅限于分站附近的定位，无法获得分站与分站间人员的行进路线情况；

（2）、广播信息传输采用音频编码传输占用过大带宽，需要大带宽的传输方案，增加了整体系统的成本；

（3）、人员定位系统无法实现导航功能；

（4）、现场移动调度时现场环境参数和设备信息的获取难的问题。

发明内容

本实用新型的技术任务是提供一种基于2.4G RFID、UWB和LoRa人员调度通信定位终端，来解决矿井井下区域定位的局限性、广播信息的高成本、无导航功能以及移动调度参数获取难的问题。

本实用新型的技术任务是按以下方式实现的，基于2.4G RFID、UWB和LoRa人员调度定位终端，该人员调度定位终端包括电路板，电路板上设置有主控制器、LoRa模块、2.4GRFID模块、UWB模块、蓝牙模块、三轴加速度传感器、TTS语音合成模块和EEPRPOM，主控制器分别通过串口连接LoRa模块、2.4G RFID模块、UWB模块、蓝牙模块和TTS语音合成模块，主控制器分别通过I2C总线连接三轴加速度传感器和EEPROM；

其中，2.4G RFID模块用于读取区域定位锚点的信息，并记录第一次收到区域定位锚点和离开区域定位锚点的时间，通过离散的定位绘制在区域定位区域中的行进路线；

UWB模块用于获取精确定位信息；

LoRa模块用于上传区域定位信息和精确定位信息，并作为与采集器、传输分站间数据传输通道，用来获取寻呼和广播以及附近设备参数和环境信息；

蓝牙模块用于与手持终端配合实现路径导航和获取区域设备参数和环境信息；

TTS语音合成模块用于在LoRa模块接收到广播和寻呼信息后，主控制器将有效的语音文字信息通过串口发送给TTS语音合成模块，TTS语音合成模块完成语音合成后，通过喇叭将广播和寻呼信息读出来，实现语音播报功能；

EEPROM用于存储区域定位路径信息、设备配置信息以及电子围栏数据信息；

三轴加速度传感器用于进行形态及运动姿态判断，通过算法减少定位信息传输，节省信道消耗。

作为优选，所述电路板上还设置有指示灯和RTC备用电源，主控制器通过GPIO连接指示灯；

主控制器通过VBAT引脚连接RTC备用电源，RTC备用电源用于保证人员调度定位终端的实时时钟持续运行。

作为优选，所述TTS语音合成模块包括语音合成芯片、功放芯片和喇叭，主控制器通过串口连接语音合成芯片，语音合成芯片电连接功放芯片，功放芯片电连接喇叭。

更优地，该人员调度定位终端还包括前壳、后壳和供电模块，电路板和供电模块均设置在有前壳和后壳组成的封闭空腔内，前壳的外表面上设置有导光柱、功能按键、OLED屏幕和喇叭，后壳外表面的一侧处设置有报警按键； LoRa模块、2.4G RFID模块、UWB模块和蓝牙模块上分别设置有天线，天线延伸到后壳外表面的上侧处。

更优地，所述主控制器通过GPIO分别连接功能按键、报警按键和指示灯，指示灯连接导光柱，导光柱用于显示指示灯的颜色；

主控制器通过SPI总线连接OLED屏幕，OLED屏幕用于接收到的寻呼、广播数据的历史查看。

更优地，所述供电模块包括电源和电源管理模块，电源电连接电源管理模块，电源管理模块分别电连接主控制器、LoRa模块、2.4G RFID模块、UWB模块、蓝牙模块、三轴加速度传感器、TTS语音合成模块、指示灯和OLED屏幕。

更优地，所述主控制器采用STM32F407ZET6，2.4G RFID模块采用无功放的射频模块，语音合成芯片采用XFS3031CNP，功放芯片采用LM4990，RTC备用电源将采用CR2012纽扣电池，电源采用两节电量为2500mAh 的锰酸锂电池并联而成的电量为5000mAh的电池。另外，UWB模块采用江西合博出品的串口模块。LoRa模块选择成都忆佰特的E32(433T20S2T)LoRa模块。蓝牙模块采用济南华茂科技出品的HM-11蓝牙透传模块，蓝牙模块采用低功耗蓝牙模块，人员调度定位终端可分别看做2.4G RFID模块、UWB模块、LoRa模块的中间件设备，2.4G RFID模块的中间件可以实现巡检、数据采集等工作，UWB模块的中间件可以实现定位功能，LoRa模块的中间件可以为移动终端设备在Wifi、4G、3G覆盖不到的地方，搭建一条联网通道，并可以与监控分站和采集器设备索要当前环境中的环境参数和设备信息，真正解决了现场移动调度时现场环境参数和设备信息的获取难的问题。TTS语音合成模块采用科大讯飞出品的XFS3031CNP 中文语音合成芯片，配合LM4490功放芯片实现2W的外放效果，此处注意中文编码格式选择GB2312码。

更优地，所述电源管理模块采用FP6276XR-G1升压后通过AMS1117-3.3降压再供电且电源管理模块包括两个AMS1117-3.3，一个AMS1117-3.3用于为UWB模块和LoRa模块供电，另一个AMS1117-3.3用于为主控制器、2.4G RFID模块、蓝牙模块、三轴加速度传感器、TTS语音合成模块、EEPRPOM、指示灯和OLED屏幕供电。

本实用新型的基于2.4G RFID、UWB和LoRa人员调度通信定位终端与现有技术相比具有以下优点：

（一）、利用2.4G RFID模块和UWB模块获取区域定位和精确定位信息，并利用LoRa模块网络上传定位信息，实现区域和精确定位工作；同时实现在LoRa网络覆盖下的实时通信，提供一种低带宽、低成本的实时通信方式；

（二）、人员调度定位终端中的2.4G RFID模块增加了读写器的功能，读取区域定位锚点的信息，并记录第一次收到区域定位锚点和离开区域定位锚点的时间，通过离散的定位绘制在区域定位区域中的行进路线；

（三）、人员调度定位终端内置TTS语音合成芯片，在LoRa模块接收到广播和寻呼信息后，主控制器将有效的语音文字信息通过串口发送给语音合成芯片，语音合成芯片完成语音合成后，通过喇叭将广播和寻呼信息读出来，实现语音播报功能；

（四）、人员调度定位终端内置2.4G RFID模块和UWB模块获取接收区域定位和精确定位信息，之后通过蓝牙模块将定位信息发送给手持终端，手持终端通过导航数据包实现定位和导航功能；

（五）、人员调度定位终端内置LoRa模块，可以与传输分站和采集器以及LoRa无线传感器和LoRa无线设备组成LoRa无线传输网络，配合蓝牙模块，使手持终端与LoRa无线传输服务网络相连，从而可以轻松获取当前区域的传感器数据，解决直接获取当前区域环境信息和设备信息的问题。

附图说明

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

附图1为基于2.4G RFID、UWB和LoRa人员调度定位终端的结构示意图；

附图2为附图1中不带后壳的人员调度定位终端的结构示意图；

附图3为附图1中电路板的结构框图。

图中：1、电路板，2、主控制器，3、LoRa模块，4、2.4G RFID模块，5、UWB模块，6、蓝牙模块，7、三轴加速度传感器，8、TTS语音合成模块，8-1、语音合成芯片，8-2、功放芯片，8-3、喇叭，9、EEPRPOM，10、指示灯，11、天线，12、前壳，13、后壳,14、电源，15、RTC备用电源，16、导光柱，17、功能按键，18、OLED屏幕,19、电源管理模块，20、报警按键，21、串口，22、GPIO，23、I2C总线，24、SPI总线，25、VBAT引脚。

具体实施方式

参照说明书附图和具体实施例对本实用新型的基于2.4G RFID、UWB和LoRa人员调度通信定位终端作以下详细地说明。

实施例1：

如附图1和2所示，本实用新型的基于2.4G RFID、UWB和LoRa人员调度定位终端,该人员调度定位终端包括电路板1、前壳12、后壳13和供电模块，电路板1和供电模块均安装在有前壳12和后壳13组成的封闭空腔内，前壳12的外表面上安装有导光柱16、功能按键17、OLED屏幕18和喇叭8-3，后壳13外表面的一侧处安装有报警按键20； LoRa模块3、2.4G RFID模块4、UWB模块5和蓝牙模块6上分别安装有天线11，天线11延伸到后壳13外表面的上侧处。主控制器 2通过GPIO 22分别连接功能按键17、报警按键20和指示灯10，指示灯10连接导光柱16，导光柱16用于显示指示灯10的颜色；主控制器 2通过SPI总线24连接OLED屏幕18，OLED屏,18用于接收到的寻呼、广播数据的历史查看。

如附图3所示，电路板1上安装有主控制器 2、LoRa模块3、2.4G RFID模块4、UWB模块5、蓝牙模块6、三轴加速度传感器7、指示灯10、RTC备用电源15、TTS语音合成模块8和EEPRPOM 9，主控制器 2通过串口21分别连接LoRa模块3、2.4G RFID模块4、UWB模块5、蓝牙模块6和TTS语音合成模块8，主控制器 2通过I2C总线23分别连接三轴加速度传感器7和EEPROM 9；主控制器 2通过GPIO 22连接指示灯10；主控制器 2通过VBAT引脚25连接RTC备用电源15，RTC备用电源15用于保证人员调度定位终端的实时时钟持续运行，2.4G RFID模块4用于读取区域定位锚点的信息，并记录第一次收到区域定位锚点和离开区域定位锚点的时间，通过离散的定位绘制在区域定位区域中的行进路线；UWB模块用于获取精确定位信息；LoRa模块3用于上传区域定位信息和精确定位信息，并作为与采集器、传输分站间数据传输通道，用来获取寻呼和广播以及附近设备参数和环境信息；蓝牙模块6用于与手持终端配合实现路径导航和获取区域设备参数和环境信息；TTS语音合成模块8用于在LoRa模块3接收到广播和寻呼信息后，主控制器 2将有效的语音文字信息通过串口发送给TTS语音合成模块8，TTS语音合成模块8完成语音合成后，通过喇叭将广播和寻呼信息读出来，实现语音播报功能；EEPROM 9用于存储区域定位路径信息、设备配置信息以及电子围栏数据信息；三轴加速度传感器7用于进行形态及运动姿态判断，通过算法减少定位信息传输，节省信道消耗。

其中，TTS语音合成模块8包括语音合成芯片8-1、功放芯片8-2和喇叭8-3，主控制器 2通过串口21连接语音合成芯片8-1，语音合成芯片8-1电连接功放芯片8-2，功放芯片8-2电连接喇叭8-3。

供电模块包括电源14和电源管理模块19，电源14电连接电源管理模块19，电源管理模块19分别电连接主控制器 2、LoRa模块3、2.4G RFID模块4、UWB模块5、蓝牙模块6、三轴加速度传感器7、TTS语音合成模块8、EEPRPOM 9、指示灯10和OLED屏幕18。主控制器 2采用STM32F407ZET6，2.4G RFID模块4采用无功放的射频模块，语音合成芯片8-1采用XFS3031CNP，功放芯片8-2采用LM4990，RTC备用电源15将采用CR2012纽扣电池，电源14采用两节电量为2500mAh 的锰酸锂电池并联而成的电量为5000mAh的电池。另外，UWB模块5采用江西合博出品的串口模块。LoRa模块3选择成都忆佰特的E32(433T20S2T) LoRa模块。蓝牙模块6采用济南华茂科技出品的HM-11蓝牙透传模块，蓝牙模块6采用低功耗蓝牙模块，人员调度定位终端可分别看做2.4G RFID模块、UWB模块、LoRa模块的中间件设备，2.4G RFID模块的中间件可以实现巡检、数据采集等工作，UWB模块的中间件可以实现定位功能，LoRa模块的中间件可以为移动终端设备在Wifi、4G、3G覆盖不到的地方，搭建一条联网通道，并可以与监控分站和采集器设备索要当前环境中的环境参数和设备信息，真正解决了现场移动调度时现场环境参数和设备信息的获取难的问题。TTS语音合成模块采用科大讯飞出品的XFS3031CNP 中文语音合成芯片，配合LM4490功放芯片实现2W的外放效果，此处注意中文编码格式选择GB2312码。电源管理模块19采用FP6276XR-G1升压后通过AMS1117-3.3降压再供电且电源管理模块19包括两个AMS1117-3.3，一个AMS1117-3.3用于为UWB模块5和LoRa模块3供电，另一个AMS1117-3.3用于为主控制器 2、2.4G RFID模块4、蓝牙模块6、三轴加速度传感器7、TTS语音合成模块8、指示灯10和OLED屏幕18供电。

具体工作过程如下：

（1）、人员调度定位终端在遇到传输分站时，2.4G RFID模块4接收到传输分站的2.4G RFID模块发送的时间同步握手信息，人员调度定位终端会根据随机数发生器产生的一个随机数字（一个字节的随机码），将随机数字乘三得出发送定位信息的时间坐标，传输分站的2.4G RFID模块接收到人员调度定位终端发送的定位信息后完成一次定位，再通过以太网上报定位信息，实现考勤功能及关键位置节点的信息定位；

（2）、人员调度定位终端内的2.4G RFID模块4接收2.4G RFID标签的区域定位锚点发送的握手信息时记录时间，形成一条区域定位信息存储到人员调度定位终端的缓冲区中，并在离开区域定位锚点区域时，记录离开的时间，并把最后一次接收到区域定位锚点握手信息的时间作为区域定位信息的时间放入数据缓冲区中，形成一个离散的区域定位信息；再通过LoRa模块3上传给传输分站和采集器，传输分站通过以太网上传给服务器，工作人员可以在GIS地图上显示离散的人员行进情况，便于履职检查；

（3）、人员调度定位终端在遇到UWB定位锚点时，人员调度定位终端内的UWB模块5会与UWB定位锚点建立通信并计算出时间后形成精确定位信息放入数据缓冲区中，再通过LoRa模块3将精确定位信息发送给传输分站和采集器；

（4）、当遇到紧急情况时，按压报警按键20后，指示灯10闪烁，同时伴随着报警玲声告知救援人员；

（5）、人员调度定位终端内集成三轴加速度传感器7，并配合卡曼滤波算法，实现最快速度救援；三轴加速度传感器7配合卡曼滤波算法的方法具体如下：当人员处于静止状态≥5min时，将不上传定位信息；当人员处于静止状态≤0.5h，将启动报警功能，有效防止出现窒息、中毒的情况，实现快速救援；

（6）、人员调度定位终端内的TTS语音合成模块8，将文字转换成语音播放出来，实现在窄带网络中轻松广播和寻呼的传输；

（7）、人员调度定位终端内的蓝牙模块6将区域定位和精确定位信息发送移动终端，结合移动终端实现定位和导航的功能；

（8）、通过OLED屏幕18实现接收到的寻呼以及广播数据的历史查看；

（9）、通过选择人员调度定位终端中系统预设好的上传信息，根据现场情况选择适合的信息进行上报，减少了现场问题上报的时间延迟，提高了整体的工作效率；

（10）、人员调度定位终端在收到广播和寻呼信息后，通过按压功能17按键确认信息回复，告知服务器已收到信息。

（11）、通过EEPROM 9存储的电子围栏信息，在人员靠近围栏时，实现报警功能，继续靠近，将进行报警信息上报。

通过上面具体实施方式，所述技术领域的技术人员可容易的实现本实用新型。但是应当理解，本实用新型并不限于上述的具体实施方式。在公开的实施方式的基础上，所述技术领域的技术人员可任意组合不同的技术特征，从而实现不同的技术方案。

Claims

1.基于2.4G RFID、UWB和LoRa人员调度定位终端，其特征在于，该人员调度定位终端包括电路板，电路板上设置有主控制器、LoRa模块、2.4G RFID模块、UWB模块、蓝牙模块、三轴加速度传感器、TTS语音合成模块和EEPRPOM，主控制器分别通过串口连接LoRa模块、2.4GRFID模块、UWB模块、蓝牙模块和TTS语音合成模块，主控制器分别通过I2C总线连接三轴加速度传感器和EEPROM；

UWB模块用于获取精确定位信息；

2.根据权利要求1所述的基于2.4G RFID、UWB和LoRa人员调度定位终端，其特征在于，所述电路板上还设置有指示灯和RTC备用电源，主控制器通过GPIO连接指示灯；

3.根据权利要求1或2所述的基于2.4G RFID、UWB和LoRa人员调度定位终端，其特征在于，所述TTS语音合成模块包括语音合成芯片、功放芯片和喇叭，主控制器通过串口连接语音合成芯片，语音合成芯片电连接功放芯片，功放芯片电连接喇叭。

4.根据权利要求3所述的基于2.4G RFID、UWB和LoRa人员调度定位终端，其特征在于，该人员调度定位终端还包括前壳、后壳和供电模块，电路板和供电模块均设置在有前壳和后壳组成的封闭空腔内，前壳的外表面上设置有导光柱、功能按键、OLED屏幕和喇叭，后壳外表面的一侧处设置有报警按键； LoRa模块、2.4G RFID模块、UWB模块和蓝牙模块上分别设置有天线，天线延伸到后壳外表面的上侧处。

5.根据权利要求4所述的基于2.4G RFID、UWB和LoRa人员调度定位终端，其特征在于，所述主控制器通过GPIO分别连接功能按键、报警按键和指示灯，指示灯连接导光柱，导光柱用于显示指示灯的颜色；

6.根据权利要求5所述的基于2.4G RFID、UWB和LoRa人员调度定位终端，其特征在于，所述供电模块包括电源和电源管理模块，电源电连接电源管理模块，电源管理模块分别电连接主控制器、LoRa模块、2.4G RFID模块、UWB模块、蓝牙模块、三轴加速度传感器、TTS语音合成模块、EEPRPOM、指示灯和OLED屏幕。

7.根据权利要求6所述的基于2.4G RFID、UWB和LoRa人员调度定位终端，其特征在于，所述主控制器采用STM32F407ZET6，2.4G RFID模块采用无功放的射频模块，语音合成芯片采用XFS3031CNP，功放芯片采用LM4990，RTC备用电源将采用CR2012纽扣电池，电源采用两节电量为2500mAh 的锰酸锂电池并联而成的电量为5000mAh的电池。

8.根据权利要求7所述的基于2.4G RFID、UWB和LoRa人员调度定位终端，其特征在于，所述电源管理模块采用FP6276XR-G1升压后通过AMS1117-3.3降压再供电且电源管理模块包括两个AMS1117-3.3，一个AMS1117-3.3用于为UWB模块和LoRa模块供电，另一个AMS1117-3.3用于为主控制器、2.4G RFID模块、蓝牙模块、三轴加速度传感器、TTS语音合成模块、指示灯和OLED屏幕供电。