CN209250893U - 一种提供定位服务的uwb基站 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种提供定位服务的UWB基站，涉及定位基站技术领域,主要用于提供一种更加通用且便于不同的场合安装的UWB定位基站，其技术要点包括核心控制模块、与所述核心控制模块相连的以太网路由模块、与所述核心控制模块相连的BLE模块、与所述核心控制模块相连的UWB射频模块，所述BLE模块连有BLE天线，所述UWB射频模块连有高精度时钟模块及PA/LNA电路模块，所述PA/LNA电路模块连有UWB天线。

Description

一种提供定位服务的UWB基站

技术领域

本实用新型涉及定位基站技术领域，特别涉及一种提供定位服务的UWB基站。

背景技术

随着工业4.0时代的到来，越来越智能的工业开发流程不断被应用到实际的工业环境中，以及对于煤矿行业、化工行业、发电厂等具有较高风险特殊行业对人员的安全越来越重视，定位，尤其是室内定位、室内外融合定位的需求与日俱增。常规的GPS、北斗等定位技术，在室外环境中通过单/多定位模式方式可以提供较高的定位精度，但是对于室内、厂房、隧道环境的定位支持相当差，完全达不到最基本的应用条件。

市场上使用的定位方案以Zigbee、WIFI、红外线、蓝牙为主。基于RSSI的Zigbee测距技术的信号传输受多径效应和移动的影响都很大，而且定位精度取决于信道物理品质、信号源密度、环境和算法的准确性，造成定位软件的成本较高。同样基于RSSI的WIFI测距技术，由于其网络部署广泛，产品成熟，价格低廉，受到众多客户的喜欢，但是其射频容易收到环境干扰，定位精度较差（3米-15米），导致很多场合中无法使用。红外线定位精度相对较高，但是无法穿透障碍物，仅在直线可视距离内传播，有效距离较短，受室内布局和灯光影响较大，定位成本较高，实际应用上存在一定局限性。蓝牙室内定位根据测量终端设备信号强度通过指纹定位算法进行定位，蓝牙定位技术安全性高、成本低、功耗低、设备体积小，目前大部分手机终端都自带蓝牙模块，容易大范围的普及和部署实施，但是该技术容易受到外部噪声信号的干扰，信号稳定性较差，通信范围较小。上述所有的定位方案均具有较为明显的缺点，在实际使用中受应用场景的限制较大。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种提供定位服务的UWB基站，其通用性更强并且能够便于在不同的场合安装。

本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种提供定位服务的UWB基站，包括核心控制模块、与所述核心控制模块相连的以太网路由模块、与所述核心控制模块相连的BLE模块、与所述核心控制模块相连的UWB射频模块，所述BLE模块连有BLE天线，所述UWB射频模块连有高精度时钟模块及PA/LNA电路模块，所述PA/LNA电路模块连有UWB天线。

进一步的，还包括RJ45接口，所述RJ45接口连有POE电源转换模块，所述POE电源转换模块连有系统电源管理模块，所述系统电源管理模块还连有DC电源接口。

进一步的，所述RJ45接口不少于两个。

进一步的，所述核心控制模块与UWB射频模块通过SPI总线进行通信，所述核心控制模块与BLE模块通过SPI总线进行通信，所述核心控制模块与以太网路由模块通过Ethernet-PHY进行连接。

进一步的，所述BLE模块支持BLE广播，从而可对ToF定位模式进行支持，所述BLE广播可辅助ToF定位模式下标签对定位基站的选择。

进一步的，所述以太网路由模块的WIFI为5.8GHz无线信号，所述UWB射频模块的UWB信号为3993.6MHz无线信号，所述BLE模块的BT信号为2.4GHz的无线信号。

综上所述，本实用新型具有以下有益效果：

通过以UWB定位为核心，BLE辅助定位为特点，多样化的供电方式和数据回传通道在工程安装阶段突显出更强大的适应能力。

附图说明

图1是本实用新型一种提供定位服务的UWB基站的工作示意图；

图2 是本实用新型一种提供定位服务的UWB基站实施例2的工作原理图；

图3 是本实用新型一种提供定位服务的UWB基站实施例3的工作原理图；

图4是本实用新型一种提供定位服务的UWB基站中便于铺设以太网处交换机与基站的连接示意图；

图5是本实用新型一种提供定位服务的UWB基站中不便铺设以太网处交换机与基站的连接示意图；

图6是本实用新型一种提供定位服务的UWB基站中无法铺设以太网处交换机与基站的连接示意图。

图中，1、核心控制模块；2、以太网路由模块；21、WIFI天线；3、BLE模块；31、BLE天线；4、UWB射频模块；41、高精度时钟模块；42、PA/LNA电路模块；421、UWB天线；5、RJ45接口；51、POE电源转换模块；52、系统电源管理模块；53、DC电源接口；6、SPI总线；7、以太网PHY接口。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明，本实施例不构成对本实用新型的限制。

实施例1：

参照图1，本实施例的UWB基站包含以下：UWB天线421、PA/LNA电路模块42、高精度时钟模块41、UWB射频模块4、BLE模块3、WIFI天线21、包含WIFI的以太网路由模块2、POE电源转换模块51、系统电源管理模块52、核心控制模块1；核心控制模块1通过SPI总线6驱动UWB射频模块4对UWB报文进行收发；高精度时钟模块41提供小于0.5ppm误差的时钟给UWB射频模块4，精度的高低直接决定了UWB测距的误差大小；PA/LNA电路模块42对UWB无线信号的发送进行功率放大，对接受信号进行信号放大；UWB天线421用于收发UWB信号。

核心控制模块1通过SPI总线6驱动BLE模块3对BLE广播报文进行接收；BLE模块3为包含了完整BLE协议的模块；BLE天线31对BLE信号进行接收；核心控制模块1将基站和定位标签的距离信息通过以太网PHY接口7发送到包含WIFI的以太网路由模块2；WIFI天线21实现对以太网路由模块2的无线信号的收发； POE电源转换模块51将以太网线上的高压电转换为适合系统电源管理模块52使用的输入电压；DC电源接口53也可以直接为系统电源管理模块52提供直流输入电压；系统电源管理模块52将外部输入电压转换成各个模块需求的不同电压；以太网路由模块2的WIFI为5.8GHz无线信号，UWB射频模块4的UWB信号为3993.6MHz无线信号，BLE模块3的BT信号为2.4GHz的无线信号，可最大地避免了不同信号之间产生的干扰。

为满足不同安装环境的需求，参照图4，对于方便铺设以太网线的区域，每个基站和交换机直接进行连接，相互基站之间不会有影响，稳定性较高，并且当同时使用POE进行供电时，这种方案对单路POE的功率以及网线的需求较低；参照图5，对于不太方便铺设以太网线的区域，距离交换机最近的基站的2个RJ45接口55本分别连接至交换机和第二个基站，第二个基站的2个RJ45接口55分别连接至第一个基站和第三个基站，之后的依次类推；参照图6，对于无法进行以太网线铺设的区域，可以采用“WIFI回传”方式进行组网，这种方式下，距离交换机最近的基站A通过RJ45接口55和交换机进行连接，并且开启AP功能，其他基站同样开启WIFI功能，并且支持中继转发，以保证距离基站A最远的基站也可以通过无线的方式将数据传输到基站A，最终到达服务器，实际部署中会根据定位环境中每一块区域的限制进行规划，选择最合适的组网方式。

为满足不同施工环境的需求，UWB基站外部提供DC供电插孔，该插孔接收外部输入9-24V直流电压，适用于基站附近有220V市电插座，通过DC适配器进行转换输入；同时也提供POE供电，POE供电方式使得UWB基站的安装简洁到只有一根网线即可同时实现供电和数据传输。通过网线将UWB基站分别和POE交换机进行连接，可以对所有的UWB基站进行并联供电，即为“POE并联供电”；或者采用手拉手的方式将POE交换机、UWB基站A、UWB基站B等等通过基站上的2个RJ45接口55进行串联，实现串联供电。“POE串联供电”相比较于“POE并联供电”安装的复杂程度更低，但是对网线的质量要求更高。

实施例2：

参照图1及图2，本实施例中提供定位服务的UWB基站（以下简称UWB基站）支持ToF模式的定位方式。针对ToF模式的定位方式，至少需要3台上述的UWB定位基站，根据UWB定位基站的覆盖半径，在定位区域内安装一定数量的UWB基站，要求使得定位区域中的任意一点都属于至少3个基站的覆盖范围内。被定位设备（以下称为标签）位于定位区域中，同一时间会和周边的至少3个基站进行测距，核心控制模块1通过SPI驱动UWB射频模块4完成ToF测距过程，并计算获得标签和UWB基站之间的距离。完成测距后核心控制模块1将包含距离信息的以太网报文由包含WIFI的以太网路由模块2通过有线或者无线的方式进行数据回传，回传数据最终到达以太网上的定位引擎，定位引擎根据同一时间标签和不同UWB基站之间的不同距离以及已知的基站坐标位置推算出标签的坐标位置。

假设测距的三个基站分别为a、b、c，对应的坐标为、、，测距结果中标签和a、b、c三个基站的距离分别为、、，则可以得到以下方程组：

解以上方程组，将会得到被定位标签的位置坐标。理论上只需要3个方程就可以解出位置，实际环境中会因为各种干扰导致定位产生偏差，采用更多的方程进行分别求解，并对结果进行最小方差等处理后再得到最终的位置坐标。

本基站工作在ToF模式时，UWB基站上的BLE模块3可以协助定位标签选择合适的基站进行ToF测距。在实际的定位环境中，由于环境中可能存在各种各样的障碍物，当这些障碍物紧位于UWB基站和被定位标签之间时，就有可能导致定位出现突变。ToF模式的定位中，标签需要精确知道和哪些UWB基站进行测距，因此依赖于ToF测距中单边测距的距离，该距离定位标签可以在ToF测距的过程中获得。如果因为遮挡等原因导致标签选择的基站不合理，将直接导致标签定位效果差。通常在这种遮挡较多的区域所部属的UWB基站需要开启BLE模块3，BLE模块3工作于广播模式，并且在广播报文中包含该基站的信息，通过配置BLE模块3的发射功率，保证其仅覆盖周边30米左右范围。定位标签上的BLE监听附近的广播信息，并结合ToF测距中单边测距的结果和BLE广播监听结果对ToF定位基站列表进行更新，以获取更加适合的UWB基站，提高系统中定位精度。

实施例3：

参照图1及图3，本实施例中，提供定位服务的UWB基站（以下简称UWB基站）支持TDoA模式的定位方式。在定位区域内安装一定数量的UWB基站，要求使得定位区域中的任意一点都属于至少3个基站的覆盖范围内。针对TDoA模式的定位方式，至少需要3台上述的UWB定位基站。基站之间需要进行高精度的时间同步，由定位区域中的某一个基站作为之间的基准点，称为Root基站，该基站会间隔一定时间对外发送同步报文；另外有0-多个基站作为Branch基站，该基站会在听到Root基站或者排序靠前的Branch基站发出的同步报文后，间隔固定时间发送同步报文，以扩大同步报文的覆盖范围；其他基站作为Leaf基站，这些基站会听Root基站或者Branch基站的同步报文，一旦收到同步报文，立即更新本地时间以和Root基站的时间保持同步。被定位标签按照预先配置的定位频率，间隔一定时间后发送UWB广播报文，其附近多个基站会接收到该广播报文，并且由于标签到达每个基站的距离不同，到达时间也会不同。已经进行时间同步的UWB基站会将接收到报文时的系统时间由包含WIFI的以太网路由模块2通过有线或者无线的方式进行数据回传，回传数据最终到达以太网上的定位引擎，定位引擎根据UWB定位报文到达不同基站的时间差得到多条双曲线，不同双曲线的交点即为标签位置。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，不用于限制本实用新型，本领域技术人员可以在本实用新型的实质和保护范围内，对本实用新型做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种提供定位服务的UWB基站，其特征在于：包括核心控制模块(1)、与所述核心控制模块(1)相连的以太网路由模块(2)、与所述核心控制模块(1)相连的BLE模块(3)、与所述核心控制模块(1)相连的UWB射频模块(4)，所述BLE模块(3)连有BLE天线(31)，所述UWB射频模块(4)连有高精度时钟模块(41)及PA/LNA电路模块(42)，所述PA/LNA电路模块(42)连有UWB天线(421)。

2.根据权利要求1所述的一种提供定位服务的UWB基站，其特征在于：还包括RJ45接口(5)，所述RJ45接口(5)连有POE电源转换模块(51)，所述POE电源转换模块(51)连有系统电源管理模块(52)，所述系统电源管理模块(52)还连有DC电源接口(53)。

3.根据权利要求2所述的一种提供定位服务的UWB基站，其特征在于：所述RJ45接口(5)不少于两个。

4.根据权利要求1所述的一种提供定位服务的UWB基站，其特征在于：所述核心控制模块(1)与UWB射频模块(4)通过SPI总线(6)进行通信，所述核心控制模块(1)与BLE模块(3)通过SPI总线(6)进行通信，所述核心控制模块(1)与以太网路由模块(2)通过以太网PHY接口(7)进行连接。

5.根据权利要求1所述的一种提供定位服务的UWB基站，其特征在于：所述BLE模块(3)支持BLE广播，从而可对ToF定位模式进行支持，所述BLE广播可辅助ToF定位模式下标签对定位基站的选择。

6.根据权利要求1所述的一种提供定位服务的UWB基站，其特征在于：所述以太网路由模块(2)的WIFI为5.8GHz无线信号，所述UWB射频模块(4)的UWB信号为3993.6MHz无线信号，所述BLE模块(3)的BT信号为2.4GHz的无线信号。