CN209517517U - 一种用于室内定位的uwb基站 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于室内定位的UWB基站，其电路单元包含MCU模块、UWB无线通信模块、Wifi通信模块、电源转换模块、电池及外部供电接口；UWB基站可以通过UWB信号与UWB电子标签通信，计算标签和基站之间的距离，并配合上位机进行距离解算，完成定位功能。电路单元可以在电池供电和外接电源供电之间切换，并通过外接电源为电池充电。

Description

一种用于室内定位的UWB基站

技术领域

本实用新型涉及导航定位技术领域，具体涉及一种基于UWB的通信实现室内定位的基站装置。

背景技术

UWB技术是一种无载波通信技术，利用纳秒级的非正弦波窄脉冲作为定位载波，是无线定位领域定位精度最高、性能最稳定的一种技术。同时，由于采用了窄脉冲，在频域上，所占用的带宽较宽，所以也被称之为超宽带技术(Ultra Wideband，缩写为UWB)。由于无线功率密度较低，对于其它无线设备相当于噪声信号，不会对其造成干扰，也加强了自身的抗干扰性。UWB定位以其具有极高的定位精度，发射信号功率谱密度低、低截获能力等技术特点，逐渐成为定位技术的热门之选。

无线定位系统使用超窄脉冲精确测量飞行时间的技术，实现了两点(通常是标签和基站)之间的测距。目前最常用的用来定位的测量方法和计算方法主要有：时差定位技术、信号到达角度测量(AOA)技术、到达时间定位(TOA)和到达时间差定位(TDOA)等。在这里主要选择的是采用TOA的定位方式，即通过测试定位标签到至少3个基站的距离信息，通过三边定位的方式确定标签的位置信息，实现标签的精准定位。

一个简单的无线定位系统通常由定位基站、电子标签、上位机等组成。基站通过和电子标签进行UWB通信，完成距离的测量，并将距离信息通过有线或者无线的方式传送到上位机进行距离解算，同时接收上位机的指令，完成相应的操作。上位机完成定位算法的解算，同时通过人机界面将定位信息进行显示和记录等操作。

实用新型内容

本实用新型提供一种用于室内定位的UWB基站，能够基于UWB的通信实现室内定位。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是提供一种用于室内定位的UWB基站；

所述UWB基站的电路单元，包含MCU模块，和分别与其电性连接的UWB无线通信模块、Wifi通信模块、电源转换模块信息交互及进行控制；

所述UWB无线通信模块与外部的UWB电子标签通信连接，对用以解算基站和标签之间距离的信息进行交互；

所述Wifi通信模块与外部的上位机通信连接，对初始配置信息及用以根据所述距离实现标签定位的信息进行交互；

所述电源转换模块设置有供电切换电路，分别与电池、外部供电接口电性连接，通过电池为电路单元供电，或者切换为由外部供电接口引入的外部电源为电路单元供电。

可选地，所述电源转换模块还设置有电压转换电路，分别与电池、外部供电接口电性连接，将电池电压或外部电源供电的电压，转换为可使电路单元的各模块正常工作的电压。

可选地，所述电源转换模块的电压转换电路将电池输出的3.6V转换为3.3V，或者将外部供电接口引入的5V外部电源的供电电压供电转换为3.3V。

可选地，所述电源转换模块的供电切换电路，包含场效应管及其周围电路；所述电源转换模块的电压转换电路，包含集成芯片。

可选地，所述电池是可充电的锂镍电池；

通过所述电源转换模块的供电切换电路，将引入到外部供电接口的外部电源与电池连通，来对电池充电。

可选地，所述外部供电接口为micro USB接口。

可选地，所述MCU模块包含单片机STM32F103及其外围电路；

可选地，所述UWB无线通信模块包含单片无线收发芯片DW1000及其外围电路，通过SPI总线与MCU模块连接。

可选地，所述Wifi通信模块包含无线通信芯片ESP8266及其外围电路，通过串口与MCU模块连接。

可选地，所述显示模块包含液晶显示屏幕，通过SPI或IIC总线与MCU模块连接。

本实用新型提供的UWB基站，可以配合基于UWB的电子标签以及上位机系统，组成室内定位系统。基站的UWB无线通信模块通过UWB信号与UWB电子标签通信，通过计算标签和基站之间的距离，并配合上位机进行距离解算，完成定位功能。电路单元可以在电池供电和外接电源供电之间切换，并通过外接电源为电池充电。

附图说明

图1是UWB基站装置的电路单元的硬件框图。

具体实施方式

图1示出了本实用新型一些实施例中的UWB基站的硬件组成，该UWB基站可以配合基于UWB的电子标签以及上位机系统，组成室内定位系统。所述UWB基站的电路单元，包含MCU模块、UWB无线通信模块、显示模块、Wifi通信模块、电源转换模块、电池和外部供电接口等几部分。

本例中，所述UWB无线通信模块通过SPI总线与MCU模块相连接，Wifi通信模块通过串口与MCU模块连接，显示模块的液晶屏幕通过I²C总线与MCU模块连接。UWB无线通信模块可以通过UWB信号与UWB电子标签进行通信，通过计算标签和基站之间的距离，进一步完成定位功能。

各模块的主要功能如下：

(1)MCU模块：包含单片机STM32F103及其外围电路；单片机通过I/O口与板上的其他模块连接，用于UWB无线通信模块、显示模块和Wifi通信模块的控制，同时完成信息的交换。

(2)UWB无线通信模块，包含Decawave公司的DW1000芯片及其外围电路，DW1000为单片无线收发芯片，具有6.5GHz频段超宽带UWB信号接收和发送的功能，符合IEEE802.15.4-2011标准。结合标签中的UWB无线通信模块，基站可以与标签进行基于超宽带信号的数据交互，完成点到点的测距功能。

(3)Wifi通信模块：包含乐鑫公司的ESP8266芯片及其外围电路，ESP8266是一款低功耗、高集成度的Wifi芯片，实现2.4GHz的无线通信功能，在定位系统中，常用于与上位机进行数据交互。

(4)显示模块：采用0.96寸OLED显示屏，显示区域为128*64的点阵，无背光，显示单元能自发光，采用SPI或IIC总线通信方式。主要用于显示电子设备的状态和信息。

(5)电源转换模块，用于电压转换，和对不同方式的供电进行切换。其中，电压转换电路采用集成芯片来实现，在电池供电或者外部供电时可以将电压转换为3.3V，为MCU模块、Wifi通信模块、UWB无线通信模块、显示模块等供电，确保各个模块的正常工作。供电切换电路由场效应管及其周围电路实现，当采用外部供电时，将外部供电作为整个电路的电压输入，同时完成对锂电池的充电；当装置使用电池供电时，将电池电压作为整个电路的电压输入，同时切断与外部供电接口的连接。

(6)电池和外部供电接口：电池选用锂镍可充电电池，给整个电路单板进行供电，电池的容量决定了电子设备的单次使用时间，当电池电量低时，可以通过外供电的方式对其进行充电。外部供电接口为micro USB接口。电路板上为micro USB母座。

下面结合工作原理对本实用新型做进一步说明：

电子设备具有两种供电方式，1)电池供电方式：当电池电量充足，电池输出3.6V经电源转换模块转换为3.3V，为电路板上的其他模块供电；2)外供电方式：当电池电量不足时，通过外部供电接口引入的5V外部供电，经电源转换模块转换为3.3V，为电路板上的其他模块供电，同时经电源转换模块对电池进行充电。

供电正常后，基站进入开始正常工作，MCU模块对电路单元中的其他模块进行上电自检，检测各模块的工作状态是否正常，随后启动液晶屏幕，逐步显示开机自检的过程和电路状态，以便于用户和研发人员判断设备当前的工作状态。随后，MCU模块启动Wifi通信模块，通过Wifi通信模块与具备Wifi通信功能的上位机进行数据的交互，将电路装置自身状态等信息发送至上位机，上位机将整个定位系统的布置信息发送至基站。至此，基站完成了初始的配置工作。

配置完成后，MCU模块激活UWB无线通信模块，并开始向某具备UWB收发功能的电子标签发送UWB信号，随即MCU模块进入休眠状态。若收到电子标签反馈的信息，MCU模块从休眠模式进入到工作模式，将接收到的信息进行解析，随后向电子标签发送UWB信号，再次进入休眠状态，再次收到标签的反馈信号后，将几次交互的时间信息带入公式进行计算，解算出基站和标签之间的距离。

基站的MCU模块经过Wifi通信模块，将标签的距离等信息通过Wifi通信的方式传送到上位机系统。上位机系统将得到的距离信息输入到数学模型中进行解算，最终得到各个标签相对于基站(至少三个)的位置信息，由于基站的位置已知，由此可以进一步推算出标签的坐标点。

根据标签的个数，基站依次循环执行上述过程，计算出基站与各个标签之间的距离，再由上位机计算出各个标签的坐标点。从而实现多标签的定位功能。

尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种用于室内定位的UWB基站，其特征在于，

所述UWB基站的电路单元，包含MCU模块，和分别与其电性连接的UWB无线通信模块、Wifi通信模块、电源转换模块信息交互及进行控制；

所述UWB无线通信模块与外部的UWB电子标签通信连接，对用以解算基站和标签之间距离的信息进行交互；

所述Wifi通信模块与外部的上位机通信连接，对初始配置信息及用以根据所述距离实现标签定位的信息进行交互；

所述电源转换模块设置有供电切换电路，分别与电池、外部供电接口电性连接，通过电池为电路单元供电，或者切换为由外部供电接口引入的外部电源为电路单元供电。

2.如权利要求1所述用于室内定位的UWB基站，其特征在于，

所述电源转换模块还设置有电压转换电路，分别与电池、外部供电接口电性连接，将电池电压或外部电源供电的电压，转换为可使电路单元的各模块正常工作的电压。

3.如权利要求2所述用于室内定位的UWB基站，其特征在于，

所述电源转换模块的电压转换电路将电池输出的3.6V转换为3.3V，或者将外部供电接口引入的5V外部电源的供电电压供电转换为3.3V。

4.如权利要求2所述用于室内定位的UWB基站，其特征在于，

所述电源转换模块的供电切换电路，包含场效应管及其周围电路；

所述电源转换模块的电压转换电路，包含集成芯片。

5.如权利要求1-4中任意一项所述用于室内定位的UWB基站，其特征在于，

所述电池是可充电的锂镍电池；

通过所述电源转换模块的供电切换电路，将引入到外部供电接口的外部电源与电池连通，来对电池充电。

6.如权利要求5所述用于室内定位的UWB基站，其特征在于，

所述外部供电接口为micro USB接口。

7.如权利要求1所述用于室内定位的UWB基站，其特征在于，

所述MCU 模块包含单片机STM32F103及其外围电路。

8.如权利要求1所述用于室内定位的UWB基站，其特征在于，

所述UWB无线通信模块包含单片无线收发芯片DW1000及其外围电路，通过SPI总线与MCU模块连接。

9.如权利要求1所述用于室内定位的UWB基站，其特征在于，

所述Wifi通信模块包含无线通信芯片ESP8266及其外围电路，通过串口与MCU模块连接。

10.如权利要求1所述用于室内定位的UWB基站，其特征在于，

进一步设有显示模块，其包含液晶显示屏幕，通过SPI或IIC总线与MCU模块连接。