CN210075592U - 一种基于共享轮椅的远程监控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于共享轮椅的远程监控系统，涉及远程监控系统领域；其包括监控装置和多个共享轮椅，监控装置包括依次连接的UWB无线芯片、主单片机和显示屏，共享轮椅上设置定位标签和依次连接的4G模块、从单片机和电机。本实用新型解决了现有医院共享轮椅无法无线定位实时位置和无法无线控制导致共享轮椅管理难度大的问题，通过共享轮椅的定位标签和监控装置的UWB无线定位芯片实现高精度、远距离的无线定位，实时监控和显示共享轮椅的位置信息，超出安全使用位置范围，则通过4G模块无线控制轮椅行驶，避免出现安全事故，提高无线监控共享轮椅的效率。

Description

一种基于共享轮椅的远程监控系统

技术领域

本实用新型涉及远程监控系统领域，尤其是一种基于共享轮椅的远程监控系统。

背景技术

随着互联网技术的不断发展，人们的生活也在不断改善，共享经济下，共享单车、共享电动车甚至共享汽车应运而生，而且在实践中取得了很好的社会效益。目前，在医院中，轮椅的应用比较普遍，病人做检查或各种治疗时都会用到，特别是一些行动不便、正在输液、刚做完治疗不方便走动的病人移动时更是需要坐轮椅，因而在一些科室如骨科、神经外科和肿瘤病房使用率非常高。而且，随着人口老年化的现象不断加重，老年人的行动不便，在医院从挂号到治疗都需要频繁走动，没有轮椅会带来诸多不便。目前，医院的轮椅的使用一般采用登记出借等方式，使用手续比较繁琐，不能满足医院患者对轮椅的使用需求。因此共享轮椅应运而生，用户只需扫码付费完成租用和归还，操作简便且高效。

UWB是一种无载波通信技术，基于该技术定位基站与定位标签之间能够利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，使传输速度达到几十Mbit/s到几百Mbit/s，具体来说，是蓝牙传输速度的100倍，也同时高于IEEE802.11a和IEEE802.11b协议的传输速度。由此可见，基于UWB的通讯方式抗干扰性能强，传输速率高，能够有效避免气候对于数据传输的影响度。

共享轮椅带来使用方便等优点的同时也存在一定的缺点，比如共享轮椅被用户放置在医院范围以外的地方，共享轮椅管理难度大；同时无法监控轮椅使用情况，发生意外时无法快速定位获取轮椅位置。因此，本申请提出一种无线监控系统，利用UWB实现无线定位和控制轮椅使用情况和使用位置范围，便于共享轮椅的管理，提高使用安全性。

发明内容

本实用新型的目的在于：本实用新型提供了一种基于共享轮椅的远程监控系统，解决了现有医院共享轮椅无法无线定位实时位置和无法无线控制导致共享轮椅管理难度大的问题。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种基于共享轮椅的远程监控系统，包括设置在机房的监控装置和多个共享轮椅，所述监控装置包括依次连接的UWB无线芯片、主单片机和显示屏，所述共享轮椅上设置定位标签和依次连接的4G模块、从单片机和电机，所述共享轮椅行驶超出安全范围时，UWB无线芯片基于UWB通讯获取定位标签传输至主单片机计算位置信息，显示屏显示位置信息，4G模块接收主单片机根据位置信息发送的控制信息传输至从单片机，从单片机控制电机控制行驶范围。

优选地，所述监控装置还包括用于存储定位标签数据和位置信息的存储器，所述存储器与主单片机连接。

优选地，所述监控装置还包括电源，所述电源为主单片机、UWB无线芯片和存储器供电。

优选地，所述4G模块包括SIM卡座和USR-LTE通信单元，所述SIM卡座连接USR-LTE通信单元，所述USR-LTE通信单元通过串口连接从单片机。

优选地，所述UWB无线芯片通过内设的天线基于UWB信号的TOF方式获取天线与定位标签的距离信息，基于UWB信号的PDOA方式获取天线之间的相位差信息，基于相位差信息和距离信息获取定位标签对应的坐标信息，所述UWB无线芯片与主单片机通过SPI串口连接，基于坐标信息计算位置信息。

优选地，所述UWB无线芯片采用DW1000。

优选地，所述主单片机和从单片机均采用STM32系列单片机。

优选地，所述系统还包括上位机，所述监控装置的主单片机与上位机连接，实时传输、显示位置信息。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型通过共享轮椅的定位标签和监控装置的UWB无线定位芯片实现高精度、远距离的无线定位，实时监控和显示共享轮椅的位置信息，超出安全使用位置范围，则通过4G模块无线控制轮椅行驶，避免出现安全事故，提高无线监控共享轮椅的效率；

2.本实用新型通过共享轮椅发送数据包至监控装置，监控装置通过UWB无线芯片和定位标签获取位置信息，存储器存储地址信息、位置信息等，UWB无线芯片具有抗多径能力强，实现TOF精确定位，传输速率快等特性，实现无线精确定位和低功耗定位；

3.本实用新型通过位置信息计算是否超过安全范围，若超过，则监控装置与共享轮椅通过4G模块进行通信，共享轮椅的单片机控制电机，防止在安全范围外发生意外事故等，提高无线监控的实用性和提高共享轮椅的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本实用新型的系统框图；

图2为本实用新型的定位原理示意图；

图3为本实用新型的UWB无线定位芯片的电路图；

图4为本实用新型的4G模块的电路图；

图5为本实用新型的单片机的电路图；

图6为本实用新型的电源的电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

一种基于共享轮椅的远程监控系统，包括设置在机房的监控装置和多个共享轮椅，所述监控装置包括依次连接的UWB无线芯片、主单片机和显示屏，所述共享轮椅上设置定位标签和依次连接的4G模块、从单片机和电机，所述共享轮椅行驶超出安全范围时，UWB无线芯片基于UWB通讯获取定位标签传输至主单片机计算位置信息，显示屏显示位置信息，4G模块接收主单片机根据位置信息发送的控制信息传输至从单片机，从单片机控制电机控制行驶范围。

如图1所示，共享轮椅中设置定位标签，监控装置设置UWB无线芯片，UWB无线芯片通过内设的天线基于UWB信号的TOF方式获取天线与定位标签的距离信息，基于UWB信号的PDOA方式获取天线之间的相位差信息，基于相位差信息和距离信息获取定位标签对应的坐标信息，UWB无线芯片与主单片机通过SPI串口连接，基于坐标信息计算位置信息，主单片机和显示屏连接，实时显示位置信息，并判断位置信息是否超过安全范围，若超过，则通过4G模块与共享轮椅进行无线通信，从单片机获取控制信息后控制电机，控制电机采用改变电机输出电流，例如PWM控制，限制共享轮椅行驶范围，4G模块包括SIM卡座和USR-LTE通信单元，SIM卡座连接USR-LTE通信单元，USR-LTE通信单元通过串口连接从单片机，实现无线高速传输；存储器使用EEPROM，通过I2C接口连接单片机，存储位置信息、相位信息等；显示屏采用TFT彩屏，显示位置信息；电源为主单片机、UWB无线芯片和存储器供电，电源采用电池，主单片机、存储器和UWB无线芯片均为3.3V，通过12V的电池进行电压降压和稳压获取3.3V，因其电源转换是现有技术，在此不进行赘述，本申请提供一种具体实施电路，如图6所示。

系统还包括上位机，所述监控装置的主单片机与上位机连接，实时传输、显示位置信息。

综上，本实用新型通过共享轮椅的定位标签和监控装置的UWB无线芯片实现高精度、远距离的无线定位，实时监控共享轮椅的位置信息，超出安全使用位置范围，则通过4G模块无线控制轮椅行驶，避免出现安全事故，提高无线监控共享轮椅的效率。

实施例2

基于实施例1，本实施例细化无线定位原理，细节如下：

UWB无线芯片通过内设的天线基于UWB信号的TOF方式获取天线与定位标签的距离信息，基于UWB信号的PDOA方式获取天线之间的相位差信息，基于相位差信息和距离信息获取定位标签对应的坐标信息，UWB无线芯片与主单片机通过SPI串口连接，基于坐标信息计算位置信息，天线包括两个子天线组成的矩阵天线，两个子天线的中心点连线位于二维空间坐X/Y轴，基于所述距离信息和所述相位差信息获取所述定位标签在所述二维空间坐标系中的坐标位置。

UWB无线芯片可以基于UWB信号的飞行时间测距法(TOF，Time of flight)获取每一子天线与所述定位标签之间的距离信息，并基于UWB信号的到达相位差(PDOA，Phasedifference of arrival)方式获取两个子天线之间的相位差信息。

此处，TOF是一种双向测距技术，即一个设备向另一个设备发送数据，并接收对于该数据的反馈信号，通过获取数据在往返路径的时间计算设备之间的距离。该方法中，涉及测距精度有两个要点，一是收发数据的两个设备必须时钟同步，二是发送和反馈数据的时间必须短，由此可见，本新型使用UWB通讯的方案由于速度快，时间短，非常适用于这种测距方法。

具体地，在本新型的方案中，UWB无线芯片通过子天线向定位标签发送一个数据包，记录发包时刻T₁；当定位标签在接收到数据包后立刻发送反馈数据包；而UWB无线芯片通过子天线再次收到反馈数据包后，记录接收时刻T₂。由此可见，数据脉冲在空中传播的时间

将T乘以光速就可以计算得到各个子天线与定位标签之间的距离。需要注意的是，此处的光速一般取光在真空中的速度，即3*10⁸m/s，为了方便计算，还可以将光速转换单位为30cm/ns。

数据传播的差值时间都是基于UWB无线芯片获取的，能够有效低效本地时钟误差。而对于UWB无线芯片和定位标签设备各自的时钟偏移，可以通过计算误差值进行修正。具体地，可以假设定位标签时钟是标准时钟的E₁倍，通讯芯片U1设备时钟是标准时钟的E₂倍，那么修正误差值

通过Error乘以已获取的距离值就可以得到更加精准的结果。

还可以使用UWB双边双向测距DS-TWR方法，通过定位基站和定位标签分别作为本地设备进行一次数据交互计算距离，这种方法也可以有效抵消时钟偏移，此处由于这种方法的具体计算过程近乎为前述TOF方法的重复，因此不再赘述。

定位基站基于距离信息和相位差信息获取定位标签在二维坐标系中的坐标位置。具体地，如图2所示的定位示意图，图中将第一子天线A和第二子天线B的中心点连线设于X轴上。在此二维坐标系中，假设定位标签的坐标位置为(x，y)，那么定位标签距离X轴和Y轴的距离就分别为x和y。而矩阵天线的子天线A和子天线B距离定位标签的距离L₁和L₂可以通过TOF方式获取，假设子天线A与子天线B之间的距离为d，此处就可以利用勾股定理建立二元方程组计算出x和y的值，然而，事实是，由于时钟差的影响，直接同时使用L₁和L₂计算x和y的值会造成很大的误差，甚至无法获得有效数据。

为了获取精准的定位，本新型的方案还引入定位标签与各个子天线之间形成的偏角变化计算坐标位置，如图2中所示，假设定位标签向子天线A发射通讯脉冲方向与X轴产生的偏角为α，定位标签向子天线B发射通讯脉冲方向与X轴产生的偏角为β，那么基于UWB信号的PDOA获取定位标签向两个子天线A和B发送脉冲的相位差距离P就可以获取定位标签的坐标位置。具体地，相位差距离P应为脉冲波长乘以定位标签分别到子天线A和B的相位差值；这里脉冲波长等于光速除以脉冲发射频率，一般取6.5GHz；相位差信息的计算结果可以直接从UWB无线芯片获取；基于由TOF获取了子天线A和子天线B距离定位标签的距离L₁和L₂，并且A与B之间的距离d为已知数据，这样通过对α角或β角的余弦运算和勾股运算就可以计算出x和y的值。显而易见地，只要确定了定位标签在二维坐标系中的坐标位置(x，y)，就可以计算出UWB无线芯片与定位标签，即机房监控装置与共享轮椅的直线距离

UWB无线芯片采用DW1000，遵循IEEE802.15.4-2011UWB标准的低能耗、低成本的无线收发芯片，支持精度定位和同步数据传输，定位精度可达到10cm，抗多径能力强，支持TOF精确定位，支持3.5-6.5GHz射频波段，数据传输速率为110kbps，850kbps，6.8Mbps，提供SPI接口进行数据传输，其中，单片机采用STM32F030R8T6，如图4-5所示，UWB无线芯片与主单片机的连接如下：芯片CLK引脚连接主单片机的PF7引脚，芯片MISO引脚连接主单片机的PF6引脚，芯片MOSI引脚连接主单片机的PA13引脚，芯片CSn引脚连接主单片机的PA12引脚。

综上，本实施例通过共享轮椅发送数据包至监控装置，监控装置通过UWB无线芯片和定位标签获取位置信息，UWB无线芯片具有抗多径能力强，实现TOF和TDOA精确定位，传输速率快等特性，实现无线精确定位和低功耗定位，实现无线定位，利于监控和管理共享轮椅的使用。

实施例3

基于实施例1，本实施例细化4G无线通信，细节如下：

如图4-5所示，为了示意单片机与各模块的连接并简化附图，本实施例提供的电路图所示的单片机为主单片机或者从单片机，但是对应的连接示意的是各模块与单片机的连接；

4G模块包括SIM卡座和USR-LTE通信单元，SIM卡座连接USR-LTE通信单元，USR-LTE通信单元通过串口连接从单片机。

从单片机与4G模块的电路连接如下：SIM卡座的VCC引脚连接USR-LTE通信单元的VSIM引脚，SIM卡座的RESET引脚连接电阻R18后连接VSIM_RST引脚，SIM卡座的CLK引脚连接电阻R18后连接VSIM_CLK引脚，SIM卡座的IO引脚连接电阻R45后连接VSIM_DATA引脚，SIM卡座的VCC引脚、RESET引脚、CLK引脚、IO引脚对应连接二极管D5、D6、D12、D13后接地；SIM卡座的GND引脚接地，其还连接电容C28后连接SIM卡座的VCC引脚；

USR-LTE通信单元的LINKA引脚、LINKB引脚对应连接从单片机的PA8、PC9引脚，其UTXD1引脚、URXD1引脚对应连接从单片机的USART1_RX、USART1_TX引脚，其WORK引脚路从单片机的PC8引脚，其GND引脚接地，其VIN引脚连接电池，其NET引脚连接从单片机的PC7引脚，其RESET引脚连接电阻R8后连接3.3V电源电路，其RESET引脚还连接电阻R16后接地，其RELOAD引脚连接电阻R7后连接3.3V电源电路，其RELOAD引脚还连接电阻R17后接地。

串口波特率根据具体需求设置，可以为2400/4800/9600/19200/38400，串口数据位为8位，停止位为2位，校验位包括偶校验和奇校验，实现高速无线传输。

4G模块中的USR-LTE通信单元采用的型号为USR-LTE-7S4，其他器件的选取如图4-6所示，电源包括12V电池，通过转换获取3.3V电源，如图6所示，为4G模块供电。

4G模块接收监控装置发送的控制信息，从单片机通过串口连接4G模块，接收控制信息后，改变控制电机的电流，通过高低电平的改变控制电机的使能与否，降速可通过改变输出电流实现，从而实现无线监控共享轮椅的位置和无线控制共享轮椅。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于共享轮椅的远程监控系统，其特征在于：包括设置在机房的监控装置和多个共享轮椅，所述监控装置包括依次连接的UWB无线芯片、主单片机和显示屏，所述共享轮椅上设置定位标签和依次连接的4G模块、从单片机和电机，所述共享轮椅行驶超出安全范围时，UWB无线芯片基于UWB通讯获取定位标签传输至主单片机计算位置信息，显示屏显示位置信息，4G模块接收主单片机根据位置信息发送的控制信息传输至从单片机，从单片机控制电机控制行驶范围。

2.根据权利要求1所述的一种基于共享轮椅的远程监控系统，其特征在于：所述监控装置还包括用于存储定位标签数据和位置信息的存储器，所述存储器与主单片机连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于共享轮椅的远程监控系统，其特征在于：所述监控装置还包括电源，所述电源为主单片机、UWB无线芯片和存储器供电。

4.根据权利要求1所述的一种基于共享轮椅的远程监控系统，其特征在于：所述4G模块包括SIM卡座和USR-LTE通信单元，所述SIM卡座连接USR-LTE通信单元，所述USR-LTE通信单元通过串口连接从单片机。

5.根据权利要求1所述的一种基于共享轮椅的远程监控系统，其特征在于：所述UWB无线芯片通过内设的天线基于UWB信号的TOF方式获取天线与定位标签的距离信息，基于UWB信号的PDOA方式获取天线之间的相位差信息，基于相位差信息和距离信息获取定位标签对应的坐标信息，所述UWB无线芯片与主单片机通过SPI串口连接，基于坐标信息计算位置信息。

6.根据权利要求1所述的一种基于共享轮椅的远程监控系统，其特征在于：所述UWB无线芯片采用DW1000。

7.根据权利要求1所述的一种基于共享轮椅的远程监控系统，其特征在于：所述主单片机和从单片机均采用STM32系列单片机。

8.根据权利要求1所述的一种基于共享轮椅的远程监控系统，其特征在于：所述系统还包括上位机，所述监控装置的主单片机与上位机连接，实时传输、显示位置信息。

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