CN220210619U - 一种基于RFID、LoRaWAN和UWB的多功能人员定位卡 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种基于RFID、LoRaWAN和UWB的多功能人员定位卡,包括外壳,其特征在于,所述外壳内设置有MCU主控电路,所述MCU主控电路与UWB射频电路连接,所述MCU主控电路与RFID电路连接,所述MCU主控电路与LoRaWAN模组电路连接;本实用新型结合了RFID、LoRaWAN和UWB,利用LoRaWAN的远距离通信特性和UWB的高精度、高稳定性测距功能,可以实现高精度的人员定位。

Description

一种基于RFID、LoRaWAN和UWB的多功能人员定位卡
技术领域
本实用新型涉及人员定位技术领域,具体涉及一种基于RFID、LoRaWAN和UWB的多功能人员定位卡。
背景技术
人员定位技术在追求定位高精度的同时,要求安装便捷及性价比高。目前使用的人员定位技术主要有蓝牙技术定位方式、及UWB 测距方式实现定位。采用蓝牙定位技术,由于蓝牙通信距离短,要满足定位需求,通信距离通常在10~20m左右,所以覆盖面积有限,若需要覆盖更大的面积需要增加蓝牙信标数量;同时因为蓝牙是基于RSSI值进行测算距离,蓝牙RSSI值本身误差较大,加上RSSI值易受环境影响,所以定位精度通常只能在1~3m。因此整体的人员定位精度不高。
如中国专利CN114114145A,公开日2021年11月23日,本发明涉及定位技术领域,更具体的说是涉及一种基于蓝牙及UWB的定位设备。本发明提供了一种功能性强大的基于蓝牙及UWB的定位设备。一种基于蓝牙及UWB的定位设备,包括有硬件模块与软件模块,所述硬件模块包括有UWB部分、蓝牙部分、PDOA天线、电源等,电源对设备进行供电,PDOA天线设有两个,且射频通路完全相同,一左一右对称放置在设备两侧;所述软件模块包括有以下模式:模式一,进入寻找伙伴设备Tag模式;模式二,AOA寻向模式;模式三,TWR测距模式;模式四,设备寻找手机模式;模式五,手机寻找设备模式。本发明采用双UWB天线的PDOA及AOA兼容定位技术进行设计,结合蓝牙4.2的通讯配对技术,可实现低功耗长续航的蓝牙广播以及寻向定位功能。该定位装置采用了蓝牙技术和UWB技术进行定位,但最终设备的定位精度不够高。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是:定位设备定位精度不够高的技术问题。提出了一种基于RFID、LoRaWAN和UWB的多功能人员定位卡,可以提高定位精度。
为解决上述技术问题,本实用新型所采取的技术方案为:一种基于RFID、LoRaWAN和UWB的多功能人员定位卡,包括外壳,其特征在于,所述外壳内设置有MCU主控电路,所述MCU主控电路与UWB射频电路连接,所述MCU主控电路与RFID电路连接,所述MCU主控电路与LoRaWAN模组电路连接。
一种基于RFID、LoRaWAN和UWB的多功能人员定位卡,主要通过LoRaWAN模组电进行远距离通信,UWB射频电路可以实现高稳定性、高精度定位,RFID电路实现人员信息的录入,LoRaWAN功耗低,同时UWB采用beacon方式设计,大大降低硬件设计难度、设计成本、安装困难。
作为优选,所述UWB射频电路包括芯片U7,所述芯片U7的引脚41与主控MCU芯片的引脚8连接,所述芯片U7的引脚40与主控MCU芯片的引脚14连接,所述芯片U7的引脚39与主控MCU芯片的引脚15连接,所述芯片U7的引脚24与主控MCU芯片的引脚12连接,所述芯片U7的引脚16与电容C48的一端连接,所述电容C48的另一端与巴伦转换器U8的引脚4连接,所述芯片U7的引脚17与电容C49的一端连接,所述电容C49的另一端与所述巴伦转换器U8的引脚3连接,所述巴伦转换器U8的引脚1与天线ANT2连接。DW1000的SPI_CLK、SPI_MISO、SPI_MOSI、SPI_CSn管脚分别与MCU STM32WLE5CBU6 的PA1、PA6、PA7、PA4引脚,主控MCU芯片通过SPI通信访问DW1000,控制DW1000进行运作;外部接有38.4MHz晶振电路,给DW1000系统提供系统时钟;复位脚RSTn直接连接到MCU的PB2引脚,应用中通过MCU控制DW1000的复位;UWB射频接口为差分接口,RF_N与RF_P接口接入巴伦转换器,即平衡不平衡转换器,通过匹配输入转化为差分输出而实现平衡传输线电路与不平衡传输线电路之间的连接,可使差分/单端信令兼容,进行阻抗转换匹配,最终与天线连接。
作为优选,所述UWB射频电路包括供电电路,所述供电电路包括芯片U6,所述芯片U6的引脚1与所述芯片U7的引脚21连接,所述芯片U6的引脚2与VCC电源端连接,所述芯片U6的引脚2与电容C33的一端连接,所述电容C33的另一端接地,所述芯片U6的引脚2与电容C35的一端连接,所述电容C35的另一端接地,所述芯片Y6的引脚5与电感L2的一端连接,所述电感L2的另一端与所述芯片U6的引脚4连接,所述芯片的引脚4与电感L3的一端连接,所述电感L3的另一端与1.8V电源连接,所述芯片的引脚4与电容C36的一端连接,所述电容C36的另一端接地,所述芯片U6的引脚4与电容C34的一端连接,所述电容C34的另一端接地。DW1000芯片上连接了一路单独给其供电的1.8V电源,可以使工作电流更低,延长电池的使用寿命。
作为优选,所述主控MCU芯片与UWB电源控制电路连接,所述UWB电源控制电路包括场效应管Q4,所述场效应管Q4的G极与所述主控MCU芯片的引脚16连接,所述场效应管Q4的G极与电阻R34的一端连接,所述电阻R34的另一端接地,所述场效应管Q4的S极与3.3V电源连接,所述场效应管Q4的D极与电容C30的一端连接,所述电容C30的另一端接地,所述场效应管Q4的D极与电阻R29的一端连接,所述电阻R29的另一端与VCC电源端连接。UWB电源控制电路可以使工作更稳定,在出现故障时,可以通过软件控制电源通断,快速恢复工作。
作为优选,所述LoRaWAN模组电路包括芯片M1,所述芯片M1的引脚5与所述主控MCU芯片的引脚5连接,所述芯片M1的引脚6与所述主控MCU芯片的引脚4连接,所述芯片M1的引脚9与所述主控MCU芯片的引脚36连接,所述芯片M1的引脚10与所述主控MCU芯片的引脚42连接,所述芯片M1的引脚11与所述主控MCU芯片的引脚18连接,所述芯片M1的引脚12与所述主控MCU芯片的引脚13连接,所述芯片M1的引脚13与所述芯片U7的引脚46连接,所述芯片M1的ANT引脚与电阻R2的一端连接,所述电阻R2的另一端与天线ANT1连接,所述芯片M1的ANT引脚与电容C4的一端连接,所述电容C4的另一端接地,所述电阻R2远离所述芯片M1的一端与电容C5的一端连接,所述电容C5的另一端接地。这部分是基于LSD4WN-2R717M90 LoRaWAN模组进行实现,支持470MHz~510MHz工作频段,可以同LoRaWAN网关进行通信,将定位等信息传输给平台,最远传输距离可以达到1KM以上。
作为优选,所述RFID电路包括芯片U1,所述芯片U1的引脚1与电容C2的一端连接,所述电容C2的另一端与所述芯片U1的引脚4连接,所述电容C2远离所述芯片U1的一端与电阻R33的一端连接,所述电阻R33的另一端与所述芯片U1的引脚4连接,所述电容C2远离所述芯片U1的一端与电容C1的一端连接,所述电容C1的另一端与所述芯片U1的引脚4连接。RFID电路部分,基于FM11RF08芯片独立设计,天线采用PCB layout实现,可以便于生产制作、组装。该电路工作频率为13.56MHz,主要实现人员、梯控、门禁等信息存储。
作为优选,所述主控MCU芯片与运动传感器电路连接,所述运动传感器电路包括芯片U2,所述芯片U2的引脚1与所述主控MCU芯片的引脚17连接,所述芯片U2的引脚4与所述主控MCU芯片的引脚33连接,所述芯片U2的INT1引脚与所述主控MCU芯片的引脚1连接。运动传感器电路部分,基于ST的LIS2DH12TR 加速度传感器进行设计,采用I2C接口连接控制,该部分电路通过检测人员是否在运动,来判断是否有人员长时间禁止或者激烈抖动,通过数据上传至平台来判断人员安全情况预警。L1为磁珠,通过串联到电源输入处,滤除噪声,减小电源噪声导致传感器误触发的影响。
作为优选,所述主控MCU芯片与电源供电电路连接,所述电源供电电路包括芯片U5,所述主控MCU芯片与电池充电管理及电池保护电路连接,所述主控MCU芯片与按键电路连接,所述主控MCU芯片与电量检测电路连接,所述主控MCU芯片与USB接口电路连接。电源供电电路部分采用低压差LDO进行电源转换,输出电压DC3.3V,输入输出端分别并联一个电容到地,起到电源滤波作用,去除电源噪声干扰。
本实用新型的实质性效果是:本实用新型结合RFID、LoRaWAN和UWB,实现了高精度的人员定位;通过RFID标签对人员信息进行绑定,可以实现门禁识别、梯控、考勤功能,且信息可重复录制,对于有人员变动可以重复利用,降低成本;危险区工作人员,当遇到紧急情况,可以使用一键紧急求助功能,及时进行救助,降低危险,保证安全;可以精准获取人员轨迹信息,对进入禁区人员及时预警,防止危险出现;同时对于出现火灾、毒气泄漏等危险情况时,通过定位信息精准进行施救。
附图说明
图1为实施例的结构示意图;
图2为实施例的MCU芯片引脚图;
图3为实施例的UWB射频电路;
图4为实施例的UWB射频电路中的供电电路;
图5为实施例的UWB电源控制电路;
图6为实施例的LoRaWAN模组电路;
图7为实施例的RFID电路;
图8为实施例的运动传感器电路。
其中:1、MCU,2、UWB射频电路,3、LoRaWAN模组电路,4、RFID电路,5、电量电测电路,6、按键控制及LED灯显示,7、运动传感器电路,8、电源供电电路。
具体实施方式
下面通过具体实施例,并结合附图,对本实用新型的具体实施方式作进一步具体说明。
一种基于RFID、LoRaWAN和UWB的多功能人员定位卡,如图1所示,本实用新型采用抗静电材料制作成卡状定位卡外壳,外壳内部设置有控制电路。定位卡中间设置有一个紧急求救按钮,与按键控制电路连接。控制电路主要包括了MCU1,MCU上连接了用于定位的UWB射频电路2、用于通信的LoRaWAN模组电路3和用于信息采集的RFID电路4。MCU上还连接了按键控制及LED灯显示6、电源供电电路8、电量电测电路5和运动传感器电路7。
本实用新型采用4.2V锂电池进行供电,外部5V电源进行充电,充电电源通过USB接口进行输入,通过充电电路对电池进行充电。在正常使用情况下,锂电池电源给电源供电电路输入,通过电源转换后,分别给MCU主控电路、UWB射频电路、LoRaWan模组电路及外围其它模块电路供电。
进行应用时,需要本实用新型中的人员定位卡与UWB Beacon、LoRaWan网关及定位引擎一同协调工作。RFID电路具有唯一的ID编号,设计时将该ID编号写入到对应的MCU的Flash中,使MCU与RFID进行绑定;使用时,人员相关信息存储在RFID电路中,同时信息录入到平台系统,平台系统通过LoRaWan网关与LoRaWan模组进行通信,使得卡片进行数据交互,通过RFID的唯一编号进行信息识别及处理,起到人员信息管控等功能作用。
主控MCU与UWB电路通过SPI接口连接,MCU通过SPI通信控制UWB电路工作;使用时,MCU通过SPI通信控制UWB电路与UWB Beacon进行通信测距,通过与不同已知位置的Beacon通信后获取到不同距离信息。MCU与LoRaWan电路采用UART连接,MCU通过UART进行访问LoRaWan模组电路,控制LoRaWan模组电路进行通信,将UWB电路获取到的距离信息通过LoRaWan模组电路,通过LoRaWan网络传输到LoRaWan网关,再传输给平台系统,最后通过定位引擎,计算出位置信息进行显示。
工作期间,通过MCU控制电路检测电路,获取电量信息,再通过LoRaWan模组电路与LoRaWan网关进行通信,将信息传输给平台系统,再进行电路显示通知及报警。工作时,通过检测运动传感器触发的信息或按键触发的信息,再将该信息通过LoRaWan模组电路与LoRaWan网关进行通信,将报警等信息传输至平台系统。
如图2和图3所示,UWB射频电路主要采用DW1000芯片。DW1000的SPI_CLK、SPI_MISO、SPI_MOSI、SPI_CSn管脚分别与MCU STM32WLE5CBU6 的PA1、PA6、PA7、PA4引脚,主控MCU芯片通过SPI通信访问DW1000,控制DW1000进行运作;外部接有38.4MHz晶振电路,给DW1000系统提供系统时钟;复位脚RSTn直接连接到MCU的PB2引脚,应用中通过MCU控制DW1000的复位;UWB射频接口为差分接口,RF_N与RF_P接口接入巴伦转换器,即平衡不平衡转换器,通过匹配输入转化为差分输出而实现平衡传输线电路与不平衡传输线电路之间的连接,可使差分/单端信令兼容,进行阻抗转换匹配,最终与天线连接。
DW1000芯片上连接了一路单独给其供电的1.8V电源,可以使工作电流更低,延长电池的使用寿命。MCU上连接了一个UWB电源控制电路,UWB电源控制电路可以使工作更稳定,在出现故障时,可以通过软件控制电源通断,快速恢复工作。
LoRaWAN模组电路部分是基于LSD4WN-2R717M90 LoRaWAN模组进行实现,支持470MHz~510MHz工作频段,可以同LoRaWAN网关进行通信,将定位等信息传输给平台,最远传输距离可以达到1KM以上。
RFID电路部分,基于FM11RF08芯片独立设计,天线采用PCB layout实现,可以便于生产制作、组装。该电路工作频率为13.56MHz,主要实现人员、梯控、门禁等信息存储。
运动传感器电路部分,基于ST的LIS2DH12TR 加速度传感器进行设计,采用I2C接口连接控制。该部分电路通过检测人员是否在运动,来判断是否有人员长时间禁止或者激烈抖动,通过数据上传至平台来判断人员安全情况预警。L1为磁珠,通过串联到电源输入处,滤除噪声,减小电源噪声导致传感器误触发的影响。
电池充电管理及电池保护电路部分,基于圣邦微的SGM40565-XYTDE8G充电管理芯片进行设计,输入电压DC5.0V,输出电压DC4.2V。电路运用了NMOS管来作为电源切换开关来控制输出电源为电池输出或充电电路输出,同时该电路起到防反接作用,电路进行保护;由于里面采用了电池电平作为上拉的电平,所以为了防止USB口的5V在给电池充电的时候会有电池电流倒灌,增加了二极管作为反电流倒灌。
USB充电机串口信息输出接口部分,采用MICRO USB接口作为充电接口,通过带UART的USB线可直接同电脑进行连接,通过串口指令进行配置或输出信息。
以上实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本实用新型构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于RFID、LoRaWAN和UWB的多功能人员定位卡,包括外壳,其特征在于,所述外壳内设置有MCU主控电路,所述MCU主控电路与UWB射频电路连接,所述MCU主控电路与RFID电路连接,所述MCU主控电路与LoRaWAN模组电路连接;所述外壳中间设置有一个紧急求救按钮,与按键控制电路连接;所述MCU主控电路包括主控MCU芯片,所述主控MCU芯片与电池充电管理及电池保护电路连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于RFID、LoRaWAN和UWB的多功能人员定位卡,其特征在于,所述UWB射频电路包括芯片U7,所述芯片U7的引脚41与主控MCU芯片的引脚8连接,所述芯片U7的引脚40与主控MCU芯片的引脚14连接,所述芯片U7的引脚39与主控MCU芯片的引脚15连接,所述芯片U7的引脚24与主控MCU芯片的引脚12连接,所述芯片U7的引脚16与电容C48的一端连接,所述电容C48的另一端与巴伦转换器U8的引脚4连接,所述芯片U7的引脚17与电容C49的一端连接,所述电容C49的另一端与所述巴伦转换器U8的引脚3连接,所述巴伦转换器U8的引脚1与天线ANT2连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于RFID、LoRaWAN和UWB的多功能人员定位卡,其特征在于,所述UWB射频电路包括供电电路,所述供电电路包括芯片U6,所述芯片U6的引脚1与所述芯片U7的引脚21连接,所述芯片U6的引脚2与VCC电源端连接,所述芯片U6的引脚2与电容C33的一端连接,所述电容C33的另一端接地,所述芯片U6的引脚2与电容C35的一端连接,所述电容C35的另一端接地,所述芯片U6的引脚5与电感L2的一端连接,所述电感L2的另一端与所述芯片U6的引脚4连接,所述芯片的引脚4与电感L3的一端连接,所述电感L3的另一端与1.8V电源连接,所述芯片的引脚4与电容C36的一端连接,所述电容C36的另一端接地,所述芯片U6的引脚4与电容C34的一端连接,所述电容C34的另一端接地。
4.根据权利要求2所述的一种基于RFID、LoRaWAN和UWB的多功能人员定位卡,其特征在于,所述主控MCU芯片与UWB电源控制电路连接,所述UWB电源控制电路包括场效应管Q4,所述场效应管Q4的G极与所述主控MCU芯片的引脚16连接,所述场效应管Q4的G极与电阻R34的一端连接,所述电阻R34的另一端接地,所述场效应管Q4的S极与3.3V电源连接,所述场效应管Q4的D极与电容C30的一端连接,所述电容C30的另一端接地,所述场效应管Q4的D极与电阻R29的一端连接,所述电阻R29的另一端与VCC电源端连接。
5.根据权利要求2所述的一种基于RFID、LoRaWAN和UWB的多功能人员定位卡,其特征在于,所述LoRaWAN模组电路包括芯片M1,所述芯片M1的引脚5与所述主控MCU芯片的引脚5连接,所述芯片M1的引脚6与所述主控MCU芯片的引脚4连接,所述芯片M1的引脚9与所述主控MCU芯片的引脚36连接,所述芯片M1的引脚10与所述主控MCU芯片的引脚42连接,所述芯片M1的引脚11与所述主控MCU芯片的引脚18连接,所述芯片M1的引脚12与所述主控MCU芯片的引脚13连接,所述芯片M1的引脚13与所述芯片U7的引脚46连接,所述芯片M1的ANT引脚与电阻R2的一端连接,所述电阻R2的另一端与天线ANT1连接,所述芯片M1的ANT引脚与电容C4的一端连接,所述电容C4的另一端接地,所述电阻R2远离所述芯片M1的一端与电容C5的一端连接,所述电容C5的另一端接地。
6.根据权利要求3所述的一种基于RFID、LoRaWAN和UWB的多功能人员定位卡,其特征在于,所述RFID电路包括芯片U1,所述芯片U1的引脚1与电容C2的一端连接,所述电容C2的另一端与所述芯片U1的引脚4连接,所述电容C2远离所述芯片U1的一端与电阻R33的一端连接,所述电阻R33的另一端与所述芯片U1的引脚4连接,所述电容C2远离所述芯片U1的一端与电容C1的一端连接,所述电容C1的另一端与所述芯片U1的引脚4连接。
7.根据权利要求2所述的一种基于RFID、LoRaWAN和UWB的多功能人员定位卡,其特征在于,所述主控MCU芯片与运动传感器电路连接,所述运动传感器电路包括芯片U2,所述芯片U2的引脚1与所述主控MCU芯片的引脚17连接,所述芯片U2的引脚4与所述主控MCU芯片的引脚33连接,所述芯片U2的INT1引脚与所述主控MCU芯片的引脚1连接。
8.根据权利要求2所述的一种基于RFID、LoRaWAN和UWB的多功能人员定位卡,其特征在于,所述主控MCU芯片与电源供电电路连接,所述电源供电电路包括芯片U5,所述主控MCU芯片与电池充电管理及电池保护电路连接,所述主控MCU芯片与按键电路连接,所述主控MCU芯片与电量检测电路连接,所述主控MCU芯片与USB接口电路连接。
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