一种基于UWB技术的无线定位监控系统及方法与流程

本发明涉及uwb定位监控技术领域，具体的说，是一种基于uwb技术的无线定位监控系统及方法。

背景技术

随着物联网研究与应用的不断深入，无线通信技术将快速发展，并在不同物联网应用场景中发挥重要作用，而空间定位的需求也将越来越广泛和迫切。全球卫星定位系统(gps)作为较成熟的定位技术，在工程测量、导航、物流等方面得到广泛的应用，而在电力系统主要用于时钟同步以及故障诊断。一些电站使用gps卫星和wlan定位技术，虽然这些技术成熟，但是gps具有成本高、定位精度不高、易受遮挡不能适应特定环境(如室内、地下等)工作要求等缺点；wlan抗干扰能力差、定位精度低、传输距离短，无法满足某些高精度定位场合的要求。而光跟踪、超声波、蓝牙、zigbee等定位技术也有各自的优缺点，如红外线只适合短距离传播，而且容易被荧光灯或者房间内的灯光干扰，在精确定位上有局限性；超声波受多径效应和非视距传播影响很大，易受温度干扰，不适用于电站环境；蓝牙、zigbee传输速率低，降低电站定位监控的工作效率。

现有技术中有采用多基站uwb进行定位监控的，但结构复杂、同步难度大。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于uwb技术的无线定位监控系统及方法，具有功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、传输效率高、能提供精确定位的优点，并且通过uwb技术进行实时定位、监控和管理，解决目前定位系统同步方式复杂、同步难度大且同步精度低的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于uwb技术的无线定位监控系统，其特征在于：包括单个基站、天线、与天线连接的射频模块、监控服务台、标签、分别与标签连接且用于检测危险联动源的采集模块和显示屏；所述天线、监控服务台、标签分别与单个基站连接；所述采集模块包括远红外测光模块、风量、风速传感器、瓦斯气体传感器、pm2.5粉尘传感器。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述射频模块包括射频交换器、cpu以及基带模块；所述射频交换器和基带模块分别与cpu连接。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述远红外测光模块包括远红传感器、at89c51单片机、同相放大器、二极管温度补偿电路、a/d转换器；所述远红传感器、同相放大器、二极管温度补偿电路、a/d转换器分别与at89c51单片机相连。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述标签、采集模块、显示屏的数量均为多个，一个显示屏、一个采集模块分别与一个标签连接。

一种基于uwb技术的无线定位监控方法，具体包括以下步骤：

步骤s1：在标签与单个基站定位之前，使用单个基站同步头让标签和单个基站的时间同步；

步骤s2：使用带天线的单个基站通过toa定位技术测量标签与单个基站之间的距离，再通过aoa定位技术测出标签发送脉冲到达单个基站的角度；

步骤s3：获得标签到单个基站的距离和角度，从而获得标签的三维位置，并将标签的三维位置信息和标签轨迹通过单个基站存储在监控服务台中；

步骤s4：通过与标签连接的采集模块来检测危险联动源，将检测到的信息通过单个基站传给监控服务台并在与标签连接的显示屏上显示；

步骤s5：若当危险联动源的信息值超出正常范围值时，危险联动源信息会快速通过单个基站传输进行报警。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤s1中：单个基站同步头与标签工作时的每个接受窗之间间隔1ms，收到一个同步头的标签仍然不断监听直到收到另一个同步头；由标签检测得到的同步头的时间和单个基站产生的两个同步头的时间之比得到标签与单个基站之间的时钟频率。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤s2具体包括以下步骤：

步骤s21：将天线阵列归一化为6单元圆形阵列，即6面定向天线组成的天线阵列覆盖360°空间；

步骤s22：uwb信号通过各个天线接收通道进入系统，uwb信号被天线接收后，通过射频模块对其进行放大、滤波、ad量化后送到cpu进行处理，cpu主要完成信号的检测、方向估算和开关控制的功能，天线阵列通过6到1的射频模块处理后与单个基站相连；

步骤s23：确定标签与单个基站的距离；具体是指：由所述单个基站通过测量脉冲从单个基站到标签的时间与测量脉冲从标签反射回单个基站的时间的总和减去单个基站与标签内部电路处理时间所用的总时长进行确定；

步骤s24：通过比较当前各个天线中最大的量个天线的信号幅度，进而使用aoa定位技术得到标签角度。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤s3具体包括以下步骤：

步骤s31：联合toa定位技术和aoa定位技术所获得的标签与单个基站之间的距离和角度，得到标签的三维位置，再通过射频模块处理后将标签的三维位置通过单个基站传输给监控服务台进行存储；

步骤s32：标签开始工作后，射频模块处理后的标签位置合成轨迹发送到监控服务台。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤s4具体包括以下步骤：

步骤s41：物体发出的热辐射触动标签远红外测光模块中的at89c51单片机，在显示屏上读出温度数据并将数据传到监控服务台进行存储；

步骤s42：标签在三维空间运动时，标签上的采集模块对标签周围的风量、风速、瓦斯气体以及pm2.5粉尘进行采集测量，再将采集到的信息读在显示屏上并且通过单个基站传给监控服务台。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤s5中：标签上的采集模块所检测的远红外光、风量、风速、瓦斯气体、pm2.5粉尘若为危险联动源信息，若检测到的危险联动源信息数据值超出正常范围值时，危险联动源信息会快速通过单个基站传输进行报警。

工作原理：

1.本发明是一种基于uwb技术的无线定位监控系统及方法，采用单个基站天线阵列超宽带无线定位算法，将天线阵列归一化为6单元圆形阵列，即6面定向天线组成的天线阵列覆盖360°空间，再联合toa定位技术和aoa定位技术精准测定标签的三维位置。

2.将检测到标签的三维位置通过与天线阵列连接的射频模块处理后传输到监控服务台做存储，标签工作时发出的不间断的脉冲信号合成标签轨迹，可做轨迹回放功能。

3.与标签连接的采集模块包括远红外测光模块、风量、风速传感器、瓦斯气体传感器、pm2.5粉尘传感器，物体发出的热辐射触动标签远红外测光模块中的at89c51单片机，在显示屏上读出温度数据并将数据传到监控服务台进行存储；标签在三维空间运动时，标签上的采集模块对标签周围的风量、风速、瓦斯气体以及pm2.5粉尘进行采集测量，再将采集到的信息读在显示屏上并且通过单个基站传给监控服务台。标签上的采集模块所检测的远红外光、风量、风速、瓦斯气体、pm2.5粉尘若为危险联动源信息，若检测到的危险联动源信息数据值超出正常范围值时，依靠uwb技术传输速率极高的优点，危险联动源信息会快速通过单个基站传输进行报警。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明采用uwb技术单个基站天线阵列超宽带无线定位算法，使用单个基站便可以测得标签的三维位置，系统复杂度低，方便了整个系统的安装和部署；

(2)本发明采用uwb技术的无线定位监控系统，具有低功耗、抗多径效果好、安全性高、传输效率高的优点；

(3)本发明采用天线归一化，天线阵列覆盖360°空间，并且联合toa定位技术和aoa定位技术使标签的三维位置更加精准；

(4)本发明解决技术人员施工的安全和监控管理问题。

附图说明

图1为本发明系统硬件框图；

图2为本发明射频模块工作框图；

图3为本发明天线阵列的单个基站超宽带无线定位方法示意图；

图4为本发明天线阵列理想方向；

图5为本发明天线阵列归一化增益示意图；

图6为本发明采集模块工作流程图；

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

本发明通过下述技术方案实现，如图1所示，包括单个基站、天线、与天线连接的射频模块、监控服务台、标签、分别与标签连接且用于检测危险联动源的采集模块和显示屏；所述天线、监控服务台、标签分别与单个基站连接；所述采集模块包括远红外测光模块、风量、风速传感器、瓦斯气体传感器、pm2.5粉尘传感器。

需要说明的是，通过上述改进，本发明基于uwb技术采用单个基站天线阵列超宽带无线定位算法，将天线阵列归一化为6单元圆形阵列，即6面定向天线组成的天线阵列覆盖360°空间，再联合toa定位技术和aoa定位技术精准测定标签的三维位置，实际使用中可以采用四天线、八天线或十天线系统。将检测到标签的三维位置通过与天线阵列连接的射频模块处理后传输到监控服务台进行存储，标签工作时发出的不间断的脉冲信号合成标签轨迹，可做轨迹回放功能。与标签连接的采集模块包括远红外测光模块、风量、风速传感器、瓦斯气体传感器、pm2.5粉尘传感器，物体发出的热辐射触动标签远红外测光模块中的at89c51单片机，在显示屏上读出温度数据并将数据传到监控服务台进行存储；标签在三维空间运动时，标签上的采集模块对标签周围的风量、风速、瓦斯气体以及pm2.5粉尘进行采集测量，再将采集到的信息读在显示屏上并且通过单个基站传给监控服务台。标签上的采集模块所检测的远红外光、风量、风速、瓦斯气体、pm2.5粉尘若为危险联动源信息，若检测到的危险联动源信息数据值超出正常范围值时，依靠uwb技术传输速率极高的优点，危险联动源信息会快速通过单个基站传输进行报警。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例2：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图2所示，所述射频模块包括射频交换器、cpu以及基带模块；所述射频交换器和基带模块分别与cpu连接。

需要说明的是，通过上述改进，增加无线设备的射频发射动态范围，提升射频接收灵敏度，提升系统信号接受性能；通过增加射频基带，提升设备抗干扰能力，增强设备发射杂散抑制，提高设备的电磁兼容性；射频模块采用新构架射频交换器，简化收发机架构，减小设备体积和功耗，提高设备集成度。射频器的射频接头通过天线将射频信号收下通过射频开关切换到接收机通道，进入射频低噪声放大器，完成对信号的第一次放大，放大后信号通过射频接收带通滤波器进行射频滤波，再进入射频接收链路增益模块进行增益调整，然后通过接收端口进入射频芯片，进行芯片内部的放大滤波、射频下变频、模数转换，最后对数字信号进行解调操作后通过射频芯片的数字接口送给后级系统处理。在具体应用过程中，可根据条件选择将射频接收链路增益为模块旁路。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例3：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，所述远红外测光模块包括远红传感器、at89c51单片机、同相放大器、二极管温度补偿电路、a/d转换器；所述远红传感器、同相放大器、二极管温度补偿电路、a/d转换器分别与at89c51单片机相连。

需要说明的是，通过上述改进，电站对光热值有严格的要求，若温度太高烧坏仪器容易引发电站火灾，本发明检测的信号源为红外光源，同相放大器用于将远红传感器传来的点信号放大、以及滤波；a/d转换器用于将从放大电路出来的模拟信号转换为数字信号传送给at89c51单片机处理。单片机处理后的信息通过与标签连接的显示屏上进行显示，随时测量电站的红外温度，避免仪器烧坏甚至发生火灾。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例4：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图1-图3所示，所述标签、采集模块、显示屏的数量均为多个，一个显示屏、一个采集模块分别与一个标签连接。

需要说明的是，通过上述改进，目前所用的uwb定位系统使用4个以上的参考单个基站来确定一个标签的三维位置，为提高精度，所有的单个基站使用时钟电缆互联以保持精确的时间同步，但多单个基站的定位系统中存在2个主要的问题：1)高精度的同步时钟要求：如果采用toa定位技术，则要求参考单个基站之间以及参考单个基站与标签之间精确的时钟同步；如果是采用tdoa定位则要求参考单个基站之间精确的时钟同步。2)由于多个单个基站之间需要精确的时钟同步，所以目前采用的主要方法是通过有线连接多个不同的参考单个基站，因此给系统安全部署带来很大的困难。本发明采用uwb技术单个基站天线阵列超宽带无线定位算法，实现单个基站对应多个标签，节省建设单个基站所需的安装和部署。将天线阵列归一化为6单元圆形阵列，即6面定向天线组成的天线阵列覆盖360°空间，通过射频处理后能增大单个基站连接标签的范围，并且每个标签都与采集模块相连，监控服务台能收到每个工作标签的采集信息。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例5：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图1-图6所示，包括单个基站、天线、与天线连接的射频模块、监控服务台、标签、分别与标签连接且用于检测危险联动源的采集模块和显示屏；所述天线、监控服务台、标签分别与单个基站连接；所述采集模块包括远红外测光模块、风量、风速传感器、瓦斯气体传感器、pm2.5粉尘传感器。所述射频模块包括射频交换器、cpu以及基带模块；所述射频交换器和基带模块分别与cpu连接。所述远红外测光模块包括远红传感器、at89c51单片机、同相放大器、二极管温度补偿电路、a/d转换器；所述远红传感器、同相放大器、二极管温度补偿电路、a/d转换器分别与at89c51单片机相连。所述标签、采集模块、显示屏的数量均为多个，一个显示屏、一个采集模块分别与一个标签连接。

需要说明的是，通过上述改进，本发明基于uwb技术采用单个基站天线阵列超宽带无线定位算法，将天线阵列归一化为6单元圆形阵列，即6面定向天线组成的天线阵列覆盖360°空间，再联合toa定位技术和aoa定位技术精准测定标签的三维位置，实际使用中可以采用四天线、八天线或十天线系统。增加无线设备的射频发射动态范围，提升射频接收灵敏度，提升系统信号接受性能；通过增加射频基带，提升设备抗干扰能力，增强设备发射杂散抑制，提高设备的电磁兼容性；射频模块采用新构架射频交换器，简化收发机架构，减小设备体积和功耗，提高设备集成度。射频器的射频接头通过天线将射频信号收下通过射频开关切换到接收机通道，进入射频低噪声放大器，完成对信号的第一次放大，放大后信号通过射频接收带通滤波器进行射频滤波，再进入射频接收链路增益模块进行增益调整，然后通过接收端口进入射频芯片，进行芯片内部的放大滤波、射频下变频、模数转换，最后对数字信号进行解调操作后通过射频芯片的数字接口送给后级系统处理。在具体应用过程中，可根据条件选择将射频接收链路增益为模块旁路。将检测到标签的三维位置通过与天线阵列连接的射频模块处理后传输到监控服务台做存储，标签工作时发出的不间断的脉冲信号合成标签轨迹，可做轨迹回放功能。与标签连接的采集模块包括远红外测光模块、风量、风速传感器、瓦斯气体传感器、pm2.5粉尘传感器，电站对光热值有严格的要求，若温度太高烧坏仪器容易引发电站火灾，本发明检测的信号源为红外光源，同相放大器用于将远红传感器传来的点信号放大、以及滤波；a/d转换器用于将从放大电路出来的模拟信号转换为数字信号传送给at89c51单片机处理。单片机处理后的信息通过与标签连接的显示屏上进行显示，随时测量电站的红外温度，避免仪器烧坏甚至发生火灾。物体发出的热辐射触动标签远红外测光模块中的at89c51单片机，在显示屏上读出温度数据并将数据传到监控服务台进行存储；标签在三维空间运动时，标签上的采集模块对标签周围的风量、风速、瓦斯气体以及pm2.5粉尘进行采集测量，再将采集到的信息读在显示屏上并且通过单个基站传给监控服务台。标签上的采集模块所检测的远红外光、风量、风速、瓦斯气体、pm2.5粉尘若为危险联动源信息，若检测到的危险联动源信息数据值超出正常范围值时，依靠uwb技术传输速率极高的优点，危险联动源信息会快速通过单个基站传输进行报警。

实施例6：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图1-图6所示，一种基于uwb技术的无线定位监控方法，具体包括以下步骤：步骤s1：在标签与单个基站定位之前，使用单个基站同步头让标签和单个基站的时间同步；步骤s2：使用带天线的单个基站通过toa定位技术测量标签与单个基站之间的距离，再通过aoa定位技术测出标签发送脉冲到达单个基站的角度；步骤s3：获得标签到单个基站的距离和角度，从而获得标签的三维位置，并将标签的三维位置信息和标签轨迹通过单个基站存储在监控服务台中；步骤s4：通过与标签连接的采集模块来检测危险联动源，将检测到的信息通过单个基站传给监控服务台并在与标签连接的显示屏上显示；步骤s5：若当危险联动源的信息值超出正常范围值时，危险联动源信息会快速通过单个基站传输进行报警。

需要说明的是，通过上述改进，单个基站同步头与工作标签的每个接受窗之间间隔1ms，收到一个同步头的标签仍然不断监听直到收到另一个同步头；由标签检测得到的同步头的时间和参考单个基站产生的两个同步头的时间之比得到标签与单个基站之间的时钟频率。将天线阵列归一化为6单元圆形阵列，即6面定向天线组成的天线阵列覆盖360°空间，实际使用中可以采用四天线、八天线或十天线系统；系统工作时依次使uwb信号通过各个天线接收通道进入系统，uwb信号被天线接收后，通过射频模块对其进行放大、滤波、ad量化后送到cpu进行处理，cpu主要完成信号的检测、方向估算和开关控制的功能，天线阵列通过6到1的射频模块处理后与单个基站相连；所述单个基站通过测量脉冲从单个基站到标签、再从标签反射回单个基站、减去单个基站与标签内部电路处理时间所用的总时长，从而确定标签与单个基站之间的距离；通过比较当前各个天线中最大的两个天线的信号幅度，进而使用aoa定位技术得到标签角度，使定位更加精准。假设按照图4所示的角度，即x轴正方向为0°，逆时针旋转为正方向，第0、1、2、3、4、5号天线波束的轴线角分别为0、60°、2*60°、3*60°、4*60°、5*60°。假设每个天线具有一致的幅度特性，其方向图对应的函数为f(θn×60)，各天线归一化增益图如图5所示。可以看出在每个30°的区间内，均有2个最强的天线即可得到标签发射脉冲到达单个基站的角度。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例7：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图4-图5所示，通过比较当前各个天线中最大的两个天线的信号幅度，进而使用aoa定位技术得到标签角度。

需要说明的是，通过上述改进，aoa是到达角度测距的英文angle-of-arrival的缩写，基于信号到达角度的定位算法是一种典型的基于测距的定位算法，通过某些硬件设备感知发射节点信号的到达方向，计算接收节点和锚节点之间的相对方位或角度，然后再利用三角测量法或其他方式计算出未知节点的位置。aoa算法通信开销低，定位精度较高基于脉冲幅度比值对aoa进行估值。为了方便分析，以高斯型的方向图为例进行分析，假设uwb信号入射方向角为θ，此时第n个天线方向图可表示为：

式中：θ0为天线波束的轴线间距，k是与功率波束宽度有关的一个常量。

假设uwb信号到达2个天线处的幅度是a，则n号天线和(n-1)号天线接收到的信号幅度分别为：

设信号幅度比值为r：

即：

综合上式可得到标签发射脉冲到达单个基站的角度：

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例8：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图6所示，所述标签在三维空间运动时，标签上的采集模块对标签周围的风量、风速、瓦斯气体以及pm2.5粉尘进行采集测量，再将采集到的信息读在显示屏上并且通过单个基站传给监控服务台。标签上的采集模块所检测的远红外光、风量、风速、瓦斯气体、pm2.5粉尘若为危险联动源信息，若检测到的危险联动源信息数据值超出正常范围值时，危险联动源信息会快速通过单个基站传输进行报警。

需要说明的是，通过上述改进，危险源检测模块可将检测到的远红外光、风量、风速、瓦斯气体、pm2.5粉尘通过uwb通信电路、视频模块和天线传送给单个基站，然后再传给监控服务台做存储。若检测到的信息值超过了标准范围值，则会触动显示屏和监控服务台的警报系统。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例9：

本实施例为本发明控制方法的最佳实施例，如图1-图6所示，一种基于uwb技术的无线定位监控方法，具体包括以下步骤：步骤s1：在标签与单个基站定位之前，使用单个基站同步头让标签和单个基站的时间同步；步骤s2：使用带天线的单个基站通过toa定位技术测量标签与单个基站之间的距离，再通过aoa定位技术测出标签发送脉冲到达单个基站的角度；步骤s3：获得标签到单个基站的距离和角度，从而获得标签的三维位置，并将标签的三维位置信息和标签轨迹通过单个基站存储在监控服务台中；步骤s4：通过与标签连接的采集模块来检测危险联动源，将检测到的信息通过单个基站传给监控服务台并在与标签连接的显示屏上显示；步骤s5：若当危险联动源的信息值超出正常范围值时，危险联动源信息会快速通过单个基站传输进行报警。

通过比较当前各个天线中最大的两个天线的信号幅度，进而使用aoa定位技术得到标签角度。所述标签在三维空间运动时，标签上的采集模块对标签周围的风量、风速、瓦斯气体以及pm2.5粉尘进行采集测量，再将采集到的信息读在显示屏上并且通过单个基站传给监控服务台。

标签上的采集模块所检测的远红外光、风量、风速、瓦斯气体、pm2.5粉尘若为危险联动源信息，若检测到的危险联动源信息数据值超出正常范围值时，危险联动源信息会快速通过单个基站传输进行报警。

需要说明的是，通过上述改进，单个基站同步头与工作标签的每个接受窗之间间隔1ms，收到一个同步头的标签仍然不断监听直到收到另一个同步头；由标签检测得到的同步头的时间和参考单个基站产生的两个同步头的时间之比得到标签与单个基站之间的时钟频率。将天线阵列归一化为6单元圆形阵列，即6面定向天线组成的天线阵列覆盖360°空间，实际使用中可以采用四天线、八天线或十天线系统；系统工作时依次使uwb信号通过各个天线接收通道进入系统，uwb信号被天线接收后，通过射频模块对其进行放大、滤波、ad量化后送到cpu进行处理，cpu主要完成信号的检测、方向估算和开关控制的功能，天线阵列通过6到1的射频模块处理后与单个基站相连；所述单个基站通过测量脉冲从单个基站到标签、再从标签反射回单个基站、减去单个基站与标签内部电路处理时间所用的总时长，从而确定标签与单个基站之间的距离；通过比较当前各个天线中最大的两个天线的信号幅度，进而使用aoa定位技术得到标签角度，使定位更加精准。假设按照图4所示的角度，即x轴正方向为0°，逆时针旋转为正方向，第0、1、2、3、4、5号天线波束的轴线角分别为0、60°、2*60°、3*60°、4*60°、5*60°。假设每个天线具有一致的幅度特性，其方向图对应的函数为f(θn×60)，各天线归一化增益图如图5所示。可以看出在每个30°的区间内，均有2个最强的天线即可得到标签发射脉冲到达单个基站的角度。基于信号到达角度的定位算法是一种典型的基于测距的定位算法，通过某些硬件设备感知发射节点信号的到达方向，计算接收节点和锚节点之间的相对方位或角度，然后再利用三角测量法或其他方式计算出未知节点的位置。aoa定位技术算法通信来销低，定位精度较高基于脉冲幅度比值对aoa进行估值。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。