本发明涉及无线定位技术，特别是一种机车生产车间室内人员和设备无线定位系统及其工作方法。
背景技术
随着我国轨道交通系统的迅猛发展以及中国制造2025战略背景下的智能工厂数量增加，使得人员和设备的高效管理成为发展需求。目前市面上多采用低、高频无源rfid设备采集人员设备信息，根据三边测量算法测算人员设备具体位置，并通过有线网络或wifi网络将位置信息传送到智能终端。目前市面上机车生产车间中对人员设备的定位主要依靠低、高频无源rfid电子标签。低、高频电子标签频率低，存在读写距离近、传输速率低等缺点，在大型工厂中使用时，读写器需求量大，无形中增加了设备成本，不适合在大型工厂中推广使用。数据传输方面，有线网络线缆复杂，不适合复杂的厂区环境，wifi虽然无需布置线缆，但是覆盖区域较小，无法对庞大的厂区实现有效的覆盖，也存在一定的缺陷。
技术实现要素：
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种成本低、覆盖范围广、传输速率快、定位精度高的机车生产车间室内人员和设备无线定位系统及其工作方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
机车生产车间室内人员和设备无线定位系统，包括信息采集模块、定位模块、无线传输模块和智能显示模块；所述的信息采集模块依次与定位模块、无线传输模块和智能显示模块双向连接；
所述的信息采集模块包括采集微控单元和射频模块，用于对人员以及设备定位跟踪的数据采集。所述的采集微控单元与射频模块连接，所述的射频模块采用cc1110射频芯片。所述的采集微控单元对射频模块进行控制，处理rfid读写器发送的无线电载波信号。
所述的定位模块包括rfid读写器、定位lora模块和定位微控单元，所述的定位微控单元分别与rfid读写器和定位lora模块连接。rfid读写器使用一种改进的dv-hop算法，改进的dv-hop算法通过计算多个平均跳距的适应度，选取最优的平均跳距，再对最优的平均跳距进行多次迭代，从而寻找出最终的最优跳距，缩短最优跳距误差，将人员和设备的位置信息误差缩短至0.8m。所述的定位lora模块负责与无线传输模块的lora模块通信，传输采集到的人员设备信息：所述的定位微控单元负责处理rfid读写器读取到的rfid电子标签信息，并对数据进行处理，使用改进算法定位人员设备位置。所述的rfid读写器负责读取rfid电子标签携带的人员设备信息，并对数据进行解调解码，将rfid电子标签携带的信息传送到定位微控单元。
所述的无线传输模块包括lora无线模块和传输微控单元，无线传输模块负责定位模块与智能显示模块间的数据传输。所述的无线传输模块采用lorawan协议的otaa入网机制实现定位模块的自动入网。
所述的智能显示模块包括智能终端、大屏幕和移动终端，通过建立准确的人员设备状态判定算法和友好的人机界面实现厂区人员及设备的跟踪和管理。
进一步地，所述的采集微控单元、定位微控单元和传输微控单元为意法半导体生产的高频stm32f407基于m4内核的微控制器。
进一步地，所述的信息采集模块、定位模块和无线传输模块均包括独立的电源模块。
进一步地，所述的rfid有源电子标签为高频中长距离板载rfid有源标签。
机车生产车间室内人员和设备无线定位系统的工作方法，包括以下步骤：
a、系统初始化。
b、rfid读写器发送无线电载波信号，对rfid读写器进行配对。
c、rfid电子标签被激活，向rfid读写器发送人员设备信息。
d、rfid读写器对接收到的数据进行识别，若数据格式正确，则对数据进行解调解码；若数据错误，则放弃数据，从rfid电子标签重新接收。
e、定位微控制器对rfid读写器的解码信息进行处理，得到人员设备具体位置。
f、定位微控制器将人员设备信息发送到无线传输模块。
g、无线传输模块对接收到的数据进行识别，若数据格式正确，则对数据进行解调解码；若数据错误，则放弃数据，从定位模块重新接收。
h、无线传输模块将厂区信息与接收到的人员设备信息合并，并加入同步码和效验码封装成帧。
i、无线传输模块将信息发送至智能显示模块上，并进行显示。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、由于本发明的便携式信息采集设备由uhfrfid有源电子标签(cc1110射频芯片)组成。与传统的低高频电子标签相比，uhfrfid电子标签传输速率快，通过布置高频天线能够实现3～5米远距离采集信息，电子标签覆盖范围显著提升，在不影响现场生产的同时实时采集信息，非常适用于厂区生产线现场。
2、由于本发明的无线传输模块是由lora模块组建的免费频段的自组网络，通过组建lorawan网络拓扑结构，在减少网络成本的同时，实现1千米甚至几千米的传输距离，充分适应工厂环境的需求。
3、本发明由意法半导体生产的高频stm32f407基于m4内核的微控制器、高频中长距离板载rfid有源标签、rfid读写器和中长距离的lora组网结构组成了有别于传统定位系统的新系统。本发明使用改进的dv-hop算法将人员、设备的位置信息误差缩短至0.8米左右，定位精度大幅度提高。通过lora网络拓扑结构，将lora网络的传输距离拓展至1千米甚至几千米，将设备、人员定位信息从lora终端节点传入lora网关，再传入lora服务器，即网络运营服务器。最终传到用户应用服务器。数据中心不仅可以对该信息进行大数据分析，制定出合理的人员划分，规划出合理生产工序，而且能够时刻监测贵重设备的位置，有效的避免了贵重设备的流失，本发明对我国列车制造业迈向智能化生产、可视化监测具有重大意义，符合现代铁路生产智能化的发展方向。
附图说明
图1是本发明的组成结构示意图。
图2是标签信息采集流程图。
图3是改进dv-hop算法流程图。
图4是lora网络拓扑结构图。
图5是otaa入网机制流程图。
图6是数据传输流程图。
图7是本发明的工作方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。
图1是终端结构图。信息采集模块通过rfid电子标签采集位各个工位的人员、设备信息。每个信息采集模块可以检测多个rfid电子标签的信息。rfid读写器接收uhfrfid电子标签传输的数据进行处理融合，通过改进的dv-hop算法对人员设备进行定位。再利用由lora模块和传输微控单元组成的无线传输模块将信息反馈到终端智能显示模块中，供工作人员通过监测、查询、决策、操作等操作进行具体处理。
图2是标签信息采集流程图。本发明通过工作人员随身携带别便携式设备获将uhfrfid电子标签贴在设备上完成对人员、设备定位。通过在固定工位设立定位模块，读取uhfrfid电子标签获取人员、设备信息。定位模块每两秒采集工作一次，如果没有标签数据，继续等待。如果采集到标签数据，会对标签进行识别。如发现错误，丢弃，如果正确则提取标签内的信息，加入台位信息，加入帧头，构成一个完整的帧。然后发送至中继。采集过程完成。
图3是改进的dv-hop算法流程图。经典dv-hop节点算法的基础思路是先使用距离矢量路由法计算出目标节点的跳数，进而测量出待估节点和锚节点的间距，再利用各个节点坐标的计算方案对待估节点进行定位坐标估计。由于经典dv-hop算法误差较大，所以本发明从跳距方面进行改进，当锚节点第一次计算出平均跳距的时候，计算多个平均跳距的适应度，求解出平均跳距的最优解，多次迭代，计算出最终的最优平均跳距，然后将最优的平均跳距广播出去，作为未知节点选取锚节点的标准，缩小由平均跳距引起的误差，提高定位精度。
图4是lorawan网络拓扑结构图。本发明根据厂区范围较大、传输距离需求较高的特点，采用lora模块组建自组网络。通过组建lorawan网络拓扑结构，将lora网络的传输距离拓展至1千米甚至是几千米。较传统的近距离wifi网络相比，lora网络具有传播距离远、频段免费和功率低等优势，在节约维护成本的同时，提高了传输效率。
lorawan网络拓扑结构主要由终端(内置lora模块)、网关(或称基站)、服务器和云四部分组成，应用数据可双向传输。本发明的网络架构中，lora网关是一个透明的中继、连接前端终端设备和后端中央服务器。网关与服务器通过标准ip连接，而终端设备采用单跳与一个或多个网关通信，所有的节点均是双向通信。本发明采用星型lorawan网络架构。星型是lora无线组网模块典型的组网模式，运行控制协议与物联网功能均已经集成在组网模块之中，即插即用，用户无需进行复杂的协议开发和设定。
图5是otaa入网机制流程图。本发明采用otaa(over-the-airactivation)入网机制实现信息采集模块的自动入网。otaa是lorawan的一种空中入网方式。当node在上电的时候处于非入网状态时，需要先入网才能和服务器进行通信。其操作就是node发送join_requestmessage，请求入网，然后服务器同意入网，并且返回join-acceptmessage，node再对信息进行解析，获取通信参数，之后就可以和服务器通信了。
otaa方式入网的node，在刚上电的时候，是不处于入网状态的，此时就需要进行入网操作。流程如下：
1.node发送入网请求，即join_requestmessage；
2.gw收到node的数据，上传给服务器；
3.服务器收到入网请求，同意入网，并且将设备在服务器注册，建立长地址与短地址之间的联系，生成通讯密钥，将通讯密钥的参数打包下发给gw，即join-acceptmessage；
4.gw收到服务器的数据，下发给node；
5.node根据下发的数据包，得到devaddr、appskey、nwkskey。
图6是数据传输流程图。当定位模块读取了rfid电子标签的内容后，将数据发送给定位微控单元(mcu)进行处理，定位微控单元会在数据帧中加入该台位的编号信息。由经过处理后，通过无线传输模块发送至智能显示模块。
采集工作完成后，就要进行对数据帧的传输，每个台位通过自己的发射模块，将帧通过lora自组网络发送给中继，中继收到帧后，先要识别是否是有效的信息，如果不是，丢弃。如果信息有效，在帧里加入自己的厂区标号，重新封装为一个新帧。再通过自己的无线模块发送至pc终端。
表1数据帧结构图
表1是数据帧结构示意图。表1是本发明设计的一种新型的数据帧结构，用于rfid电子标签的信息传递。该数据帧结构包括同步码、模拟数据、数字信息、逻辑信息和crc效验码。具体如下：
①同步码：使接收设备与数据进行同步，防止数据丢失。
②模拟数据：便携式设备的电压电流变化。
③数字信息：rfid所携带的数字信息。
④逻辑信息：便携式设备的开断。
⑤crc效验码：检测数据帧错误。
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。