一种基于UWB技术的安全防控系统的制作方法

本发明涉及信号定位和电力安全技术领域，尤其涉及一种基于uwb技术的安全防控系统。

背景技术：

随着工业化和城市化进程的加快，电网每天的施工点在急速增加。电力作业是一项风险极高的工作，工作人员的人身安全一直是电网公司关注的重点。而由于电力作业的复杂性以及技术、管理等的不到位，导致安全隐患多且事故频发，如误入带电区域、不规范作业等。另一方面，目前电力作业安全管控多采用人工观察的方式，由于作业点多面广，增加了管控难度以及人员、设备的监管难度，而控制作业实践活动中的危险源是建立现场安全防控的关键。因此，人员精确定位及安全监管的需求越来越强烈。

超宽带(uwb)技术是近年来新兴的一项先进技术，被认为是将来短距离无线通信领域的主流技术。超宽带技术不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过收发具有纳秒或纳秒以下的极窄脉冲来传输数据，能在覆盖范围内实现数百mbit/s至数gbit/s的数据传输速率。除此之外，uwb信号具有抗干扰性强、发送功率非常小、安全性高等优点，这使其相比其他定位技术如wifi、rfid等更有优势。

虽然目前市面上已存在基于uwb的定位设备，但其功能较为单一，不能检测电力环境参数以及人员的生理指标，达不到预期目的；另外，定位系统结构复杂，需要布置中心管理计算机，在uwb信号覆盖范围内，uwb信号仅仅用于定位，而标签、基站与服务器之间的数据传输却要使用其他传输技术如wifi、zigbee、lora等，这无疑降低了系统的布置速度，增加了系统结构复杂性和成本，且灵活性非常低，难以应用于实际作业环境中。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决电力作业环境中的人员安全监管问题，提供一种基于uwb技术的安全防控系统。本发明具有定位准确、多功能、监管效果好以及系统布置简单灵活的优点。

本发明的目的能够通过以下技术方案实现：

一种基于uwb技术的安全防控系统，包括微基站、微网关基站、电子标签、后台服务器和显示器。所述电子标签、微基站和微网关基站使用uwb信号构成uwb局域网；电子标签、微基站和微网关基站通过uwb局域两两相连；

所述微基站包括收发天线、uwb信号处理单元、中央控制单元、电源管理模块和指示灯；所述uwb信号处理单元一端与收发天线相连接，另一端与中央控制单元相连接；电源管理模块用于为微基站提供电能；指示灯用于显示微基站的工作状态。

微网关基站包括微基站、wifi模块和以太网口；wifi模块和以太网口用于将所述uwb局域网内部数据上传到外部网络，以及将外部网络数据下发到所述uwb局域网内部。微网关基站通过无线wifi或有线以太网与后台服务器的通信收发端口相连接。

电子标签包括收发天线、uwb信号处理单元、中央处理单元、电源管理模块、六轴传感器模块、语音指示模块、电压检测模块和生理指标检测模块；其中，uwb信号处理单元一端与收发天线相连接，另一端与中央控制单元相连接；六轴传感器模块、语音指示模块、电压检测模块和生理指标检测模块分别与中央控制单元相连接；电源管理模块用于为电子标签提供电能。六轴传感器模块用于检测人员的加速度矢量参数和姿态角，补偿uwb定位误差，提高定位精度。语音指示模块使用语音合成模块，用于向人员输出警告语音和指示语音。电压检测模块可选用电场测量模块或近点感应模块，用于测量佩戴人员周围电力环境的电压值，作为安全防控判断指标之一。生理指标检测模块，可选用心率测量模块，用于检测佩戴人员的健康状态是否正常，作为安全防控判断指标之一。

后台服务器用于存储微网关基站上传的数据，为相关监管人员分发对应作业环境的监管数据，并且负责转发监管人员下发的指令到指定作业环境的微网关基站，再由微网关基站通过uwb局域网发送到相关微基站或电子标签。

显示器用于通过访问后台服务器获取指定作业环境的管控数据和下发指令，或者通过直接访问微网关基站获取当前作业环境的管控数据和下发指令。

在本发明中，微基站和微网关基站布置在电力作业监管环境中；电子标签由电力人员携带，用于对人员进行实时定位和安全指标参数的检测；

进一步地，所述收发天线为全向天线，用于接收和发送uwb无线信号；收发天线为内置天线，能够减小电子标签的尺寸。

进一步地，所述微基站中的电源管理模块包括锂电池、充电模块和交流转直流模块；交流转直流模块用于将市电转换为直流电，为电源管理器模块提供电能。当微基站接入市电时，由市电为微基站提供电能，同时对锂电池进行充电；当微基站未接入市电时，由锂电池为微基站提供电能。

进一步地，微网关基站中的wifi模块、以太网口支持热插拔；当微网关基站拔掉wifi模块和以太网口后，即切换为所述微基站；反之，微基站插入wifi模块和以太网口后即可切换为微网关基站。

进一步地，所述电子标签中的电源管理模块包括锂电池、充电模块和usb接口；充电模块一端与锂电池连接，另一端与usb接口连接。当usb接口接入外部电源时，由外部电源为电子标签提供电能，同时为锂电池充电；当usb没有接入外部电源时，由锂电池为电子标签提供电能。

具体地，所述安全防控系统工作过程为：

微基站和微网关基站开机工作，并自动组建uwb局域网。微网关基站借助wifi或以太网口从服务器端下载作业环境的危险区域分布图、基站布局图、权限区域图等数据信息，并通过uwb局域网分发给局域网中的各个设备如微基站和微网关基站。然后微基站和微网关基站处于待机状态，等待电子标签的数据请求或者下发服务器的相关数据信息到指定电子标签。

电子标签工作时先扫描一次uwb局域网，检查电子标签内部存储器保存的数据版本是否与当前作业环境的危险区域分布图、作业环境基站布局图和权限区域图等信息相一致；若版本不一致，则从微网关基站处下载最新的作业环境信息，并保存在存储器中。电子标签实时监测人员周围环境的电压值、自身生理指标参数，通过扫描uwb局域网得到周围所有微基站和微网关基站的运行状态信息，然后选择周边1～4个微基站发送定位请求信息，根据被选择微基站的应答信息，计算出电子标签与所选择1～4个微基站的物理距离，然后基于最小误差准则计算出电子标签的位置坐标，结合所述电压值、生理指标参数、危险区域分布图和权限区域图评估自身安全指标，若评估得到的安全指标低于指定阈值，语音指示模块则会报警，并根据作业环境布局图指示作业人员撤离路径。此外电子标签通过uwb局域网，将前面检测到的电压值、生理指标参数、坐标参数、安全指标和身份信息打包发送到微网关基站，再由微网关基站发送到服务器，监管人员使用显示器从服务器处获取数据即可实时监控现场作业情况。并且监管人员可以通过显示器下发指令到服务器，再由服务器发给微网关基站，最后由微网关基站根据指令类型通过uwb局域网下发到指定的设备，再由指定设备执行具体指令。

更进一步地，所述uwb局域网的组建方法基于严格的投票策略，即一个未加入uwb局域网的设备，只有在获得周围所有已加入uwb局域网的其他设备(包括微基站和微网关基站)的许可后才能接入uwb局域网。

本发明相较于现有技术，具有以下的有益效果：

1、本发明在uwb信号覆盖范围内，所述uwb信号既用于定位，也用于构建局域网传输网络数据，能够减小其它网路传输模块的使用，降低了设备结构复杂度、成本和占用空间，同时uwb信号是最新的通信技术，传输带宽很高，这大大增加了系统的数据传输速度。

2、本发明采用自组网算法将各设备联系起来，可以实现动态增加、移除、改动设备而系统功能不受影响，增加了系统的灵活性和稳定性，而且由于各设备间基于无线组网连接，省去了系统布线的工作，降低了系统的布置难度，提高布置速度。

3、本发明中电子标签根据微基站网络状态自动选择周边基站进行定位交互，并不需要人工提前将基站分区，增加定位的灵活性和基站布置位置的灵活性，同时，电子标签还会检测环境电压参数、人员生理指标参数作为安全防控的判断指标之一，有效降低系统的误判率，同时为监管人员提供更多的参考数据。

4、本发明中借助微网关基站作为uwb局域网和外部网络交互的桥梁，可实现监管人员的远程监控和下达指令。此外，监管人员即可通过服务器远程监管，也可以通过微网关基站现场监管。本防控设备及系统可独立于后台服务器正常工作，增加了监管的操作灵活性。

5、本发明基于ubw信号组建了uwb局域网，也可作为其它设备数据的传输网络，比如传输现场设备运行数据等，从而也省去了因为增加其它设备而需布置传输网络的负担。

附图说明

图1为本实施例中基于uwb技术的安全防控设备及系统的系统结构示意图；

图2为本实施例中微基站的结构示意图；

图3为本实施例中微网关基站的结构框图；

图4为本实施例中电子标签的结构框图。

图中，100—微基站；200—微网关基站；300—电子标签；400—服务器；500—显示器；110—中央控制单元；120—uwb处理单元；130—收发天线；140—电源管理模块；141—锂电池；142—充电模块；143—交流转直流模块；150—指示灯；210—以太网口；220—wifi模块；310—中央控制单元；320—uwb处理单元；330—收发天线；340—六轴传感器；350—语音指示模块；360—电压检测模块；370—生理指标检测模块；380—电源管理模块；381—usb接口；382—充电模块；383—锂电池。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示为一种基于uwb技术的安全防控系统的结构示意图，包括微基站100、微网关基站200、电子标签300、后台服务器400和显示器500。所述电子标签、微基站和微网关基站使用uwb信号基于自组网算法构成uwb局域网；电子标签、微基站和微网关基站通过uwb局域两两相连；微网关基站通过无线wifi或有线以太网与后台服务器的通信收发端口相连接。

如图2所示为微基站的结构示意图，所述微基站包括收发天线130、uwb信号处理单元120、中央控制单元110、电源管理模块140和指示灯150；所述uwb信号处理单元一端与收发天线相连接，另一端与中央控制单元相连接；中央控制单元用于控制uwb处理单元传输相关数据；电源管理模块用于为微基站提供电能；指示灯用于显示微基站的工作状态。

所述微基站中的电源管理模块包括锂电池141、充电模块142和交流转直流模块143；交流转直流模块用于将市电转换为直流电，为电源管理器模块提供电能。当微基站接入市电时，由市电为微基站提供电能，同时对锂电池进行充电；当微基站未接入市电时，由锂电池为微基站提供电能。

在本实施例中，uwb处理单元采用dw1000芯片，中央控制单元选用单片机或arm架构处理器等运行速度较快的计算单元，指示灯选用普通led灯，锂电池选用3.7v、2000mah的圆筒电池，交流转直流模块选用明纬电子的irm-05-5模块，用于将市电交流电220v转化为直流电5v。

如图3所示为微网关基站的结构示意图；所述微网关基站包括微基站100、wifi模块210和以太网口220；wifi模块和以太网口用于将所述uwb局域网内部数据上传到外部网络，以及将外部网络数据下发到所述uwb局域网内部。

微网关基站中的wifi模块、以太网口支持热插拔；当微网关基站拔掉wifi模块和以太网口后，即切换为所述微基站；反之，微基站插入wifi模块和以太网口后即可切换为网关基站。

在本实施例中，以太网口选用百兆网口或千兆网口，wifi模块选用zlsn联网模块。

如图4所示为电子标签的结构示意图；所述电子标签包括收发天线330、uwb信号处理单元320、中央处理单元310、电源管理模块380、六轴传感器模块340、语音指示模块350、电压检测模块360和生理指标检测模块370；其中，uwb信号处理单元一端与收发天线相连接，另一端与中央控制单元相连接；六轴传感器模块、语音指示模块、电压检测模块和生理指标检测模块分别与中央控制单元相连接；电源管理模块用于为电子标签提供电能。六轴传感器模块用于检测人员的加速度矢量参数和姿态角，补偿uwb定位误差，提高定位精度。语音指示模块使用语音合成模块，用于向人员输出警告语音和指示语音。电压检测模块可选用电场测量模块或近点感应模块，用于测量佩戴人员周围电力环境的电压值，作为安全防控判断指标之一。生理指标检测模块，可选用心率测量模块，用于检测佩戴人员的健康状态是否正常，作为安全防控判断指标之一。

所述电子标签中的电源管理模块包括锂电池383、充电模块382和usb接口381；充电模块一端与锂电池连接，另一端与usb接口连接。当usb接口接入外部电源时，由外部电源为电子标签提供电能，同时为锂电池充电；当usb没有接入外部电源时，由锂电池为电子标签提供电能。

在本实施例中，六轴传感器模块采用mpu6050模块，语音指示模块采用科大讯飞的语音合成模块，电压检测模块采用电场测量模块以及近电感应模块，生理指标检测模块选用光学心率传感器，中央控制单元采用体积较小、内部资源丰富的stm32单片机，用于计算电子标签的位置坐标、读取六轴传感器、电压检测模块、生理指标检测模块的数据，评估自身安全指标，并通过spi接口控制uwb处理单元接收和发送数据。uwb处理单元选用dw1000芯片，锂电池采用3.7v、1000mah的电池，usb接口采用普通的母头接口。

在本发明中，微基站和微网关基站布置在电力作业监管环境中；电子标签由电力人员携带，用于对人员进行实时定位和安全指标参数的检测；

电子标签评估人员安全指标时，当作业人员走进危险区域、所检测到的电压值过高、或则心率不在正常范围内，都会使计算出的安全指标值过低，然后电子标签会发出语音报警信息，并一方面将报警信息快速显示到监管人员的显示器上，由监管人员根据情况做具体的指示。另一方面，电子标签也会通过uwb局域网广播求救信号，由附近工作人员收到求救信号后快速到事发地点查看情况，并对事故人员援救。

所述报警信息和求救信号包括作业人员的身份信息、安全指标值、坐标值、心率值等信息，当其它作业人员携带的电子标签收到所述信息时，会通过语音的形式通知作业人员信息内容，并为其到达事发地点规划出最佳路径。

后台服务器用于存储微网关基站上传的数据，为相关监管人员分发对应作业环境的监管数据，并且负责转发监管人员下发的指令到指定作业环境的微网关基站，再由微网关基站通过uwb局域网发送到相关微基站或电子标签。

显示器用于通过访问后台服务器获取指定作业环境的管控数据和下发指令，或者通过直接访问微网关基站获取当前作业环境的管控数据和下发指令。

所述显示器可以是手机、平板或其它带有显示界面的装置。

进一步地，所述收发天线为全向天线，用于接收和发送uwb无线信号；收发天线为内置天线，能够减小电子标签的尺寸。

在本实施例中，所述安全防控系统工作过程为：

微基站和微网关基站开机工作，并自动组建uwb局域网。微网关基站借助wifi或以太网口从服务器端下载作业环境的危险区域分布图、基站布局图、权限区域图等数据信息，并通过uwb局域网分发给局域网中的各个设备如微基站和微网关基站。然后微基站和微网关基站处于待机状态，等待电子标签的数据请求或者下发服务器的相关数据信息到指定电子标签。

电子标签工作时先扫描一次uwb局域网，检查电子标签内部存储器保存的数据版本是否与当前作业环境的危险区域分布图、作业环境基站布局图和权限区域图等信息相一致；若版本不一致，则从微网关基站处下载最新的作业环境信息，并保存在本地存储器中。电子标签实时监测人员周围环境的电压值、自身生理指标参数，通过扫描uwb局域网得到周围所有微基站和微网关基站的运行状态信息，然后选择周边1～4个微基站发送定位请求信息，根据被选择微基站的应答信息，通过双路径测距法计算出电子标签与所选择1～4个微基站的物理距离，然后基于最小误差准则计算出电子标签的位置坐标，结合所述电压值、生理指标参数、危险区域分布图和权限区域图评估自身安全指标，若评估得到的安全指标低于指定阈值，语音指示模块则会报警，并根据作业环境布局图指示作业人员撤离路径。此外电子标签通过uwb局域网，将前面检测到的电压值、生理指标参数、坐标参数、安全指标和身份信息打包发送到微网关基站，再由微网关基站发送到服务器，监管人员使用显示器如电脑、平板、手机等显示设备从服务器处获取数据即可实时监控现场作业情况。并且监管人员可以通过显示器下发指令到服务器，再由服务器发给微网关基站，最后由微网关基站根据指令类型通过uwb局域网下发到指定的设备，再由指定设备执行具体指令。

具体地，所述uwb局域网的组建方法基于严格的投票策略，即一个未加入uwb局域网的设备，只有在获得周围所有已加入uwb局域网的其他设备(包括微基站和微网关基站)的许可后才能接入uwb局域网。

具体地，所述电子标签中的中央控制单元内设置有位置解算引擎，当使用双路径测距法计算出到周边1～4个微基站的距离后，解算出电子标签的位置。此外，其它关于标签自身信息的计算，如评估安全指标和生成最佳路径等，都由自身中央控制单元处理，充分利用了每个电子标签的计算资源，同时也可以让每个电子标签第一时间得知自身信息，从而提前做出判断和应对策略，最后才是将自身信息发送到监管人员的显示器上。因为事故即将发生时，直接由电子标签通知作业人员省去了网络传输的时间，是最快的方法。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。