一种基于边缘计算的客轮人员定位导航系统的制作方法

本实用新型涉及客轮人员定位导航系统，尤其涉及一种基于边缘计算的客轮人员定位导航系统，主要适用于提供一种高精度低延迟的定位导航系统。

背景技术：

大型客轮作为一种重要的水上交通运输工具，其规模和承载量都十分巨大，甲板往往有多层，每层都有大量的舱室，环境复杂多变，这给客轮人员的日常安全管理和紧急事故发生时及时准确的救援和疏散都带来了很大的困难。所以室内定位导航系统被普遍的开发研究。

由于客轮舱室数量庞大、船体运动状态多变，且船舶舱室相对密闭以及钢铁隔断对多模信号影响较大，传统室内定位方法在大型船舶上的应用存在着系统延迟高，在航行时误差更大的问题，因此，开发出一种客轮内高精度、低延迟的实时定位导航系统对客轮人员的紧急逃生和日常的安全管理都有着极为重要的意义。

技术实现要素：

本实用新型的目的是克服现有技术中存在的系统延迟高、定位导航精度低的缺陷与问题，提供一种系统延迟低、定位导航精度高的基于边缘计算的客轮人员定位导航系统。

为实现以上目的，本实用新型的技术解决方案是：一种基于边缘计算的客轮人员定位导航系统，该系统包括上位机及设置在每个客轮舱室内的位置感知单元、边缘计算模块，所述位置感知单元依次经边缘计算模块、路由节点、汇聚节点、协调器后与上位机信号连接；

所述位置感知单元包括固定设备、固定在客轮舱室内的客轮人员身上的移动设备和rfid阅读器；

所述固定设备包括uwb基站、基站zigbee模块和船体运动检测模块；

所述船体运动检测模块，用于实时采集客轮运动参数；

所述移动设备包括uwb标签、标签zigbee模块和姿态检测模块；

所述姿态检测模块，用于实时采集客轮人员姿态数据；

所述rfid阅读器，用于识别进出客轮舱室的用户身份信息；

所述边缘计算模块包括高性能单片机和zigbee路由模块；

所述zigbee路由模块，用于收集uwb标签到uwb基站的距离数据、客轮运动参数和客轮人员姿态数据；

所述uwb标签到uwb基站的距离数据通过uwb标签与uwb基站的多次通信测得；

所述高性能单片机，用于将zigbee路由模块收集的数据进行融合约束计算得到移动设备的位置坐标，并通过以太网将位置坐标信息依次经路由节点、汇聚节点、协调器后上传至上位机。

所述移动设备采用星状网络拓扑结构连接至固定设备。

所述uwb基站包括一个总基站和多个分基站，分基站的数量为大于等于三个，且一个总基站和任意两个分基站的布置位置不在同一直线上，或任意三个分基站的布置位置不在同一直线上。

所述分基站的数量为三个，一个总基站和三个分基站分别布置在客轮舱室的四角处，总基站与边缘计算模块通过串口连接。

所述总基站，用于将uwb标签到uwb基站的距离数据、客轮运动参数和客轮人员姿态数据传送给边缘计算模块。

所述客轮运动参数包括速度、加速度和角速率，用于补偿动态船体环境下uwb标签到uwb基站的距离数据误差和客轮人员姿态数据误差。

所述上位机，用于接收协调器发送的所有移动设备的位置坐标信息，并以二维地图的形式实时显示，同时将位置坐标信息记录或者发送至远端指挥中心。

所述边缘计算模块安装在客轮舱室出入口处。

所述rfid阅读器安装在客轮舱室的出入口处。

所述固定设备采用外部5v电源供电；所述移动设备采用3.3v锂电池供电。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

1、本实用新型一种基于边缘计算的客轮人员定位导航系统中在各客轮舱室内均设置uwb基站和边缘计算模块，并利用边缘计算模块对实时采集的uwb标签到uwb基站的距离数据、客轮人员姿态数据以及客轮运动参数进行融合约束计算，最终得到客轮人员的准确位置、速度和姿态数据，该设计不仅利用边缘计算的即时高效特点，当客轮上的船舱和移动标签数量巨大时，能够将庞大的数据处理量分散到各个单独空间内进行本地解算和处理，使得服务器收到的信息为解算和处理后的数据，显著提高了数据传输的效率，从而极大的改善了系统延迟的问题，而且无需布线、部署简单、稳定性好，可拓展定位空间，非常适合不方便布线的船舶环境。因此，本实用新型不仅极大改善了系统延迟的问题，而且部署简单、稳定性好。

2、本实用新型一种基于边缘计算的客轮人员定位导航系统中在进行融合约束计算之前，边缘计算模块会根据客轮运动参数对uwb标签到uwb基站的距离数据和客轮人员姿态数据进行误差补偿，该设计针对客轮航行时动态的室内环境对客轮人员的姿态数据和uwb测距进行误差补偿，不会累计误差，从而有效弥补动态环境带来的定位误差，提高定位导航的精度。因此，本实用新型提高了定位导航的精度。

附图说明

图1是本实用新型一种基于边缘计算的客轮人员定位导航系统架构框图。

图2是本实用新型一种基于边缘计算的客轮人员定位导航系统节点部署示意图。

图中：上位机1、位置感知单元2、固定设备21、uwb基站211、基站zigbee模块212、船体运动检测模块213、移动设备22、uwb标签221、标签zigbee模块222、姿态检测模块223、rfid阅读器23、边缘计算模块3、路由节点4、汇聚节点5、协调器6、现有传感设备7。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

参见图1、图2，一种基于边缘计算的客轮人员定位导航系统，该系统包括上位机1及设置在每个客轮舱室内的位置感知单元2、边缘计算模块3，所述位置感知单元2依次经边缘计算模块3、路由节点4、汇聚节点5、协调器6后与上位机1信号连接；

所述位置感知单元2包括固定设备21、固定在客轮舱室内的客轮人员身上的移动设备22和rfid阅读器23；

所述固定设备21包括uwb基站211、基站zigbee模块212和船体运动检测模块213；

所述船体运动检测模块213，用于实时采集客轮运动参数；

所述移动设备22包括uwb标签221、标签zigbee模块222和姿态检测模块223；

所述姿态检测模块223，用于实时采集客轮人员姿态数据；

所述rfid阅读器23，用于识别进出客轮舱室的用户身份信息；

所述边缘计算模块3包括高性能单片机和zigbee路由模块；

所述zigbee路由模块，用于收集uwb标签221到uwb基站211的距离数据、客轮运动参数和客轮人员姿态数据；

所述uwb标签221到uwb基站211的距离数据通过uwb标签221与uwb基站211的多次通信测得；

所述高性能单片机，用于将zigbee路由模块收集的数据进行融合约束计算得到移动设备的位置坐标，并通过以太网将位置坐标信息依次经路由节点4、汇聚节点5、协调器6后上传至上位机1。

所述移动设备22采用星状网络拓扑结构连接至固定设备21。

所述uwb基站211包括一个总基站和多个分基站，分基站的数量为大于等于三个，且一个总基站和任意两个分基站的布置位置不在同一直线上，或任意三个分基站的布置位置不在同一直线上。

所述分基站的数量为三个，一个总基站和三个分基站分别布置在客轮舱室的四角处，总基站与边缘计算模块3通过串口连接。

所述总基站，用于将uwb标签221到uwb基站211的距离数据、客轮运动参数和客轮人员姿态数据传送给边缘计算模块3。

所述客轮运动参数包括速度、加速度和角速率，用于补偿动态船体环境下uwb标签221到uwb基站211的距离数据误差和客轮人员姿态数据误差。

所述上位机1，用于接收协调器6发送的所有移动设备22的位置坐标信息，并以二维地图的形式实时显示，同时将位置坐标信息记录或者发送至远端指挥中心。

所述边缘计算模块3安装在客轮舱室出入口处。

所述rfid阅读器23安装在客轮舱室的出入口处。

所述固定设备21采用外部5v电源供电；所述移动设备22采用3.3v锂电池供电。

本实用新型的原理说明如下：

客轮以舱室为单位分割成一个个独立的位置感知单元（包括固定设备、移动设备和rfid阅读器），每个位置感知单元独立运作，通过基于边缘计算的方法针对船舶航行时动态的室内环境和舱室相对密闭以及钢铁隔断对多模信号的影响进行数据优化处理从而即时得到准确的位置坐标，每个舱室独立的位置感知单元利用路由节点接入网络，和布置在走廊、楼梯间等位置的其他独立位置感知网络单元组成了整层甲板的位置感知网络，各层甲板的网络信息通过汇聚节点转发至协调器，协调器再将信息汇总至工作站上位机，进而构成了整个船舶的人员位置监控网络。

本设计中，每个移动设备可以通过唯一id与手机app绑定，进行初始化操作时，固定设备之间相互通信从而标定每个固定设备的位置坐标，所述边缘计算模块在将得到客轮人员的准确位置、速度和姿态数据上传至服务器的同时通过wifi将这些数据反馈到手机app上，服务器端可以通过这些数据实时监测各个区域的人流量，当客轮人员发生紧急情况时能够快速准确定位导航到客轮人员的位置，从而展开救援和疏散人群。

uwb标签到uwb基站的距离数据：该数据通过uwb标签与uwb基站的多次通信测得，可消除时钟偏移引入的测量误差。

系统使用时，移动设备固定在每个客轮船舱室内的客轮人员身上，并初始化固定设备、移动设备和位于该客轮船舱室内的边缘计算模块。

所述融合约束计算以uwb标签到uwb基站的距离数据作为状态变量，以客轮人员姿态数据和客轮运动参数作为校正变量，对状态变量和校正变量以紧耦合的方式进行融合计算，随后对融合计算结果进行卡尔曼滤波，得到准确的位置、速度和姿态数据，并将其上传至服务器，同时通过wifi模块反馈给手机app，其中，所述紧耦合的方式是指：以uwb标签到uwb基站的距离数据作为测量信息，以校正变量作为约束，辅助固定节点进行位置、速度和姿态的更新。

实施例：

参见图1、图2，一种基于边缘计算的客轮人员定位导航系统，该系统包括上位机1及设置在每个客轮舱室内的位置感知单元2、边缘计算模块3，所述位置感知单元2依次经边缘计算模块3、路由节点4、汇聚节点5、协调器6后与上位机1信号连接；所述位置感知单元2包括固定设备21、固定在客轮舱室内的客轮人员身上的移动设备22和rfid阅读器23；

所述固定设备21作为位置感知网络的位置基站，其位置坐标已知且固定，包括uwb基站211、基站zigbee模块212和船体运动检测模块213；所述uwb基站211包括一个总基站和三个分基站，一个总基站和三个分基站分别布置在客轮舱室的四角处，总基站与边缘计算模块3通过串口连接；所述船体运动检测模块213用于实时采集客轮运动参数；所述客轮运动参数包括速度、加速度和角速率，用于补偿动态船体环境下uwb标签221到uwb基站211的距离数据误差和客轮人员姿态数据误差；所述固定设备21采用外部5v电源供电；

所述移动设备22为低功耗低负荷可穿戴设备，采用星状网络拓扑结构连接至固定设备21，并利用toa双边测距算法计算出到附近每一个固定设备的距离，用于构建二维平面坐标系；移动设备22包括uwb标签221、标签zigbee模块222、姿态检测模块223和无源rfid标签；标签zigbee模块用于多跳自组网络的建立，将各个固定设备和移动设备动态地接入人员位置感知网络；所述姿态检测模块223用于实时采集客轮人员姿态数据；所述移动设备22采用3.3v锂电池供电；

所述总基站用于将uwb标签221到uwb基站211的距离数据、客轮运动参数和客轮人员姿态数据传送给边缘计算模块3；

所述rfid阅读器23安装在客轮舱室的出入口处（还有走廊、楼梯出入口处），rfid阅读器23用于识别进出客轮舱室的用户身份信息，从而使得位置感知网络利用用户的身份信息对人员进行分区定位与管理；

所述边缘计算模块3安装在客轮舱室出入口处，包括高性能单片机和zigbee路由模块；所述zigbee路由模块用于收集uwb标签221到uwb基站211的距离数据、客轮运动参数和客轮人员姿态数据；所述uwb标签221到uwb基站211的距离数据通过uwb标签221与uwb基站211的多次通信测得；所述高性能单片机用于将zigbee路由模块收集的数据进行融合约束计算得到移动设备的位置坐标，并通过以太网将位置坐标信息依次经路由节点4（每层甲板）、汇聚节点5、协调器6后上传至上位机1；

所述上位机1为采用c++/c#等语言编写的配套位置感知网络软件，实时接收协调器6发送的所有移动设备22的位置坐标信息，并以二维地图的形式实时显示，同时将位置坐标信息记录于本地或者通过5g/gprs网络将信息发送至远端指挥中心。