一种基于超宽带和远距离无线通信技术的车库寻车系统

该实用新型涉及车辆定位技术领域，尤其涉及一种基于超宽带和远距离无线通信技术的车库寻车系统。

背景技术：

随着社会的进步和人民生活水平的不断提高，车辆的数量在不断的激增，通常开车外出的时候都需要将车停在地下车库内，由于地下车库的面积大，车位众多，所以能很轻松的将车停在地下车库内，可是当车主需要去地下车库取车的时候，才发现忘记了车辆停靠的位置，使车主要花费大量的时间在车库内寻找车辆。

所以，各式各样的在车库内寻车的定位系统就应运而生，但是绝大多数的寻车定位系统由于车库内的阻挡物较多，导致信号传输受到阻挡，从而不能精准的对车辆进行定位，在实际使用中的效果差，不能满足大多数车主的要求。

技术实现要素：

针对上述技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种基于超宽带和远距离无线通信技术的车库寻车系统，用以解决市面上的大多数车库寻车系统在车库内的信号传输效果差，从而不能精准的对车辆进行定位，以至于不能满足大多数车主寻车要求的问题。

为了达到上述目的，本实用新型采取的技术方案如下：

一种基于超宽带和远距离无线通信技术的车库寻车系统，其特征在于，包括若干个标签、若干个个基站、一个集中器和一个定位服务器；

所述标签用以接收基站发出的超宽带信号，且在车辆入库时放置在车辆内部；

所述基站发出超宽带信号至标签，所述的标签位于均匀分布于车库的内部；

所述集中器用以接收各个基站与标签之间的距离数据，所述集中器安装在车库的中心位置；

所述定位服务器接收集中器中的距离数据，并对接收到的数据进行运算，对标签在车库中的位置进行定位；

所述标签和基站之间通过uwb无线通信技术进行测距和定位，所述基站与集中器之间采用lora无线通信技术实现定位数据的无线传输，所述集中器与定位服务器之间采用tcp/ip网络通信协议进行数据交互。

本技术方案的工作原理如下：带车辆携带着标签进入车库之后，标签在固定的时隙内发送超宽带信号，距离最近的基站接收到标签发出的信号之后，发出一个信号到网络中，其余的基站接收到距离最近的基站发出的信号之后，均分别发出一个信号至标签，便签记录下各个基站到达标签的时间，然后标签将各个基站发送信号至标签的时间数据传输至各个基站内，各定位基站收到时间数据信号后调用双边双程测距算法获得基站与标签之间的距离，然后通过lora技术将距离信息以无线方式传送至数据集中器，再由数据集中器通过以太网传输到定位服务器，最后由定位服务器调用定位算法对标签进行精确定位。

进一步限定，还包括与上述车库寻车系统配套使用的手机端app，其有益之处在于，车主可以通过安装手机端app，对车辆的位置进行实时监控，以及app具有提供车主当前位置到车辆位置的导航，便于车主在车库内寻找车辆位置。

进一步限定，所述标签由电性连接的微控制器模块、uwb通讯模块、加速度传感器模块和电源管理模块组成。

进一步限定，所述基站由电性连接的主控制器模块、微控制器模块、电源管理模块、uwb通讯模块、lora通讯模块1和lora通讯模块2组成，其有益之处在于，基站包含lora通讯模块1和lora通讯模块2，其中一块专用于发射，一块专用于接收，从而有效减少无线传输的数据误码率。

进一步限定，所述集中器由电性连接的主控制器模块、以太网模块、电源管理模块和lora通讯模块组成。

进一步限定，若干个个所述基站按照平均每50米一个基站的布局密度，均匀分布于车库内，其有益之处在于，均匀分布使基站信号的发射和接收的时间间距更小，且保证信号接收的稳定性。

本技术方案所取得的技术效果如下：本技术方案中利用超宽带技术中的纳秒级或纳秒以下的极窄脉冲信号来传输数据，这使得超宽带信号有着极高的时间分辨率，进而在车库内定位车辆位置的精度高，而且本系统功耗低、抗多径效果好、系统复杂度低。

附图说明

图1为本实用新型实施例的系统架构示意图。

图2为本实用新型实施例的标签组成模块示意图。

图3为本实用新型实施例的基站组成模块示意图示意图。

图4为本实用新型实施例的数据集中器组成模块示意图。

图5为本实用新型实施例的优化tdoa定位网络拓扑图示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

如图1所示，系统整体架构设计为四层结构，从底层到上层分别为：感知层、采集层、数据层、应用层。感知层主要负责标签与基站之间uwb无线电的测距功能；采集层主要采用lora无线通信技术负责基站与数据集中器之间的信息交互；数据层利用tcp/ip网络实现与数据集中器的信息交互，并将数据存储于服务器中；应用层主要负责应用界面设计、定位算法实现、手机推送等功能。从硬件设计上，系统主要由标签、基站、集中器、定位服务器组成。标签置于待测目标上，即位于进入车库的车辆内部，基站安装在车库内部的固定位置，在本实施例中优选的是将若干个基站均匀固定安装在车库内部，且按照平均每50米一个的布局密度进行安装，这样的好处在于使基站信号的发射和接收的时间间距更小，且保证信号接收的稳定性。标签和基站之间通过uwb无线通信技术进行测距和定位，基站与集中器之间采用lora无线通信技术实现定位数据的无线传输，集中器与定位服务器之间采用tcp/ip网络通信协议进行数据交互。

优选地，还包括与上述车库寻车系统配套使用的手机端app，其有益之处在于，车主可以通过安装手机端app，对车辆的位置进行实时监控，以及app具有提供车主当前位置到车辆位置的导航，便于车主在车库内寻找车辆位置。

如图2、图3和图4所示，标签由电性连接的微控制器模块、uwb通讯模块、加速度传感器模块和电源管理模块组成。基站由电性连接的主控制器模块、微控制器模块、电源管理模块、uwb通讯模块、lora通讯模块1和lora通讯模块2组成。集中器由电性连接的主控制器模块、以太网模块、电源管理模块和lora通讯模块组成，其中基站包含lora通讯模块1和lora通讯模块2，其中一块专用于发射，一块专用于接收，从而有效减少无线传输的数据误码率。

如图5所示，在本实施例中选取的基站数量为四个，则在本实用新型中的对标签定位的方法如下：

是四个基站和标签1的距离，是基站1和基站2、3、4之间的距离。基站1首先发送一个信号到网络中，其余的基站在收到基站1的信号后立即发射信号给标签1。标签1在接收到基站1的信号后，记录下该信号的到达时间t1，然后一直等待，直到来自基站2，基站3，基站4的信号到达，到达时间分别为t2、t3、t4，则信号经基站2，基站3，基站4转发后到达标签1与直达标签1的时间差分别为：(t2-t1)、(t3–t1)、(t4–t1)。信号从基站1出发后经过不同的路径到达标签1，它们的起始时间是一致的，这样就实现了基站的时钟初始化同步，只是需要严格考虑基站2、3、4转发时间即可实现基站时钟的同步。

优化tdoa算法方程组如下：

由于优化tdoa算法在算法层上实现了时钟同步，故而不需要部署网线或其它导线即可实现时钟同步，这就极大地提升了基站布局的灵活性。综上所述，在本设计方案中采用的是优化tdoa算法。

系统硬件设计

从硬件设计上，系统主要由标签、基站、集中器、定位服务器组成。系统的主控制芯片采用stmicroelectronic公司的stm32f105rc微控制器芯片，uwb无线通信模块主要采用半导体公司decawave公司dm1000射频芯片,lora无线通信模块采用semtech公司的sx1276射频芯片。在电路设计中，基站和集中器都可以完成uwb测距功能，集中器比基站增加连接定位服务器功能。为提高空间数据传输的稳定性，集中器和基站采用两块rola无线通信模块，一块专用于发射，一块专用于接收，从而有效减少无线传输的数据误码率。

主控制芯片

系统主控制模块采用stm32f105rc芯片，其使用高性能的armcortex-m332位的risc内核，工作频率为72mhz，内置高速存储器(高达256k字节的闪存和64k字节的sram)，丰富的增强i/o端口和连接apb总线的外设。器件包含两个i2c接口、三个spi接口、一个usbotg全速接口、五个usart接口和两个can接口，两个12位的adc和四个通用16位定时器。本系统中主要用到的是mcu的spi的接口,dw1000作为一个从设备通过spi总线挂载在mcu上。

uwb无线通信芯片

uwb无线通信芯片采用decawave公司生产的dw1000芯片，它是一款符合ieee802.15.4-2011标准的低功耗通信芯片。dw1000采用的是90nm的cmos工艺,数据传输支持110kbps，850kbps和6.8mbps的数据速率,可以工作在3.5ghz至6.5ghz的6个频段。由于脉冲持续时间非常短,带宽比较宽,时间分辨率良好,因此抗多径能力强,非常适合室内这种环境非常复杂的场景。同时，dw1000能够处理严重的多路径环境，非常适合高度反射的射频环境,其视距通信距离达到300m。使用toa算法或到tdoa算法，可以将距离检测精确到10厘米。

lora无线通信芯片

lora是一种将扩频通信应用在sub1ghz的无线通信技术，其工作频率为433mhz。lora通信采用扩频通信技术来高接收灵敏度。lora还具有较远的的通信距离，在视距范围内达到5km。由于传输距离增加，可以大幅减少中继器的使用，简化系统设计，从而大幅降低成本。sx1276是semtech公司推出的一款低功耗，长距离，收发功能的无线芯片。其采用的扩频调制解调器，能够接收比现存的基于fsk或ook调制的系统更长的频谱范围。

系统软件设计

本系统中采用的嵌入式开发软件为keiluvision5，编程语言使用的是c语言。嵌入式软件代码主要实现系统初始寄存器设置及测量标签到两个基站飞行时间差，再用飞行时间差乘以电磁波在真空中的速度即得到标签与两个基站之间的距离差，然后由基站将距离差信息通过lora无线通信模块传送到集中器，再由集中器传输给定位服务器，采用tdoa定位算法完成标签定位功能。上位机软件采用采用微软公司开发的wpe框架，使用c#编程语言完成用户界面的设计，实现与数据集中器的数据交互，对tdoa定位算法进行优化，基站状态显示，软件的配置管理，最终完成标签的精确定位。

需要提前说明的是，在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

以上所述的仅是本实用新型的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围，这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。