基于UWB技术的三维定位安全管理系统的制作方法

本实用新型涉及三维定位技术领域，尤其涉及基于UWB技术的三维定位安全管理系统。

背景技术：

随着定位技术的不断成熟，定位技术的应用范围也在不断扩大，新兴的定位应用已经不再局限于室外场景，对室内定位以及室外高精度定位等方面提出了新的要求，例如基于精确位置的准入与禁入、事故救援等，卫星信号在室内会被严重的影响，从而导致GPS或是北斗无法定位，所以在室内定位主要采用无线通讯、基站定位、惯导定位等多种技术集成形成一套室内位置定位体系，从而实现人员、物体等在室内空间中的位置监控。除通讯网络的蜂窝定位技术外，常见的室内无线定位技术还有：Wi-Fi、蓝牙、红外线、RFID、ZigBee和超声波等，但是上述定位技术普遍存在定位精度低、抗干扰能力差、价格偏高、实用性差，在工业环境中无法使用，市面上目前已经有UWB超宽带定位技术的应用，但是多是采用二维地图显示的二维定位，定位高度精确性较差，无法确定楼层位置，无法实现三维定位，无法确定具体位置，发生危险无法实施救援。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了解决现有技术中存在的无法实现三维定位的缺点，而提出的基于UWB技术的三维定位安全管理系统。

为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：

基于UWB技术的三维定位安全管理系统，包括定位硬件系统和后台定位计算及显示软件，所述定位软件系统包括UWB定位基站网络、UWB定位标签、激励器和LoRa通讯基站，所述UWB定位基站网络电性连接UWB定位标签，所述UWB定位标签电性连接激励器，所述UWB定位标签单向连接LoRa通讯基站，所述后台定位计算及显示软件包括后台服务器和电脑，所述LoRa通讯基站单向连接后台服务器，所述后台服务器单向连接电脑。

优选的，所述UWB定位基站网络包括多个UWB定位基站，所述UWB定位基站网络和所述UWB定位标签通过UWB无线连接，且UWB定位标签和所述激励器通过LoRa无线连接，UWB定位标签和所述LoRa通讯基站通过LoRa无线连接。

优选的，所述LoRa通讯基站和所述后台服务器通过有线网络连接，且后台服务器和所述电脑通过有线网络连接。

优选的，所述激励器包括天线模块、FSK调制模块、电源模块、控制模块MCU和LoRa通讯模块，且天线模块电性连接FSK调制模块，FSK调制模块电性连接控制模块MCU，控制模块MCU电性连接电源模块，控制模块MCU电性连接LoRa通讯模块，LoRa通讯模块电性连接天线模块。

优选的，所述UWB定位基站包括UWB测距模块、控制模块MCU、供电模块、LoRa通讯模块和天线模块，且UWB测距模块电性连接控制模块MCU，控制模块MCU电性连接供电模块，控制模块MCU电性连接LoRa通讯模块，LoRa通讯模块电性连接天线模块。

优选的，所述LoRa通讯基站包括包括有线网络模块、控制模块MCU、供电模块、LoRa通讯模块和天线模块，且有线网络模块电性连接控制模块MCU，控制模块MCU电性连接供电模块，控制模块MCU电性连接LoRa通讯模块，LoRa通讯模块电性连接天线模块。

优选的，所述UWB定位标签包括UWB测距模块、控制模块MCU、锂电池供电模块、蜂鸣器、FSK调制模块、天线模块和LoRa通讯模块，且UWB测距模块电性连接控制模块MCU，控制模块MCU电性连接锂电池供电模块，控制模块MCU电性连接蜂鸣器，控制模块MCU电性连接FSK调制模块，FSK调制模块电性连接天线模块，控制模块MCU电性连接LoRa通讯模块，LoRa通讯模块电性连接天线模块。

本实用新型的有益效果是：

1、在室外采用UWB技术定位较传统卫星定位精度显著提高，能够实现分米级定位，对于高精度定位需求的禁入、禁出、救援等应用具有很大的应用意义。

2、本系统采用了激励器精准确定了高度位置，结合三维模型实现了三维空间的定位，相比二维定位显示效果更直观、无需切换地图查看，操作更方便。

3、本系统中，由于定位标签自带LORA通讯功能，定位基站及激励器等设备不需要集成以太网通讯模块，不需要连接网线，降低了定位设备成本和网线拉设等施工成本。

4、由于采用lora进行了数据传输，定位设备不再局限于必须有以太网的限制。

5、本系统将UWB定位与LoRa传输结合，具有高抗干扰能力、高精度定位、低生产成本、低运营成本、低功耗及发射功率等优点。

6、将管理系统结合定位、视频监控、电子围栏等技术，可以实现安全预警、连续定位、报警、救援等特定功能。

附图说明

图1为本实用新型提出的基于UWB技术的三维定位安全管理系统的定位硬件系统与后台定位计算及显示软件的原理图；

图2为本实用新型提出的基于UWB技术的三维定位安全管理系统的激励器原理图；

图3为本实用新型提出的基于UWB技术的三维定位安全管理系统的UWB定位基站原理图；

图4为本实用新型提出的基于UWB技术的三维定位安全管理系统的LoRa通讯基站原理图；

图5为本实用新型提出的基于UWB技术的三维定位安全管理系统的UWB定位标签原理图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参照图1-5，基于UWB技术的三维定位安全管理系统，包括定位硬件系统和后台定位计算及显示软件，定位软件系统包括UWB定位基站网络、UWB定位标签、激励器和LoRa通讯基站，UWB定位基站网络电性连接UWB定位标签，UWB定位标签电性连接激励器，UWB定位标签单向连接LoRa通讯基站，后台定位计算及显示软件包括后台服务器和电脑，LoRa通讯基站单向连接后台服务器，后台服务器单向连接电脑。

进一步的，UWB定位基站网络包括多个UWB定位基站，UWB定位基站网络和UWB定位标签通过UWB无线连接，且UWB定位标签和激励器通过LoRa无线连接，UWB定位标签和LoRa通讯基站通过LoRa无线连接。

进一步的，LoRa通讯基站和后台服务器通过有线网络连接，且后台服务器和电脑通过有线网络连接，后台计算及显示软件部分包含后台服务器、显示终端PC、管理软件三部分，后台服务器负责接收LoRa通讯基站上送来的定位基站测距信息及激励器激励信息，并计算定位结果，显示终端PC用来运行管理软件，管理软件包括后台配置和前台显示，后台配置用来配置各类设备参数、坐标、绑定标签信息等，前台显示采用Unity软件作为展示平台运行三维模型，在三维地图上显示定位结果，实现三维空间的定位，管理软件还包含实时定位、历史轨迹、安全提醒、报警等多种安全管理相关功能，有效防止人员进入危险区域，出现事故快速定位救援等。

进一步的，激励器布置在室内楼梯口或者进出口位置的已知坐标的点，激励器包括天线模块、FSK调制模块、电源模块、控制模块MCU和LoRa通讯模块，且天线模块电性连接FSK调制模块，FSK调制模块电性连接控制模块MCU，控制模块MCU电性连接电源模块，控制模块MCU电性连接LoRa通讯模块，LoRa通讯模块电性连接天线模块，激励器由外部电源连接到电源模块，供电模块用来调节外部接入电源的电压和电流给整个激励器供电，控制模块是MCU单片机用来控制调制模块激励定位标签，控制模块控制通讯模块把激励信息通过天线传输给通讯模块。

进一步的，UWB定位基站网络是由数台UWB定位基站组成(最少3台)，布置在室内或室外固定位置的已知坐标的点，UWB定位基站包括UWB测距模块、控制模块MCU、供电模块、LoRa通讯模块和天线模块，且UWB测距模块电性连接控制模块MCU，控制模块MCU电性连接供电模块，控制模块MCU电性连接LoRa通讯模块，LoRa通讯模块电性连接天线模块，供电模块用来调节外部接入电源的电压和电流给整个定位基站供电，控制模块是MCU单片机用来控制UWB测距模块与定位标签之间进行测距，控制LoRa通讯模块把测距信息通过天线模块传输给通讯基站。

进一步的，LoRa通讯基站布置在激励器及UWB定位基站的中心位置，如果信号不能完全覆盖可增设通讯基站，LoRa通讯基站包括包括有线网络模块、控制模块MCU、供电模块、LoRa通讯模块和天线模块，且有线网络模块电性连接控制模块MCU，控制模块MCU电性连接供电模块，控制模块MCU电性连接LoRa通讯模块，LoRa通讯模块电性连接天线模块，LoRa通讯基站由外部电源连接供电模块，供电模块用来调节外部接入电源的电压和电流给整个通讯基站供电，控制模块是MCU单片机，控制模块控制通讯模块通过天线模块接收定位标签发来的测距信息和激励信息，控制有线网络模块通过有线网络传输到后台服务器，有线网络模块连接外部网线接入以太网。

进一步的，UWB定位标签可以有多个，每个UWB定位标签可绑定一个人或物。定位标签可以是卡片式、盒式、手环式，UWB定位标签包括UWB测距模块、控制模块MCU、锂电池供电模块、蜂鸣器、FSK调制模块、天线模块和LoRa通讯模块，且UWB测距模块电性连接控制模块MCU，控制模块MCU电性连接锂电池供电模块，控制模块MCU电性连接蜂鸣器，控制模块MCU电性连接FSK调制模块，FSK调制模块电性连接天线模块，控制模块MCU电性连接LoRa通讯模块，LoRa通讯模块电性连接天线模块，锂电池供电模块为可冲放式锂电池，通过磁吸式方式充电，控制模块是MCU单片机，控制模块控制UWB测距模块与UWB定位基站之间进行测距，控制FSK调制模块通过天线模块与激励器进行激励，控制蜂鸣器蜂鸣，控制LoRa通讯模块通过天线模块与通讯基站、定位基站、激励器之间进行数据传输。

UWB-Ultra Wideband超宽带技术是一种全新的、与传统通信技术有极大差异的通信新技术。它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有GHz量级的带宽，超宽带系统与传统的窄带系统相比，具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。因此，超宽带技术可以应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航，且能提供十分精确的定位精度，UWB的室内定位功能和卫星原理很相似，就是通过室内布置3个及以上已知坐标的定位基站，需要定位的人员或设备携带定位标签，标签按照一定的频率发送脉冲，不断和3个及以上已知位置的基站进行测距，通过一定的精确算法定出标签的位置。

定位原理：UWB定位标签中的控制模块MCU通过控制UWB测距模块(DWM1000模组)定期发送信息，UWB定位基站接收到要求定位测距指令后，UWB定位基站发送UWB定位基站ID，测距距离、测距时间至定位标签，定位标签通过DWM1000模组接收相关数据，控制模块MCU控制LoRa通讯模块(SX1280模组)上送标签ID、接收到UWB定位基站ID、测距信息及测距时间，发送至LoRa通讯基站，由通讯基站上送至服务器，服务器通过位置解算出定位坐标，完成一次UWB测距及数据上送过程。

激励原理：激励器的控制模块控制FSK调制模块不断发出激励信号，当定位标签靠近激励器时，标签被激励，控制中心控制激励器的通讯模块通过天线模块传输给通讯模块，通讯模块传输到后台服务器进行计算。

在工厂、发电厂、楼宇等室内或者室外安装一定数量的定位基站(最少3台)并连接电源，(一般室内安装在墙壁、柱子上，室外安装在路灯杆上或者外墙壁上也可埋设立杆进行安装)，一定数量的激励器(安装在楼梯上下口位置、电梯进出口位置)并连接电源，一定数量的LoRa通讯基站，需连接电源和网线，UWB定位标签ID与人员、物品、设备等绑定，当人员、物品、设备在定位硬件系统覆盖的范围内移动时，UWB定位标签不断与周边的UWB定位基站测距，同时将测距信息发送给LoRa通讯基站，通讯基站通过有线网络传输到后台服务器，后台服务器计算出定位坐标，为了精确楼层位置，需要加入了激励器，当人员、物品、机械等携带UWB定位标签通过安装在已知坐标的楼梯口位置的激励器时会被激励，定位标签把激励点位置坐标发送给LoRa通讯基站，通讯基站把激励点坐标发送给后台服务器，后台服务器通过计算高度确定标签属于哪个楼层位置，结合上述的定位坐标实现三维空间的定位，最后通过电脑端三维软件显示位置，即可实现三维定位。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。