一种UWB无线数据安全传输装置的制作方法

本实用新型涉及数据传输技术领域，具体涉及一种UWB无线数据安全传输装置。

背景技术：

伴随着信息技术飞速发展，无线通讯已经在日常生活当中得到了最大范围普及，为我们的日常生活、出行带来了极大便利。

但由于军工企业以及其它特种行业的数据安全性需求，通常会采用传统人工登记造册或者有线通讯方式来实现核心零部件生产过程以及出入库管理，效率较低；同时由于人工主观差异性，常常会引入不必要的误差和错误。

信息化管理技术在民用市场已经非常成熟，但目前主流的2.4GHz Wi-Fi、BT蓝牙以及LTE-4G和NB-IoT技术由于技术本身潜在泄密风险性，导致无法用于数据保密安全级别较高的军工制造、监狱、看守所等特定场所。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种UWB无线数据安全传输装置。

实现本实用新型目的的技术方案为：一种UWB无线数据安全传输装置，包括工业PDA、UWB背夹和UWB基站；

工业PDA与UWB背夹连接，UWB背夹与UWB基站通讯连接，所述工业PDA通过内置摄像头获取物料编码ID信息，UWB背夹用于将PDA读取的物料编码ID信息传输到UWB基站；UWB基站用于通过UWB无线接收UWB背夹标签传输的数据信息，再通过有线或者无线公网传输至后台。

与现有技术相比，本实用新型的显著优点为：(1)无需对现有工业PDA进行重新设计，只需局部改造，添加低成本背夹即可；(2)基站无线覆盖范围在300-500米左右，基本上可以满足大型仓储、车间的物料清点、出入库管理需求；(3)可以通过UWB本身的非工频和多频段随机跳频通讯实现通讯数据双保险，规避意外泄密隐患；(4)UWB背夹能够在实现数据通讯的同时，对作业人员进行精确定位，完美实现区域规范操作，从区域位置上杜绝泄密风险，防患于未然。

附图说明

图1为本实用新型UWB无线数据安全传输装置原理框图。

图2为主控MCU电路图。

图3为UART转USB接口电路图。

图4为UWB RF通讯定位模块图。

图5为1.8V电平与3.3V电平转换模块电路图。

图6为电源转换模块电路图。

图7为电源指示灯模块电路图。

图8为UWB背夹无线数据传输流程图。

具体实施方式

本实用新型主要针对需要数据保密安全的军工等特定应用场合信息化管理需求，通过UWB(Ultra Wide-band)超宽带(3.24-7.0GHz)的非公频特性，有效利用UWB高速无线传输特性来实现信息化管理的底层数据信息采集，UWB具有以下技术优势：

(1)传输速度快，速度可达6.8Mbps；

(2)传输距离远，视距传输≥300米；

(3)基站并发容量高，基站覆盖范围内并发2000点以上；

(4)抗干扰能力强，采用非公频信道跳频传输，避免了与公频无线信号的碰撞干扰；

(5)定位精度高，累计误差±10cm以内，可辅助实现信息化溯源分析；

如图1所示，本实用新型的一种UWB无线数据安全传输装置，包括工业PDA、UWB背夹和UWB基站；

工业PDA与UWB背夹连接，UWB背夹与UWB基站通讯连接，所述工业PDA通过内置摄像头获取物料编码ID信息，UWB背夹用于将PDA读取的物料编码ID信息传输到UWB基站；UWB基站用于通过UWB无线接收UWB背夹标签传输的数据信息，再通过有线或者无线公网传输至后台。

所述UWB背夹包括主控MCU、定位传感器、RF无线通讯模块、接口转换模块和电源供电模块；主控MCU与定位传感器、RF无线通讯模块、接口转换模块和电源供电模块连接；

定位传感器通过与UWB基站进行测距通讯，确定自身位置点；RF无线通讯模块用于将需要传输的信息进行编码并按照特定信道传输至UWB基站，同时接收基站下发的其它指令；接口转换模块实现PDA接口到背夹通讯接口的逻辑转换功能；电源供电模块用于从PDA或本地电池系统获取主电源并进一步转换为背夹其它模块所需工作电源。

UWB背夹与UWB基站之间通过局域无线调频通讯。

MCU主控采用STM32L151系列，内含64kB Flash ROM存储空间和20kB RAM高速内存空间，主要接口包括外部RTC实时时钟、主时钟电路、上电复位电路、1路TTL串口和1路SPI串行数据通讯接口；SPI串行数据通讯接口与UWB定位通讯模块进行板级通讯；TTL串口连接外部USB转UART接口；上电复位电路主要用于电源开启时，为MCU提供上电复位逻辑信号。

接口转换模块包括接口转换器PL2303HXD、二极管D101、第一电阻R102、第二电阻R103、第三电阻R104、第四电阻R105、第一电容C113、第二电容C114、第三电容C112；

二极管D101用于连接接口转换器数据发送接口TXD与主控MCU串口数据接收信号RXD2_PA3；第一电阻R102连接接口转换器的接口RXD和主控MCU的信号TXD2_PA2；第一电容C113、第二电容C114的一端接地，另一端接5V电源；第三电容C112与接口转换器的RESET_N连接，用于上电复位；第三电阻R104、第四电阻R105分别与接口转换器的DM、DP接口连接，用于USB接口差分信号的特征阻抗匹配；第二电阻R103为1.5K上拉电阻，与接口转换器的VO_33接口连接，用于接口插入电平侦测。

电源供电模块用于将UWB背夹DC 5V主电源转换为MCU以及其它接口电路工作所需的3.0V电源。

下面结合实施例和附图对本实用新型进行详细说明。

实施例

一种UWB无线数据安全传输装置，包括工业PDA、UWB背夹和UWB基站；

工业PDA作为智能手机设备，用来实现摄像头以及APK调用控制功能；APK用于调用PDA内置摄像头来获取物料编码ID信息，UWB背夹用于将PDA读取的物料编码ID信息通过特殊频段传输到UWB基站；UWB基站用于通过UWB无线接收UWB背夹标签传输的数据信息，再通过有线或者无线公网传输至后台；

UWB背夹包括主控MCU、定位传感器、RF无线通讯模块、接口转换模块和电源供电模块；其中主控MCU主要负责定位传感器的逻辑控制以及与上位机PDA通讯控制；定位传感器通过与UWB基站进行测距通讯，确定自身位置点；RF无线通讯模块用于将需要传输的信息进行编码并按照特定信道传输至UWB基站，同时接收基站下发的其它指令；接口转换模块实现PDA接口到背夹通讯接口的逻辑转换功能；电源供电模块用于从PDA或本地电池系统获取主电源并进一步转换为背夹其它模块所需工作电源。

结合附图，对本发明各模块电路进行详细说明。

图2是主控MCU电路原理图，MCU主控采用STM32L151系列，内含64kB Flash ROM存储空间和20kB RAM高速内存空间，主要接口包含外部RTC实时时钟、主时钟电路、上电复位电路、1路TTL串口、1路高速SPI串行数据通讯接口和1路TTL电平调试串口以及外部数字逻辑电源和模拟电源供给接口。其中Flash程序存储空间主要用来存储数据和程序，掉电不丢失；RAM主要用来运行程序核心数据结构；主逻辑电源和模拟电源均采用3.0V供电，中间用磁阻隔离，防止干扰。SPI串行接口用来与UWB定位通讯模块进行板级通讯和控制；1路串口用来连接外部USB转UART接口，进一步与PDA上位机进行数据通讯；1路调试串口主要用来在程序开发过程中在线输出调试Logo日志信息；上电复位电路主要用于电源开启时，为MCU提供上电复位逻辑信号。

图3为UART转USB转换控制接口电路原理图，采用台湾Prolific公司的高速转换接口控制芯片PL2303HXD，5V电源供电，外部的二极管D101主要用来连接控制器数据发送接口TXD信号与MCU串口数据接收信号RXD2_PA3，串接二极管主要为了实现单向通讯，防止接口5V电平对MCU产生串扰；R102串接电阻主要为了实现电平转换；电源供给部分的电容C113和C114主要用来实现电源滤波；电容C112实现控制器上电复位功能；R104和R105实现USB接口差分信号的特征阻抗匹配，R103 1.5K上拉电阻实现接口插入电平侦测功能。

图4是UWB定位通讯模块的电路原理图，UWB定位通讯模块通讯接口与MCU高速SPI接口相连，实现定位、传感数据通讯功能；主要信号包括：UWB_PWREN、UWB_RSTn、UWB_IRQn、UWB_MCU-WAKEUP信号以及SPI接口信号。UWB_PWREN实现模块电源控制使能，高电平有效；UWB_RSTn为模块发送复位信号，低电平有效；UWB_IRQn为模块向MCU发送的中断请求信号，即当需要进行数据传输或者模块工作异常时，模块会主动向MCU发送中断请求信号，以便下一步完成数据传输；UWB_MCU-WAKEUP是模块唤醒MCU的接口信号，当模块需要进行数据通讯则会通过该信号主动唤醒MCU，使其由Sleep低功耗睡眠模式切换至Normal正常工作模块。ANT1是模块的RF天线，磁阻LB201实现电源隔离，C201、C202和C203进行电源滤波；R201和R202为逻辑冗余设计，方便硬件调试用。

图5是模块USB接口到PDA USB接口的电平转换原理图，主要负责将背夹模块USB接口3.0V电平转换为PDA USB接口的1.8V电平，采用1.8V和3.0V双电源供电，C307和C309是电源滤波电容；R310和C308实现阻容延迟电路，控制电平转换接口的上电使能时序；R304和R305采用电阻分压模式将3.0V电压转换为1.8V电源。

图6是电源转换模块电路原理图，主要是将背夹DC 5V主电源转换为MCU以及其它接口电路工作所需的3.0V电源。F401是自恢复保险丝，防止电源短路异常；C301、C302是5V输入电源滤波电容；C303是DC-DC转换控制器外部震荡匹配电容，控制开关电源频率；C304是内部带隙基准源的滤波电容；R302和R303为分压反馈电阻，控制电路最终输出电压幅度；C305和C306为3.0V电源输出滤波电容；R318为冗余设计电阻，测试电流和调试用。

图7是电源指示灯电路原理图，用来测试背夹主控板的5.0V、3.0V和1.8V是否正常，三路电源均正常则LED灯亮，否则熄灭。R306为5V串联限流电阻，R308和R309分别为3.0V和1.8V限流电阻，R307三极管射极分压电阻，用来连接Q301和Q302，控制指示灯到GND的回路。

本实用新型主要针对军工以及其它相关特种行业对数据传输安全性的苛刻要求，传统采用人工登记造册、有线数据传输存在的诸如主观错误、传输移动等诸多不便，提出一种UWB无线数据传输装置，结合工业PDA和上层应用APK，最终在保证军工企业对数据传输安全性要求的前提下，实现信息化管理系统中的无线数据传输,提升管理效率和质量。

本实用新型通过在工业PDA背夹内置UWB无线数据传输模块，针对军工等特殊场合对数据传输安全要求高的场合，结合工业PDA的扫码、识别、拍照等功能，实现军工生产车间、成品出入库过程的信息化管理手段，提升管理效率和质量，降低人工成本。如图8所示，首先，在需要进行查验、出入库管理的场景下，利用工业PDA自有APK调用PDA自身的摄像头，对一/二维码或者RFID标签进行现场扫描，获取产品、物料的ID编码信息；接下来，PDA通过自身的有线接口，将编码ID信息传输至UWB背夹；然后,UWB背夹与附近基站建立通讯链路，将自身的ID身份信息以及位置点信息与物料ID编码信息按照约定格式发送给通讯基站；最后，由基站将识别出来的物料ID信息以及背夹的位置点信息一同传输至后台，完成最终的物料清点、产品出入库管理等繁琐工作。由于UWB通讯链路支持多个信道，在数据传输过程中能够按照约定跳频方式在UWB背夹与基站进行跳频加密通讯，进一步保证无线数据传输的安全可靠性。

本实用新型通过在工业PDA上进行添加专用UWB背夹，即可实现军工等对数据传输安全要求苛刻的应用场合，能在保证军工等特种行业对数据信息传输的安全高标准要求，同时又能将民用领域的智能手机信息化应用到专用行业，通过极低成本实现军用无线数据传输功能，且能在通过UWB精确定位功能规范区域管理，防止跨区域非法操作等人工弊端，大大提升了军工等特种行业的工作效率和信息化管理水平。