一种基于UWB标签技术的智能定位管理系统的制作方法

一种基于uwb标签技术的智能定位管理系统
技术领域
[0001]
本发明涉及智能定位技术领域，特别涉及一种基于uwb标签技术的智 能定位管理系统。


背景技术：

[0002]
目前，全球卫星导航系统技术已经很成熟，可以为人们提供一个相对 精确的室外位置。然而在室内环境中，卫星信号受建筑物等障碍物严重遮 挡而减弱，一般很难在室内提供可靠的定位服务。因此现有的卫星导航定 位系统已经不能满足人们对室内位置信息的需求。
[0003]
uwb是一种在雷达遥感中被广泛应用的传输技术，也是一种无载波的 超宽带通信技术，也可称为脉冲无线电。与蓝牙、wlan、tdma、cdma 等带宽相对较窄的传统无线系统不同，uwb可以在宽频上发送一组极窄的 低功率脉冲。由于uwb频谱宽、数据脉冲化、低功率，使得uwb的干扰 小于传统窄带宽的无线解决方案。uwb技术很容易将通信和定位集成在一 起，是因为uwb脉冲占空比特别低，有非常好的定位精度。uwb信号脉 冲宽度在纳秒级，其对应的距离分辨能力可高达厘米级；但在uwb室内定 位中，目前亟需解决的有信号多径干扰、非视距传播和基站布设等影响定 位精度的问题。这些问题已成为目前uwb室内定位的研究热点。具体来说， 由于基站布设的好坏直接影响到室内定位的精度，而且基站数量的冗余也 会造成室内定位部署成本的上升。由此可见，uwb基站的布设对于提高定 位精度与节约成本具有至关重要的作用和意义。
[0004]
因此亟需新的技术方案解决现有技术存在的问题。


技术实现要素：

[0005]
针对现有技术的上述问题，本发明的目的在于，提供一种基于uwb标 签技术的智能定位管理系统，以uwb定位标签技术为核心，并进行定位上 的算法优化，实现定位精度的提高与高效的管理应用，适合于布设线路的 复杂环境的应用。
[0006]
为了解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：
[0007]
一种基于uwb标签技术的智能定位管理系统，包括中央服务器、信号 中继模块、uwb定位基站、uwb定位标签、云存储模块及通信模块，所述 的信号中继模块、所述的uwb定位基站、所述的uwb定位标签、所述的 云存储模块、所述的通信模块均与所述的中央服务器相连；
[0008]
所述的信号中继模块还与所述的uwb定位标签相连，其中uwb定位 标签上设置有脉冲无线电发射器，其中所述的信号中继模块上设置有脉冲 无线电接收器；其中uwb定位标签的定位算法如下：
[0009][0010]
其中上述算法为基于aurac算法的调整，其中其中上述算法为基于节点距离的优化，所述的基于节点距离的优化公式如 下：
[0011][0012][0013]
所述的uwb定位基站与所述的uwb定位标签之间通过所述的通信模 块相连，其中uwb定位基站进行uwb定位标签的管理算法如下：
[0014][0015]
其中uwb定位基站的坐标为其中感知半径为r，其中uwb 定位标签的位置为其中uwb定位基站对uwb定位标签的感知 概率如下：
[0016]
其中p为感知概率；
[0017]
所述的中央服务器内设置有oracle数据库管理系统；还包括手机app 客户端，所述的手机app客户端与所述的oracle数据库管理系统相连。
[0018]
上述所述的基于uwb标签技术的智能定位管理系统中，
[0019]
所述的中央服务器为基于arm架构的服务器，所述的基于arm架构 的服务器与ups不间断电源相连，所述的基于arm架构的服务器的扩展槽 支持2
×
pcie 3.0
×
16槽，所述的基于arm架构的服务器的系统为redhat6.4/6.5、redhat kvm 5.8/5.9、oracle solaris 11、citrix xenserver 6.0fp1、 windows server 2012r2或ubuntu server 16.04lts，所述的基于arm架构 的服务器的储存温度为40℃-60℃，所述的基于arm架构的服务器的储存 湿度为8％-90％。
[0020]
上述所述的基于uwb标签技术的智能定位管理系统中，
[0021]
所述的中央服务器上设置有制冷中心，所述的制冷中心包括翅片式散 热器、热量
交换管及余热回收平台，所述的翅片式散热器与所述的基于arm 架构的服务器的cpu的散热风扇相连，所述的所述的翅片式散热器通过热 量交换管与所述的预热回收平台相连，所述的翅片式散热器的底部设置有 散热硅胶片，所述的余热回收平台与中心空调的换热平台相连，所述的制 冷中心的控制算法如下：
[0022][0023]
其中h为表面传热系数，w/(m2·
k)，其中λ为翅片散热器导热系 数，w/(m
·
k)，其中h为翅片高度，mm，其中δ为翅片厚度，mm。
[0024]
上述所述的基于uwb标签技术的智能定位管理系统中，
[0025]
所述的中央服务器与所述的信号中继模块之间设置有数据交换机；
[0026]
所述的数据交换机为基于javascript编程语言和nodejs运行环境设计 的交换机，所述的数据交换机为24口型端口的交换机，所述的数据交换机 的端口为1000m自适应rj45端口，所述的数据交换机具独立千兆sfp光纤 模块扩展插槽，所述的数据交换机支持port/mac/ip/vlan id四元扫描绑定， 所述的数据交换机支持ieee 802.1q vlan模式，所述的数据交换机内设置 有sp+wrr队列调度算法；
[0027]
所述的sp+wrr队列调度算法如下：
[0028][0029]
其中，节点i的邻域大小用ksize(i)描述，设定ksize(i)＜＝s，s表示 域限定值，数据包采用{id，m，n，tiaos}方式描述。
[0030]
上述所述的基于uwb标签技术的智能定位管理系统中，
[0031]
所述的信号中继模块为wifi信号中继模块或蓝牙信号中继模块；
[0032]
所述的信号中继模块的信号传递优化算法如下：
[0033]
ezzo＝θ
delivery
+θ
gain-θz(e)，
[0034]
其中θ
delivery
表示信号中继模块的信号传递速率，其中θ
delivery
表示信号中 继模块的信号传递效益，其中θz(r)表示信号中继模块的信号运行路线的耗 能量。
[0035]
上述所述的基于uwb标签技术的智能定位管理系统中，
[0036]
所述的uwb定位基站上设置有存储装置，所述的存储装置采用fpgaflash存储模块制成，所述的存储模块的连续读写周期为20ns，所述的存 储模块的块擦除时间为5.5ms，所述的存储模块的顶点处理器为rapidio芯 片，所述的存储模块的顶点处理器的主频为1.0ghz，所述的存储模块上还 设置有多个srio接口、pci接口及以太网接口，所述的存储模块的波特率 为3.125gb/s。
[0037]
上述所述的基于uwb标签技术的智能定位管理系统中，
[0038]
所述的通信模块为基于zig-fee架构的芯片，所述的基于zig-fee架构 的芯片包括4m可寻址程序空间和4m可寻址数据空间，所述的基于zig-fee 架构的芯片的片内具有128
×
16位的flash存储器和18k
×
16位的sram， 所述的基于zig-fee架构的芯片采用3.3v和1.8v供电，所述的基于zig-fee 架构的芯片的外部接口设置有16路12位的adc采集通道、
spi通信模块及 sci通信模块，所述的基于zig-fee架构的芯片上设置有56个复用i/o引脚。
[0039]
上述所述的基于uwb标签技术的智能定位管理系统中，
[0040]
所述的uwb定位基站上设置有追踪模块，所述的追踪模块用于实时追 踪所述的uwb定位标签的位置，其中追踪模块的最佳基站布设的数学模型 如下：
[0041][0042]
其中s.t.x
min
≤x
n
≤x
max
，y
min
≤y
n
≤y
max
，z
min
≤z
n
≤z
max
，n＝1，2，3，4，，其中 x＝(x1，y1，z1，x2，y2，z2，...，x
n
，y
n
，z
n
)，n表示定位服务区域中uwb定位标 签的数量。
[0043]
采用上述技术方案，本发明所述一种基于uwb标签技术的智能定位管 理系统具有如下有益效果：
[0044]
基于uwb定位标签技术，通过设置的信号中继模块、uwb定位基站 及uwb定位标签，同时通过相应的算法优化，能够有效实现定位精度的提 高与高效的管理应用，适合于布设线路的复杂环境的应用，uwb定位标签 向uwb定位基站发送uwb信号，uwb定位基站采用有效的管理算法，实 现对uwb定位标签的实时管理，其中uwb定位标签的定位算法也进行了 相应的优化，以精确确定uwb定位标签的位置，并将该位置信号通过通信 模块传输至中央服务器。此外，追踪模块的加入，进一步提升uwb定位标 签位置的定位精度。
具体实施方式
[0045]
下面将对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下 所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0046]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第 二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。 应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明 的实施例能够以除了在这里描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包 括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如， 包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚 地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、 方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0047]
实施例1
[0048]
本实施例的基于uwb标签技术的智能定位管理系统，包括中央服务器、 信号中继模块、uwb定位基站、uwb定位标签、云存储模块及通信模块， 所述的信号中继模块、所述的uwb定位基站、所述的uwb定位标签、所 述的云存储模块、所述的通信模块均与所述的中央服务器相连。需要提醒 的是，uwb定位基站需要设置ad信号转换模块，所述的ad信号转换模块 具有16个通道，模拟电压的输入范围是0v-3v，其中2个通道，分别用来 测量中央服务器上的锂电池的电量，其中电量测量电路分为3个部分：差 分比例1：10电路，用于把24v电压转换到0v-2.4v区间，隔离比例1：1 电路，能有效的隔离输入电压与dsp的前端接口，电压钳位电路，将输入 到dsp端口的电压钳位在3.3v以内，防止电源电压意外浪涌时损坏dsp的 a/d转换端口，2路24v电池电压分别经过2路电量测量电路后，输入到 dsp的adcina0、
adcina2两个端口，根据采集到的电压值，可计算当前电 池的电压，从而确定电池电量。
[0049]
所述的信号中继模块还与所述的uwb定位标签相连，其中uwb定位 标签上设置有脉冲无线电发射器，其中所述的信号中继模块上设置有脉冲 无线电接收器；需要注意的是，操作如下：
①
初始化用户列表和rtp首部 的时间戳和序列号等；
②
读取环形缓冲区中封装后的mpeg-4数据，若数据 包中帧头存在则更新rtp首部的时间戳并设置头标志为1，否则置头标志为 0，把数据发送给列表中的用户；
③
更新rtp首部和统计数据信息；
④
计算 延时，调整发送速度，重复第2步。
[0050]
其中uwb定位标签的定位算法如下：
[0051][0052]
其中上述算法为基于aurac算法的调整，其中其中上述算法为基于节点距离的优化，所述的基于节点距离的优化公式如 下：
[0053][0054][0055]
所述的uwb定位基站与所述的uwb定位标签之间通过所述的通信模 块相连，其中uwb定位基站进行uwb定位标签的管理算法如下：
[0056][0057]
其中uwb定位基站的坐标为a(x
a
，y
a
，z
a
)，其中感知半径为r，其中uwb 定位标签的位置为t(x
t
，y
t
，z
t
)，其中uwb定位基站对uwb定位标签的感知 概率如下：
[0058]
其中p为感知概率；
[0059]
所述的中央服务器内设置有oracle数据库管理系统；还包括手机app 客户端，所述的手机app客户端与所述的oracle数据库管理系统相连。需 要提醒的是，oracle数据库管理系统还可存储在其他电子设备中，所述的电 子设备可以包括一个或一个以上计算机可读存储介质的存储器、一个或者 一个以上处理核心的处理器、输入单元、显示单元、射频
(radio frequency， rf)电路、无线保真(wireiess fideiity，wifi)模块以及电源等部件。本领 域技术人员可以理解，本申请的电子设备结构并不构成对电子设备的限定， 可以包括更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
[0060]
上述所述的基于uwb标签技术的智能定位管理系统中，
[0061]
所述的中央服务器为基于arm架构的服务器，所述的基于arm架构 的服务器与ups不间断电源相连，所述的基于arm架构的服务器的扩展槽 支持2
×
pcie 3.0
×
16槽，所述的基于arm架构的服务器的系统为redhat6.4/6.5、redhat kvm 5.8/5.9、oracle solaris 11、citrix xenserver 6.0fp1、 windows server 2012r2或ubuntu server 16.04lts，所述的基于arm架构 的服务器的储存温度为40℃-60℃，所述的基于arm架构的服务器的储存 湿度为8％-90％。
[0062]
上述所述的基于uwb标签技术的智能定位管理系统中，
[0063]
所述的中央服务器上设置有制冷中心，所述的制冷中心包括翅片式散 热器、热量交换管及余热回收平台，所述的翅片式散热器与所述的基于arm 架构的服务器的cpu的散热风扇相连，所述的所述的翅片式散热器通过热 量交换管与所述的预热回收平台相连，所述的翅片式散热器的底部设置有 散热硅胶片，所述的余热回收平台与中心空调的换热平台相连，所述的制 冷中心的控制算法如下：
[0064][0065]
其中h为表面传热系数，w/(m2·
k)，其中λ为翅片散热器导热系 数，w/(m
·
k)，其中h为翅片高度，mm，其中δ为翅片厚度，mm。
[0066]
上述所述的基于uwb标签技术的智能定位管理系统中，
[0067]
所述的中央服务器与所述的信号中继模块之间设置有数据交换机；
[0068]
所述的数据交换机为基于javascript编程语言和nodejs运行环境设计 的交换机，所述的数据交换机为24口型端口的交换机，所述的数据交换机 的端口为1000m自适应rj45端口，所述的数据交换机具独立千兆sfp光纤 模块扩展插槽，所述的数据交换机支持port/mac/ip/vlan id四元扫描绑定， 所述的数据交换机支持ieee 802.1q vlan模式，所述的数据交换机内设置 有sp+wrr队列调度算法；
[0069]
所述的sp+wrr队列调度算法如下：
[0070][0071]
其中，节点i的邻域大小用ksize(i)描述，设定ksize(i)＜＝s，s表示 域限定值，数据包采用{id，m，n，tiaos}方式描述。
[0072]
上述所述的基于uwb标签技术的智能定位管理系统中，
[0073]
所述的信号中继模块为wifi信号中继模块或蓝牙信号中继模块；
[0074]
所述的信号中继模块的信号传递优化算法如下：
[0075]
ezzo＝θ
delivery
+θ
gain-θz(e)，
[0076]
其中θ
delivery
表示信号中继模块的信号传递速率，其中θ
delivery
表示信号中 继模块
的信号传递效益，其中θz(r)表示信号中继模块的信号运行路线的耗 能量。
[0077]
上述所述的基于uwb标签技术的智能定位管理系统中，
[0078]
所述的uwb定位基站上设置有存储装置，所述的存储装置采用fpgaflash存储模块制成，所述的存储模块的连续读写周期为20ns，所述的存 储模块的块擦除时间为5.5ms，所述的存储模块的顶点处理器为rapidio芯 片，所述的存储模块的顶点处理器的主频为1.0ghz，所述的存储模块上还 设置有多个srio接口、pci接口及以太网接口，所述的存储模块的波特率 为3.125gb/s。
[0079]
上述所述的基于uwb标签技术的智能定位管理系统中，
[0080]
所述的通信模块为基于zig-fee架构的芯片，所述的基于zig-fee架构 的芯片包括4m可寻址程序空间和4m可寻址数据空间，所述的基于zig-fee 架构的芯片的片内具有128
×
16位的flash存储器和18k
×
16位的sram， 所述的基于zig-fee架构的芯片采用3.3v和1.8v供电，所述的基于zig-fee 架构的芯片的外部接口设置有16路12位的adc采集通道、spi通信模块及 sci通信模块，所述的基于zig-fee架构的芯片上设置有56个复用i/o引脚。
[0081]
上述所述的基于uwb标签技术的智能定位管理系统中，
[0082]
所述的uwb定位基站上设置有追踪模块，所述的追踪模块用于实时追 踪所述的uwb定位标签的位置，其中追踪模块的最佳基站布设的数学模型 如下：
[0083][0084]
其中s.t.x
min
≤x
n
≤x
max
，y
min
≤y
n
≤y
max
，z
min
≤z
n
≤z
max
，n＝1，2，3，4，，其中 x＝(x1，y1，z1，x2，y2，z2，
…
，x
n
，y
n
，z
n
)，n表示定位服务区域中uwb定位标 签的数量。
[0085]
为了进一步验证本申请智能定位管理系统的可靠性，在保证其他条件 不变的前提下，将其与常见的一种高层平行布设方法进行定位精度对比实 验。高层平行布设方法中将基站位置分别平行布设在可行解区域的天花板 平面上，具体位置分别为(400cm,400cm,400cm)、(400cm,800cm,400cm)、 (600cm,400cm,400cm)、(600cm,800cm,400cm)。此基站分布下的平均 pdop值为3.84，在高层平行布设基站方法中，其静态定位误差分析可以得 出智能定位管理系统的定位较稳定。
[0086]
基于uwb定位标签技术，通过设置的信号中继模块、uwb定位基站 及uwb定位标签，同时通过相应的算法优化，能够有效实现定位精度的提 高与高效的管理应用，适合于布设线路的复杂环境的应用，uwb定位标签 向uwb定位基站发送uwb信号，uwb定位基站采用有效的管理算法，实 现对uwb定位标签的实时管理，其中uwb定位标签的定位算法也进行了 相应的优化，以精确确定uwb定位标签的位置，并将该位置信号通过通信 模块传输至中央服务器。此外，追踪模块的加入，进一步提升uwb定位标 签位置的定位精度。
[0087]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，对于本领 域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不 背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发 明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非 限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在 将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
[0088]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个 实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清 楚起见，本领域技术人员应
当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术 方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。