一种基于电池供电的BLE、UWB双模高精度定位基站及系统的制作方法

一种基于电池供电的ble、uwb双模高精度定位基站及系统
技术领域
1.本实用新型涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于电池供电的ble、uwb双模高精度定位基站及系统。


背景技术：

2.现有技术中，一些危险和机密场所不仅可以通过安装全方面的摄像头进行人员跟踪，防止泄密或提示安全，同时还可以为进入场所的所有人员提供定位装置，采用在装置内预先布局提示区域，在人员即将进入危险或保密区域时发出语音提示，如闯入报警。当前，在一些特殊场景下，如煤矿的地下开采，工作人员和任一设备在进入矿井时均配备定位装置，不仅能便于井上工作人员实时根据定位信息进行调度，同时还能够在失误发生时提高救援效率。
3.现有的定位装置多采用蓝牙技术实现定位，但是其定位精度较差，无法应用于需要精准定位的场景中。如，现代化工厂厂区内部的人员定位，化工厂内部分区较多，除常规的危险区域外，还需要检测突发情况导致的危险区域；例如发生有毒气体泄漏等危机情况，需要根据厂内的各种浓度检测仪动态调整厂内危险区域的范围，提示危险区域内的人员撤离；在这种需要能精准定位人员位置的应用场景中，普通的蓝牙定位方案不能获得良好的定位效果，因此，需要设计一种新的、便携的定位装置。


技术实现要素：

4.本实用新型目的在于提供一种基于电池供电的ble、uwb双模高精度定位基站及系统，通过ble技术和uwb定位技术共同对定位标签进行定位，能获得定位标签的高精度定位信息，能有效应用于需要对工作人员进行精准定位的场景。
5.为达成上述目的，本实用新型提出如下技术方案：一种基于电池供电的ble、uwb双模高精度定位基站及系统，应用于设定的监测区域内，用于发送指定发射功率的ble广播；所述双模高精度定位基站包括主板和电池模块，所述主板包括依次连接的低功耗蓝牙模块、uwb射频模块、射频发射模块和天线，所述电池模块用于给所述主板供电；
6.所述主板经所述天线发出ble广播，所述ble广播用于定位标签接收后根据该广播的信号强度衰减值计算其与所述双模高精度定位基站的距离，实现ble粗定位；
7.所述主板可接收定位标签发送的uwb交互信号，用于根据所述uwb交互信号与所述定位标签交互测距，实现uwb定位。
8.进一步的，所述电池模块包括电池和电压采集模块，所述电压采集模块分别连接所述电池和所述低功耗蓝牙模块；所述电压采集模块用于采集所述电池的电压，并置于所述ble广播中上报，实现对电池的电量检测。
9.进一步的，所述电池模块包括电池和电池升压稳压模块，所述电池升压稳压模块和分别连接所述电池和所述低功耗蓝牙模块，用于将电池电压转换至所述低功耗蓝牙模块的工作电压。
10.进一步的，所述低功耗蓝牙模块设置有一swd外部接口、一uart外部接口和一factory外部接口；所述主板为pcb电路板，所述swd外部接口、uart外部接口和factory外部接口以所述pcb电路板背面触点形式提供。
11.进一步的，所述低功耗蓝牙模块为nrf52833芯片u1及其引脚电路；
12.所述nrf52833芯片u1包括41根引脚，其中：1号引脚dec1串联电容c40后接地；2号引脚p0.00/xl1和3号引脚p0.01/xl2并联32.768khz晶振x3后分别串接电容c43、c42后接地；4号引脚p0.04/ain2和5号引脚p0.05/ain3分别用于连接mcu_spio_clk端、mcu_spio_mosi端；6号引脚p1.09和31号引脚p0.03/ain1用于连接所述电压采集模块；7号引脚p0.11用于实现pa_pwr_enable功能；8号引脚vdd连接vdd_mcu端；9号引脚vddh一路连接vdd_mcu端、另一路连接电容c336后接地；10号引脚vbus一路连接vbus端、另一路连接电容c292后接地；11号引脚decusb串联电容c293后接地；14号引脚p0.15和15号引脚p0.17提供所述uart外部接口，分别提供uart0_tx接口端和uart0_rx接口端；16号引脚p0.18/reset连接mcu_rest；17号引脚p0.20用于实现lna_enable功能；18号引脚vdd一路连接vdd_mcu端、另一路连接电容c294后接地；19号引脚swdio一路提供一swd_dio接口、另一路串接电阻r17后连接vdd_mcu端；20号引脚swdclk一路提供一swd_clk接口、另一路串接电阻r16后接地；21号引脚dec5串接电容c295后接地；24号引脚ant一路串接电容c51后接地、另一路串接电感l24、电感l23和电阻r215后连接天线u30，并且电感l24和电感l23间并联电容c48后接地、电感l23和电阻r215间并联电容c332后接地、电阻r215和天线u30间并联电容c333后接地；25号引脚vss接地；26号引脚dec6第一路串联电容c298后接地、第二路并联电容c301和电容c302后连接至37号引脚vss1、第三路连接至38号引脚dce4、第四路串联电感l25、电感l26后连接至39号引脚dcc；27号引脚edc3串联电容c299后接地；28号引脚xc1和29号引脚xc2并联32mhz晶振x2后分别串接电容c46、c47后接地；30号引脚vdd一路连接vdd_mcu端、另一路连接电容c300后接地；32号引脚p0.02/ain0提供所述factory外部接口；33号引脚p0.28/ain4连接uwb_spio_cso端；34号引脚p0.29/ain5连接uwb_spio_irqn端；35号引脚p0.30/ain6连接uwb_rst_1端；36号引脚p0.31ain7连接mcu_spio_miso端；40号引脚vdd一路连接vdd_mcu端、另一路连接电容c303后连接至41号引脚vss2并接地；12号引脚d-、13号引脚d+、22号引脚p0.09/nfc1和23号引脚p0.10/nfc2闲置。
13.进一步的，所述电压采集模块为adc电池电压采集电路，包括电阻r12、电阻r13、电阻r1092和电阻r1093；
14.所述电池依次串联电阻r1092、电阻r12和电阻r1093后接地，其中，所述电阻r1092和电阻r12之间设置有一第一支路，所述电阻r12和电阻r1093之间设置有一第二支路，所述第一支路连接至所述nrf52833芯片u1的31号引脚p0.03/ain1，所述第二支路串联电阻r13后连接至所述nrf52833芯片u1的6号引脚p1.09。
15.进一步的，所述电池升压稳压模块包括电池端子j6、电容c65、电容c334、电容c335、电容c245、电容c246、电容c338、max17224elt+芯片u11、电阻r25、电阻r26、电阻r1067、电阻r1068、电感l2、低压差稳压器3.3v_pa和变压器tp16；
16.所述电容c65、电容c334和电容c335依次并联在所述电池端子j6的1号引脚和2号引脚之间，该并联电路的一端、所述电池端子j6的3号引脚和4号引脚接地，该并联电路另一端的第一支路连接至所述max17224elt+芯片u11的5号引脚in、第二支路串联电容c245后接
地；
17.所述max17224elt+芯片u11的1号引脚vout串联电阻r1067后输出vddbat，且所述电阻r1068并联于所述电阻r1067的输出端和所述max17224elt+芯片u11的5号引脚in之间；所述max17224elt+芯片u11的2号引脚lx串联电感l2后一路连接至其5号引脚in、另一路串联电阻r25后连接至其6号引脚en；所述max17224elt+芯片u11的3号引脚gnd接地，所述max17224elt+芯片u11的4号引脚sel串联电阻r26后接地。
18.进一步的，所述主板为pcb电路板，所述swd外部接口、一uart外部接口和一factory外部接口以所述pcb电路板背面触点形式提供。
19.进一步的，所述swd外部接口提供一swclk接口和一swdio接口，用于所述nrf52833芯片u1系统处理器的固件烧写；所述uart外部接口提供一tx接口和一rx接口，用于所述定位标签的调试和生产测试；所述factory外部接口提供一gpio接口，所述gpio接口用于在接收低电平信号时强制所述低功耗蓝牙模块进入bootloader模式。
20.进一步的，所述电池为可充电锂锰电池。
21.本实用新型另一技术方案在于公开一种基于电池供电的ble、uwb双模高精度定位基站及系统，该系统包括若干定位标签和若干定位基站，所述定位基站为上述的双模高精度定位基站。
22.由以上技术方案可知，本实用新型的技术方案获得了如下有益效果：
23.本实用新型公开的基于电池供电的ble、uwb双模高精度定位基站及系统；该双模高精度定位基站应用于设定的监测区域内，包括由依次连接的低功耗蓝牙模块、uwb射频模块、射频发射模块和天线构成的主板，以及用于给主板供电的电池模块；本实用新型的主板经天线发出ble广播，ble广播用于定位标签接收后根据该广播的信号强度衰减值计算其与双模高精度定位基站的距离，实现ble粗定位；进一步主板可接收定位标签发送的uwb交互信号，用于根据该信号与定位标签交互测距，实现uwb定位。本实用新型的双模高精度定位基站一方面通过定期发出指定发射功率的ibeacon蓝牙广播包，为定位标签提供粗定位服务；另一方面通过接收定位标签发送的uwb交互信号进行交互测距，实现对定位标签的厘米级高精度定位，进而获得该定位标签精准定位信息。
24.本实用新型的定位系统应用在设定监测区域内时通过两种定位方式结合准确获悉佩戴该定位标签人员的精准位置，能有效应用于化工厂等可能面临突发事件需要动态调整危险区域，提示区域内人员紧急撤离的场景。
25.应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的实用新型主题的一部分。
26.结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本实用新型教导的前述和其他方面、实施例和特征。本实用新型的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本实用新型教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
27.附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本实用新型的各个方面的实施例，其中：
28.图1为本实用新型双模高精度定位基站的整体拓扑示意图；
29.图2为本实用新型低功耗蓝牙模块的电路连接图；
30.图3为本实用新型电压采集模块的电路连接图；
31.图4为本实用新型电池升压稳压模块的电路连接图一；
32.图5为本实用新型电池升压稳压模块的电路连接图二。
33.图中，各标记的具体意义为：
34.1-低功耗蓝牙模块，2-uwb射频模块，3-电池升压稳压模块，4-电压采集模块，5-swd外部接口，6-uart外部接口，7-factory外部接口，8-射频发射模块，9-天线，10-电池。
具体实施方式
35.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
36.本实用新型专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一个”“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件，并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。“上”“下”“左”“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
37.基于现有的定位装置，如应用于矿井下方的定位信标通常是采用蓝牙技术进行定位，这类定位技术存在一个问题，即定位数据与真实数据的误差较大；当这类定位装置应用于如化工厂等面临突发情况需要动态调整厂内危险区域的范围，并提示危险区域内的人员撤离时，无法精准定位人员的位置；本实用新型旨在于针对上述问题提出一种基于电池供电的ble、uwb双模高精度定位基站及系统，该系统结合ble和uwb两种定位技术，为定位标签提供精准的定位信息，能有效应用于各种定位场景中。
38.下面结合具体实施例，对本实用新型公开的基于电池供电的ble、uwb双模高精度定位基站及系统作进一步具体介绍。
39.本实用新型公开的基于电池供电的ble、uwb双模高精度定位基站，其应用于设定的监测区域内，用于发送指定发射功率的ble广播；双模高精度定位基站包括主板和电池模块，主板包括依次连接的低功耗蓝牙模块1、uwb射频模块2、射频发射模块8和天线9，电池模块用于给主板供电；其中，uwb射频模块2和射频发射模块8用于实现低功耗蓝牙模块1与定位标签间的uwb交互测距，uwb射频模块2可选dw3000射频模块；低功耗蓝牙模块1采用无线通信模块，如lte，与定位标签通信连接。工作时，主板经天线9发出ble广播，ble广播用于定位标签接收后根据该广播的信号强度衰减值计算其与双模高精度定位基站的距离，实现
ble粗定位；主板可接收定位标签发送的uwb交互信号，用于根据所述uwb交互信号与所述定位标签交互测距，实现uwb定位。
40.具体的，如图1所示，本实施例中双模高精度定位基站的电池模块包括电池、电池升压稳压模块3和电压采集模块4，电池升压稳压模块3和电压采集模块4分别连接电池和低功耗蓝牙模块1；工作时，电源升压稳压模块3用于将工作电压为dc3v的电池10升压并稳定在dc3.3v输出；电压采集模块4用于采集电池10的电压，并置于ble广播中上报，实现对电池10的电量检测；当电池10电量低于预设电量值时，提醒工作人员进行电池10更换或其他方式补充电量。可选的，当低功耗蓝牙模块1更换其他工作电压为3v的芯片时，具体实施时可直接由电池10供电，此时方案中就无需中进一步设置电池升压稳压模块3。
41.进一步结合图1所示，低功耗蓝牙模块1设置有一swd外部接口5、一uart外部接口6和一factory外部接口7，用于模块固件烧写、测试和强制控制。实施时，主板为一pcb电路板，swd外部接口5、uart外部接口6和factory外部接口7以pcb电路板背面触点形式提供。
42.作为一可选的实施例，如图2所示，低功耗蓝牙模块1可选择nrf52833芯片u1及其引脚电路；具体构成时，nrf52833芯片u1包括41根引脚，其中，1号引脚dec1串联电容c40后接地；2号引脚p0.00/xl1和3号引脚p0.01/xl2并联32.768khz晶振x3后分别串接电容c43、c42后接地；4号引脚p0.04/ain2和5号引脚p0.05/ain3分别用于连接mcu_spio_clk端、mcu_spio_mosi端；6号引脚p1.09和31号引脚p0.03/ain1用于连接所述电压采集模块；7号引脚p0.11用于实现pa_pwr_enable功能；8号引脚vdd连接vdd_mcu端；9号引脚vddh一路连接vdd_mcu端、另一路连接电容c336后接地；10号引脚vbus一路连接vbus端、另一路连接电容c292后接地；11号引脚decusb串联电容c293后接地；14号引脚p0.15和15号引脚p0.17提供uart外部接口，分别提供uart0_tx接口端和uart0_rx接口端；16号引脚p0.18/reset连接mcu_rest；17号引脚p0.20用于实现lna_enable功能；18号引脚vdd一路连接vdd_mcu端、另一路连接电容c294后接地；19号引脚swdio一路提供一swd_dio接口、另一路串接电阻r17后连接vdd_mcu端；20号引脚swdclk一路提供一swd_clk接口、另一路串接电阻r16后接地；21号引脚dec5串接电容c295后接地；24号引脚ant一路串接电容c51后接地、另一路串接电感l24、电感l23和电阻r215后连接天线u30，并且电感l24和电感l23间并联电容c48后接地、电感l23和电阻r215间并联电容c332后接地、电阻r215和天线u30间并联电容c333后接地；25号引脚vss接地；26号引脚dec6第一路串联电容c298后接地、第二路并联电容c301和电容c302后连接至37号引脚vss1、第三路连接至38号引脚dce4、第四路串联电感l25、电感l26后连接至39号引脚dcc；27号引脚edc3串联电容c299后接地；28号引脚xc1和29号引脚xc2并联32mhz晶振x2后分别串接电容c46、c47后接地；30号引脚vdd一路连接vdd_mcu端、另一路连接电容c300后接地；32号引脚p0.02/ain0提供所述factory外部接口；33号引脚p0.28/ain4连接uwb_spio_cso端；34号引脚p0.29/ain5连接uwb_spio_irqn端；35号引脚p0.30/ain6连接uwb_rst_1端；36号引脚p0.31ain7连接mcu_spio_miso端；40号引脚vdd一路连接vdd_mcu端、另一路连接电容c303后连接至41号引脚vss2并接地；12号引脚d-、13号引脚d+、22号引脚p0.09/nfc1和23号引脚p0.10/nfc2闲置。
43.工作时，swd外部接口5通过提供一swclk接口和一swdio接口，实现对nrf52833芯片u1系统处理器的固件烧写；uart外部接口6通过提供一tx接口和一rx接口，实现对定位标签的调试和生产测试；factory外部接口7通过提供一gpio接口，该gpio接口用于在接收低
电平信号时强制低功耗蓝牙模块1进入bootloader模式。因此，本定位基站内系统升级不仅可以采用蓝牙升级方式，还可以通过串口进行升级。
44.作为一可选的实施例，根据低功耗蓝牙模块1的配置，电压采集模块4可配置为图3所示的adc电池电压采集电路，包括电阻r12、电阻r13、电阻r1092和电阻r1093；其连接为，电池10依次串联电阻r1092、电阻r12和电阻r1093后接地，其中，电阻r1092和电阻r12之间设置有一第一支路，电阻r12和电阻r1093之间设置有一第二支路，第一支路连接至nrf52833芯片u1的31号引脚p0.03/ain1，第二支路串联电阻r13后连接至nrf52833芯片u1的6号引脚p1.09，实现电池电压采集的过程，并发送给低功耗蓝牙模块1，以便低功耗蓝牙模块1将其置于ble广播中进行上报检测电池电量。可选的，低功耗蓝牙模块1可预设电量告警阈值，当其检测到电池电量不高于该阈值时发出告警提示，该提示置于ble广播中上报；当电池10选择为干电池时，告警提示更换电池；当电池10选择为可充电锂锰电池时，告警提示需要给电池充电。
45.作为一可选的实施例，电池升压稳压模块3可配置为如图4和图5所示的构造，其包括电池端子j6、电容c65、电容c334、电容c335、电容c245、电容c246、电容c338、max17224elt+芯片u11、电阻r25、电阻r26、电阻r1067、电阻r1068和电感l2。连接时，电容c65、电容c334和电容c335依次并联在电池端子j6的1号引脚和2号引脚之间，该并联电路的一端、电池端子j6的3号引脚和4号引脚接地，该并联电路另一端的第一支路连接至max17224elt+芯片u11的5号引脚in、第二支路串联电容c245后接地；max17224elt+芯片u11的1号引脚vout串联电阻r1067后输出vddbat，实施时，电阻r1067的串联电路上输出一路3.3v供电至射频发射模块8和提供一测量点，并且电阻r1068并联于电阻r1067的输出端和max17224elt+芯片u11的5号引脚in之间；max17224elt+芯片u11的2号引脚lx串联电感l2后一路连接至其5号引脚in、另一路串联电阻r25后连接至其6号引脚en；max17224elt+芯片u11的3号引脚gnd接地，max17224elt+芯片u11的4号引脚sel串联电阻r26后接地。该模块中的max17224elt+芯片u11将电池电压转换为稳定的dc3.3v后给主板供电。
46.本实用新型另一实施例公开一种基于电池供电的ble、uwb双模高精度定位系统，该系统包括若干定位标签和若干定位基站，其中定位基站为上述的双模高精度定位基站，定位标签采用无线通信模块通信连接于定位基站。该系统应用时，该定位基站在监测区域内间隔布设，定位标签随身佩戴在进入监测区域内的人员身上；当定位标签接近定位基站后，会收到定位基站发送的ble广播，通过ble广播的信号强度衰减值，可以计算出定位标签与定位基站的距离，实现1-5m的区域粗定位，为定位精度需求较低的业务提供定位服务；定位标签捕获到定位基站ble广播后，如需提高定位精度，则和定位基站进行uwb定位，实现厘米级高精度定位，为定位精度需要较高的业务提供定位服务。
47.即本技术公开的双模高精度定位基站默认提供ble广播定位服务，按需进行uwb高精度定位服务，因此在提供高精度定位的服务的同时，能够兼顾到低功耗要求；通过ble广播和uwb测距的结合，能准确获取定位标签厘米级高精度定位数据，进而在上述的应用场景中，如化工厂厂区面积监测中，面临突发危险、需要紧急定位厂区所有人员信息进行告警提示的场景时，能高精度获得厂区内所有人员的位置信息，及时通知在危险区域的人员和距离事故点较近的人员撤离，充分避免定位误差造成的通知不及时、人员损伤。
48.作为一可选的实施方案，一些实施例中定位系统的定位标签采用电池供电，为节
省定位标签电池的消耗，当佩戴定位标签的人员离开监测区域时，通过让定位标签的部分功能休眠，如定位功能和无线通信功能。
49.例如，定位标签内预设第一时间阈值，第一时间阈值为其与定位基站进行完成uwb交互的最长等待时间；当定位标签位于监测区域外，且其与定位基站未进行uwb交互的等待时间超过第一时间阈值，关闭定位标签的uwb功能。又例如，定位标签内预设有第二时间阈值，第二时间阈值为其接收定位基站ble广播中指定ble信号的最长时间间隔；当定位标签位于监测区域外，且其接收ble广播中指定ble信号的时间间隔超过第二时间阈值，关闭定位标签的ble功能。当然，可选的，当定位标签的uwb功能和ble功能均关闭，定位标签的无线通信功能也进入关闭状态。
50.虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型。本实用新型所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本实用新型的保护范围当视权利要求书所界定者为准。