一种基于LF和UWB的室内定位方法及标签节点技术

本发明专利技术公开了一种基于LF和UWB的室内定位方法及标签节点，采用LF和UWB双频TDOA定位技术，LF为从锚节点到标签节点的下行通信方式，UWB为从标签节点到锚节点的上行通信；锚节点通过LF方式动态配置表节点工作参数，标签节点通过UWB发送测量数据和工作状态；动态调整标签节点的发射功率，标签节点MCU根据LF通信中的RSSI来计算标签节点离最近锚节点的距离，当标签节点检测到有锚节点在附近一定距离内时，降低UWB发送功率，否则按照最大发射功率发送。本发明专利技术可以解决室内高密度标签节点布置和高功耗等问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于LF和UWB的室内定位方法及标签节点
本专利技术涉及室内定位系统的移动标签节点
，特别涉及一种基于LF和UWB的室内定位方法及标签节点。
技术介绍
由于室内无法接受GPS等卫星定位信号，成熟的GPS定位技术不适合室内定位。目前常用的室内定位技术有红外线技术、超声波技术、蓝牙技术、无线局域网等，但这些技术存在其固有的缺陷，如红外和超声波技术不能超越墙壁，蓝牙和无线局域网技术定位精度低，而且不稳定，此外这些定位技术功耗也较大，很难实现低功耗高精度的室内定位。UWB(Ultra-WideBand，超宽带)技术因其频带宽、速率高、抗干扰能力强、定位精度高而在通信和定位中得到了应用，但是现有的基于TWR(Two-WayRanging,双向测距)的UWB定位方法通信量大，一个定位系统内所支持的移动标签节点数一般少于8个，而且移动标签节点功耗较大，严重限制了其应用范围。标签节点安装或者佩戴在需要定位的移动物体或者人员身上，标签节点与锚节点组成定位通信主体，锚节点一般是固定的，通过某种通信技术和定位算法通过固定锚节点的已知位置坐标来确定移动的标签节点的空间位置，从而确定移动物体或者人员的位置。在实际应用中，为了提高标签节点与锚节点的通信距离，需要提高标签节点的UWB发射功率。但是，当标签节点采用大功率发射UWB数据时，若标签节点与锚节点的距离太近，由于锚节点UWB接收放大器饱和，锚节点反而接收不到标签节点发过来的有效数据，出现“灯下黑”情况，因此需要动态调整标签节点的UWB发射功率，避免出现“灯下黑”。
技术实现思路
本专利技术针对室内高密度标签节点和高功耗等问题，提出一种基于LF(LowFrequency，低频)和UWB双频通信机制的TDOA(TimeDifferenceofArrival，到达时间差)室内定位方法，以及适合该方法的标签节点。本专利技术的目的通过以下的技术方案实现：一种基于LF和UWB的室内定位方法，采用LF和UWB双频TDOA定位技术，LF为从锚节点到标签节点的下行通信方式，UWB为从标签节点到锚节点的上行通信；锚节点通过LF方式动态配置表节点工作参数，标签节点通过UWB发送测量数据和工作状态；标签节点与锚节点之间的距离是动态变化的，需要动态调整标签节点的发射功率；标签节点MCU根据LF通信中的RSSI来计算标签节点离最近锚节点的距离，当标签节点检测到有锚节点在附近一定距离内时，降低UWB发送功率，否则按照最大发射功率发送；距离的计算公式如(1)式所示：式(1)中，d为标签节点离最近锚节点的距离，P1中为LF发射方的功率，单位为dbm，该值发射方通过数据包传给标签节点，RSSI为标签节点接收发射方数据包时的信号强度，从标签节点LF通信电路芯片内部寄存器读出，n与发送方LF线圈大小和安装方位有关，确定线圈大小和安装方式后，通过试验确定n。优选的，标签节点的MCU采用间歇工作方式，部分时间处于睡眠状态，综合采用事件驱动和时间驱动方式唤醒MCU中的CPU，CPU唤醒之后完成相应事件处理和周期UWB数据发送；当有事件触发而发送UWB数据，则周期触发需等待下一周期再发送UWB数据，发送数据完成即进入睡眠状态。优选的，标签节点的工作流程为：Step501，当标签节点上电后，标签节点单片机启动，初始化I/O、缓冲内存和外设，标签节点LF通信电路和UWB通信电路芯片的配置初始化，以及读取EEPROM存储数据或用缺省数据初始化工作参数，之后启动RTC计时中断，并进入主程序循环；Step502，根据状态数据表完成时间驱动、事件驱动处理，包括ADC采样和数据包类型的交替发送；若接收到LF信息，则要对LF通信进行处理回应，同时要检测锚节点LF信号的RSSI，计算出标签节点与该锚节点的距离；Step503，查看是否需要发送数据；若不需要发送数据则转入Step507，否则转入Step504；Step504，打包UWB数据包；Step505，发送UWB数据包；Step506，判断全部数据是否发送完毕，若是则转入Step507，不是则转到Step505；Step507，配置下次的RTC周期唤醒时间，进入低功耗Stop模式；当发生RTC周期唤醒中断或者外部中断时，标签从Stop模式唤醒然后转入各中断处理程序，更新状态数据表，对时间驱动和事件驱动进行标记，之后进入Step502进行处理。优选的，LF通信的数据编码采用脉冲间隔编码，信号的编码由锚节点或发卡器的MCU通过软件的方式实现；LF通信写模式的数据格式，在常规的LF通信数据包的位流中，增加“1”和“0”双数字电平的参考脉冲，以此作为后续位流的解码依据，接收方据此自适应的校正数据，降低了误码率。一种基于上述方法的标签节点，包括MCU电路2，以及分别与MCU电路2相连的电池与电源变换电路1、UWB通信电路3、LF通信电路4和表带断裂检测与报警电路5。优选的，电池与电源变换电路1包括聚合物锂离子充电电池101、电压转换电路102、充电控制电路103；电压转换电路102转换电压作为电路的工作电压；充电控制电路103包括处理芯片及外围电路，采用恒流和恒压的充电管理模式对锂离子电池进行充电管理，充电控制电路实现外部电源对锂电池的有线充电。进一步的，电池与电源变换电路1还包括LF接收限幅电路104；LF接收限幅电路104包括振荡电路和整流电路，将标签读写器和标签节点的谐振电路调到相同的振荡频率，采用谐振的方式由标签读写器将能量传送至标签，振荡电路接收标签读写器发出的信号并进行振荡产生交流电，将标签读写器的磁场信号转化为电信号，然后交流电经过整流管进行全波整流，通过滤波电容以及稳压管限幅之后，即可输出稳定的直流电为电池充；LF接收限幅电路104获得的能量在不影响LF通信前提下，也由充电控制电路把多余的电能存储在锂电池中，实现无线充电。优选的，MCU电路2包括单片机和相关外围电路，单片机内部的EEPROM用于存储标签节点的节点编号和工作参数数据；MCU电路实现整个标签节点的LF数据收发、UWB数据发送、表带断裂检测与报警的管理和控制。优选的，表带断裂检测与报警电路5采用单片机外部中断方式设计，表带断裂检测采用电阻分压连接MCU的I/O引脚，报警电路由一端接配置为上拉的MCU引脚和另一端接地的按钮组成，表带断裂或者按钮按下时，相应的MCU引脚的高低电平发生变化，从而触发MCU的I/O事件中断。优选的，UWB通信电路3包括UWB电源电路301、UWB收发器及其外围电路302、Balun电路303和UWB天线电路304；UWB收发器采用DW1000，与MCU采用SPI接口。DW1000把MCU发来的数据封装并经UWB调制后发送；UWB接收器及其外围电路302通过SPI接口UWB_SPI、复位信号线UWB_RESET和唤醒信号线UWB_WAKE与MCU相连，MCU通过SPI口可完成DW1000参数的配置及其UWB信息的发送，通过UWB_RESET和UWB_WAKE信号线可实现DW1000的重置和唤醒；Balun电路303由两个LC组成平衡-不平衡转换器，将DW1000输出的差分信号转换为单端信号；UWB天线电路304采用的是UWB陶瓷天线。优选的，LF通信电路4包括MCP2030及其外围电路本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于LF和UWB的室内定位方法，其特征在于，采用LF和UWB双频TDOA定位技术，LF为从锚节点到标签节点的下行通信方式，UWB为从标签节点到锚节点的上行通信；锚节点通过LF方式动态配置表节点工作参数，标签节点通过UWB发送测量数据和工作状态；标签节点与锚节点之间的距离是动态变化的，需要动态调整标签节点的发射功率；标签节点MCU根据LF通信中的RSSI来计算标签节点离最近锚节点的距离，当标签节点检测到有锚节点在附近一定距离内时，降低UWB发送功率，否则按照最大发射功率发送。

【技术特征摘要】
1.一种基于LF和UWB的室内定位方法，其特征在于，采用LF和UWB双频TDOA定位技术，LF为从锚节点到标签节点的下行通信方式，UWB为从标签节点到锚节点的上行通信；锚节点通过LF方式动态配置表节点工作参数，标签节点通过UWB发送测量数据和工作状态；标签节点与锚节点之间的距离是动态变化的，需要动态调整标签节点的发射功率；标签节点MCU根据LF通信中的RSSI来计算标签节点离最近锚节点的距离，当标签节点检测到有锚节点在附近一定距离内时，降低UWB发送功率，否则按照最大发射功率发送。2.根据权利要求1所述的基于LF和UWB的室内定位方法，其特征在于，标签节点的MCU采用间歇工作方式，部分时间处于睡眠状态，综合采用事件驱动和时间驱动方式唤醒MCU中的CPU，CPU唤醒之后完成相应事件处理和周期UWB数据发送；当有事件触发而发送UWB数据，则周期触发需等待下一周期再发送UWB数据，发送数据完成即进入睡眠状态。3.根据权利要求2所述的基于LF和UWB的室内定位方法，其特征在于，标签节点的工作流程为：Step501，当标签节点上电后，标签节点单片机启动，初始化I/O、缓冲内存和外设，标签节点LF通信电路和UWB通信电路芯片的配置初始化，以及读取EEPROM存储数据或用缺省数据初始化工作参数，之后启动RTC计时中断，并进入主程序循环；Step502，根据状态数据表完成时间驱动、事件驱动处理，包括ADC采样和数据包类型的交替发送；若接收到LF信息，则要对LF通信进行处理回应，同时要检测锚节点LF信号的RSSI，计算出标签节点与该锚节点的距离；Step503，查看是否需要发送数据；若不需要发送数据则转入Step507，否则转入Step504；Step504，打包UWB数据包；Step505，发送UWB数据包；Step506，判断全部数据是否发送完毕，若是则转入Step507，不是则转到Step505；Step507，配置下次的RTC周期唤醒时间，进入低功耗Stop模式；当发生RTC周期唤醒中断或者外部中断时，标签从Stop模式唤醒然后转入各中断处理程序，更新状态数据表，对时间驱动和事件驱动进行标记，之后进入Step502进行处理。4.根据权利要求1所述的基于LF和UWB的室内定位方法，其特征在于，LF通信的数据编码采用脉冲间隔编码，信号的编码由锚节点或发卡器的MCU通过软件的方式实现；LF通信写模式的数据格式，在常规的LF通信数据包的位流中，增加“1”和“0”双数字电平的参考脉冲，以此作为后续位流的解码依据，接收方据此自适应的校正数据，降低了误码率。5.一种基于权利要求1所述方法的标签节点，其特征在于，包括MCU电路，以及分别与MCU电路相连的电池与电源变换电路、UWB通信电路、LF通信电路和表带断裂检测与报...

【专利技术属性】
技术研发人员：李向阳，屈新东，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44