一种基于UWB技术的无线定位监控系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于UWB技术的无线定位监控系统及方法，包括单个基站、天线阵列、与天线阵列连接的射频模块、监控服务台、标签，与标签连接的采集模块和显示屏；采集模块包括远红外测光模块、风量、风速传感器、瓦斯气体传感器、PM2.5粉尘传感器；天线阵列、监控服务台、标签分别与单个基站连接。用单个基站同步头使标签与单个基站定位之前的时间同步；使用带天线的单个基站通过TOA定位技术和AOA定位技术测量标签与单个基站之间的距离和角度，从而获得标签的三维位置；用采集模块把检测到的信息通过单个基站传给监控服务台，若危险联动源的信息值超出正常范围值时，系统进行报警。本发明专利技术具有低功耗、抗干扰、低复杂度、传输效率高、定位精准的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于UWB技术的无线定位监控系统及方法
本专利技术涉及UWB定位监控
，具体的说，是一种基于UWB技术的无线定位监控系统及方法。
技术介绍
随着物联网研究与应用的不断深入，无线通信技术将快速发展，并在不同物联网应用场景中发挥重要作用，而空间定位的需求也将越来越广泛和迫切。全球卫星定位系统(GPS)作为较成熟的定位技术，在工程测量、导航、物流等方面得到广泛的应用，而在电力系统主要用于时钟同步以及故障诊断。一些电站使用GPS卫星和WLAN定位技术，虽然这些技术成熟，但是GPS具有成本高、定位精度不高、易受遮挡不能适应特定环境(如室内、地下等)工作要求等缺点；WLAN抗干扰能力差、定位精度低、传输距离短，无法满足某些高精度定位场合的要求。而光跟踪、超声波、蓝牙、Zigbee等定位技术也有各自的优缺点，如红外线只适合短距离传播，而且容易被荧光灯或者房间内的灯光干扰，在精确定位上有局限性；超声波受多径效应和非视距传播影响很大，易受温度干扰，不适用于电站环境；蓝牙、Zigbee传输速率低，降低电站定位监控的工作效率。现有技术中有采用多基站UWB进行定位监控的，但结构复杂、同步难度大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于UWB技术的无线定位监控系统及方法，具有功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、传输效率高、能提供精确定位的优点，并且通过UWB技术进行实时定位、监控和管理，解决目前定位系统同步方式复杂、同步难度大且同步精度低的问题。本专利技术通过下述技术方案实现：一种基于UWB技术的无线定位监控系统，其特征在于：包括单个基站、天线、与天线连接的射频模块、监控服务台、标签、分别与标签连接且用于检测危险联动源的采集模块和显示屏；所述天线、监控服务台、标签分别与单个基站连接；所述采集模块包括远红外测光模块、风量、风速传感器、瓦斯气体传感器、PM2.5粉尘传感器。进一步地，为了更好的实现本专利技术，所述射频模块包括射频交换器、CPU以及基带模块；所述射频交换器和基带模块分别与CPU连接。进一步地，为了更好的实现本专利技术，所述远红外测光模块包括远红传感器、AT89C51单片机、同相放大器、二极管温度补偿电路、A/D转换器；所述远红传感器、同相放大器、二极管温度补偿电路、A/D转换器分别与AT89C51单片机相连。进一步地，为了更好的实现本专利技术，所述标签、采集模块、显示屏的数量均为多个，一个显示屏、一个采集模块分别与一个标签连接。一种基于UWB技术的无线定位监控方法，具体包括以下步骤：步骤S1：在标签与单个基站定位之前，使用单个基站同步头让标签和单个基站的时间同步；步骤S2：使用带天线的单个基站通过TOA定位技术测量标签与单个基站之间的距离，再通过AOA定位技术测出标签发送脉冲到达单个基站的角度；步骤S3：获得标签到单个基站的距离和角度，从而获得标签的三维位置，并将标签的三维位置信息和标签轨迹通过单个基站存储在监控服务台中；步骤S4：通过与标签连接的采集模块来检测危险联动源，将检测到的信息通过单个基站传给监控服务台并在与标签连接的显示屏上显示；步骤S5：若当危险联动源的信息值超出正常范围值时，危险联动源信息会快速通过单个基站传输进行报警。进一步地，为了更好的实现本专利技术，所述步骤S1中：单个基站同步头与标签工作时的每个接受窗之间间隔1ms，收到一个同步头的标签仍然不断监听直到收到另一个同步头；由标签检测得到的同步头的时间和单个基站产生的两个同步头的时间之比得到标签与单个基站之间的时钟频率。进一步地，为了更好的实现本专利技术，所述步骤S2具体包括以下步骤：步骤S21：将天线阵列归一化为6单元圆形阵列，即6面定向天线组成的天线阵列覆盖360°空间；步骤S22：UWB信号通过各个天线接收通道进入系统，UWB信号被天线接收后，通过射频模块对其进行放大、滤波、AD量化后送到CPU进行处理，CPU主要完成信号的检测、方向估算和开关控制的功能，天线阵列通过6到1的射频模块处理后与单个基站相连；步骤S23：确定标签与单个基站的距离；具体是指：由所述单个基站通过测量脉冲从单个基站到标签的时间与测量脉冲从标签反射回单个基站的时间的总和减去单个基站与标签内部电路处理时间所用的总时长进行确定；步骤S24：通过比较当前各个天线中最大的量个天线的信号幅度，进而使用AOA定位技术得到标签角度。进一步地，为了更好的实现本专利技术，所述步骤S3具体包括以下步骤：步骤S31：联合TOA定位技术和AOA定位技术所获得的标签与单个基站之间的距离和角度，得到标签的三维位置，再通过射频模块处理后将标签的三维位置通过单个基站传输给监控服务台进行存储；步骤S32：标签开始工作后，射频模块处理后的标签位置合成轨迹发送到监控服务台。进一步地，为了更好的实现本专利技术，所述步骤S4具体包括以下步骤：步骤S41：物体发出的热辐射触动标签远红外测光模块中的AT89C51单片机，在显示屏上读出温度数据并将数据传到监控服务台进行存储；步骤S42：标签在三维空间运动时，标签上的采集模块对标签周围的风量、风速、瓦斯气体以及PM2.5粉尘进行采集测量，再将采集到的信息读在显示屏上并且通过单个基站传给监控服务台。进一步地，为了更好的实现本专利技术，所述步骤S5中：标签上的采集模块所检测的远红外光、风量、风速、瓦斯气体、PM2.5粉尘若为危险联动源信息，若检测到的危险联动源信息数据值超出正常范围值时，危险联动源信息会快速通过单个基站传输进行报警。工作原理：1.本专利技术是一种基于UWB技术的无线定位监控系统及方法，采用单个基站天线阵列超宽带无线定位算法，将天线阵列归一化为6单元圆形阵列，即6面定向天线组成的天线阵列覆盖360°空间，再联合TOA定位技术和AOA定位技术精准测定标签的三维位置。2.将检测到标签的三维位置通过与天线阵列连接的射频模块处理后传输到监控服务台做存储，标签工作时发出的不间断的脉冲信号合成标签轨迹，可做轨迹回放功能。3.与标签连接的采集模块包括远红外测光模块、风量、风速传感器、瓦斯气体传感器、PM2.5粉尘传感器，物体发出的热辐射触动标签远红外测光模块中的AT89C51单片机，在显示屏上读出温度数据并将数据传到监控服务台进行存储；标签在三维空间运动时，标签上的采集模块对标签周围的风量、风速、瓦斯气体以及PM2.5粉尘进行采集测量，再将采集到的信息读在显示屏上并且通过单个基站传给监控服务台。标签上的采集模块所检测的远红外光、风量、风速、瓦斯气体、PM2.5粉尘若为危险联动源信息，若检测到的危险联动源信息数据值超出正常范围值时，依靠UWB技术传输速率极高的优点，危险联动源信息会快速通过单个基站传输进行报警。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：(1)本专利技术采用UWB技术单个基站天线阵列超宽带无线定位算法，使用单个基站便可以测得标签的三维位置，系统复杂度低，方便了整个系统的安装和部署；(2)本专利技术采用UWB技术的无线定位监控系统，具有低功耗、抗多径效果好、安全性高、传输效率高的优点；(3)本专利技术采用天线归一化，天线阵列覆盖360°空间，并且联合TOA定位技术和AOA定位技术使标签的三维位置更加精准；(4)本专利技术解决技术人员施工的安全和监控管理问题。附图说明图1为本专利技术系统硬件本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于UWB技术的无线定位监控系统，其特征在于：包括单个基站、天线、与天线连接的射频模块、监控服务台、标签、分别与标签连接且用于检测危险联动源的采集模块和显示屏；所述天线、监控服务台、标签分别与单个基站连接；所述采集模块包括远红外测光模块、风量、风速传感器、瓦斯气体传感器、PM2.5粉尘传感器。

【技术特征摘要】
1.一种基于UWB技术的无线定位监控系统，其特征在于：包括单个基站、天线、与天线连接的射频模块、监控服务台、标签、分别与标签连接且用于检测危险联动源的采集模块和显示屏；所述天线、监控服务台、标签分别与单个基站连接；所述采集模块包括远红外测光模块、风量、风速传感器、瓦斯气体传感器、PM2.5粉尘传感器。2.根据权利要求1所述的一种基于UWB技术的无线定位监控系统，其特征在于：所述射频模块包括射频交换器、CPU以及基带模块；所述射频交换器和基带模块分别与CPU连接。3.根据权利要求1所述的一种基于UWB技术的无线定位监控系统，其特征在于：所述远红外测光模块包括远红传感器、AT89C51单片机、同相放大器、二极管温度补偿电路、A/D转换器；所述远红传感器、同相放大器、二极管温度补偿电路、A/D转换器分别与AT89C51单片机相连。4.根据权利要求1所述的一种基于UWB技术的无线定位监控系统，其特征在于：所述标签、采集模块、显示屏的数量均为多个，一个显示屏、一个采集模块分别与一个标签连接。5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于UWB技术的无线定位监控方法，其特征在于：具体包括以下步骤：步骤S1：在标签与单个基站定位之前，使用单个基站同步头让标签和单个基站的时间同步；步骤S2：使用带天线的单个基站通过TOA定位技术测量标签与单个基站之间的距离，再通过AOA定位技术测出标签发送脉冲到达单个基站的角度；步骤S3：获得标签到单个基站的距离和角度，从而获得标签的三维位置，并将标签的三维位置信息和标签轨迹通过单个基站存储在监控服务台中；步骤S4：通过与标签连接的采集模块来检测危险联动源，将检测到的信息通过单个基站传给监控服务台并在与标签连接的显示屏上显示；步骤S5：若当危险联动源的信息值超出正常范围值时，危险联动源信息会快速通过单个基站传输进行报警。6.根据权利要求5所述的一种基于UWB技术的无线定位监控方法，其特征在于：所述步骤S1中：单个基站同步头与标签工作时的每个接受窗之间间隔1ms，收到一个同步头的标签仍然不断监听直到收到另一个同步头；由标签检测得到的同步头的时间和单个基站产生的两个同步头的...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵文君，梁植淇，王宇翔，郝少恺，施逸，兰浩，向亚东，蒋益强，
申请(专利权)人：国网四川省电力公司宜宾供电公司，
类型：发明
国别省市：四川,51