用于地下站点的多节点通信组网与定位一体化系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种用于地下站点的多节点通信组网与定位一体化系统及方法，包括UWB目标标签、UWB通信基站和UWB网关，UWB目标标签被安装在地下站点的物体上，UWB通信基站的数量为多个，UWB网关与各个UWB通信基站组成UWB通信网络，UWB通信网络采用Mesh组网方式；UWB目标标签包括定位标签和传感器；UWB通信基站包括主控制器、通信模块、定位模块和UWB模组阵列；UWB网关包括中央协调器、数据储存模块、联网模块和核心结构，核心结构为一个完整的UWB通信基站。与现有技术相比，本发明专利技术基于UWB通信技术设计通信和定位一体化系统，可克服现有UWB定位系统的缺点，不仅降低设备的成本，还可使得系统的布置更加灵活，适用地下变电站等复杂地理场景。理场景。理场景。

【技术实现步骤摘要】
用于地下站点的多节点通信组网与定位一体化系统及方法


[0001]本专利技术涉及通信和定位
，尤其是涉及一种基于UWB通信技术的用于地下站点的多节点通信组网与定位一体化系统及方法。

技术介绍

[0002]为了满足城市化进程造成地面土地资源紧张的问题，如何合理地利用垂直空间成为了各大城市城市规划中不可忽视的问题。地下变电站相较于传统变电站而言，不再占用大量地面空间，节约土地资源，同时又具有更高的安全性，是现代化变电站建设的一个重要方向。
[0003]对于变电站的管理而言，一方面，需要对地下变电站的环境和设备布置较多的传感器进行感知，这些传感数据需要汇集到控制中心，另一方面，对于人员、设备等的定位也尤为关键。传统的传感数据通过有线的方式进行数据传输，汇集到控制中心，该方法的缺点是当需要对传感器设备进行移动或者新增传感器时，会受到有线网络布线的限制，因此采用无线网络进行数据传输将会是更加灵活的方式。
[0004]传统的定位技术主要基于GPS定位技术或高清摄像头视频捕捉。然而，对于地下空间而言，存在着照明条件受限、空间局促、信号屏蔽等因素，传统定位技术的效果均不理想。因此，设计在地下变电站的场景下的无线定位方案，对于变电站的管理显得尤为重要。关于无线通信和无线定位的实现，现有系统往往采用两套系统来实现，从而增加系统的成本和施工难度，因此设计通信组网和定位一体化的系统具有很高的价值。
[0005]超带宽(Ultra Wide Bandwidth,UWB)通信是一种无线通信技术。UWB通信采用的频谱带宽极宽，从而可使用纳秒至皮秒级别的超短脉冲信号进行通信。由于脉冲持续时间极短，UWB通信系统的功耗可以被控制在极低的范畴之内，相较于传统的Wi
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Fi、蓝牙等系统具有巨大的功耗优势，因此也被广泛用于物联网应用，诸如工业自动化、智能门禁、智能机器人、智能家居等设备之中。同时，由于UWB通信采用超短脉冲进行通信，因此通过测量超短脉冲发送产生的时间差，可以通过计算出发射节点和接收节点之间的距离，从而进一步通过多个锚点的结合，实现设备的定位。因此，UWB通信技术除了用作于设备之间的通信用途之外，使用其脉冲信号的特点实现目标定位的功能也是UWB通信技术的研究热门方向。
[0006]在传统的UWB定位系统中，其往往采用供定位功能专用的导频信号设计来实现目标的距离测量。通过布置多个锚点分别测量某一个目标节点发送的导频信号得到相对距离，然后根据锚点几何位置关系，得到目标节点的具体位置。例如传统采用TDOA测距方法的设计，为了唯一确定目标的二维几何位置信息，在传统的UWB定位网络中，至少需要三个锚点协同工作，然后才能通过三角定位的方式决定目标的准确二维地理位置信息。为了解决多个节点的协作，多节点还需要采用其他通信网络进行数据的汇集。
[0007]上述传统UWB定位方法存在如下缺点。首先，采用专用的定位导频设计会占用一部分用于通信的资源，从而会降低通信性能，也增加了系统的功耗。其次，实现一个目标的二维定位，就需要多个锚点的协作，从而需要布置较多的锚点，增加锚点的布置成本和施工成
本，特别是在地下变电站等施工区域受限等情况，合理的锚点布置就会使得上述方法对定位区域的覆盖不佳。最后，为了实现多个锚点之间的协作，还需要布置一套网络来进行锚点间的通信，额外的网络布置也增加了系统的成本和施工的复杂度。此外，在中国专利CN106646353A中，提出了一种基于UWB和WIFI技术混合的地下作业人员精确定位系统和工作方法。然而两种通信定位技术的融合使得增加了部署定位锚点的复杂度。对于地下现场复杂的地形条件而言有其局限性。在中国专利CN113286360A中，一种地下矿用UWB定位系统和定位方法，其中将UWB定位技术与红外传感器相结合，实现低功耗的精准定位。然而地下矿道空间狭小、环境单一，此种定位系统不具有广泛运用的潜质。
[0008]综上，有必要针对地下变电站设计一种成本更低的多节点通信组网与定位一体化系统。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于地下站点的多节点通信组网与定位一体化系统及方法，可达到多节点通信组网进行数据传输以及设备精准定位的功能，该系统可进行可拓展组网、提升定位精度、减少系统功耗、便捷设备部署，适合地下等复杂场景。
[0010]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0011]根据本专利技术的第一方面，提供一种用于地下站点的多节点通信组网与定位一体化系统，包括UWB目标标签、UWB通信基站和UWB网关，所述UWB目标标签被安装在地下站点的物体上，所述UWB通信基站的数量为多个，所述UWB网关与各个UWB通信基站组成UWB通信网络，所述UWB通信网络采用Mesh组网方式；
[0012]所述UWB目标标签包括定位标签和传感器，所述定位标签被配置为收发UWB信号，每个定位标签具有唯一设备识别码；
[0013]所述UWB通信基站包括主控制器、通信模块、定位模块和UWB模组阵列，所述UWB模组阵列由多个UWB模组排列组成，所述UWB模组阵列被配置为收发UWB信号，所述主控制器用于控制UWB模组阵列发送UWB信号、处理并缓存通信模块的通信数据与定位模块的定位数据、与所述UWB网关和其他UWB通信基站协调组网；
[0014]所述UWB网关包括中央协调器、数据储存模块、联网模块和核心结构，所述核心结构为一个完整的UWB通信基站，所述数据储存模块用于储存各个UWB通信基站传输至UWB网关的数据和UWB网关自身的数据，所述联网模块用于将所述数据存储模块内的数据传输至外部服务器，所述中央协调器用于配置UWB通信网关与各个UWB通信基站所组成UWB通信网络的路由信息。
[0015]进一步地，所述UWB模组阵列由N个UWB模组等间距排列组成，N>1，且相邻UWB模组的天线阵元之间的间距设置为信号波长的一半。
[0016]进一步地，所述定位标签在传感器有数据更新时主动激活并发送定位信号和传感器中需要更新的数据字段至周围的UWB通信基站，所述定位标签在接收到来自于任一UWB通信基站的定位请求时被激活并发送定位信号至周围的UWB通信基站。
[0017]进一步地，所述传感器包括温度传感器、气压传感器、电池电量传感器、湿度传感器、工作状态指示传感器、加速度传感器、物资资料记录传感器、物资剩余情况传感器中的
一种或多种。
[0018]进一步地，所述定位模块进行目标定位的过程如下：
[0019]以UWB目标标签为待定位目标，目标反馈信号到达UWB通信基站，通过TDOA测量的方法确定目标与UWB通信基站之间的距离；主控制器提取UWB模组阵列中不同UWB模组获取的脉冲信号相位，通过相位差获取目标的方位信息，即到达角信息；通过距离和到达角信息实现目标定位。
[0020]进一步地，多目标定位场景下，通过UWB通信基站内置的设备识别码信息区分多个目标。
[0021]进一步地，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于地下站点的多节点通信组网与定位一体化系统，其特征在于，包括UWB目标标签、UWB通信基站和UWB网关，所述UWB目标标签被安装在地下站点的物体上，所述UWB通信基站的数量为多个，所述UWB网关与各个UWB通信基站组成UWB通信网络，所述UWB通信网络采用Mesh组网方式；所述UWB目标标签包括定位标签和传感器，所述定位标签被配置为收发UWB信号，每个定位标签具有唯一设备识别码；所述UWB通信基站包括主控制器、通信模块、定位模块和UWB模组阵列，所述UWB模组阵列由多个UWB模组排列组成，所述UWB模组阵列被配置为收发UWB信号，所述主控制器用于控制UWB模组阵列发送UWB信号、处理并缓存通信模块的通信数据与定位模块的定位数据、与所述UWB网关和其他UWB通信基站协调组网；所述UWB网关包括中央协调器、数据储存模块、联网模块和核心结构，所述核心结构为一个完整的UWB通信基站，所述数据储存模块用于储存各个UWB通信基站传输至UWB网关的数据和UWB网关自身的数据，所述联网模块用于将所述数据存储模块内的数据传输至外部服务器，所述中央协调器用于配置UWB通信网关与各个UWB通信基站所组成UWB通信网络的路由信息。2.根据权利要求1所述的一种用于地下站点的多节点通信组网与定位一体化系统，其特征在于，所述UWB模组阵列由N个UWB模组等间距排列组成，N>1，且相邻UWB模组的天线阵元之间的间距设置为信号波长的一半。3.根据权利要求1所述的一种用于地下站点的多节点通信组网与定位一体化系统，其特征在于，所述定位标签在传感器有数据更新时主动激活并发送定位信号和传感器中需要更新的数据字段至周围的UWB通信基站，所述定位标签在接收到来自于任一UWB通信基站的定位请求时被激活并发送定位信号至周围的UWB通信基站。4.根据权利要求1所述的一种用于地下站点的多节点通信组网与定位一体化系统，其特征在于，所述传感器包括温度传感器、气压传感器、电池电量传感器、湿度传感器、工作状态指示传感器、加速度传感器、物资资料记录传感器、物资剩余情况传感器中的一种或多种。5.根据权利要求1所述的一种用于地下站点的多节点通信组网与定位一体化系统，其特征在于，所述定位模块进行目标定位的过程如下：以UWB目标标签为待定位目标，目...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙博洋，王晓锋，张猷，夏严峰，沈志鹏，金姗姗，黄阮明，罗辰昊，唐爱民，
申请(专利权)人：国网上海市电力公司，
类型：发明
国别省市：