UWB定位设备和应用案例介绍

室内定位技术简介UWB实时定位系统随着无线通信技术的发展，新兴的无线网络技术，例如WiFi、ZigBee、蓝牙和超宽带等，在办公室、家庭、工厂等得到了广泛应用。——红外线室内定位技术。红外线室内定位技术定位的原理是，红外线IR标识发射调制的红外射线，通过安装在室内的光学传感器接收进行定位。虽然红外线具有相对较高的室内定位精度，但是由于光线不能穿过障碍物，使得红外射线仅能视距传播。直线视距和传输距离较短这两大主要缺点使其室内定位的效果很差。当标识放在口袋里或者有墙壁及其他遮挡时就不能正常工作，需要在每个房间、走廊安装接收天线，造价较高。因此，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。室内定位技术介绍——超声波定位技术。超声波测距主要采用反射式测距法，通过三角定位等算法确定物体的位置，即发射超声波并接收由被测物产生的回波，根据回波与发射波的时间差计算出待测距离，有的则采用单向测距法。超声波定位系统可由若干个应答器和一个主测距器组成，主测距器放置在被测物体上，在微机指令信号的作用下向位置固定的应答器发射同频率的无线电信号，应答器在收到无线电信号后同时向主测距器发射超声波信号，得到主测距器与各个应答器之间的距离。当同时有3个或3个以上不在同一直线上的应答器做出回应时，可以根据相关计算确定出被测物体所在的二维坐标系下的位置。超声波定位整体定位精度较高，结构简单，但超声波受多径效应和非视距传播影响很大，同时需要大量的底层硬件设施投资，成本太高。室内定位技术介绍——蓝牙技术。蓝牙技术通过测量信号强度进行定位。这是一种短距离低功耗的无线传输技术，在室内安装适当的蓝牙局域网接入点，把网络配置成基于多用户的基础网络连接模式，并保证蓝牙局域网接入点始终是这个微微网(piconet)的主设备，就可以获得用户的位置信息。蓝牙技术主要应用于小范围定位，例如单层大厅或仓库。蓝牙室内定位技术最大的优点是设备体积小、易于集成在PDA、PC以及手机中，因此很容易推广普及。理论上，对于持有集成了蓝牙功能移动终端设备的用户，只要设备的蓝牙功能开启，蓝牙室内定位系统就能够对其进行位置判断。采用该技术作室内短距离定位时容易发现设备且信号传输不受视距的影响。其不足在于蓝牙器件和设备的价格比较昂贵，而且对于复杂的空间环境，蓝牙系统的稳定性稍差，受噪声信号干扰大。室内定位技术介绍——射频识别技术。射频识别技术利用射频方式进行非接触式双向通信交换数据以达到识别和定位的目的。这种技术作用距离短，一般最长为几十米。但它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息，且传输范围很大，成本较低。同时由于其非接触和非视距等优点，可望成为优选的室内定位技术。目前，射频识别研究的热点和难点在于理论传播模型的建立、用户的安全隐私和国际标准化等问题。优点是标识的体积比较小，造价比较低，但是作用距离近，不具有通信能力，而且不便于整合到其他系统之中。室内定位技术介绍——Wi-Fi技术。无线局域网络(WLAN)是一种全新的信息获取平台，可以在广泛的应用领域内实现复杂的大范围定位、监测和追踪任务，而网络节点自身定位是大多数应用的基础和前提。当前比较流行的Wi-Fi定位是无线局域网络系列标准之IEEE802.11的一种定位解决方案。该系统采用经验测试和信号传播模型相结合的方式，易于安装，需要很少基站，能采用相同的底层无线网络结构，系统总精度高。目前，它应用于小范围的室内定位，成本较低。但无论是用于室内还是室外定位，Wi-Fi收发器都只能覆盖半径90米以内的区域，而且很容易受到其他信号的干扰，从而影响其精度，定位器的能耗也较高室内定位技术介绍——ZigBee技术。ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它介于射频识别和蓝牙之间，也可以用于室内定位。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调通信以实现定位。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。ZigBee最显著的技术特点是它的低功耗和低成本。室内定位技术介绍——超宽带技术。超宽带技术是一种全新的、与传统通信技术有极大差异的通信新技术。它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有GHz量级的带宽。超宽带可用于室内精确定位，例如战场士兵的位置发现、机器人运动跟踪等。超宽带系统与传统的窄带系统相比，具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。因此，超宽带技术可以应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航，且能提供十分精确的定位精度。UWB实时定位系统一、系统简介实时定位系统（UWBRTLS），又称超宽频实时定位系统，是用于实时跟踪人员（或设备），特别是用在常规的GPS信号不能覆盖到的区域。二、系统组成一个基本的UWB实时定位系统有一台交换机（HUB）、若干台接收器（Sensor）、至少一个参考标签（ReferenceTags）和若干个定位标签（DartTag）用于跟踪人员或设备。三、系统技术原理UWB实时定位系统使用短脉冲超宽频技术可以精确定位一个超宽频无线射频识别技术(RFID)标签（UWB标签）。原理如下:每个UWB系统的定位标签反复发出脉冲数据包，这个数据包是由一串超宽频脉冲组成的。由于这些标签是不同时发送和每个标签发送的时间极短,持续不断的数据包碰撞概率是很小的，所以，在同一地区可以处理几百个到几千个定位标签；UWB实时定位系统的接收器（Sensor）接收定位标签发送出来的脉冲数据包。接收器通常部署在定位区域的边缘。三个接收器或以上可以精确进行二维定位，四个接收器或以上可以精确进行三维定位。如果只有一个接收器，可以用来做靠近测试；每一个UWB定位系统的接收器使用高度敏感、高速度、短脉冲的监听器来测量每个脉冲数据包到达其天线的精确时间。超宽频脉冲极宽的带宽使得这些接收器测量脉冲数据包到达的时间可以精确到纳秒级。UWB系统的中心交换机根据参考标签(ReferenceTag)的坐标、脉冲数据包到达各个接收器的时间差和一个多路径算法，精确的确定一个定位标签（DartTag）的位置。四、系统规格UWB实时定位系统定位模式通过计算时间差和一个多路径算法来确定精度定位精度30厘米每台交换机支持的最大接收器数量64台每台接收器对高速数据的吞吐量1.5Mb/s第一台接收器到交换机的端口最长连线300米每个菊花链上支持的最大接收器数量8台每台交换机支持的最大参考标签数量32个每个标签的数据最高发射次数200次/秒五、系统设备介绍1、交换机（HUB）；2、接收器（Sensor）；3、参考标签（ReferenceTag）；4、定位标签（DartTag）。1、交换机（HUB）交换机正面交换机背面1、交换机（HUB）型号UWH-1100工作温度0ºC~40ºC尺寸35.6cmx22.9cmx8.9cm重量1.64kg电源100–240VDC50/60Hz;2.5A端口1、电源2、RJ45以太网端口3、8个RJ45接收器端口(时钟,数据&传感器电源)4、RS232串口交换机规格参数1、交换机（HUB）交换机（HUB）的作用：1、通过POE供电（PoweroverEthernet，48VDC）为接收器提供直流电源；2、同步每个接收器上的时钟，即时钟同步功能（NetworkTimeProtocol）；3、为用户提供系统配置界面（GraphicalUserInterface），并且为客户端读取位置信息提供通讯端口。1、交换机（HUB）交换机上的软件运行在一个内置的Linux操作系统上，交换机需要接入一个100-240伏的交流电源，通过屏蔽网线为接收器供电，同时给接收器发送一个时钟源和串行通讯数据。当从屏蔽网线比较长的时候，在接收器需要加一个外部电源。一个交换机最多支持连接64个接收器。同时为到达良好的定位效果，必须使用屏蔽网线和屏蔽接头去连接交换机和接收器。1、交换机（HUB）交换机（HUB）的正面有8个端口，每个端口用屏蔽网线通过菊花链首尾相连的方式，最多连接8台接收器，一台交换机可以总共可以连接64台接收器。每个端口到第一个接收器的网线连接最长为300米，往下每个接收机之间的距离最长为100米，如下图所示：1、交换机（HUB）交换机（HUB）连接到网络时，所使用的网络端口及作用如下：端口号功能80进入UWB实时定位系统的配置界面123网络时间协议，提供时间同步（NetworkTimeProtocol)161简单网络管理协议（SimpleNetworkManagementProtocol)5110系统管理,配置和诊断界面5111系统状态界面5117定位数据发送端口5120系统更新功能2、接收器（Sensor）接收器的中心频率为6.55GHz，频率的范围是6.35~6.75GHz，包含一个天线和电路检测从定位标签发出的脉冲数据包中的信息,并通过屏蔽网线将数据传送到交换机。接收器的作用：1、接收定位标签传送过来的数据信息；2、传送48VDC电压和时钟信息。2、接收器（Sensor）接收器背面包括两个RJ45接口,如下图所示,一个连接到上一个接收器或交换机的端口（标有IN的RJ45接口）和另一个连接到下一个接收机(标有OUT的RJ45接口)。当接收器连接到电源时两个灯亮,当数据读取时接收器黄色的灯闪烁。当数据量太大时，黄灯闪烁的速度太快而可能不会被看到。接收器需要大约35mA的电流/48VDC，这是上一个接收器或交换机提供的；接收器都有唯一的ID号，便于在UWB定位系统中进行配置，这个ID号是写在接收器里边的。2、接收器（Sensor）接收器（Sensor）的类型：1、高增益（HGhighgain）接收器，覆盖角度为40度，最远覆盖距离为150米左右；2、中增益（MGmid-frequencygain）接收器，覆盖角度为75度，最远覆盖距离为100米左右；3、低增益（全向）接收器，覆盖角度为360度，最远覆盖距离为30米左右；2、接收器（Sensor）高增益中增益全方位型号UWC-1100UWC-1200UWC-1300频率范围6.35~6.75GHz6.35~6.75GHz6.35~6.75GHz天线增益14dBi7.5dBi4.5dBi环境/物理变量工作温度-40ºC~70ºC-40ºC~70ºC-40ºC~70ºC环境等级IP40IP40IP40尺寸15.5x6.4x7.1cm15.5x6.4x7.1cm25.4x6.4x7.1cm注：IP40代表防尘等级为4，防水等级为0（无防护）；防尘等级4：防护1.0mm直径和更大的固体外来体，使用探测器，球体直径为1.0mm,不应完全进入；防水等级0：设备在正常使用时尽量不要沾水。接收器规格参数3、参考标签（ReferenceTag）每个UWB实时定位系统至少需要一个参考标签，作为计算定位标签位置的参考标记和同步传感器内的计数功能。我们可以用一个普通的定位标签来作为参考标签。参考标签必须放在固定的位置，并且至少被直接连接到交换机上的接收器看到，每个接收器至少能看到一个参考标签，每个参考标签要有多个接收器直接看到，参考标签的数量越少越好，但至少有一个，参考标签在区域中的位置是精确可知的。4、定位标签定位标签通过超宽频和接收器进行无线通信，定位标签的中心频率为6.55GHZ。定位标签通过一个电压为3V的电池供电，其电池寿命与定位每秒发出数据的次数相关。目前有以下两种定位标签：1、跟踪设