一种基于UWB方法的低功耗电子标签及定位方法

技术领域

本发明涉及变电站巡检领域，具体涉及一种适用于变电站巡检人员使用的基于UWB方法的低功耗电子定位标签及定位方法。

背景技术

随着智能变电站技术的发展，传统变电站在电力传输技术方面存在严重不足，急需升级改造。为了提高智能变电站的改造过程中的安全性，自动化、高精度，实时性的监测系统就必不可少，而仅依靠监督人员、监控视频是无法确保监督的实时性和有效性。现有变电站使用的监测系统分为有线和无线两种方法。有线通信系统有很多缺点，传输线路的铺设难度高、不易管理和维护等。常用的无线通信系统有WiFi,RFID,ZigBee,CSS等无线定位技术，但这些技术定位精度较差，难以满足应用的需求。基于视觉检测的技术由于受到光线和遮挡等因素的影响，无法达到可靠的安全管控。目前，在变电站环境下影响无线定位技术的研究尚少。

超宽带(UltraWide-Band，UWB)是一种新型的无线通信技术，根据美国联邦通信委员会的规范，UWB的工作频带为3.1-10.6GHz，系统-10dB带宽与系统中心频率之比大于20％或系统带宽至少为500MHz。UWB信号的发生可通过发射时间极短(如2ns)的窄脉冲(如二次高斯脉冲)通过微分或混频等上变频方式调制到UWB工作频段实现。

超宽带的主要优势有，低功耗、对信道衰落(如多径、非视距等信道) 不敏感、抗干扰能力强、不会对同一环境下的其他设备产生干扰、穿透性较强(能在穿透一堵砖墙的环境进行定位)，具有很高的定位准确度和定位精度。

虽然我国对UWB技术的研究有一定的成果但是大部分还是集中在实验室的理论研究阶段，成熟的产品较少，应用范围较窄。更未见有将UWB定位技术应用于变电站巡检人员定位的项目研究。

发明内容

针对现有变电站内部人员定位精度的不足，本发明提供一种基于UWB 方法的低功耗电子标签及定位方法，低功耗电子标签使用低功耗技术进而周期性的进入到工作状态而降低功耗，使用UWB技术提高了定位的精度，和现有变电站定位方法相比有较大优势。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于UWB方法的低功耗电子标签，射频收发模块、MEMS模块、与所述射频收发模块和MEMS模块连接的ARM处理器模块、与所述射频收发模块、MEMS模块、ARM处理器模块相连接的电源模块；所述射频收发模块用于发送和接收UWB信号；所述MEMS模块用于检测佩戴所述低功耗电子标签的人员或物品的运动状态信息并反馈至所述ARM处理器模块；所述ARM处理器模块用于控制射频收发模块和MEMS模块长期处于睡眠状态并周期性地唤醒，根据运动状态信息调整唤醒射频收发模块的周期，控制自身进入睡眠状态并周期性地自我唤醒。

进一步地，所述射频模块通过SPI总线和ARM处理器模块相连接；所述MEMS模块通过I

进一步地，所述射频收发模块为DW1000芯片及其周围电路；所述MEMS 模块为MPU925芯片及其周围电路；所述ARM处理器模块为STM32F411C 低功耗芯片及其周围电路。

进一步地，所述低功耗电子标签通过ARM处理器模块控制射频收发模块和MEMS模块长期处于睡眠状态，并周期性地唤醒射频收发模块和MEMS 模块进入正常工作状态，以实现功耗的降低。

进一步地，所述低功耗电子标签与基站进行通信，所述低功耗电子标签在基站接收状态时，和基站进行信号的收发是通过低功耗电子标签中的射频收发模块发出的UWB频段信号，频段为3.5GHz-6.5GHz。

一种基于低功耗电子标签的定位方法，采用上述的一种基于UWB技术的低功耗电子标签，包括以下步骤：

1)变电站巡检人员佩戴一个基于UWB技术的低功耗电子标签，该低功耗电子标签以超宽带方式与部署的n个已知坐标的基站通信，分别根据信号飞行时间来计算电子标签与n个基站之间的距离；

2)将巡检人员佩戴的电子标签的测距结果上传到服务器进行汇总；

3)服务器根据接收到的测距结果，使用最小二乘法完成超宽带定位。

进一步地，在步骤1)中，计算电子标签与n个基站之间的距离 d

d

其中，i＝1,2,…,n，Δt为信号飞行时间，C为光速。

进一步地，步骤3)具体为：

其中，(x

式(2)简化为：

AX＝b (3)

其中：

则根据最小二乘法求解式(3)，得到定位结果为：

X＝(A

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明的低功耗电子标签使用射频收发模块、MEMS模块、ARM处理器模块以及电源模块组成，同时使用低功耗技术，通过ARM处理器模块控制射频收发模块和MEMS模块长期处于睡眠状态，并周期性地唤醒射频收发模块和MEMS模块进入正常工作状态，以实现功耗的降低。

本发明通过在定位系统中以超宽带方式部署低功耗电子标签，计算信号飞行时间完成标签和基站进行数据通信，并对多组测距结果上传至服务器，最终使用最小二乘法处理服务器存储数据完成超宽带定位。该方法和现有变电站定位方法相比具有功耗低、定位精度高、数据持久化存储等多种优势，具有较强的实用意义。

附图说明

图1是本发明基于UWB方法的低功耗电子标签结构示意图。

图2是本发明基于UWB方法的低功耗电子标签定位方法流程图。

图3是本发明实施例的具体摆放位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明针对现有变电站巡检人员定位方法精度的不足，提供了基于UWB 信号的低功耗电子标签，同时基于该电子标签提出了一种最小二乘法超宽带定位方法。

参照图1，本发明提供了一种基于UWB方法的低功耗电子标签，该UWB 定位标签安装在变电站巡检人员的帽子和胸部，配合对应的定位基站以及定位方法，组成变电站的定位系统。

该电子标签包括：射频收发模块、MEMS模块、与所述射频收发模块和 MEMS模块连接的ARM处理器模块、与所述射频收发模块、MEMS模块、 ARM处理器模块相连接的电源模块；所述射频收发模块用于发送和接收 UWB信号；所述MEMS模块用于检测佩戴所述低功耗电子标签的人员或物品的运动状态信息并反馈至所述ARM处理器模块；所述ARM处理器模块用于控制射频收发模块和MEMS模块长期处于睡眠状态并周期性地唤醒，根据运动状态信息调整唤醒射频收发模块的周期，控制自身进入睡眠状态并周期性地自我唤醒。

在实施例中，基于UWB方法的低功耗电子标签，使用的射频模块通过 SPI总线和ARM处理器模块相连接；使用的MEMS模块通过I2C总线和ARM 处理器相连接。

在实施例中，使用的射频收发模块为DW1000芯片及其周围电路， DW1000芯片为DecaWave公司生产的专用于UWB技术的低功耗射频收发芯片，该芯片符合IEEE802.15.4-2011超宽带标准，定位的精确度最小误差在 10厘米以内；使用的MEMS模块为MPU9250芯片及其周围电路，MPU9250 内部集成有3轴陀螺仪、3轴加速度计和3轴磁力计，可以通过集成电路总线(IIC)接口和单片机进行数据交互，传输速率可达400kHz/s。陀螺仪的角速度测量范围最高达±2000(°/S)，具有良好的动态响应特性，静态测量精度高；使用的ARM处理器模块包括STM32F411C低功耗芯片及其周围电路。STM32F411C控制器提供了动态功耗(运行模式)和处理性能之间的最佳平衡，停机模式下，功耗低至10μA。

在实施例中，低功耗方法为通过ARM处理器模块控制射频收发模块和 MEMS模块长期处于睡眠状态，并周期性地唤醒射频收发模块和MEMS模块进入正常工作状态，以实现功耗的降低。

在实施例中，定位方法为在规定的时间内，使用电子标签进行多次的数据采集，对采集的数据求方差，当方差小于预设值时，判定电子标签处于稳定定位状态。当电子标签处于稳定定位状态时，电子标签进入基站信号接收状态。而当电子标签进入基站接收状态时，电子标签对基站发出的位置信号进行接收，在接收信号完成之后回发给基站，基站统计所有电子标签当前所处的位置。

参照图2，本发明用于变电站巡检定位时，能够实现较高的定位精度，并且对各种障碍物的遮挡具有较高的鲁棒性。在本发明在部署时，需要在待定位环境中铺设信标节点，部署人员需要测算这些信标节点的坐标，信标节点可以通过TCP/IP协议或其他可靠通信方式将数据传输到服务器。其中，标签中部署行人定位导航算法，它通过超宽带通信、以1Hz的频率向信标节点发送消息，该消息包括行人定位导航算法的结果，同时与信标节点完成基于信号飞行时间的测距算法。所有这些数据被汇总到服务器，服务器部署本发明的主要算法，完成高精度定位。该过程中，相关设置数据如表1所示。

表1本发明部署时典型参数

实施例1

在本实施例中，使用本发明中设计的基于UWB方法的低功耗电子标签以及定位算法进行定位精度验证。试验采用基于通视环境(LOS)下4个锚节点的总体框架，即待定位目标节点TN沿着室内走廊运动，在走廊两边同一高度设置4个发射超宽带信号的锚节点AN，摆放位置如图3所示。本发明设置了2组室内定位对比实验，通过设计目标节点不同位置及锚节点布设，研究室内UWB定位精度分布规律。表1和表2为不使用本发明定位算法和使用本发明定位算法的测量精度误差。测试结果表明:该定位系统的定位精度高，多径影响小。

表1未使用本发明算法的定位误差

表2使用本发明算法的定位误差

通过实际测试，本发明提供的低功耗电子标签使用低功耗技术进而周期性的进入到工作状态而降低功耗，使用UWB方法提高了定位的精度，和现有变电站定位方法相比有较大优势，具有较强的实用意义。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。