(完整版)UWB定位設備和應用案例介紹

室內(nèi)定位技術簡介

UWB實時定位系統(tǒng)

室內(nèi)定位技術簡介

隨著無線通信技術的發(fā)展，新興的無線網(wǎng)絡技術，例如WiFi、ZigBee、藍牙和超寬帶等，在辦公室、家庭、工廠等得到了廣泛應用?！t外線室內(nèi)定位技術。紅外線室內(nèi)定位技術定位的原理是，紅外線IR標識發(fā)射調(diào)制的紅外射線，通過安裝在室內(nèi)的光學傳感器接收進行定位。雖然紅外線具有相對較高的室內(nèi)定位精度，但是由于光線不能穿過障礙物，使得紅外射線僅能視距傳播。直線視距和傳輸距離較短這兩大主要缺點使其室內(nèi)定位的效果很差。當標識放在口袋里或者有墻壁及其他遮擋時就不能正常工作，需要在每個房間、走廊安裝接收天線，造價較高。因此，紅外線只適合短距離傳播，而且容易被熒光燈或者房間內(nèi)的燈光干擾，在精確定位上有局限性。

室內(nèi)定位技術介紹

——超聲波定位技術。超聲波測距主要采用反射式測距法，通過三角定位等算法確定物體的位置，即發(fā)射超聲波并接收由被測物產(chǎn)生的回波，根據(jù)回波與發(fā)射波的時間差計算出待測距離，有的則采用單向測距法。超聲波定位系統(tǒng)可由若干個應答器和一個主測距器組成，主測距器放置在被測物體上，在微機指令信號的作用下向位置固定的應答器發(fā)射同頻率的無線電信號，應答器在收到無線電信號后同時向主測距器發(fā)射超聲波信號，得到主測距器與各個應答器之間的距離。當同時有3個或3個以上不在同一直線上的應答器做出回應時，可以根據(jù)相關計算確定出被測物體所在的二維坐標系下的位置。

超聲波定位整體定位精度較高，結構簡單，但超聲波受多徑效應和非視距傳播影響很大，同時需要大量的底層硬件設施投資，成本太高。室內(nèi)定位技術介紹

——藍牙技術。藍牙技術通過測量信號強度進行定位。這是一種短距離低功耗的無線傳輸技術，在室內(nèi)安裝適當?shù)乃{牙局域網(wǎng)接入點，把網(wǎng)絡配置成基于多用戶的基礎網(wǎng)絡連接模式，并保證藍牙局域網(wǎng)接入點始終是這個微微網(wǎng)(piconet)的主設備，就可以獲得用戶的位置信息。藍牙技術主要應用于小范圍定位，例如單層大廳或倉庫。

藍牙室內(nèi)定位技術最大的優(yōu)點是設備體積小、易于集成在PDA、PC以及手機中，因此很容易推廣普及。理論上，對于持有集成了藍牙功能移動終端設備的用戶，只要設備的藍牙功能開啟，藍牙室內(nèi)定位系統(tǒng)就能夠?qū)ζ溥M行位置判斷。采用該技術作室內(nèi)短距離定位時容易發(fā)現(xiàn)設備且信號傳輸不受視距的影響。其不足在于藍牙器件和設備的價格比較昂貴，而且對于復雜的空間環(huán)境，藍牙系統(tǒng)的穩(wěn)定性稍差，受噪聲信號干擾大。室內(nèi)定位技術介紹

——射頻識別技術。射頻識別技術利用射頻方式進行非接觸式雙向通信交換數(shù)據(jù)以達到識別和定位的目的。這種技術作用距離短，一般最長為幾十米。但它可以在幾毫秒內(nèi)得到厘米級定位精度的信息，且傳輸范圍很大，成本較低。同時由于其非接觸和非視距等優(yōu)點，可望成為優(yōu)選的室內(nèi)定位技術。目前，射頻識別研究的熱點和難點在于理論傳播模型的建立、用戶的安全隱私和國際標準化等問題。優(yōu)點是標識的體積比較小，造價比較低，但是作用距離近，不具有通信能力，而且不便于整合到其他系統(tǒng)之中。室內(nèi)定位技術介紹

——Wi-Fi技術。無線局域網(wǎng)絡(WLAN)是一種全新的信息獲取平臺，可以在廣泛的應用領域內(nèi)實現(xiàn)復雜的大范圍定位、監(jiān)測和追蹤任務，而網(wǎng)絡節(jié)點自身定位是大多數(shù)應用的基礎和前提。當前比較流行的Wi-Fi定位是無線局域網(wǎng)絡系列標準之IEEE802.11的一種定位解決方案。該系統(tǒng)采用經(jīng)驗測試和信號傳播模型相結合的方式，易于安裝，需要很少基站，能采用相同的底層無線網(wǎng)絡結構，系統(tǒng)總精度高。目前，它應用于小范圍的室內(nèi)定位，成本較低。但無論是用于室內(nèi)還是室外定位，Wi-Fi收發(fā)器都只能覆蓋半徑90米以內(nèi)的區(qū)域，而且很容易受到其他信號的干擾，從而影響其精度，定位器的能耗也較高室內(nèi)定位技術介紹

——ZigBee技術。ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡技術，它介于射頻識別和藍牙之間，也可以用于室內(nèi)定位。它有自己的無線電標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)通信以實現(xiàn)定位。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高。ZigBee最顯著的技術特點是它的低功耗和低成本。室內(nèi)定位技術介紹

——超寬帶技術。超寬帶技術是一種全新的、與傳統(tǒng)通信技術有極大差異的通信新技術。它不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波，而是通過發(fā)送和接收具有納秒或納秒級以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，從而具有GHz量級的帶寬。超寬帶可用于室內(nèi)精確定位，例如戰(zhàn)場士兵的位置發(fā)現(xiàn)、機器人運動跟蹤等。

超寬帶系統(tǒng)與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)相比，具有穿透力強、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復雜度低、能提供精確定位精度等優(yōu)點。因此，超寬帶技術可以應用于室內(nèi)靜止或者移動物體以及人的定位跟蹤與導航，且能提供十分精確的定位精度。UWB實時定位系統(tǒng)

一、系統(tǒng)簡介

UWB實時定位系統(tǒng)（UWBRTLS），又稱超寬頻實時定位系統(tǒng)，是用于實時跟蹤人員（或設備），特別是用在常規(guī)的GPS信號不能覆蓋到的區(qū)域。二、系統(tǒng)組成

一個基本的UWB實時定位系統(tǒng)有一臺交換機（HUB）、若干臺接收器（Sensor）、至少一個參考標簽（ReferenceTags）和若干個定位標簽（DartTag）用于跟蹤人員或設備。三、系統(tǒng)技術原理

UWB實時定位系統(tǒng)使用短脈沖超寬頻技術可以精確定位一個超寬頻無線射頻識別技術(RFID)標簽（UWB標簽）。原理如下:每個UWB系統(tǒng)的定位標簽反復發(fā)出脈沖數(shù)據(jù)包，這個數(shù)據(jù)包是由一串超寬頻脈沖組成的。由于這些標簽是不同時發(fā)送和每個標簽發(fā)送的時間極短,持續(xù)不斷的數(shù)據(jù)包碰撞概率是很小的，所以，在同一地區(qū)可以處理幾百個到幾千個定位標簽；UWB實時定位系統(tǒng)的接收器（Sensor）接收定位標簽發(fā)送出來的脈沖數(shù)據(jù)包。接收器通常部署在定位區(qū)域的邊緣。三個接收器或以上可以精確進行二維定位，四個接收器或以上可以精確進行三維定位。如果只有一個接收器，可以用來做靠近測試；每一個UWB定位系統(tǒng)的接收器使用高度敏感、高速度、短脈沖的監(jiān)聽器來測量每個脈沖數(shù)據(jù)包到達其天線的精確時間。超寬頻脈沖極寬的帶寬使得這些接收器測量脈沖數(shù)據(jù)包到達的時間可以精確到納秒級。UWB系統(tǒng)的中心交換機根據(jù)參考標簽(ReferenceTag)的坐標、脈沖數(shù)據(jù)包到達各個接收器的時間差和一個多路徑算法，精確的確定一個定位標簽（DartTag）的位置。四、系統(tǒng)規(guī)格UWB實時定位系統(tǒng)定位模式通過計算時間差和一個多路徑算法來確定精度定位精度30厘米每臺交換機支持的最大接收器數(shù)量64臺

每臺接收器對高速數(shù)據(jù)的吞吐量1.5Mb/s第一臺接收器到交換機的端口最長連線300米

每個菊花鏈上支持的最大接收器數(shù)量8臺每臺交換機支持的最大參考標簽數(shù)量32個每個標簽的數(shù)據(jù)最高發(fā)射次數(shù)200次/秒五、系統(tǒng)設備介紹1、交換機（HUB）；2、接收器（Sensor）；3、參考標簽（ReferenceTag）；4、定位標簽（DartTag）。1、交換機（HUB）交換機正面交換機背面1、交換機（HUB）

型號UWH-1100工作溫度0oC~40oC尺寸

35.6cmx22.9cmx8.9cm重量1.64kg電源100–240VDC50/60Hz;

2.5A

端口1、電源

2、RJ45以太網(wǎng)

端口3、8個RJ45接收器端口

(時鐘,數(shù)據(jù)&傳感器電源)4、RS232串口

交換機規(guī)格參數(shù)1、交換機（HUB）交換機（HUB）的作用：

1、通過POE供電（PoweroverEthernet，48VDC）為接收器提供直流電源；2、同步每個接收器上的時鐘，即時鐘同步功能（NetworkTimeProtocol）；3、為用戶提供系統(tǒng)配置界面（GraphicalUserInterface），并且為客戶端讀取位置信息提供通訊端口。1、交換機（HUB）

交換機上的軟件運行在一個內(nèi)置的Linux操作系統(tǒng)上，交換機需要接入一個100-240伏的交流電源，通過屏蔽網(wǎng)線為接收器供電，同時給接收器發(fā)送一個時鐘源和串行通訊數(shù)據(jù)。當從屏蔽網(wǎng)線比較長的時候，在接收器需要加一個外部電源。一個交換機最多支持連接64個接收器。同時為到達良好的定位效果，必須使用屏蔽網(wǎng)線和屏蔽接頭去連接交換機和接收器。

1、交換機（HUB）

交換機（HUB）的正面有8個端口，每個端口用屏蔽網(wǎng)線通過菊花鏈首尾相連的方式，最多連接8臺接收器，一臺交換機可以總共可以連接64臺接收器。每個端口到第一個接收器的網(wǎng)線連接最長為300米，往下每個接收機之間的距離最長為100米，如下圖所示：

1、交換機（HUB）

交換機（HUB）連接到網(wǎng)絡時，所使用的網(wǎng)絡端口及作用如下：

端口號功能80進入UWB實時定位系統(tǒng)的配置界面123網(wǎng)絡時間協(xié)議，提供時間同步（NetworkTimeProtocol)161簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議（SimpleNetworkManagementProtocol)5110系統(tǒng)管理,配置和診斷界面5111系統(tǒng)狀態(tài)界面5117定位數(shù)據(jù)發(fā)送端口5120系統(tǒng)更新功能2、接收器（Sensor）

接收器的中心頻率為6.55GHz，頻率的范圍是6.35~6.75GHz，包含一個天線和電路檢測從定位標簽發(fā)出的脈沖數(shù)據(jù)包中的信息,并通過屏蔽網(wǎng)線將數(shù)據(jù)傳送到交換機。接收器的作用：1、接收定位標簽傳送過來的數(shù)據(jù)信息；2、傳送48VDC電壓和時鐘信息。2、接收器（Sensor）接收器背面包括兩個RJ45接口,如下圖所示,一個連接到上一個接收器或交換機的端口（標有IN的RJ45接口）和另一個連接到下一個接收機(標有OUT的RJ45接口)。當接收器連接到電源時兩個燈亮,當數(shù)據(jù)讀取時接收器黃色的燈閃爍。當數(shù)據(jù)量太大時，黃燈閃爍的速度太快而可能不會被看到。接收器需要大約35mA的電流/48VDC，這是上一個接收器或交換機提供的；接收器都有唯一的ID號，便于在UWB定位系統(tǒng)中進行配置，這個ID號是寫在接收器里邊的。2、接收器（Sensor）接收器（Sensor）的類型：1、高增益（HGhighgain）接收器，覆蓋角度為40度，最遠覆蓋距離為150米左右；2、中增益（MGmid-frequencygain）接收器，覆蓋角度為75度，最遠覆蓋距離為100米左右；3、低增益（全向）接收器，覆蓋角度為360度，最遠覆蓋距離為30米左右；2、接收器（Sensor）

高增益中增益全方位型號

UWC-1100UWC-1200UWC-1300頻率范圍6.35~6.75GHz6.35~6.75GHz6.35~6.75GHz天線增益14dBi7.5dBi4.5dBi環(huán)境/物理變量

工作溫度

-40oC~70oC

-40oC~

70oC-40oC~

70oC環(huán)境等級

IP40IP40IP40尺寸15.5x6.4x7.1cm15.5x6.4x7.1cm25.4x6.4x7.1cm注：IP40代表防塵等級為4，防水等級為0（無防護）；防塵等級4：防護1.0mm直徑和更大的固體外來體，使用探測器，球體直徑為1.0mm,不應完全進入；防水等級0：設備在正常使用時盡量不要沾水。

接收器規(guī)格參數(shù)3、參考標簽（ReferenceTag）每個UWB實時定位系統(tǒng)至少需要一個參考標簽，作為計算定位標簽位置的參考標記和同步傳感器內(nèi)的計數(shù)功能。我們可以用一個普通的定位標簽來作為參考標簽。參考標簽必須放在固定的位置，并且至少被直接連接到交換機上的接收器看到，每個接收器至少能看到一個參考標簽，每個參考標簽要有多個接收器直接看到，參考標簽的數(shù)量越少越好，但至少有一個，參考標簽在區(qū)域中的位置是精確可知的。4、定位標簽

定位標簽通過超寬頻和接收器進行無線通信，定位標簽的中心頻率為6.55GHZ。定位標簽通過一個電壓為3V的電池供電，其電池壽命與定位每秒發(fā)出數(shù)據(jù)的次數(shù)相關。目前有以下兩種定位標簽：1、跟蹤設備的標簽（也稱資產(chǎn)標簽）2、跟蹤人員的標簽（也稱懸掛標簽）每個定位標簽默認是每秒發(fā)出一個超寬頻脈沖數(shù)據(jù)包，最高的是200次/秒。 一臺交換機可以在每秒鐘處理3500個定位標簽；標簽發(fā)射率電池壽命10秒1次8年5秒1次8年2秒1次8年1秒1次7年1秒5次1年六、定位數(shù)據(jù)格式

中心交換機（HUB）具有一個獨立的IP地址（默認設置為：03），并且通過端口5117將數(shù)據(jù)傳送出來，數(shù)據(jù)格式如下：<DataHeader>,<tag#>,<X>,<Y>,<Z>,<battery>,<timestamp>,<unit><LF>六、定位數(shù)據(jù)格式參數(shù)說明:<DataHeader>：表示標簽的維數(shù)信息，包括：R:用于計算X,Y,Z的有效3D計算數(shù)據(jù)。3D計算需要至少4個接收器才能成功完成軟件計算。T:用于計算X,Y的有效2D數(shù)據(jù)。至少需要三個接收器才能計算X,Y的位置數(shù)據(jù)。O:用于計算X,Y的估算2D數(shù)據(jù)。當只有兩臺接收器時才能產(chǎn)生計算。P:存在指示數(shù)據(jù)。用來表明一個標簽可以被一個接收器探測到。當“PresenceDetection”標記勾選時，并且當檢測到小于“Min_unit”的接收器數(shù)量（比如，位置計算信息不充分）或者1D、2D或3D數(shù)據(jù)計算不成功時，存在指示數(shù)據(jù)才會發(fā)送。D:診斷數(shù)據(jù)包。診斷數(shù)據(jù)包包括一些可選的錯誤和警告信息，在初始化配置和系統(tǒng)的監(jiān)控過程中是有用。六、定位數(shù)據(jù)格式<tag#>：標簽ID。<X>,<Y>,<Z>：除了“P”類型的數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶提供的坐標原點，用米制或者公制計算標簽坐標，主要用于“R”“T”“O”數(shù)據(jù)類型。在P數(shù)據(jù)類型里代表可以探測到該標簽信號的接收機坐標；<battery>：標簽的電量指標。這個值的范圍是0~15。15代表滿電。<timestamp>表示交換機處理數(shù)據(jù)的時間。時間戳的格式是數(shù)據(jù)計算的UNIX時間，日，年。從1970年1月開始過去的秒數(shù)，可以精確到納秒；<unit>：除了“P”數(shù)據(jù)，一般是一個虛擬組的ID。在虛擬組中標簽位置數(shù)據(jù)是從接收機的飛行量測的時間計算的。在“P”數(shù)據(jù)中，這個值是探測到傳輸信號的接收機ID；<LF>：線路供應字符，用來中止一個位置數(shù)據(jù)的字符串（可理解為結束符）。七、系統(tǒng)配置用網(wǎng)線連接到UWB系統(tǒng)的交換機，安裝java環(huán)境支持，然后從瀏覽器里面進入http://03（默認出廠設置），點擊Administration，顯示主配置界面：七、系統(tǒng)配置網(wǎng)絡參數(shù)配置界面：七、系統(tǒng)配置接收器和參考標簽配置：七、系統(tǒng)配置接收器連接狀態(tài)圖：七、系統(tǒng)配置接收器的三種狀態(tài)：八、設備應用領域1、工業(yè)/汽車：

實時追蹤資產(chǎn)和庫存，改進了流程，提高搜索效率，減少資源浪費

2、物流倉儲：

跟蹤條碼閱讀器和叉車，減少保險檢查的環(huán)節(jié)，使倉儲管理變得靈活

八、設備應用領域3、軍事：

人員定位和設備追蹤，例如城市作戰(zhàn)訓練、彈藥倉庫管理、高級研發(fā)4、醫(yī)療保?。?/p>

實時跟蹤病人，進行照顧和管理，利于病情分析與治療改進，方便于人力資源管理八、設備應用領域

5、危險環(huán)境：定位個人和資源，安全位置緊急搜索，人員監(jiān)控，優(yōu)化管理過程，做到安全有效八、設備應用領域

6、重點安保區(qū)域：

人員的進出管理、實時位置查詢、禁區(qū)監(jiān)管、隔離距離控制、人員調(diào)度。能對人員的位置、行進路線、距離、速度進行監(jiān)控與統(tǒng)計八、設備應用領域

7、體育：

實時跟蹤與計算運動員的速度/方向等，詳細的性能分析，記錄隊伍的比賽實況，視頻集成九、應用案例介紹北京政治中心區(qū)室內(nèi)定位系統(tǒng)南通醋酸纖維公司叉車定位系統(tǒng)北京政治中心區(qū)室內(nèi)定位系統(tǒng)北京政治中心區(qū)室內(nèi)定位系統(tǒng)?系統(tǒng)應用背景

地鐵是一個事故多發(fā)的交通工具，而天安門東站作為北京政治中心區(qū)的重要交通樞紐，每天承接相當數(shù)量的人流量，突發(fā)事件的發(fā)生率大大增加了，又因其地理位置，一旦發(fā)生某種突發(fā)事件，就會造成很大的傷害和損失，產(chǎn)生不好的影響，為了保證發(fā)生突發(fā)事件時把傷害和損失降到最低，地鐵內(nèi)會安排一定數(shù)量的安保人員，為了能實時監(jiān)控安保人員在地鐵站內(nèi)的具體位置，以便發(fā)生突發(fā)事件時能快速定位，快速啟動應急預案，因此采用UWB室內(nèi)定位技術來對安保人員進行實時定位。北京政治中心區(qū)室內(nèi)定位系統(tǒng)?系統(tǒng)硬件部署設計

天安門東站需要在物聯(lián)網(wǎng)通信專業(yè)機房布設一臺UWH-1100型交換機；

在站廳、站臺及各個通道布設一定數(shù)量的接收器，達到二維定位效果，這些接收器要均勻分布，并且盡量保證每個接收器之間保持通視，不要有遮擋，以達到很好的定位效果；

北京政治中心區(qū)室內(nèi)定位系統(tǒng)?系統(tǒng)硬件部署設計接收器采用吊裝方式，第一臺接收器到交換機的最大距離要小于300米，接收器與接收器之間的距離要少于100米；

北京政治中心區(qū)室內(nèi)定位系統(tǒng)?系統(tǒng)硬件部署設計為達到定位效果，接收器和交換機、接收器與接收器之間需要使用屏蔽雙絞線和屏蔽接頭進行連接；

北京政治中心區(qū)室內(nèi)定位系統(tǒng)?系統(tǒng)硬件部署設計

每個站內(nèi)的所有設備需部署在同一網(wǎng)絡內(nèi)；

需要自定義一個坐標系，并準確測出每個接收器的坐標值

北京政治中心區(qū)室內(nèi)定位系統(tǒng)?系統(tǒng)功能設計

安保人員攜帶定位標簽在地鐵站內(nèi)任意行走，其位置要在地鐵站三維模型內(nèi)的相應位置上顯示出來；

可實現(xiàn)同時處理至少50個定位標簽的高刷新率定位；

安保人員模型要關聯(lián)該人員的詳細信息，可以實現(xiàn)點擊模型查看人員信息；

根據(jù)已知的人員信息實現(xiàn)查詢功能，查詢該人員現(xiàn)在的位置和其他屬性信息；通過軟件接口，將定位引擎中所有定位數(shù)據(jù)通過通用以太網(wǎng)標準協(xié)議輸出至應用層，實現(xiàn)應用層對定位數(shù)據(jù)的高級應用北京政治中心區(qū)室內(nèi)定位系統(tǒng)?系統(tǒng)效果展示北京政治中心區(qū)室內(nèi)定位系統(tǒng)?系統(tǒng)效果展示北京政治中心區(qū)室內(nèi)定位系統(tǒng)?系統(tǒng)效果展示北京政治中心區(qū)室內(nèi)定位系統(tǒng)?系統(tǒng)效果展示南通醋酸纖維公司叉車定位系統(tǒng)?系統(tǒng)應用背景

南纖公司生產(chǎn)的醋酸纖維，是香煙過濾嘴中的主要材料，每天都會有相當數(shù)量的絲素包進行入庫出庫移庫等操作，之前這些倉儲管理都是通過人工進行手動掃描，工作量很大，