(完整版)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

室内定位技术简介

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

UWB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、跟踪设备的标签（也称资产标签）2、跟踪人员的标签（也称悬挂标签）每个定位标签默认是每秒发出一个超宽频脉冲数据包，最高的是200次/秒。 一台交换机可以在每秒钟处理3500个定位标签；标签发射率电池寿命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、定位数据格式

中心交换机（HUB）具有一个独立的IP地址（默认设置为：03），并且通过端口5117将数据传送出来，数据格式如下：<DataHeader>,<tag#>,<X>,<Y>,<Z>,<battery>,<timestamp>,<unit><LF>六、定位数据格式参数说明:<DataHeader>：表示标签的维数信息，包括：R:用于计算X,Y,Z的有效3D计算数据。3D计算需要至少4个接收器才能成功完成软件计算。T:用于计算X,Y的有效2D数据。至少需要三个接收器才能计算X,Y的位置数据。O:用于计算X,Y的估算2D数据。当只有两台接收器时才能产生计算。P:存在指示数据。用来表明一个标签可以被一个接收器探测到。当“PresenceDetection”标记勾选时，并且当检测到小于“Min_unit”的接收器数量（比如，位置计算信息不充分）或者1D、2D或3D数据计算不成功时，存在指示数据才会发送。D:诊断数据包。诊断数据包包括一些可选的错误和警告信息，在初始化配置和系统的监控过程中是有用。六、定位数据格式<tag#>：标签ID。<X>,<Y>,<Z>：除了“P”类型的数据，根据用户提供的坐标原点，用米制或者公制计算标签坐标，主要用于“R”“T”“O”数据类型。在P数据类型里代表可以探测到该标签信号的接收机坐标；<battery>：标签的电量指标。这个值的范围是0~15。15代表满电。<timestamp>表示交换机处理数据的时间。时间戳的格式是数据计算的UNIX时间，日，年。从1970年1月开始过去的秒数，可以精确到纳秒；<unit>：除了“P”数据，一般是一个虚拟组的ID。在虚拟组中标签位置数据是从接收机的飞行量测的时间计算的。在“P”数据中，这个值是探测到传输信号的接收机ID；<LF>：线路供应字符，用来中止一个位置数据的字符串（可理解为结束符）。七、系统配置用网线连接到UWB系统的交换机，安装java环境支持，然后从浏览器里面进入http://03（默认出厂设置），点击Administration，显示主配置界面：七、系统配置网络参数配置界面：七、系统配置接收器和参考标签配置：七、系统配置接收器连接状态图：七、系统配置接收器的三种状态：八、设备应用领域1、工业/汽车：

实时追踪资产和库存，改进了流程，提高搜索效率，减少资源浪费

2、物流仓储：

跟踪条码阅读器和叉车，减少保险检查的环节，使仓储管理变得灵活

八、设备应用领域3、军事：

人员定位和设备追踪，例如城市作战训练、弹药仓库管理、高级研发4、医疗保健：

实时跟踪病人，进行照顾和管理，利于病情分析与治疗改进，方便于人力资源管理八、设备应用领域

5、危险环境：定位个人和资源，安全位置紧急搜索，人员监控，优化管理过程，做到安全有效八、设备应用领域

6、重点安保区域：

人员的进出管理、实时位置查询、禁区监管、隔离距离控制、人员调度。能对人员的位置、行进路线、距离、速度进行监控与统计八、设备应用领域

7、体育：

实时跟踪与计算运动员的速度/方向等，详细的性能分析，记录队伍的比赛实况，视频集成九、应用案例介绍北京政治中心区室内定位系统南通醋酸纤维公司叉车定位系统北京政治中心区室内定位系统北京政治中心区室内定位系统►系统应用背景

地铁是一个事故多发的交通工具，而天安门东站作为北京政治中心区的重要交通枢纽，每天承接相当数量的人流量，突发事件的发生率大大增加了，又因其地理位置，一旦发生某种突发事件，就会造成很大的伤害和损失，产生不好的影响，为了保证发生突发事件时把伤害和损失降到最低，地铁内会安排一定数量的安保人员，为了能实时监控安保人员在地铁站内的具体位置，以便发生突发事件时能快速定位，快速启动应急预案，因此采用UWB室内定位技术来对安保人员进行实时定位。北京政治中心区室内定位系统►系统硬件部署设计

天安门东站需要在物联网通信专业机房布设一台UWH-1100型交换机；

在站厅、站台及各个通道布设一定数量的接收器，达到二维定位效果，这些接收器要均匀分布，并且尽量保证每个接收器之间保持通视，不要有遮挡，以达到很好的定位效果；

北京政治中心区室内定位系统►系统硬件部署设计接收器采用吊装方式，第一台接收器到交换机的最大距离要小于300米，接收器与接收器之间的距离要少于100米；

北京政治中心区室内定位系统►系统硬件部署设计为达到定位效果，接收器和交换机、接收器与接收器之间需要使用屏蔽双绞线和屏蔽接头进行连接；

北京政治中心区室内定位系统►系统硬件部署设计

每个站内的所有设备需部署在同一网络内；

需要自定义一个坐标系，并准确测出每个接收器的坐标值

北京政治中心区室内定位系统►系统功能设计

安保人员携带定位标签在地铁站内任意行走，其位置要在地铁站三维模型内的相应位置上显示出来；

可实现同时处理至少50个定位标签的高刷新率定位；

安保人员模型要关联该人员的详细信息，可以实现点击模型查看人员信息；

根据已知的人员信息实现查询功能，查询该人员现在的位置和其他属性信息；通过软件接口，将定位引擎中所有定位数据通过通用以太网标准协议输出至应用层，实现应用层对定位数据的高级应用北京政治中心区室内定位系统►系统效果展示北京政治中心区室内定位系统►系统效果展示北京政治中心区室内定位系统►系统效果展示北京政治中心区室内定位系统►系统效果展示南通醋酸纤维公司叉车定位系统►系统应用背景

南纤公司生产的醋酸纤维，是香烟过滤嘴中的主要材料，每天都会有相当数量的丝素包进行入库出库移库等操作，之前这些仓储管理都是通过人工进行手动扫描，工作量很大，