CN106249201A - 一种超声波定位有源电子标签组装置及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波定位有源电子标签组装置及定位方法，装置包括站点电子标签和端点电子标签。站点电子标签包括超声波发射模块、控制器A、存储器A、射频模块A、状态指示模块A、ID设置模块A和电源A等。端点电子标签包括超声波接收模块、控制器B、存储器B、射频模块B、状态指示模块B、ID设置模块B和电源B等。定位方法结合电子标签的身份识别追踪功能和雷达的距离测量功能。通过在空间内事先布置3个站点电子标签(站点)，测量空间内带有端点电子标签的人员或设备(端点)到各站点的距离，计算分析端点精确坐标，并上传至管理终端，协助现场管理人员实时确定现场人员和设备位置，针对危险情况提前采取措施，从而减少事故隐患。

Description

一种超声波定位有源电子标签组装置及定位方法

技术领域

本发明属于电子标签领域，更具体涉及一种超声波定位有源电子标签组装置，同时还涉及一种站点和端点距离确定的方法。

背景技术

人员定位是安全生产领域难度大的课题，常用做法为工地或车间入口读写器与工人随身佩带的电子标签(RFID)组合***，实现工地或车间人员数量及其身份管理，但无法实现确定其在工地或车间内的具***置定位，也有采用GPS定位，但对于工地或车间尺度(数十米级范围内)，定位精度差、成本高。实现工地或车间区域人员定位，必须采用高精度距离测量。目前，广泛使用雷达或激光测距方法，精度可达毫米级。前者采用的超声波测量，实现点到空间内的任何目标距离测量，后者为激光测量，实现点对点的测量。由于人员在工作区域是移动目标，因此，采用基于超声波的雷达测量，更易实现。

发明内容

发明的目的是在于提供了一种超声波定位有源电子标签组装置，能够实时精准确定站点与端点的身份信息与距离，设置站点电子标签和端点电子标签，将电子标签的身份识别追踪功能和雷达的距离测量功能相结合，电子标签确定站点和端点信息，超声波精确确定站点电子标签和端点电子标签之间的距离。

本发明的目的是在于提供了一种站点和端点距离确定的方法，方法易行，操作简便，能够实时确定站点与端点的身份信息和距离,为端点空间定位提供基础。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：

一种超声波定位有源电子标签组装置，包括站点电子标签和端点电子标签。站点电子标签包括超声波发射模块、控制器A、存储器A、射频模块A、状态指示模块A、ID设置模块A和电源A等。端点电子标签包括超声波接收模块、控制器B、存储器B、射频模块B、状态指示模块B、ID设置模块B和电源B等，通过射频模块A与射频模块B通信，此外，站点电子标签中超声波发射模块用于发射超声波，端点电子标签中超声波接收模块用于接收超声波。

所述站点电子标签中，控制器A分别与超声波发射模块、存储器A、射频模块A、ID设置模块A和状态指示模块A相连；电源A分别与控制器A、超声波发射模块、存储器A、射频模块A、状态指示模块A、ID设置模块A相连。控制器A能够控制超声波发射模块发射超声波，能够控制存储器A存储数据，能够控制射频模块A与管理终端，端点电子标签和其他站点电子标签通信，能够控制状态指示模块A以声光形式指示状态。

优选地，所述的射频模块A用于与管理终端、站点和端点电子标签通信。

优选地，所述的ID设置模块A可以手动设置站点ID信息。

优选地，状态指示模块A以声光形式指示站点电子标签工作状态。

所述端点电子标签中，控制器A与超声波接收模块、存储器B、射频模块B、ID设置模块A和状态指示模块B相连；电源B与控制器B、超声波接收模块、存储器B、射频模块B、状态指示模块B相连。控制器B能够控制超声波接收模块接收超声波，超声波接收模块能够将接收到的超声波信号传输至控制器B，控制器B能够控制存储器B存储信息，能够控制射频模块B与站点电子标签通信，能控制状态指示模块B以声光形式指示状态。

优选地，所述射频模块B用于与站点电子标签通信。

优选地，所述ID设置模块B可以手动设置端点ID信息。

优选地，状态指示模块B以声光形式指示端点电子标签工作状态和安全状态。

一种站点和端点距离确定的方法，其步骤是：

1、站点电子标签控制器A和端点电子标签控制器B端口初始化；

2、站点电子标签ID设置模块A设置站点ID，端点电子标签ID设置模块B设置端点ID；

3、站点电子标签控制射频模块A与端点电子标签射频模块B通信，构建站点和端点通信网络；

4、站点电子标签控制器A控制超声波发射模块发射探距超声波，同步控制射频模块A与端点电子标签的射频模块B通信；

5、端点电子标签射频模块B接收到通信信号，通知控制器B开始计时，记录时刻为t1；

6、超声波接收模块接收探距超声波，控制器B接收该信号，并同步停止计时，记录该时刻t2；

7、控制储存器B储存时刻信息t1和记录该时刻t2，同时控制射频模块B将时刻信息t1和记录该时刻t2传输至射频模块A；

8、站点电子标签射频模块A接收端点时间信号，传输至控制器A；

9、站点电子标签控制器A计算信号时刻差T＝t1-t2，并控制储存器A储存信息；

10、控制器判断时候达到超声波发射循环次数，若否，则进入步骤(4)；若是，则进入步骤(11)；

11、控制器计算循环后的平均时刻差，乘以超声波速度，得到站点与端点之间的距离；

12、站点继续监测下一个端点距离。获得的结果是站点与端点之间的距离和端点的身份信息。

按照本发明的另一个方面，还提供了确定端点空间位置的方法：其步骤是：

A、布置3个站点电子标签(称为站点)，建立空间坐标系并确定3个站点的空间坐标；

B、测量端点电子标签(称为端点)分别到3个站点的距离，即可确定该端点在空间坐标系中的位置。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)本发明利用超声波能够实时精确确定监测端点的身份信息和空间位置；

2)本发明的射频模块能够实现信息接收与发射功能，因此具有信息传输一体化功能；

3)本发明能够计算分析进入工地或车间的人员和设备的精确坐标，实时确定人员和设备安全状态，进行安全生产实时监控管理，从而减少事故隐患。

通过事先布置站点电子标签，确定空间坐标系中三个站点电子标签坐标依次为A(0,2,2),B(2,0,2),和C(0,0,3)。通过站点电子标签A和端点电子标签E实时测距,站点电子标签B和端点电子标签E实时测距,站点电子标签C和端点电子标签E实时测距,确定t时刻端点电子标签E到站点电子标签A,B,和C的距离分别为R_AE＝2.828m,R_BE＝2.828m,和R_CE＝4.123m，构建方程即可求得t时刻端点电子标签的空间坐标E(x,y,z)。即:

(x-0)²+(y-2)²+(z-2)²＝2.828²

(x-2)²+(y-0)²+(z-2)²＝2.828²

(x-0)²+(y-0)²+(z-3)²＝4.123²

E(x,y,z)＝(2,2,0)

附图说明

图1为一种站点电子标签结构框图；

图2为一种端点电子标签结构框图；

图3为一种站点和端点测距流程图。

图4为一种端点空间位置确定示意图。

其中：超声波发射模块(TELESKY HC-SR04)、控制器A(PIC16C75A)、存储器A(可以集成)、射频模块A(RF24L01)、状态指示模块A(普通发光二极管)、电源A(集成电源，如南孚电池)。超声波接收模块(TELESKY HC-SR04及CX20106A)、控制器B(PIC16C75A)、存储器B(可以集成)、射频模块B(RF24L01)、状态指示模块B(普通发光二极管)、电源B(集成电源，如南孚电池)

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1：

根据图1、图2可知，一种超声波定位有源电子标签组装置，包括超声波发射模块、控制器A、存储器A、射频模块A、状态指示模块A、电源A、超声波接收模块、控制器B、存储器B、射频模块B、状态指示模块B、电源B，其特征在于：通过射频模块A与射频模块B通信，此外，站点电子标签中超声波发射模块用于发射超声波，端点电子标签中超声波接收模块用于接收超声波。控制器A分别与超声波发射模块、存储器A、射频模块A、ID设置模块A和状态指示模块A相连，所述控制器A能够控制超声波发射模块发射探距超声波；能够控制储存器A存取信息，能够控制射频模块A与管理终端、站点和端点电子标签通信，能够控制状态指示模块A显示站点工作状态。所述电源A接地为站点电子标签所有模块供电。控制器B分别与超声波接收模块、存储器B、射频模块B、ID设置模块B和状态指示模块B相连。所述控制器B能够控制超声波接收模块接收站点发生的探距超声波，能够控制储存器B存取信息，能够控制射频模块B与站点电子标签通信，能够控制状态指示模块B显示端点工作状态及安全状态。所述电源B接地为端点电子标签所有模块供电。

所述的存储器(Memory)是现代信息技术中用于保存信息的记忆设备。其概念很广，有很多层次，在数字***中，只要能保存二进制数据的都可以是存储器；在集成电路中，一个没有实物形式的具有存储功能的电路也叫存储器，如RAM、FIFO等；在***中，具有实物形式的存储设备也叫存储器，如内存条、TF卡等。计算机中全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证正常工作。计算机中的存储器按用途存储器可分为主存储器(内存)和辅助存储器(外存),也有分为外部存储器和内部存储器的分类方法。外存通常是磁性介质或光盘等，能长期保存信息。内存指主板上的存储部件，用来存放当前正在执行的数据和程序，但仅用于暂时存放程序和数据，关闭电源或断电，数据会丢失。

实施例2：

根据图3可知,一种站点和端点距离确定的方法，其步骤是：

(1)站点电子标签控制器A和端点电子标签控制器B端口初始化；

(2)站点电子标签ID设置模块A设置站点ID，端点电子标签ID设置模块B设置端点ID；

(3)站点电子标签控制射频模块A与端点电子标签射频模块B通信，构建站点和端点通信网络；

(4)站点电子标签控制器A控制超声波发射模块发射探距超声波，同步控制射频模块A与端点电子标签的射频模块B通信；

(5)端点电子标签射频模块B接收到通信信号，通知控制器B开始计时，记录时刻为t1；

(6)超声波接收模块接收探距超声波，控制器B接收该信号，并同步停止计时，记录该时刻t2；

(7)控制储存器B储存时刻信息t1和记录该时刻t2，同时控制射频模块B将时刻信息t1和记录该时刻t2传输至射频模块A；

(8)站点电子标签射频模块A接收端点时间信号，传输至控制器A；

(9)站点电子标签控制器A计算信号时刻差T＝t1-t2，并控制储存器A储存信息；

(10)控制器判断时候达到超声波发射循环次数，若否，则进入步骤(4)；若是，则进入步骤(11)；

(11)控制器计算循环后的平均时刻差，乘以超声波速度，得到站点与端点之间的距离；

(12)站点继续监测下一个端点距离。获得的结果是站点与端点之间的距离和端点的身份信息。

实施例3：

根据图4可知，确定端点空间位置方法在于：设置3个站点电子标签A,B,和C，建立起空间坐标系并确定3个站点位置A(x_A,y_A,z_A),B(x_B,y_B,z_B),和C(x_C,y_C,z_C)。通过站点和端点测距得出端点E(x,y,z)到站点A,B,和C的距离R_AE,R_BE,和R_CE，构建方程即可求得端点E的空间坐标。即:

${\left({x-x}_A\right)}^2+{\left({y-y}_A\right)}^2+{\left({z-z}_A\right)}^2=R_{\mathrm{AE}}^2$

${\left({x-x}_B\right)}^2+{\left({y-y}_B\right)}^2+{\left({z-z}_B\right)}^2=R_{\mathrm{BE}}^2$

${\left({x-x}_C\right)}^2+{\left({y-y}_C\right)}^2+{\left({z-z}_C\right)}^2=R_{\mathrm{CE}}^2$

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种超声波定位有源电子标签组装置，包括超声波发射模块、控制器A、存储器A、射频模块A、状态指示模块A、电源A、超声波接收模块、控制器B、存储器B、射频模块B、状态指示模块B、电源B，其特征在于：通过射频模块A与射频模块B通信，站点电子标签中超声波发射模块用于发射超声波，端点电子标签中超声波接收模块用于接收超声波，控制器A分别与超声波发射模块、存储器A、射频模块A、ID设置模块A和状态指示模块A相连，控制器B分别与超声波接收模块、存储器B、射频模块B、ID设置模块B和状态指示模块B相连。

2.权利要求1所述的一种站点和端点距离确定的方法，其步骤是：

(1)站点电子标签控制器A和端点电子标签控制器B端口初始化；

(2)站点电子标签ID设置模块A设置站点ID，端点电子标签ID设置模块B设置端点ID；

(3)站点电子标签控制射频模块A与端点电子标签射频模块B通信，构建站点和端点通信网络；

(4)站点电子标签控制器A控制超声波发射模块发射探距超声波，同步控制射频模块A与端点电子标签的射频模块B通信；

(5)端点电子标签射频模块B接收到通信信号，通知控制器B开始计时，记录时刻为t1；

(6)超声波接收模块接收探距超声波，控制器B接收该信号，并同步停止计时，记录该时刻t2；

(7)控制储存器B储存时刻信息t1和记录该时刻t2，同时控制射频模块B将时刻信息t1和记录该时刻t2传输至射频模块A；

(8)站点电子标签射频模块A接收端点时间信号，传输至控制器A；

(9)站点电子标签控制器A计算信号时刻差T＝t1-t2，并控制储存器A储存信息；

(10)控制器判断时候达到超声波发射循环次数，否，进入步骤(4)；是，则进入步骤(11)；

(11)控制器计算循环后的平均时刻差，乘以超声波速度，得到站点与端点之间的距离；

(12)站点继续监测下一个端点距离。