一種超寬帶目標(biāo)定位系統(tǒng)及其超寬帶數(shù)字標(biāo)簽的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種超寬帶目標(biāo)定位系統(tǒng)及其超寬帶數(shù)字標(biāo)簽，利用UWB通信獨特的技術(shù)特點，實現(xiàn)低成本數(shù)字識別標(biāo)簽，非常適合于低成本的商用射頻標(biāo)簽(RFID)識別系統(tǒng)。其技術(shù)方案為：設(shè)計一種超寬帶數(shù)字標(biāo)簽，并通過幾個固定的傳感器，對待定位的超寬帶數(shù)字標(biāo)簽進(jìn)行測距，通過各傳感器接收到超寬帶數(shù)字標(biāo)簽發(fā)出的信號的絕對到達(dá)時間的差值來計算到達(dá)時間差，實現(xiàn)對超寬帶數(shù)字標(biāo)簽的準(zhǔn)確定位。
【專利說明】
一種超寬帶目標(biāo)定位系統(tǒng)及其超寬帶數(shù)字標(biāo)簽
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及標(biāo)簽技術(shù)，尤其涉及基于超寬帶通信技術(shù)實現(xiàn)的數(shù)字標(biāo)簽技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)字標(biāo)簽的應(yīng)用范圍越來越廣，一種普遍使用的數(shù)字標(biāo)簽就是商用射頻標(biāo)簽(RFID)。數(shù)字標(biāo)簽技術(shù)中的一項重要指標(biāo)就是標(biāo)簽的識別，傳統(tǒng)的RFID在識別上存在著通信速率較低、安全性不高、系統(tǒng)復(fù)雜度較高、抗多徑效應(yīng)較差以及定位精度不夠等缺點。
[0003]超寬帶(UWB)通信是一種與傳統(tǒng)通信技術(shù)完全不同的利用納秒級窄脈沖發(fā)射基帶無線信號的通信技術(shù)，其應(yīng)用頻段在3.1GHz到10.6GHz之間。UWB技術(shù)因其準(zhǔn)確的三維定位能力而在短距離定位與跟蹤系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用價值。美國從上世紀(jì)八十年代開始利用超寬帶技術(shù)用于軍用雷達(dá)系統(tǒng)研究；國內(nèi)還僅限于理論性研究。超寬帶(UWB)通信具有比窄帶通信系統(tǒng)顯著的優(yōu)勢在于:高通信速率、安全性高、低系統(tǒng)復(fù)雜度、抗多徑效應(yīng)、能提供數(shù)厘米的定位精度等優(yōu)點，是目前為最具競爭力和發(fā)展前景的技術(shù)之一。利用UWB技術(shù)設(shè)計的數(shù)字標(biāo)簽可廣泛應(yīng)用于精確定位系統(tǒng)，如區(qū)域內(nèi)資產(chǎn)跟蹤、人員定位等。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]以下給出一個或多個方面的簡要概述以提供對這些方面的基本理解。此概述不是所有構(gòu)想到的方面的詳盡綜覽，并且既非旨在指認(rèn)出所有方面的關(guān)鍵性或決定性要素亦非試圖界定任何或所有方面的范圍。其唯一的目的是要以簡化形式給出一個或多個方面的一些概念以為稍后給出的更加詳細(xì)的描述之序。
[0005]本發(fā)明的目的在于解決上述問題，提供了一種超寬帶目標(biāo)定位系統(tǒng)及其超寬帶數(shù)字標(biāo)簽，利用UWB通信獨特的技術(shù)特點，實現(xiàn)低成本數(shù)字識別標(biāo)簽，非常適合于低成本的商用射頻標(biāo)簽(RFID)識別系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案為:本發(fā)明揭示了一種超寬帶數(shù)字標(biāo)簽，其特征在于，包括:
[0007]微控制單元，產(chǎn)生并發(fā)送周期脈沖、具有身份標(biāo)識號碼的數(shù)據(jù)報文；
[0008]脈沖調(diào)制單元，連接微控制單元，接收微控制單元發(fā)送的數(shù)據(jù)報文并將數(shù)據(jù)報文調(diào)制成脈沖信號；
[0009]脈沖壓縮單元，連接脈沖調(diào)制單元，接收脈沖調(diào)制單元發(fā)來的脈沖信號并通過壓縮處理使脈沖信號變窄到超寬帶應(yīng)用頻段，使脈沖信號成為超寬帶信號；
[0010]射頻濾波單元，連接脈沖壓縮單元，將脈沖壓縮單元處理后的超寬帶信號進(jìn)行濾波處理；
[0011]天線，連接射頻濾波單元，發(fā)射濾波處理后的超寬帶信號；
[0012]電源控制電路，分別連接微控制單元、脈沖調(diào)制單元、脈沖壓縮單元、射頻濾波單元，為標(biāo)簽提供電壓。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的超寬帶數(shù)字標(biāo)簽的一實施例，超寬帶的應(yīng)用頻段在3.1GHz到
10.6Ghz 之間。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的超寬帶數(shù)字標(biāo)簽的一實施例，脈沖壓縮單元將脈沖信號進(jìn)一步變窄到6GHz到7GHz之間。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的超寬帶數(shù)字標(biāo)簽的一實施例，天線是微帶貼片天線。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的超寬帶數(shù)字標(biāo)簽的一實施例，超寬帶數(shù)字標(biāo)簽還包括:
[0017]低頻前端電路，通過LC感應(yīng)線圈接收來自外部的配置命令，進(jìn)行識別、濾波后輸出到微控制單元，將微控制單元從休眠中喚醒，存儲參數(shù)并按照配置命令執(zhí)行操作。
[0018]本發(fā)明還揭示了一種超寬帶目標(biāo)定位系統(tǒng)，其特征在于，包括:
[0019]至少一個超寬帶數(shù)字標(biāo)簽；
[0020]多個傳感器，由該多個傳感器圍成標(biāo)簽監(jiān)視范圍，該多個傳感器通過網(wǎng)絡(luò)連接到中央處理器，每一傳感器將接收到的超寬帶數(shù)字標(biāo)簽發(fā)出的信號的絕對到達(dá)時間通過網(wǎng)絡(luò)分別發(fā)送到中央處理器；
[0021]中央處理器，基于該多個傳感器發(fā)來的絕對到達(dá)時間的差值進(jìn)行超寬帶數(shù)字標(biāo)簽的定位。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的超寬帶目標(biāo)定位系統(tǒng)的一實施例，超寬帶數(shù)字標(biāo)簽的應(yīng)用頻段在
3.1GHz 到 10.6Ghz 之間。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的超寬帶目標(biāo)定位系統(tǒng)的一實施例，超寬帶數(shù)字標(biāo)簽的應(yīng)用頻段進(jìn)一步變窄到6GHz到7GHz之間。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的超寬帶目標(biāo)定位系統(tǒng)的一實施例，超寬帶數(shù)字標(biāo)簽中的天線是微帶貼片天線。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的超寬帶目標(biāo)定位系統(tǒng)的一實施例，超寬帶數(shù)字標(biāo)簽還包括:
[0026]低頻前端電路，通過LC感應(yīng)線圈接收來自外部的配置命令，進(jìn)行識別、濾波后輸出到微控制單元，將微控制單元從休眠中喚醒，存儲參數(shù)并按照配置命令執(zhí)行操作。
[0027]本發(fā)明對比現(xiàn)有技術(shù)有如下的有益效果:本發(fā)明的方案是設(shè)計一種超寬帶數(shù)字標(biāo)簽，并通過幾個固定的傳感器，對待定位的超寬帶數(shù)字標(biāo)簽進(jìn)行測距，通過各傳感器接收到超寬帶數(shù)字標(biāo)簽發(fā)出的信號的絕對到達(dá)時間的差值來計算到達(dá)時間差，實現(xiàn)對超寬帶數(shù)字標(biāo)簽的準(zhǔn)確定位。本發(fā)明的超寬帶數(shù)字標(biāo)簽可廣泛應(yīng)用于物流管理、生產(chǎn)監(jiān)控、人員監(jiān)管等民用通信領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0028]圖1示出了本發(fā)明的超寬帶數(shù)字標(biāo)簽的較佳實施例的原理框圖。
[0029]圖2示出了本發(fā)明的超寬帶數(shù)字標(biāo)簽中的微控制單元的電路圖。
[0030]圖3示出了本發(fā)明的超寬帶數(shù)字標(biāo)簽中的脈沖調(diào)制單元的電路圖。
[0031]圖4示出了本發(fā)明的超寬帶數(shù)字標(biāo)簽中的脈沖壓縮單元的電路圖。
[0032]圖5示出了本發(fā)明的超寬帶數(shù)字標(biāo)簽中的射頻濾波單元的電路圖。
[0033]圖6示出了本發(fā)明的超寬帶數(shù)字標(biāo)簽中的電源控制電路的電路圖。
[0034]圖7示出了本發(fā)明的超寬帶數(shù)字標(biāo)簽中的低頻前端電路的電路圖。
[0035]圖8示出了本發(fā)明的超寬帶目標(biāo)定位系統(tǒng)的較佳實施例的系統(tǒng)原理框圖。
【具體實施方式】
[0036]在結(jié)合以下附圖閱讀本公開的實施例的詳細(xì)描述之后，能夠更好地理解本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點。在附圖中，各組件不一定是按比例繪制，并且具有類似的相關(guān)特性或特征的組件可能具有相同或相近的附圖標(biāo)記。
[0037]圖1示出了本發(fā)明的超寬帶數(shù)字標(biāo)簽的較佳實施例的原理。請參見圖1，本實施例的超寬帶數(shù)字標(biāo)簽包括:圖2所示的微控制單元11 (MCU)、圖3所示的脈沖調(diào)制單元12、圖4所示的脈沖壓縮單元13、圖5所示的射頻濾波單元14、天線15、圖6所示的電源控制電路16。
[0038]這些組件之間的連接關(guān)系是:微控制單元11的輸出端連接脈沖調(diào)制單元12，脈沖調(diào)制單元12的輸出端連接脈沖壓縮單元13，脈沖壓縮單元13的輸出端連接射頻濾波單元14，射頻濾波單元14的輸出端連接天線15，電源控制電路16的輸出端分別連接微控制單元
11、脈沖調(diào)制單元12、脈沖壓縮單元13、射頻濾波單元14。
[0039]超寬帶數(shù)字標(biāo)簽的實現(xiàn)原理如下。微控制單元11產(chǎn)生并發(fā)送周期脈沖、具有唯一的身份標(biāo)識號碼(ID)的數(shù)據(jù)報文。脈沖調(diào)制單元12接收微控制單元11發(fā)送的數(shù)據(jù)報文并將數(shù)據(jù)報文調(diào)制成脈沖信號。脈沖壓縮單元13接收脈沖調(diào)制單元12發(fā)來的脈沖信號并通過壓縮處理使脈沖信號變窄到超寬帶應(yīng)用頻段，使脈沖信號成為超寬帶信號。此處的超寬帶應(yīng)用頻段可以是常規(guī)的3.1GHz到10.6Ghz之間的頻段，較佳的進(jìn)一步變窄到6GHz到7GHz之間。射頻濾波單元14將脈沖壓縮單元13處理后的超寬帶信號進(jìn)行濾波處理。天線15發(fā)射濾波處理后的超寬帶信號，本實施例中的天線15例如是微帶貼片天線。
[0040]電源控制電路16是為其所連接的微控制單元11、脈沖調(diào)制單元12、脈沖壓縮單元
13、射頻濾波單元14(亦即整個超寬帶數(shù)字標(biāo)簽)提供電壓。正常工作狀態(tài)下，微控制單元11處于休眠狀態(tài)下，當(dāng)參數(shù)設(shè)定的時間到時，啟動電源控制電路16，紐扣電池3V電壓加入到上述超寬帶數(shù)字標(biāo)簽的整個工作電路中，以完成報文的發(fā)射。
[0041]較佳的，超寬帶數(shù)字標(biāo)簽還包括圖7所示的低頻前端電路17。當(dāng)需要對超寬帶數(shù)字標(biāo)簽進(jìn)行工作參數(shù)配置時，可用系統(tǒng)專用設(shè)置工具在LF頻段向標(biāo)簽發(fā)送配置參數(shù)命令，如啟動、停止標(biāo)簽工作、標(biāo)簽發(fā)射信號時間間隔等。在標(biāo)簽內(nèi)的低頻前端電路17通過LC感應(yīng)線圈接收到配置命令，進(jìn)行識別、濾波、輸出到微控制單元11，將微控制單元11從休眠中喚醒，微控制單元11存儲參數(shù)并按命令執(zhí)行操作。
[0042]基于上述設(shè)計的本發(fā)明的超寬帶(UWB)數(shù)字標(biāo)簽最大定位距離大于40米，最小分辨率小于10厘米，正常工作模式下平均工作消耗電流不大于5微安，可連續(xù)工作達(dá)十年。
[0043]至于超寬帶數(shù)字標(biāo)簽的存在方式，可以以單板結(jié)構(gòu)的形式，安裝在一個薄型塑料盒內(nèi)，共人體佩戴；也可粘貼依附在需要監(jiān)控的資產(chǎn)表面。
[0044]圖8示出了本發(fā)明的超寬帶目標(biāo)定位系統(tǒng)的較佳實施例的系統(tǒng)原理。請參見圖8，本實施例的超寬帶目標(biāo)定位系統(tǒng)包括至少一個超寬帶數(shù)字標(biāo)簽(圖8示出了多個依附在資產(chǎn)上的資產(chǎn)標(biāo)簽和多個佩戴在人員上的人員標(biāo)簽)、多個傳感器(圖8示出為傳感器I至傳感器X)、以及一個中央處理器2。超寬帶數(shù)字標(biāo)簽的具體實施參見前述的實施例，在此不再贅述。
[0045]系統(tǒng)中各個設(shè)備的連接關(guān)系是:這些傳感器通過網(wǎng)絡(luò)(例如局域網(wǎng))連接到中央處理器2。
[0046]標(biāo)簽監(jiān)視范圍由系統(tǒng)內(nèi)各傳感器所圍成的區(qū)域范圍所限定，即系統(tǒng)工作場所邊界內(nèi)。各傳感器通過局域網(wǎng)3連接到中央處理器2。每個傳感器將接收到超寬帶數(shù)字標(biāo)簽發(fā)出的信號的絕對到達(dá)時間通過網(wǎng)絡(luò)分別發(fā)送到中央處理器2，由中央處理器2進(jìn)行到達(dá)時間差值和定位計算，實現(xiàn)對標(biāo)簽的準(zhǔn)確定位。
[0047]本領(lǐng)域技術(shù)人員將進(jìn)一步領(lǐng)會，結(jié)合本文中所公開的實施例來描述的各種解說性邏輯板塊、模塊、電路、和算法步驟可實現(xiàn)為電子硬件、計算機(jī)軟件、或這兩者的組合。為清楚地解說硬件與軟件的這一可互換性，各種解說性組件、框、模塊、電路、和步驟在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此類功能性是被實現(xiàn)為硬件還是軟件取決于具體應(yīng)用和施加于整體系統(tǒng)的設(shè)計約束。技術(shù)人員對于每種特定應(yīng)用可用不同的方式來實現(xiàn)所描述的功能性，但這樣的實現(xiàn)決策不應(yīng)被解讀成導(dǎo)致脫離了本發(fā)明的范圍。
[0048]結(jié)合本文所公開的實施例描述的各種解說性邏輯板塊、模塊、和電路可用通用處理器、數(shù)字信號處理器(DSP)、專用集成電路(ASIC)、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)或其它可編程邏輯器件、分立的門或晶體管邏輯、分立的硬件組件、或其設(shè)計成執(zhí)行本文所描述功能的任何組合來實現(xiàn)或執(zhí)行。通用處理器可以是微處理器，但在替換方案中，該處理器可以是任何常規(guī)的處理器、控制器、微控制器、或狀態(tài)機(jī)。處理器還可以被實現(xiàn)為計算設(shè)備的組合，例如DSP與微處理器的組合、多個微處理器、與DSP核心協(xié)作的一個或多個微處理器、或任何其他此類配置。
[0049]結(jié)合本文中公開的實施例描述的方法或算法的步驟可直接在硬件中、在由處理器執(zhí)行的軟件模塊中、或在這兩者的組合中體現(xiàn)。軟件模塊可駐留在RAM存儲器、閃存、ROM存儲器、EPROM存儲器、EEPROM存儲器、寄存器、硬盤、可移動盤、CD-ROM、或本領(lǐng)域中所知的任何其他形式的存儲介質(zhì)中。示例性存儲介質(zhì)耦合到處理器以使得該處理器能從/向該存儲介質(zhì)讀取和寫入信息。在替換方案中，存儲介質(zhì)可以被整合到處理器。處理器和存儲介質(zhì)可駐留在ASIC中。ASIC可駐留在用戶終端中。在替換方案中，處理器和存儲介質(zhì)可作為分立組件駐留在用戶終端中。
[0050]在一個或多個示例性實施例中，所描述的功能可在硬件、軟件、固件或其任何組合中實現(xiàn)。如果在軟件中實現(xiàn)為計算機(jī)程序產(chǎn)品，則各功能可以作為一條或更多條指令或代碼存儲在計算機(jī)可讀介質(zhì)上或藉其進(jìn)行傳送。計算機(jī)可讀介質(zhì)包括計算機(jī)存儲介質(zhì)和通信介質(zhì)兩者，其包括促成計算機(jī)程序從一地向另一地轉(zhuǎn)移的任何介質(zhì)。存儲介質(zhì)可以是能被計算機(jī)訪問的任何可用介質(zhì)。作為示例而非限定，這樣的計算機(jī)可讀介質(zhì)可包括RAM、R0M、EEPROM、CD-ROM或其它光盤存儲、磁盤存儲或其它磁存儲設(shè)備、或能被用來攜帶或存儲指令或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式的合意程序代碼且能被計算機(jī)訪問的任何其它介質(zhì)。任何連接也被正當(dāng)?shù)胤Q為計算機(jī)可讀介質(zhì)。例如，如果軟件是使用同軸電纜、光纖電纜、雙絞線、數(shù)字訂戶線(DSL)、或諸如紅外、無線電、以及微波之類的無線技術(shù)從web網(wǎng)站、服務(wù)器、或其它遠(yuǎn)程源傳送而來，則該同軸電纜、光纖電纜、雙絞線、DSL、或諸如紅外、無線電、以及微波之類的無線技術(shù)就被包括在介質(zhì)的定義之中。如本文中所使用的盤(disk)和碟(disc)包括壓縮碟(CD)、激光碟、光碟、數(shù)字多用碟(DVD)、軟盤和藍(lán)光碟，其中盤(disk)往往以磁的方式再現(xiàn)數(shù)據(jù)，而碟(disc)用激光以光學(xué)方式再現(xiàn)數(shù)據(jù)。上述的組合也應(yīng)被包括在計算機(jī)可讀介質(zhì)的范圍內(nèi)。
[0051]提供對本公開的先前描述是為使得本領(lǐng)域任何技術(shù)人員皆能夠制作或使用本公開。對本公開的各種修改對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說都將是顯而易見的，且本文中所定義的普適原理可被應(yīng)用到其他變體而不會脫離本公開的精神或范圍。由此，本公開并非旨在被限定于本文中所描述的示例和設(shè)計，而是應(yīng)被授予與本文中所公開的原理和新穎性特征相一致的最廣范圍。
【主權(quán)項】
1.一種超寬帶數(shù)字標(biāo)簽，其特征在于，包括: 微控制單元，產(chǎn)生并發(fā)送周期脈沖、具有身份標(biāo)識號碼的數(shù)據(jù)報文； 脈沖調(diào)制單元，連接微控制單元，接收微控制單元發(fā)送的數(shù)據(jù)報文并將數(shù)據(jù)報文調(diào)制成脈沖信號； 脈沖壓縮單元，連接脈沖調(diào)制單元，接收脈沖調(diào)制單元發(fā)來的脈沖信號并通過壓縮處理使脈沖信號變窄到超寬帶應(yīng)用頻段，使脈沖信號成為超寬帶信號； 射頻濾波單元，連接脈沖壓縮單元，將脈沖壓縮單元處理后的超寬帶信號進(jìn)行濾波處理； 天線，連接射頻濾波單元，發(fā)射濾波處理后的超寬帶信號； 電源控制電路，分別連接微控制單元、脈沖調(diào)制單元、脈沖壓縮單元、射頻濾波單元，為標(biāo)簽提供電壓。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超寬帶數(shù)字標(biāo)簽，其特征在于，超寬帶的應(yīng)用頻段在3.1GHz到10.6Ghz之間。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超寬帶數(shù)字標(biāo)簽，其特征在于，脈沖壓縮單元將脈沖信號進(jìn)一步變窄到6GHz到7GHz之間。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超寬帶數(shù)字標(biāo)簽，其特征在于，天線是微帶貼片天線。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超寬帶數(shù)字標(biāo)簽，其特征在于，超寬帶數(shù)字標(biāo)簽還包括: 低頻前端電路，通過LC感應(yīng)線圈接收來自外部的配置命令，進(jìn)行識別、濾波后輸出到微控制單元，將微控制單元從休眠中喚醒，存儲參數(shù)并按照配置命令執(zhí)行操作。6.一種超寬帶目標(biāo)定位系統(tǒng)，其特征在于，包括: 至少一個如權(quán)利要求1所述的超寬帶數(shù)字標(biāo)簽； 多個傳感器，由該多個傳感器圍成標(biāo)簽監(jiān)視范圍，該多個傳感器通過網(wǎng)絡(luò)連接到中央處理器，每一傳感器將接收到的超寬帶數(shù)字標(biāo)簽發(fā)出的信號的絕對到達(dá)時間通過網(wǎng)絡(luò)分別發(fā)送到中央處理器； 中央處理器，基于該多個傳感器發(fā)來的絕對到達(dá)時間的差值進(jìn)行超寬帶數(shù)字標(biāo)簽的定位。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超寬帶目標(biāo)定位系統(tǒng)，其特征在于，超寬帶數(shù)字標(biāo)簽的應(yīng)用頻段在3.1GHz到10.6Ghz之間。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的超寬帶目標(biāo)定位系統(tǒng)，其特征在于，超寬帶數(shù)字標(biāo)簽的應(yīng)用頻段進(jìn)一步變窄到6GHz到7GHz之間。9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超寬帶目標(biāo)定位系統(tǒng)，其特征在于，超寬帶數(shù)字標(biāo)簽中的天線是微帶貼片天線。10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超寬帶目標(biāo)定位系統(tǒng)，其特征在于，超寬帶數(shù)字標(biāo)簽還包括: 低頻前端電路，通過LC感應(yīng)線圈接收來自外部的配置命令，進(jìn)行識別、濾波后輸出到微控制單元，將微控制單元從休眠中喚醒，存儲參數(shù)并按照配置命令執(zhí)行操作。
【文檔編號】H04B1/7163GK106033981SQ201510109049
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2015年3月12日
【發(fā)明人】宋祖安, 馬歆磊, 祁巍, 張鵬, 張一鵬, 郭俊岑, 孟海斌
【申請人】上海申達(dá)自動防范系統(tǒng)工程有限公司