一种定位装置及系统的制作方法
专利名称：一种定位装置及系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及无线通信设备，特别涉及一种定位装置及系统。
背景技术：
国内矿区管理与计算机结合的程度主要限于井上部分，在目前的煤矿井下工作人员在工作过程中，需要对井下工作人员进行精确的定位，确定煤矿人员在什么位置，从而对井下人员进行有效地组织管理。特别对发生灾难性的事故以后，通过获取井下人员的精确定位信息，使救护人员可以正确地到达受困人员所在的灾难现场来实施救援工作。但是，由于煤矿井下的特殊生产环境下，目前没有很好的定位方法达到精确的定位。在煤矿井下的工作人员定位技术中，目前也有一些定位技术。由于煤矿井下特殊的线形巷道覆盖的环境下，目前用于井下的定位方法主要是RFID(RadioFreqUenCy Identification，射频识别/电子标签)技术实现主要巷道的考勤定位，该技术主要实现了考勤功能；目前主要采用RFID技术来对煤矿井下人员进行考勤定位，现有的采用RFID技术实现的是煤矿井下的考勤定位，定位精度很差，只能在一个大范围如百米左右的区域内实现人员的定位与考勤功能。另外一种是在蜂窝无线网络中基于CELL ID (小区标识)的小区覆盖半径的定位方法，通过识别用户所在的小区来定位用户，定位精度往往在小区半径数量级别上，大约200到300米左右；其他在蜂窝无线网络中的无线定位技术也有如基于上行链路信号到达时间的定位方法，这些定位方法是利用无线电波在空间的传播时，通过测量从目标移动台发出的信号以直线到达基站的时间，可以得到目标移动台与基站之间的距
1 O在上面目前煤矿井下的工作人员定位技术中，其存在的不足在于由于煤矿井下特殊的线形覆盖的环境下，目前用于井下的定位方法RFID技术主要实现的井下人员的考勤定位功能，对于井下人员的定位由于技术和成本无法做到精确定位；蜂窝无线网络中基于CELL ID的小区覆盖半径的定位方法，定位精度往往在小区半径数量级别上，大约200到 300米左右；其他的在蜂窝无线网络中的无线定位技术由于井下巷道的特殊环境如存在多径传播的无线环境，多址干扰，以及很难视距传播等这些定位方法不能很好地应用于煤矿井下。
实用新型内容本实用新型所解决的技术问题在于提供了一种定位装置及系统，用以解决对地下目标进行定位的问题，尤其是对煤矿井等危险工作环境下的工作人员进行定位的问题。本实用新型实施例中提供了一种定位装置，包括RFID读取模块，用于读取无源标签的地理位置信息；控制单元模块，分别与RFID读取模块、无线数据模块相连，用于通过两模块之间的接口完成RFID读取模块和无线数据模块之间的信令控制和数据交互；无线数据模块，用于通过无线方式发送RFID读取模块读取的地理位置信息和无
3线数据模块上存储的标识信息。本实用新型实施例中提供了一种定位系统，包括所述定位装置，还包括无线通信网络、定位服务器，其中无线通信网络，用于将定位装置发送的地理位置信息和标识信息传输至定位服务器；定位服务器，用于根据地理位置信息和标识信息确定发送该信息的定位装置所处的位置。本实用新型有益效果如下本实用新型实施例提供的技术方案是一种适用于煤矿井下的无线通信技术与 RFID技术结合的精确定位方案，与现有技术相比，能够达到更精确的人员定位。
图1为本实用新型实施例中定位系统结构示意图；图2为本实用新型实施例中定位装置结构示意图一；图3为本实用新型实施例中定位装置结构示意图二 ；图4为本实用新型实施例中定位装置数据交互实施流程示意图；图5为本实用新型实施例中利用定位装置进行定位处理的方法实施流程示意图；图6为本实用新型实施例中利用定位系统进行定位处理的方法实施流程示意图；图7为本实用新型实施例中定位方法实施流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式
进行说明。在说明过程中，为了从整体上进行把握，首先将对定位系统的实施方式进行说明， 然后对定位装置的实施方式进行说明，最后对运用定位装置及定位系统进行定位的方法进行说明。图1为定位系统结构示意图，如图所示，在定位系统中可以包括定位装置101、定位服务器104、以及用以示意构成无线通信网络的基站102、网络设备103，其中无线通信网络，用于将定位装置发送的地理位置信息和标识信息传输至定位服务器；定位服务器，用于根据地理位置信息和标识信息确定发送该信息的定位装置所处的位置。实施中，定位系统中还可以进一步包括无源标签105，用于供RFID读取模块读取地理位置信息。实施中，无源标签还可以进一步用于供RFID读取模块读取功率调整标识。 实施中，定位服务器还可以进一步用于向无线数据模块发送功率调整命令。 具体的，本实用新型实施例提供的技术方案提出了 RFID技术与无线通信技术相结合的井下精确定位系统，该系统可以实现将井下人员的精度定位，不需要较大的成本就可以实现。图1中，作为无源标签的位置标识卡用来标识数字化的煤矿井下巷道的数字信息；RFID技术与无线通信技术相结合的定位装置是可以给每个需要定位的井下工作人员进行配置的无线收发终端，用来完成识别位置标识卡的地理位置信息；无线基站是把定位装置读取的数字化位置信息通过无线的方式传送到井上的定位服务器的基站设备。在无线基站和定位服务器之间有网络设备来完成无线通信信息的交换。图2为定位装置结构示意图一，如图所示，定位装置中可以包括RFID读取模块201，用于读取无源标签的地理位置信息；控制单元模块202，分别与RFID读取模块、无线数据模块相连，用于通过两模块之间的接口完成RFID读取模块和无线数据模块之间的信令控制和数据交互；无线数据模块203，用于通过无线方式发送RFID读取模块读取的地理位置信息和无线数据模块上存储的标识信息。具体的，本实用新型实施例提供的技术方案中提出的无线通信技术与RFID技术结合的定位装置主要可以由RFID读取模块、无线数据模块和控制单元模块组成。本定位装置是采用RFID技术与无线通信技术相结合的方式来设计实现的。可以充分利用无线通信技术具有高带宽快，可靠性高，传输距离远的优点，以及利用RFID具有简单实用位置标识功能，其无线传输也采用无线通信技术。其中RFID读取模块主要完成对井下无源标签的地理位置信息的读取、信号的编解码。 对一些特殊的系统还可以执行反碰撞算法，可以对射频卡与阅读器间要传送的数据进行加密和解密，以及可以进行射频卡和阅读器间的身份验证等附加功能。无线数据模块主要是把RFID读取模块读取的标签的地理位置信息和自身所存储的个人信息通过无线方式发送到地面作为定位服务器的计算机处理中心进行处理，完成精确定位。控制单元模块主要是通过模块之间的接口完成RFID读取模块和无线数据模块的信令控制和交互功能。与应用系统软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令，控制与 RFID读取模块的通信过程。下面对定位装置的具体结构、连接关系进行说明。图3为定位装置结构示意图二，如图所示，定位装置中的接口及连接关系可以分为两部分。一个是RFID读取模块的读卡器-与控制单元模块的CPU之间的接口，其功能是负责将RFID读取模块中读卡器内的数据信息传给控制单元模块中的CPU，CPU的命令发送给读卡器，接口采用8位并行口通信；另一个是无线数据模块与控制单元模块的CPU之间接口，其功能是CPU将读取到的读卡器数据转发给无线数据模块，并可以从无线数据模块接收地面计算机通过无线通信网络发来的操作指令，接口采用串口通信。也即URFID读取模块与控制单元模块之间通过中断端口、数据端口相连，其中RFID读取模块通过中断端口通知控制单元模块进行下一步操作；控制单元模块通过数据端口从RFID读取模块读取数据，通过数据端口向RFID读取模块发送操作命令。进一步的，RFID读取模块与控制单元模块之间还可以通过使能端口相连，控制单元模块通过使能端口对RFID读取模块进行使能操作。具体的，在读卡器-CPU接口部分，CPU与RFID读取模块采用8位并行IO 口通信， 具体接口为[0048]8位IO并行数据口 CPU通过并行口读取RFID读取模块的数据，并向RFID读取模块发送操作指令；使能端CPU可对RFID读取模块进行使能操作从而避免重复读取标签且实现低功耗的目的；中断在RFID读取模块读取到标签信息时，可以通过该引脚产生中断，提醒CPU进行下一步的操作。2、无线数据模块与控制单元模块之间通过包括TX引脚、RX引脚的串口相连，其中控制单元模块通过TX引脚向无线数据模块发送数据；控制单元模块通过RX引脚接收从无线数据模块传输来的操作指令。进一步的，无线数据模块与控制单元模块之间还可以通过使能端口相连，控制单元模块通过使能端口对无线数据模块进行使能操作。具体的，CPU可以通过对无线数据模块的使能操作来控制无线数据模块对标签信息的数据进行收发。具体的，在无线数据模块-CPU接口部分，CPU与无线数据模块部分采用串口通信操作，具体接口为使能端。CPU可对无线数据模块进行使能操作；TX(发送)CPU通过该引脚向无线数据模块发送标签数据信息；RX(接收)CPU通过该引脚接收地面计算机发送下来的相关操作指令。图4为定位装置数据交互实施流程示意图，如图所示，可以包括如下步骤步骤401、CPU控制读卡器发送Query (查询)指令；步骤402、标签收到Query指令以后，随机产生slot信息，当slot不为0时，标签等待读卡器发送QueryR印(查询响应)指令进行递减；当slot为0时，标签回应读卡器16 位随机码；当多个标签的slot同时跳转为0时，读卡器发送QueryAdjust (查询校准命令) 进行调整，防止冲突；步骤403、读卡器收到随机码以后，回传给CPU，CPU将此随机码和ACK(确认)指令一起重新发至标签；步骤404、标签检验16位随机码，如果正确，则响应读卡器，回复自身的PC+EPC (产品电子码)信息；如果无效，则忽略命令；步骤405、读到标签EPC数据以后，读卡器继续回传给CPU，CPU将16位随机码与 Req-RN (请求命令)指令发送至标签；步骤406、标签再次判断随机码是否正确，如果正确，则发送新的随机码，称为 handle (处理信息)；如果无效，则忽略；步骤407、读卡器读取到handle信息后，即可对标签进行读写操作，CPU将handle 随机码和read命令一起发送至标签，即可读取标签的用户数据区部分(UID)，此部分即为本系统所需要的地理化数字信息；步骤408、标签验证handle，响应命令。步骤409、CPU在读到标签信息以后，对无线数据模块进行操作，通过串口发送给无线数据模块；步骤410、无线数据模块收到数据信息后，自动转发至地面计算机，结束。[0070]进一步实施中，采用RFID方式的定位方式也存在若多用户终端同时向地面计算机发送信息时，有可能会有出现冲突问题；当读卡器同时读到多个标签时，需要考虑将信号耦合强度最大的标签信息(即与读卡器距离最近的标签信息)筛选出来，目前的软件部分缺乏此项功能，有待改进；当多读卡器同时读取一个标签时，有可能会出现冲突现象，导致部分读卡器读取不到标签信息。鉴于此，本实用新型实施例中还提供了两种解决方式，一种是通过定位服务来调整发射功率，一种是定位装置自身进行判断后进行功率调整，下面进行说明。1、控制单元模块还可以进一步用于在读取到地理位置信息后，识别地理位置信息中的功率调整标识，并根据该标识命令RFID读取模块调整发射功率以调整读取范围；RFID读取模块还可以进一步用于根据控制单元模块的命令调整发射功率。具体的，读卡器芯片自身含有改变发射功率，调节读取距离的功能。在用无源标签铺设巷道时，则预先对巷道内不同摆放密度的标签ID进行擦写以区分开，如5米间隔的标签ID为5##，三米间隔的标签为3##，而该标签5、3便可以作为功率调整标识。当终端读到某范围内标签时，CPU则自动对读卡器发出更改发射功率的命令，以达到改变终端读取距离的目的。这样就实现了在不同密度巷道内，终端实时只读唯一标签信息，从而精确定位的方法。2、无线数据模块还可以进一步用于接收功率调整命令；控制单元模块还可以进一步用于根据功率调整命令命令RFID读取模块调整发射功率以调整读取范围；RFID读取模块还可以进一步用于根据控制单元模块的命令调整发射功率。具体的，也可以从地面计算机发送指令来控制人员终端。例如，如果工人进入ID 卡密度不同的巷道时，可以通过改变射频发射功率来获取唯一 ID信息。下面以实例对定位装置的实施方式进行说明。在射频读卡器部分，由于井下巷道要求，读卡器的读取距离要达到5米以上，故属于远距离射频系统，则可以采用高频段915MHz通信，通信协议采用国际标准IS018000-6C 协议。标签方面，由于煤矿井下条件恶劣，采用无源标签，结构简单，价格低廉，便于在矿井内大量铺设和维护。射频部分，根据通信距离与发射功率，接收灵敏度和工作频率之间的关系公式[Lf s] (dB) = 32. 44+20Igd (km) +20Igf (MHz)式中Lfs为传输损耗，d为传输距离，频率的单位以MHz计算。由上式可见，自由空间中电波传播损耗(亦称衰减)只与工作频率f和传播距离 d有关，当f或d增大一倍时，[Lfs]将分别增加6dB。下面的公式说明在自由空间下电波传播的损耗Los = 32.44+201gd (Km)+201gf(MHz)Los是传播损耗，单位为dB，d是距离，单位是Km，f是工作频率，单位是MHz。可计算得出，如果想要在900MHz下进行射频读取，且读取距离为10米左右的话， 所需芯片或模块的传输损耗即发射功率和接收灵敏度之间差值约为38。在巷道恶劣环境下，需要考虑的还有信号的衰减，所以也要选择合适增益的天线和标签。[0089]无线传输部分，可以选择新型的TD-SCDMA(Time Division-SynchronousCode Division Multiple Access，时分同步码分多址接入)模块(本申请中简称为TD模块)。 该模块传输速度快，稳定性高，可承载数据量大。在此基础上，选用合适的TD模块可以缩短硬件的开发周期，并且提高系统的稳定性。在软件设计部分，可以使用MCU^icroControllerUnit，微型控制单元，又称单片微型计算机)来控制射频和TD部分。将射频模块设为轮询方式，一旦它接收到ID信息，数据会通过TD部分发送至地面计算机。如果数据发送完毕，射频部分会进入下一次轮询。下面对定位装置运用方法的实施方式进行说明。图5为利用定位装置进行定位处理的方法实施流程示意图，如图所示，可以包括如下步骤步骤501、RFID读取模块读取无源标签的地理位置信息；步骤502、控制单元模块通过两模块之间的接口将地理位置信息传输至无线数据模块；步骤503、无线数据模块通过无线方式发送控制单元模块传输至的地理位置信息和无线数据模块上存储的标识信息。实施中，为了保证读取的标签的唯一性，还可以进一步包括控制单元模块在读取到地理位置信息后，识别地理位置信息中的功率调整标识， 并根据该标识命令RFID读取模块调整发射功率以调整读取范围；RFID读取模块根据控制单元模块的命令调整发射功率。或者，为了保证读取的标签的唯一性，还可以进一步包括无线数据模块接收功率调整命令；控制单元模块通过两模块之间的接口接收功率调整命令；控制单元模块根据功率调整命令命令RFID读取模块调整发射功率以调整读取范围；RFID读取模块进一步用于根据控制单元模块的命令调整发射功率。图6为利用定位系统进行定位处理的方法实施流程示意图，如图所示，可以包括如下步骤步骤601、定位装置读取无源标签的地理位置信息；步骤602、定位装置通过无线通信网络向定位服务器发送地理位置信息和定位装置中存储的标识信息；步骤603、定位服务器根据地理位置信息和标识信息确定发送该信息的定位装置所处的位置。实施中，为了保证读取的标签的唯一性，还可以进一步包括定位装置在读取到无源标签的功率调整标识后，根据该标识调整发射功率以调整读取范围。或者，可以进一步包括定位服务器通过无线通信网络向定位装置发送功率调整命令；定位装置根据功率调整命令调整读取无源标签的发射功率以调整读取范围。具体的，本实用新型实施例提供的技术方案精确的定位方式可以是首先把煤矿
8井下巷道进行数字化地理位置，按照精度要求布放位置标识卡；需要定位的工作人员携带的定位装置读取位置识别卡的数字位置信息；定位装置把读取位置识别卡的数字位置信息通过无线的方式由3G基站和网络交换机发送到地面的定位服务器中；定位服务器根据数字化的地理信息和读取的位置识别卡的位置信息定位出井下工作人员的精确的地理位置。 下面再以实例进行说明。首先，在井下摆放无源标签。摆放的密度决定了人员定位的精确程度。出于防冲突和精度的考虑，假定读卡器读取范围是5米，则在井下每5米摆放一个标签，这样可使得读卡器在其读取范围内总是读到一个标签的信息，有效防止冲突。其次，出于数据量和低功耗的角度，考虑发送方式。读卡器可在读到与之前读取的标签信息不同的地理信息时，将其经3G无线模块发送至地面计算机；也可采用定时发送的方式，如主巷道每1分钟发送一次，挖掘面每3分钟发送一次等。最后，井下可加入瓦斯传感器等模块，使得在危险来临的时候，井下工作人员在第一时间获得警告信息，尽快撤离；地面计算机和井下工作人员通过TD-SCDMA可建立短讯通信机制，是地面计算机不仅可控制井下人员读卡器端的读取频率和发射功率，也可以与井下人员进行简短通讯，更好地进行工作现场调度。为防止读取标签时产生的冲突问题，提出的改变射频发射功率来获取唯一 ID信息的方法。从地面计算机发送指令来控制人员终端。如果工人进入ID卡密度不同的巷道时，可以通过改变射频发射功率来获取唯一 ID信息。具体实现方法为读卡器芯片自身含有改变发射功率，调节读取距离的功能。在用无源标签铺设巷道时，则预先对巷道内不同摆放密度的标签ID进行擦写以区分开，如5米间隔的标签ID为5****，三米间隔的标签为 3#**。当终端读到某范围内标签时，CPU则自动对读卡器发出更改发射功率的命令，以达到改变终端读取距离的目的。这样就实现了在不同密度巷道内，终端实时只读唯一标签信息，从而精确定位的方法。基于同一发明构思，本实用新型实施例中还提供了一种定位方法，由于该方法解决问题的原理与定位装置、定位系统及其使用方法相似，因此该方法的实施可以参见定位装置、定位系统及其使用方法的实施，重复之处不再赘述。图7为定位方法实施流程示意图，如图所示，可以包括如下步骤步骤701、采用RFID技术读取地理位置信息；步骤702、通过无线通信网络发送读取的地理位置信息和标识信息；步骤703、在收到地理位置信息和标识信息后，根据地理位置信息和标识信息进行定位。实施中，还可以进一步包括在地理位置信息中包括功率调整标识；根据功率调整标识调整采用RFID技术进行读取时的读取范围。实施中，还可以进一步包括通过无线通信网络调整采用RFID技术进行读取时的读取范围。由上述实施例可见，本实用新型实施例提供的技术方案是一种适用于煤矿井下的无线通信技术与RFID技术结合的精确定位方案，与现有的RFID技术相比，能够达到更精确的人员定位；[0129]进一步的，为防止读取标签时产生的冲突问题而提出的改变射频发射功率来获取唯一 ID信息的方式；可以改善定位冲突和提高定位的精度。显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求1.一种定位装置，其特征在于，包括射频识别RFID读取模块，用于读取无源标签的地理位置信息； 控制单元模块，分别与RFID读取模块、无线数据模块相连，用于通过两模块之间的接口完成RFID读取模块和无线数据模块之间的信令控制和数据交互；无线数据模块，用于通过无线方式发送RFID读取模块读取的地理位置信息和无线数据模块上存储的标识信息。
2.如权利要求1所述的定位装置，其特征在于，控制单元模块进一步用于在读取到地理位置信息后，识别地理位置信息中的功率调整标识，并根据该标识命令RFID读取模块调整发射功率以调整读取范围；RFID读取模块进一步用于根据控制单元模块的命令调整发射功率。
3.如权利要求1所述的定位装置，其特征在于， 无线数据模块进一步用于接收功率调整命令；控制单元模块进一步用于根据功率调整命令命令RFID读取模块调整发射功率以调整读取范围；RFID读取模块进一步用于根据控制单元模块的命令调整发射功率。
4.如权利要求1至3任一所述的定位装置，其特征在于，RFID读取模块与控制单元模块之间通过中断端口、数据端口相连，其中RFID读取模块通过中断端口通知控制单元模块进行下一步操作； 控制单元模块通过数据端口从RFID读取模块读取数据，通过数据端口向RFID读取模块发送操作命令。
5.如权利要求4所述的定位装置，其特征在于，RFID读取模块与控制单元模块之间进一步通过使能端口相连，控制单元模块通过使能端口对RFID读取模块进行使能操作。
6.如权利要求1至3任一所述的定位装置，其特征在于，无线数据模块与控制单元模块之间通过包括TX引脚、RX引脚的串口相连，其中控制单元模块通过TX引脚向无线数据模块发送数据； 控制单元模块通过RX引脚接收从无线数据模块传输来的操作指令。
7.如权利要求6所述的定位装置，其特征在于，无线数据模块与控制单元模块之间进一步通过使能端口相连，控制单元模块通过使能端口对无线数据模块进行使能操作。
8.一种定位系统，其特征在于，包括如权利要求1至7任一所述定位装置，还包括无线通信网络、定位服务器，其中无线通信网络，用于将定位装置发送的地理位置信息和标识信息传输至定位服务器； 定位服务器，用于根据地理位置信息和标识信息确定发送该信息的定位装置所处的位置。
9.如权利要求8所述的定位系统，其特征在于，进一步包括 无源标签，用于供RFID读取模块读取地理位置信息。
10.如权利要求9所述的定位系统，其特征在于，包括无源标签进一步用于供RFID读取模块读取功率调整标识。
11.如权利要求8所述的定位系统，其特征在于，定位服务器进一步用于向无线数据模块发送功率调整命令。
专利摘要本实用新型公开了一种定位装置及系统，包括定位装置采用射频识别技术读取无源标签的地理位置信息；定位装置通过无线通信网络向定位服务器发送地理位置信息和定位装置中存储的标识信息；定位服务器根据地理位置信息和标识信息确定发送该信息的定位装置所处的位置。本实用新型是一种适用于煤矿井下的无线通信技术与射频识别技术结合的精确定位方案，与现有技术相比，能够达到更精确的人员定位。
文档编号G06K7/00GK202025327SQ20112000087
公开日2011年11月2日 申请日期2011年1月4日 优先权日2011年1月4日
发明者彭渝, 王安义 申请人:大唐移动通信设备有限公司
技术领域：
本实用新型涉及无线通信设备，特别涉及一种定位装置及系统。
背景技术：
国内矿区管理与计算机结合的程度主要限于井上部分，在目前的煤矿井下工作人员在工作过程中，需要对井下工作人员进行精确的定位，确定煤矿人员在什么位置，从而对井下人员进行有效地组织管理。特别对发生灾难性的事故以后，通过获取井下人员的精确定位信息，使救护人员可以正确地到达受困人员所在的灾难现场来实施救援工作。但是，由于煤矿井下的特殊生产环境下，目前没有很好的定位方法达到精确的定位。在煤矿井下的工作人员定位技术中，目前也有一些定位技术。由于煤矿井下特殊的线形巷道覆盖的环境下，目前用于井下的定位方法主要是RFID(RadioFreqUenCy Identification，射频识别/电子标签)技术实现主要巷道的考勤定位，该技术主要实现了考勤功能；目前主要采用RFID技术来对煤矿井下人员进行考勤定位，现有的采用RFID技术实现的是煤矿井下的考勤定位，定位精度很差，只能在一个大范围如百米左右的区域内实现人员的定位与考勤功能。另外一种是在蜂窝无线网络中基于CELL ID (小区标识)的小区覆盖半径的定位方法，通过识别用户所在的小区来定位用户，定位精度往往在小区半径数量级别上，大约200到300米左右；其他在蜂窝无线网络中的无线定位技术也有如基于上行链路信号到达时间的定位方法，这些定位方法是利用无线电波在空间的传播时，通过测量从目标移动台发出的信号以直线到达基站的时间，可以得到目标移动台与基站之间的距
1 O在上面目前煤矿井下的工作人员定位技术中，其存在的不足在于由于煤矿井下特殊的线形覆盖的环境下，目前用于井下的定位方法RFID技术主要实现的井下人员的考勤定位功能，对于井下人员的定位由于技术和成本无法做到精确定位；蜂窝无线网络中基于CELL ID的小区覆盖半径的定位方法，定位精度往往在小区半径数量级别上，大约200到 300米左右；其他的在蜂窝无线网络中的无线定位技术由于井下巷道的特殊环境如存在多径传播的无线环境，多址干扰，以及很难视距传播等这些定位方法不能很好地应用于煤矿井下。
实用新型内容本实用新型所解决的技术问题在于提供了一种定位装置及系统，用以解决对地下目标进行定位的问题，尤其是对煤矿井等危险工作环境下的工作人员进行定位的问题。本实用新型实施例中提供了一种定位装置，包括RFID读取模块，用于读取无源标签的地理位置信息；控制单元模块，分别与RFID读取模块、无线数据模块相连，用于通过两模块之间的接口完成RFID读取模块和无线数据模块之间的信令控制和数据交互；无线数据模块，用于通过无线方式发送RFID读取模块读取的地理位置信息和无
3线数据模块上存储的标识信息。本实用新型实施例中提供了一种定位系统，包括所述定位装置，还包括无线通信网络、定位服务器，其中无线通信网络，用于将定位装置发送的地理位置信息和标识信息传输至定位服务器；定位服务器，用于根据地理位置信息和标识信息确定发送该信息的定位装置所处的位置。本实用新型有益效果如下本实用新型实施例提供的技术方案是一种适用于煤矿井下的无线通信技术与 RFID技术结合的精确定位方案，与现有技术相比，能够达到更精确的人员定位。
图1为本实用新型实施例中定位系统结构示意图；图2为本实用新型实施例中定位装置结构示意图一；图3为本实用新型实施例中定位装置结构示意图二 ；图4为本实用新型实施例中定位装置数据交互实施流程示意图；图5为本实用新型实施例中利用定位装置进行定位处理的方法实施流程示意图；图6为本实用新型实施例中利用定位系统进行定位处理的方法实施流程示意图；图7为本实用新型实施例中定位方法实施流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式
进行说明。在说明过程中，为了从整体上进行把握，首先将对定位系统的实施方式进行说明， 然后对定位装置的实施方式进行说明，最后对运用定位装置及定位系统进行定位的方法进行说明。图1为定位系统结构示意图，如图所示，在定位系统中可以包括定位装置101、定位服务器104、以及用以示意构成无线通信网络的基站102、网络设备103，其中无线通信网络，用于将定位装置发送的地理位置信息和标识信息传输至定位服务器；定位服务器，用于根据地理位置信息和标识信息确定发送该信息的定位装置所处的位置。实施中，定位系统中还可以进一步包括无源标签105，用于供RFID读取模块读取地理位置信息。实施中，无源标签还可以进一步用于供RFID读取模块读取功率调整标识。 实施中，定位服务器还可以进一步用于向无线数据模块发送功率调整命令。 具体的，本实用新型实施例提供的技术方案提出了 RFID技术与无线通信技术相结合的井下精确定位系统，该系统可以实现将井下人员的精度定位，不需要较大的成本就可以实现。图1中，作为无源标签的位置标识卡用来标识数字化的煤矿井下巷道的数字信息；RFID技术与无线通信技术相结合的定位装置是可以给每个需要定位的井下工作人员进行配置的无线收发终端，用来完成识别位置标识卡的地理位置信息；无线基站是把定位装置读取的数字化位置信息通过无线的方式传送到井上的定位服务器的基站设备。在无线基站和定位服务器之间有网络设备来完成无线通信信息的交换。图2为定位装置结构示意图一，如图所示，定位装置中可以包括RFID读取模块201，用于读取无源标签的地理位置信息；控制单元模块202，分别与RFID读取模块、无线数据模块相连，用于通过两模块之间的接口完成RFID读取模块和无线数据模块之间的信令控制和数据交互；无线数据模块203，用于通过无线方式发送RFID读取模块读取的地理位置信息和无线数据模块上存储的标识信息。具体的，本实用新型实施例提供的技术方案中提出的无线通信技术与RFID技术结合的定位装置主要可以由RFID读取模块、无线数据模块和控制单元模块组成。本定位装置是采用RFID技术与无线通信技术相结合的方式来设计实现的。可以充分利用无线通信技术具有高带宽快，可靠性高，传输距离远的优点，以及利用RFID具有简单实用位置标识功能，其无线传输也采用无线通信技术。其中RFID读取模块主要完成对井下无源标签的地理位置信息的读取、信号的编解码。 对一些特殊的系统还可以执行反碰撞算法，可以对射频卡与阅读器间要传送的数据进行加密和解密，以及可以进行射频卡和阅读器间的身份验证等附加功能。无线数据模块主要是把RFID读取模块读取的标签的地理位置信息和自身所存储的个人信息通过无线方式发送到地面作为定位服务器的计算机处理中心进行处理，完成精确定位。控制单元模块主要是通过模块之间的接口完成RFID读取模块和无线数据模块的信令控制和交互功能。与应用系统软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令，控制与 RFID读取模块的通信过程。下面对定位装置的具体结构、连接关系进行说明。图3为定位装置结构示意图二，如图所示，定位装置中的接口及连接关系可以分为两部分。一个是RFID读取模块的读卡器-与控制单元模块的CPU之间的接口，其功能是负责将RFID读取模块中读卡器内的数据信息传给控制单元模块中的CPU，CPU的命令发送给读卡器，接口采用8位并行口通信；另一个是无线数据模块与控制单元模块的CPU之间接口，其功能是CPU将读取到的读卡器数据转发给无线数据模块，并可以从无线数据模块接收地面计算机通过无线通信网络发来的操作指令，接口采用串口通信。也即URFID读取模块与控制单元模块之间通过中断端口、数据端口相连，其中RFID读取模块通过中断端口通知控制单元模块进行下一步操作；控制单元模块通过数据端口从RFID读取模块读取数据，通过数据端口向RFID读取模块发送操作命令。进一步的，RFID读取模块与控制单元模块之间还可以通过使能端口相连，控制单元模块通过使能端口对RFID读取模块进行使能操作。具体的，在读卡器-CPU接口部分，CPU与RFID读取模块采用8位并行IO 口通信， 具体接口为[0048]8位IO并行数据口 CPU通过并行口读取RFID读取模块的数据，并向RFID读取模块发送操作指令；使能端CPU可对RFID读取模块进行使能操作从而避免重复读取标签且实现低功耗的目的；中断在RFID读取模块读取到标签信息时，可以通过该引脚产生中断，提醒CPU进行下一步的操作。2、无线数据模块与控制单元模块之间通过包括TX引脚、RX引脚的串口相连，其中控制单元模块通过TX引脚向无线数据模块发送数据；控制单元模块通过RX引脚接收从无线数据模块传输来的操作指令。进一步的，无线数据模块与控制单元模块之间还可以通过使能端口相连，控制单元模块通过使能端口对无线数据模块进行使能操作。具体的，CPU可以通过对无线数据模块的使能操作来控制无线数据模块对标签信息的数据进行收发。具体的，在无线数据模块-CPU接口部分，CPU与无线数据模块部分采用串口通信操作，具体接口为使能端。CPU可对无线数据模块进行使能操作；TX(发送)CPU通过该引脚向无线数据模块发送标签数据信息；RX(接收)CPU通过该引脚接收地面计算机发送下来的相关操作指令。图4为定位装置数据交互实施流程示意图，如图所示，可以包括如下步骤步骤401、CPU控制读卡器发送Query (查询)指令；步骤402、标签收到Query指令以后，随机产生slot信息，当slot不为0时，标签等待读卡器发送QueryR印(查询响应)指令进行递减；当slot为0时，标签回应读卡器16 位随机码；当多个标签的slot同时跳转为0时，读卡器发送QueryAdjust (查询校准命令) 进行调整，防止冲突；步骤403、读卡器收到随机码以后，回传给CPU，CPU将此随机码和ACK(确认)指令一起重新发至标签；步骤404、标签检验16位随机码，如果正确，则响应读卡器，回复自身的PC+EPC (产品电子码)信息；如果无效，则忽略命令；步骤405、读到标签EPC数据以后，读卡器继续回传给CPU，CPU将16位随机码与 Req-RN (请求命令)指令发送至标签；步骤406、标签再次判断随机码是否正确，如果正确，则发送新的随机码，称为 handle (处理信息)；如果无效，则忽略；步骤407、读卡器读取到handle信息后，即可对标签进行读写操作，CPU将handle 随机码和read命令一起发送至标签，即可读取标签的用户数据区部分(UID)，此部分即为本系统所需要的地理化数字信息；步骤408、标签验证handle，响应命令。步骤409、CPU在读到标签信息以后，对无线数据模块进行操作，通过串口发送给无线数据模块；步骤410、无线数据模块收到数据信息后，自动转发至地面计算机，结束。[0070]进一步实施中，采用RFID方式的定位方式也存在若多用户终端同时向地面计算机发送信息时，有可能会有出现冲突问题；当读卡器同时读到多个标签时，需要考虑将信号耦合强度最大的标签信息(即与读卡器距离最近的标签信息)筛选出来，目前的软件部分缺乏此项功能，有待改进；当多读卡器同时读取一个标签时，有可能会出现冲突现象，导致部分读卡器读取不到标签信息。鉴于此，本实用新型实施例中还提供了两种解决方式，一种是通过定位服务来调整发射功率，一种是定位装置自身进行判断后进行功率调整，下面进行说明。1、控制单元模块还可以进一步用于在读取到地理位置信息后，识别地理位置信息中的功率调整标识，并根据该标识命令RFID读取模块调整发射功率以调整读取范围；RFID读取模块还可以进一步用于根据控制单元模块的命令调整发射功率。具体的，读卡器芯片自身含有改变发射功率，调节读取距离的功能。在用无源标签铺设巷道时，则预先对巷道内不同摆放密度的标签ID进行擦写以区分开，如5米间隔的标签ID为5##，三米间隔的标签为3##，而该标签5、3便可以作为功率调整标识。当终端读到某范围内标签时，CPU则自动对读卡器发出更改发射功率的命令，以达到改变终端读取距离的目的。这样就实现了在不同密度巷道内，终端实时只读唯一标签信息，从而精确定位的方法。2、无线数据模块还可以进一步用于接收功率调整命令；控制单元模块还可以进一步用于根据功率调整命令命令RFID读取模块调整发射功率以调整读取范围；RFID读取模块还可以进一步用于根据控制单元模块的命令调整发射功率。具体的，也可以从地面计算机发送指令来控制人员终端。例如，如果工人进入ID 卡密度不同的巷道时，可以通过改变射频发射功率来获取唯一 ID信息。下面以实例对定位装置的实施方式进行说明。在射频读卡器部分，由于井下巷道要求，读卡器的读取距离要达到5米以上，故属于远距离射频系统，则可以采用高频段915MHz通信，通信协议采用国际标准IS018000-6C 协议。标签方面，由于煤矿井下条件恶劣，采用无源标签，结构简单，价格低廉，便于在矿井内大量铺设和维护。射频部分，根据通信距离与发射功率，接收灵敏度和工作频率之间的关系公式[Lf s] (dB) = 32. 44+20Igd (km) +20Igf (MHz)式中Lfs为传输损耗，d为传输距离，频率的单位以MHz计算。由上式可见，自由空间中电波传播损耗(亦称衰减)只与工作频率f和传播距离 d有关，当f或d增大一倍时，[Lfs]将分别增加6dB。下面的公式说明在自由空间下电波传播的损耗Los = 32.44+201gd (Km)+201gf(MHz)Los是传播损耗，单位为dB，d是距离，单位是Km，f是工作频率，单位是MHz。可计算得出，如果想要在900MHz下进行射频读取，且读取距离为10米左右的话， 所需芯片或模块的传输损耗即发射功率和接收灵敏度之间差值约为38。在巷道恶劣环境下，需要考虑的还有信号的衰减，所以也要选择合适增益的天线和标签。[0089]无线传输部分，可以选择新型的TD-SCDMA(Time Division-SynchronousCode Division Multiple Access，时分同步码分多址接入)模块(本申请中简称为TD模块)。 该模块传输速度快，稳定性高，可承载数据量大。在此基础上，选用合适的TD模块可以缩短硬件的开发周期，并且提高系统的稳定性。在软件设计部分，可以使用MCU^icroControllerUnit，微型控制单元，又称单片微型计算机)来控制射频和TD部分。将射频模块设为轮询方式，一旦它接收到ID信息，数据会通过TD部分发送至地面计算机。如果数据发送完毕，射频部分会进入下一次轮询。下面对定位装置运用方法的实施方式进行说明。图5为利用定位装置进行定位处理的方法实施流程示意图，如图所示，可以包括如下步骤步骤501、RFID读取模块读取无源标签的地理位置信息；步骤502、控制单元模块通过两模块之间的接口将地理位置信息传输至无线数据模块；步骤503、无线数据模块通过无线方式发送控制单元模块传输至的地理位置信息和无线数据模块上存储的标识信息。实施中，为了保证读取的标签的唯一性，还可以进一步包括控制单元模块在读取到地理位置信息后，识别地理位置信息中的功率调整标识， 并根据该标识命令RFID读取模块调整发射功率以调整读取范围；RFID读取模块根据控制单元模块的命令调整发射功率。或者，为了保证读取的标签的唯一性，还可以进一步包括无线数据模块接收功率调整命令；控制单元模块通过两模块之间的接口接收功率调整命令；控制单元模块根据功率调整命令命令RFID读取模块调整发射功率以调整读取范围；RFID读取模块进一步用于根据控制单元模块的命令调整发射功率。图6为利用定位系统进行定位处理的方法实施流程示意图，如图所示，可以包括如下步骤步骤601、定位装置读取无源标签的地理位置信息；步骤602、定位装置通过无线通信网络向定位服务器发送地理位置信息和定位装置中存储的标识信息；步骤603、定位服务器根据地理位置信息和标识信息确定发送该信息的定位装置所处的位置。实施中，为了保证读取的标签的唯一性，还可以进一步包括定位装置在读取到无源标签的功率调整标识后，根据该标识调整发射功率以调整读取范围。或者，可以进一步包括定位服务器通过无线通信网络向定位装置发送功率调整命令；定位装置根据功率调整命令调整读取无源标签的发射功率以调整读取范围。具体的，本实用新型实施例提供的技术方案精确的定位方式可以是首先把煤矿
8井下巷道进行数字化地理位置，按照精度要求布放位置标识卡；需要定位的工作人员携带的定位装置读取位置识别卡的数字位置信息；定位装置把读取位置识别卡的数字位置信息通过无线的方式由3G基站和网络交换机发送到地面的定位服务器中；定位服务器根据数字化的地理信息和读取的位置识别卡的位置信息定位出井下工作人员的精确的地理位置。 下面再以实例进行说明。首先，在井下摆放无源标签。摆放的密度决定了人员定位的精确程度。出于防冲突和精度的考虑，假定读卡器读取范围是5米，则在井下每5米摆放一个标签，这样可使得读卡器在其读取范围内总是读到一个标签的信息，有效防止冲突。其次，出于数据量和低功耗的角度，考虑发送方式。读卡器可在读到与之前读取的标签信息不同的地理信息时，将其经3G无线模块发送至地面计算机；也可采用定时发送的方式，如主巷道每1分钟发送一次，挖掘面每3分钟发送一次等。最后，井下可加入瓦斯传感器等模块，使得在危险来临的时候，井下工作人员在第一时间获得警告信息，尽快撤离；地面计算机和井下工作人员通过TD-SCDMA可建立短讯通信机制，是地面计算机不仅可控制井下人员读卡器端的读取频率和发射功率，也可以与井下人员进行简短通讯，更好地进行工作现场调度。为防止读取标签时产生的冲突问题，提出的改变射频发射功率来获取唯一 ID信息的方法。从地面计算机发送指令来控制人员终端。如果工人进入ID卡密度不同的巷道时，可以通过改变射频发射功率来获取唯一 ID信息。具体实现方法为读卡器芯片自身含有改变发射功率，调节读取距离的功能。在用无源标签铺设巷道时，则预先对巷道内不同摆放密度的标签ID进行擦写以区分开，如5米间隔的标签ID为5****，三米间隔的标签为 3#**。当终端读到某范围内标签时，CPU则自动对读卡器发出更改发射功率的命令，以达到改变终端读取距离的目的。这样就实现了在不同密度巷道内，终端实时只读唯一标签信息，从而精确定位的方法。基于同一发明构思，本实用新型实施例中还提供了一种定位方法，由于该方法解决问题的原理与定位装置、定位系统及其使用方法相似，因此该方法的实施可以参见定位装置、定位系统及其使用方法的实施，重复之处不再赘述。图7为定位方法实施流程示意图，如图所示，可以包括如下步骤步骤701、采用RFID技术读取地理位置信息；步骤702、通过无线通信网络发送读取的地理位置信息和标识信息；步骤703、在收到地理位置信息和标识信息后，根据地理位置信息和标识信息进行定位。实施中，还可以进一步包括在地理位置信息中包括功率调整标识；根据功率调整标识调整采用RFID技术进行读取时的读取范围。实施中，还可以进一步包括通过无线通信网络调整采用RFID技术进行读取时的读取范围。由上述实施例可见，本实用新型实施例提供的技术方案是一种适用于煤矿井下的无线通信技术与RFID技术结合的精确定位方案，与现有的RFID技术相比，能够达到更精确的人员定位；[0129]进一步的，为防止读取标签时产生的冲突问题而提出的改变射频发射功率来获取唯一 ID信息的方式；可以改善定位冲突和提高定位的精度。显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求1.一种定位装置，其特征在于，包括射频识别RFID读取模块，用于读取无源标签的地理位置信息； 控制单元模块，分别与RFID读取模块、无线数据模块相连，用于通过两模块之间的接口完成RFID读取模块和无线数据模块之间的信令控制和数据交互；无线数据模块，用于通过无线方式发送RFID读取模块读取的地理位置信息和无线数据模块上存储的标识信息。
2.如权利要求1所述的定位装置，其特征在于，控制单元模块进一步用于在读取到地理位置信息后，识别地理位置信息中的功率调整标识，并根据该标识命令RFID读取模块调整发射功率以调整读取范围；RFID读取模块进一步用于根据控制单元模块的命令调整发射功率。
3.如权利要求1所述的定位装置，其特征在于， 无线数据模块进一步用于接收功率调整命令；控制单元模块进一步用于根据功率调整命令命令RFID读取模块调整发射功率以调整读取范围；RFID读取模块进一步用于根据控制单元模块的命令调整发射功率。
4.如权利要求1至3任一所述的定位装置，其特征在于，RFID读取模块与控制单元模块之间通过中断端口、数据端口相连，其中RFID读取模块通过中断端口通知控制单元模块进行下一步操作； 控制单元模块通过数据端口从RFID读取模块读取数据，通过数据端口向RFID读取模块发送操作命令。
5.如权利要求4所述的定位装置，其特征在于，RFID读取模块与控制单元模块之间进一步通过使能端口相连，控制单元模块通过使能端口对RFID读取模块进行使能操作。
6.如权利要求1至3任一所述的定位装置，其特征在于，无线数据模块与控制单元模块之间通过包括TX引脚、RX引脚的串口相连，其中控制单元模块通过TX引脚向无线数据模块发送数据； 控制单元模块通过RX引脚接收从无线数据模块传输来的操作指令。
7.如权利要求6所述的定位装置，其特征在于，无线数据模块与控制单元模块之间进一步通过使能端口相连，控制单元模块通过使能端口对无线数据模块进行使能操作。
8.一种定位系统，其特征在于，包括如权利要求1至7任一所述定位装置，还包括无线通信网络、定位服务器，其中无线通信网络，用于将定位装置发送的地理位置信息和标识信息传输至定位服务器； 定位服务器，用于根据地理位置信息和标识信息确定发送该信息的定位装置所处的位置。
9.如权利要求8所述的定位系统，其特征在于，进一步包括 无源标签，用于供RFID读取模块读取地理位置信息。
10.如权利要求9所述的定位系统，其特征在于，包括无源标签进一步用于供RFID读取模块读取功率调整标识。
11.如权利要求8所述的定位系统，其特征在于，定位服务器进一步用于向无线数据模块发送功率调整命令。
专利摘要本实用新型公开了一种定位装置及系统，包括定位装置采用射频识别技术读取无源标签的地理位置信息；定位装置通过无线通信网络向定位服务器发送地理位置信息和定位装置中存储的标识信息；定位服务器根据地理位置信息和标识信息确定发送该信息的定位装置所处的位置。本实用新型是一种适用于煤矿井下的无线通信技术与射频识别技术结合的精确定位方案，与现有技术相比，能够达到更精确的人员定位。
文档编号G06K7/00GK202025327SQ20112000087
公开日2011年11月2日 申请日期2011年1月4日 优先权日2011年1月4日
发明者彭渝, 王安义 申请人:大唐移动通信设备有限公司
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