基于UWB、蓝牙及GNSS的室内外定位工牌的制作方法

基于uwb、蓝牙及gnss的室内外定位工牌
技术领域
1.本实用新型属于室内外定位技术领域，尤其是涉及一种基于uwb、蓝牙及gnss的室内外定位工牌。


背景技术：

2.基于uwb技术的无线定位系统，一般由定位标签、定位基站及解算软件构成，有tdoa、tof、aoa等多种定位方法。优点是定位精度高，可达分米级，缺点一方面是产业链仍不成熟，设备成本高；另一方面是基站布设复杂，施工成本高。
3.基于蓝牙技术的室内定位系统有多种架构方案，有蓝牙终端测量定位架构、蓝牙网络测量定位架构、蓝牙aoa定位架构等方案，各有优劣。其中蓝牙网络测量定位架构和蓝牙aoa定位架构都需要布设有线基站，布设密度为十米量级，施工成本不低；蓝牙终端测量定位架构下由蓝牙广播信标发送蓝牙信号，定位终端收到后进行信号测量并回传至服务器，蓝牙广播信标功耗极低，使用电池供电可工作5到10年，通过粘贴或安装即可布置，无需布线，该方案优点为施工成本低，缺点为定位精度不高，不同蓝牙广播信标布设密度下为2到5米。
4.基于gnss的室外卫星定位系统发展成熟，国外有gps、glonass、qzss等系统，我国有北斗卫星定位系统，且gnss模块集成度高、价格低廉、应用广泛。
5.nb-iot构建于蜂窝网络，是万物互联网络的一个重要分支，功耗低、覆盖范围广、资费低廉，没有基站布设成本，尤其适用于低数据量网络传输。
6.当前定位行业室内定位和室外定位融合度低，往往uwb厂家只做uwb定位产品、蓝牙厂家只做蓝牙定位产品、gnss厂家只做gnss定位产品，在复杂场景下无法很好满足客户的定位需求，很难达到定位效果和实施成本的平衡。


技术实现要素：

7.本实用新型要解决的技术问题是提供一种基于uwb、蓝牙及gnss的室内外定位工牌，能有效解决大范围复杂场景下人员定位管理的需求，实现复杂厂区的人员室内外一体化定位需求。
8.为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是，该基于uwb、蓝牙及gnss的室内外定位工牌，包括外部结构件和内部组装件，所述外部结构件包括上壳和下壳；所述内部组装件位于所述上壳和所述下壳围成的空腔内，所述内部组装件包括有电路主板，所述电路主板上设置有处理器、gnss模块、nb-iot模块、sim卡电路、uwb模块和蓝牙模块；
9.其中，所述gnss模块用于接收卫星信号获取卫星定位坐标实现室外卫星定位，所述uwb模块用于发射uwb定位信号实现室内精定位；所述sim卡电路连接到所述nb-iot模块，用于插入sim卡供所述nb-iot模块联网使用；所述nb-iot模块将所述蓝牙模块接收到的蓝牙信标广播数据和所述gnss模块获取到的卫星定位坐标向外发送；
10.所述gnss模块、所述uwb模块和所述nb-iot模块均由所述处理器控制。
11.上壳和下壳可以通过超声焊结合；采用上述技术方案的基于uwb、蓝牙及gnss的室内外定位工牌，结合了uwb、蓝牙、gnss三种定位系统的长处，降低了复杂场景人员定位方案的实现成本；在室内高危或位置敏感区域，可通过uwb模块进行高精度室内定位；在室内对定位精度要求不高的区域，可通过蓝牙模块测量定位网络，降低区域施工成本；在室外大面积露天区域，可使用gnss模块定位，无需布设uwb或蓝牙，综上实现复杂厂区的人员室内外一体化定位需求。
12.需要说明的是：所述nb-iot模块将所述蓝牙模块接收到的蓝牙信标广播数据和所述gnss模块获取到的卫星定位坐标向外发送至云端服务器后台，通过云端服务器后台处理数据信息；nb-iot模块支持中国移动、中国电信、中国联通的nb-iot网络。
13.优选的，所述内部组装件还包括有sos按键帽、功能按键帽、防水透声膜、屏幕缓冲泡棉、led遮光泡棉、rfid线圈、电池和充电转接板；所述电路主板上设置有墨水屏，所述屏幕缓冲泡棉安装在墨水屏和电路主板之间；所述led遮光泡棉安装在所述电路主板和所述上壳之间。
14.定位工牌内部设置有墨水屏，为黑白红三色屏，当显示报警信息时，以红色图标进行醒目提醒；墨水屏的优点在于低功耗和断电后显示内容不消失，当屏幕显示内容不刷新时，可以完全断开墨水屏电源，降低定位工牌功耗；在墨水屏和电路主板之间设置有缓冲泡棉，进一步增强墨水屏抗外力的能力。
15.再者，sos按键帽和功能按键帽为软硅胶材质，通过胶水和上壳粘接；发声孔内部贴有防水透声膜；可以达到较高的防水等级，雨天或非常潮湿的环境下也可正常工作。
16.rfid线圈集成了125khz和13.56hz两个频段的感应线圈和芯片，适用于125khz和13.56mhz两类rfid读卡器；所述rfid线圈集成了吸波材料，用于提高rfid读卡有效距离；rfid线圈的集成使定位工牌可实现门禁刷卡、支付等常规rfid卡片功能，有利于系统集成。
17.优选的，所述外部结构件还包括有屏保镜片；所述上壳设置有挂绳孔、屏保镜片安装处、sos按键帽安装处、功能按键帽安装处、防水透声膜安装处、电池仓、充电转接板安装处、电路主板安装处和磁吸充电接口。
18.充电方式使用磁吸接口充电，一方面可以防水，另一方面使定位工牌从批量充电桩上拿取更加方便；定位工牌的上壳设置有挂绳孔，使工牌可不使用工牌套而直接使用挂绳连接，使用更加简洁；磁吸充电接口的磁铁内置同时充电触点直接注塑在上壳内；屏保镜片通过防水双面胶粘接在上壳，保护墨水屏不受外力直接撞击。
19.优选的，所述电路主板上还设置有电源管理电路、电压检测电路、三轴加速度传感器、字库、sos按键、功能按键、蜂鸣器、振动马达和三色led指示灯；所述下壳设置有rfid线圈安装处和振动马达安装处。
20.电路主板上设置有三轴加速度传感器，用于检测定位工牌运动状态，当检测到的加速度值小于设定阈值并持续一定时间后，处理器判断当前工牌为静止状态，并控制降低当前定位频率，以实现在不影响定位效果的前提下降低定位工牌功耗。
21.电路主板上设置有红绿蓝三色led指示灯，当定位工牌电池电量过低时，红灯闪烁；当充电过程中电池未充满时红灯常亮；当充电过程中电池已充满后绿灯常亮；当正常工作是蓝灯长周期闪烁。
22.集成了蜂鸣器、振动马达，同时墨水屏有红色显示功能，增强了被动提醒效果，使
佩戴者进入危险区域时可以及时得到通知；sos主动报警功能，使用户可以及时向后台报警，提高警情处理速度。
23.优选的，所述电源管理电路包括充电管理电路、电源路径管理电路、系统主电源电路、蜂鸣器和振动马达受控电源电路、uwb受控电源电路、蓝牙受控电源电路、gnss受控电源电路和nb-iot受控电源电路；所述电压检测电路由所述处理器控制，用于检测电池电压，显示和上传电量状态。
24.电路主板上设置的充电管理电路、电源路径管理电路、系统主电源电路、蜂鸣器和振动马达受控电源电路、uwb受控电源电路、蓝牙受控电源电路、gnss受控电源电路、nb-iot受控电源电路，用于在不同工作条件下开启或关闭部分模块电源，降低功耗，延长产品续航时间。
25.优选的，所述sos按键和所述功能按键的按键操作由所述处理器进行检测，并根据按键操作检测结果执行不同动作；所述三轴加速度传感器连接到所述处理器，用于识别运动状态。
26.优选的，所述字库为中英文字库，连接到所述处理器，用于获取字符点阵数据；所述墨水屏为黑白红三色墨水屏，连接到所述处理器，用于显示交互信息；所述蜂鸣器、所述振动马达和所述三色led指示灯均连接到处理器，由处理器驱动。
27.优选的，所述充电转接板将所述磁吸充电接口连接到所述电路主板上的充电管理电路。
28.优选的，所述gnss模块接收的卫星信号来自于北斗卫星定位系统和/或gps卫星定位系统和/或glonass卫星定位系统和/或qzss卫星定位系统，且支持agnss功能。
29.与现有技术相比，本实用新型的基于uwb、蓝牙及gnss的室内外定位工牌，gnss模块支持北斗、gps、glonass、qzss四种卫星定位系统，既支持多卫星系统联合定位，又支持单系统独立定位，同时gnss模块还支持agnss功能；具备信息接收及简单回复功能，实现了服务器后台和现场人员的简单通信，一定程度降低了管理成本；设计的电源管理系统对各功能模块可实现独立功耗控制，结合三轴加速度传感器进行运动状态检测，延长了定位工牌续航时间，减少了充电次数，降低了管理维护成本；定位工牌的上壳还可以喷涂并过uv，使外表面更加光亮，同时更加耐磨。
附图说明
30.下面结合附图和本实用新型的实施方式进一步详细说明：
31.图1为本实用新型的基于uwb、蓝牙及gnss的室内外定位工牌的整体示意图；
32.图2为图1的正面结构示意图；
33.图3为图1的侧面结构示意图；
34.图4为图1的底部充电结构示意图；
35.图5为图1的基于uwb、蓝牙及gnss的室内外定位工牌分解示意图；
36.图6为本实用新型的基于uwb、蓝牙及gnss的室内外定位工牌的电源管理结构示意图；
37.图7为本实用新型的基于uwb、蓝牙及gnss的室内外定位工牌的电路主板结构示意图；
38.其中：1-上壳，2-下壳，3-挂绳孔，4-sos按键帽，5-功能按键帽，6-发声孔，7-屏保镜片，8-磁吸充电接口，9-墨水屏，10-充电转接板，11-振动马达，12-蜂鸣器，13-电路主板，14-电池，15-rfid线圈，16-充电管理电路，17-电压检测电路，18-电源路径管理电路，19-系统主电源电路，20-蜂鸣器和振动马达受控电源电路，21-uwb受控电源电路，22-蓝牙受控电源电路，23-gnss受控电源电路，24-nb-iot受控电源电路，25-三轴加速度传感器，26-字库，27-处理器，28-uwb模块，29-uwb天线，30-蓝牙模块，31-蓝牙天线，32-gnss模块，33-gnss天线，34-nb-iot模块，35-nb-iot天线，36-sim卡电路，37-三色led指示灯。
具体实施方式
39.本实施例的基于uwb、蓝牙及gnss的室内外定位工牌，包括外部结构件和内部组装件，所述外部结构件包括上壳1和下壳2；所述内部组装件位于所述上壳1和所述下壳2围成的空腔内，所述内部组装件包括有电路主板13，所述电路主板13上设置有处理器27、gnss模块32、nb-iot模块34、sim卡电路36、uwb模块28和蓝牙模块30；
40.其中，所述gnss模块32用于接收卫星信号获取卫星定位坐标实现室外卫星定位，所述uwb模块28用于发射uwb定位信号实现室内精定位；所述sim卡电路36连接到所述nb-iot模块34，用于插入sim卡供所述nb-iot模块34联网使用；所述nb-iot模块34及nb-iot天线35将所述蓝牙模块30及蓝牙天线31接收到的蓝牙信标广播数据和所述gnss模块32及gnss天线33获取到的卫星定位坐标向外发送给云端服务器后台；
41.所述gnss模块32、所述uwb模块28和所述nb-iot模块34均由所述处理器27控制。
42.内部组装件还包括有sos按键帽4、功能按键帽5、防水透声膜、屏幕缓冲泡棉、led遮光泡棉、rfid线圈15、电池14和充电转接板10；所述电路主板13上设置有墨水屏9，所述屏幕缓冲泡棉安装在墨水屏9和电路主板13之间；所述led遮光泡棉安装在所述电路主板13和所述上壳1之间；防水透声膜贴在发声孔6内部。
43.外部结构件还包括有屏保镜片7；所述上壳1设置有挂绳孔3、屏保镜片安装处、sos按键帽安装处、功能按键帽安装处、防水透声膜安装处、电池仓(用于安装电池14)、充电转接板安装处、电路主板安装处和磁吸充电接口8。
44.如图7所示，电路主板13上还设置有电源管理电路、电压检测电路17、三轴加速度传感器25、字库、sos按键、功能按键、蜂鸣器12、振动马达11和三色led指示灯37；所述下壳2设置有rfid线圈安装处和振动马达安装处；sos按键和功能按键的按键操作由所述处理器27进行检测，并根据按键操作检测结果执行不同动作；所述三轴加速度传感器25连接到所述处理器27，用于识别运动状态。
45.所述字库为中英文字库，连接到所述处理器27，用于获取字符点阵数据；所述墨水屏9为黑白红三色墨水屏，连接到所述处理器27，用于显示交互信息；所述蜂鸣器12、所述振动马达11和所述三色led指示灯37均连接到处理器27，由处理器27驱动。
46.如图6所示，电源管理电路包括充电管理电路16、电源路径管理电路18、系统主电源电路19、蜂鸣器和振动马达受控电源电路20、uwb受控电源电路21、蓝牙受控电源电路22、gnss受控电源电路23和nb-iot受控电源电路24；所述电压检测电路17由所述处理器27控制，用于检测电池14电压，显示和上传电量状态。
47.充电转接板10将所述磁吸充电接口8连接到所述电路主板13上的充电管理电路
16。
48.所述gnss模块32接收的卫星信号来自于北斗卫星定位系统和/或gps卫星定位系统和/或glonass卫星定位系统和/或qzss卫星定位系统，且支持agnss功能。
49.本实施例的基于uwb、蓝牙及gnss的室内外定位工牌在电量超过设定阈值时自动开机，正常工作时三色led指示灯37蓝灯长周期闪烁。用户无法手动关机，需通过配置工具进行配置才能关机，以便长时间不使用时进行存储。长按功能按键帽5超过3秒定位工牌进入配置模式，三色led指示灯37变为蓝色常亮，同时处理器27控制蓝牙模块30与配置工具进行连接，若超过60秒未连接成功，自动退出配置模式返回原工作状态，或短按功能按键帽5主动退出配置模式，返回原工作状态。
50.可通过磁吸充电线连接定位工牌的底部的磁吸充电接口8进行充电，磁吸充电接口8通过充电转接板10连接到电路主板13的充电管理电路16，电池14通过连接器连接到电路主板13的充电管理电路16，处理器27对电池14充电状态进行控制，并通过电压检测电路17对电池14电压进行检测。处理器27通过充电管理电路16获取充电状态后将充电状态和电池14电量显示在墨水屏9上，并控制三色led指示灯37状态，当充电过程中电池14未充满时红灯常亮；当充电过程中电池14已充满后绿灯常亮。电池14集成有ntc测温电阻，当电池14温度过高时，处理器27控制充电管理电路16停止充电进行保护。
51.本实施例的定位工牌上电工作后，uwb模块28和蓝牙模块30由处理器27控制定时开启接收模式检测环境中是否存在uwb定位基站或蓝牙广播信标的信号，初次开启周期为处理器27程序内置周期值，可通过进入配置模式由配置工具修改，也可通过云端服务器后台预设。每次检测后，根据检测结果进入以下四种状态之一，状态1：当检测到uwb基站和蓝牙广播信标的信号时，处理器27控制gnss模块32和nb-iot模块34关闭，蓝牙模块30接收到的蓝牙广播信标信息通过uwb模块28发送给uwb定位基站，再由uwb定位基站通过其网络发送给云端服务器后台，同时uwb模块28发送uwb定位帧，uwb定位基站接收后通过其网络发送给服务器解算位置信息。状态2：当只检测到uwb信号时，处理器27控制关闭蓝牙模块30、gnss模块32和nb-iot模块34，uwb模块28发送uwb定位帧，uwb定位基站接收后通过其网络发送给服务器解算位置信息。状态3：当只检测到蓝牙信号时，处理器27控制uwb模块28和gnss模块32，蓝牙模块30接收到的蓝牙广播信标信息通过nb-iot模块34发送至云端服务器。状态4：当检测不到uwb定位基站或蓝牙广播信标的信号时，处理器控制uwb模块和蓝牙模块关闭，控制gnss模块打开，进行卫星定位，并将定位结果通过nb-iot模块34发送给云端服务器后台。
52.在上述4种状态的任一状态下，当用户长按sos按键帽超过3秒时，处理器27控制uwb模块28和nb-iot模块34打开，同时向云端服务器后台各发送求救数据，用于用户主动sos报警。在上述状态4种状态的任一状态下，处理器27定时开启nb-iot模块34向云端服务器后台发送命令拉取服务器消息，拉取消息频率可根据业务需要在服务器端对定位工牌进行参数设置，当定位工牌从服务器拉取消息时获取新的设置并更新自身工作状态。定位工牌从服务器拉取的消息有3类，一是墨水屏9主页面显示信息，可以为纯文本、二维码或条形码；二是电子围栏告警信息，收到此类信息后处理器27控制墨水屏9用黑色文本显示告警内容，同时显示红色告警图标，同时处理器27控制蜂鸣器12发出报警声，并控制振动马达11振动，当佩戴人员脱离电子围栏或主动长按功能按键帽5时报警解除；三是短消息，当定位工
牌收到短消息时，处理器27控制墨水屏9以黑色文本显示该短消息，若短消息字数过多，将分页显示，此时通过短按功能按键帽5可滚动翻页，通过短按sos按键帽4可退出短消息界面。
53.定位工牌的rfid线圈15集成了125khz和13.56hz两个频段的感应线圈和芯片，适用于125khz和13.56mhz两类rfid读卡器，支持市面上大部分门禁和刷卡支付系统对其进行写卡和读卡操作。
54.以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。