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CN107146168A - 基于全域变频定位与自识别技术的智慧工地管理系统 - Google Patents

基于全域变频定位与自识别技术的智慧工地管理系统 Download PDF

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CN107146168A CN201710561859.3A CN201710561859A CN107146168A CN 107146168 A CN107146168 A CN 107146168A CN 201710561859 A CN201710561859 A CN 201710561859A CN 107146168 A CN107146168 A CN 107146168A
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刘国志
冷阳
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Abstract

本发明公开了一种基于全域变频定位与自识别技术的智慧工地管理系统，包括：全域变频定位与自识别子系统、四维施工管理子系统、绿色施工管理子系统、工地巡检子系统，所述全域变频定位与自识别子系统、四维施工管理子系统、绿色施工管理子系统和工地巡检子系统均通过无线传输系统与管理中心进行数据交互；所述无线传输系统包括设置于各子系统终端设备的射频定位通讯单元以及分布在施工现场的若干多频率基站。本发明通过全域变频定位与自识别系统切换不同频段的射频信号来准确定位和识别施工人员和机械设备，并获得其三维空间轨迹，依靠射频通信单元实现数据的高效低能耗传输，适用于大范围野外无网络环境下施工现场的智能化管理。

Description

基于全域变频定位与自识别技术的智慧工地管理系统
技术领域
本发明设计工程管理及电子信息技术领域，具体说涉及一种基于全域变频定位与自识别技术的智慧工地管理系统。
背景技术
智慧工地是指运用信息化手段，通过三维设计平台对工程项目进行精确设计和施工模拟，同时围绕施工过程管理，建立互联协同、智能生产、科学管理的施工项目信息化生态圈，实现工程施工可视化智能管理，以提高工程管理信息化水平和实现绿色建造和生态建造。
现有的工地管理系统在人员和设备的管理、施工进程的管理和环境的监测等方面存在严重的技术缺陷，例如在人员和机械设备定位方面，由于施工队伍和设备流动性大，工人身份难以验证；工人出勤缺乏电子记录，工资核算与支付证据链不清，劳资纠纷频繁发生。目前的定位和识别方法主要依赖于电子标签和GPS定位，由于GPS易受到了遮蔽物的影响而产生较大的定位偏差，由此得到的定位难以用于构建准确的建筑信息模型；而应用RFID、蓝牙或wifi进行室内定位，由于定位距离短，难以应用于大范围的施工环境的人员与设备管理。另外，数据的传输依赖于手机基站或网络系统，在偏远山区或信号盲区难以实现实时有效的信息传输。由此看来，缺乏实时有效的人员与设备定位措施是制约目前智慧工地管理的瓶颈问题。例如中国专利CN201510628958和CN201610173074设计的智慧化工地管理系统中缺失关于施工人员和机械设备的定位信息和状态监测信息，难以实施进度的三维信息重构；中国专利CN201220675601智慧工地管理系统中虽然引入了车辆GPS定位系统，但缺少人员定位和状态信息的监测功能，难以实现人员考勤与施工过程的实时管理；中国专利CN201310324645一种工地数字化管理系统及其应用方法中对于人员或设备的定位采用了RFID无线射频技术，并借助手持式RFID读头来获取相关的人员或设备信息。由于该系统的探测范围非常小，无法实现较大的施工现场的管理，另外需要进行手持式RFID读头来巡回读取，成本较高且无法获得人员的健康状态；专利CN201710032035.7引入GPS和传感器模块来实现定位和状态感知功能，但仅能局限于室外有GPS信号的区域，难以实现遮挡区域的定位信息；中国专利CN201611254619.0引入记录人员信息的RFID铭牌和室内读写器来定位和识别医院病房内的人员，但该方案仅能用于室内定位；中国专利CN201420497173.4采用基于BIM的RFID工地人员自动定位系统装置来实现施工建筑内的定位，但难以实现大范围的准确定位。
综上所述，大范围复杂环境下工地施工人员与设备的有效监控是实现智慧工地的重要途径。但现有技术中并没有行之有效的方案来解决人员与设备的准确定位和状态监测问题。
发明内容
鉴于已有技术存在的不足，本发明的目的是要提供一种能够实现大范围复杂环境下工地施工人员与机械设备的准确定位和状态监测的工地管理系统。
为了实现上述目的，本发明技术方案如下：
一种基于全域变频定位与自识别技术的智慧工地管理系统，其特征在于，系统包括：
全域变频定位与自识别子系统，通过施工人员佩戴的可穿戴设备以及机械设备的内嵌设备获取施工人员以及机械设备的信息数据；
四维施工管理子系统，对工程进度数据、由分布在施工现场的各摄像头获取的实时监控数据、以及各施工人员及机械设备的三维位置数据进行分析和显示；
绿色施工管理子系统，通过分布在施工现场的环境传感器获取环境信息数据，并进行分析和显示；
工地巡检子系统，利用施工人员及机械设备的三维位置数据进行实时导航；
所述全域变频定位与自识别子系统、四维施工管理子系统、绿色施工管理子系统和工地巡检子系统均通过无线传输系统与管理中心进行数据交互；
所述无线传输系统包括设置于各子系统终端设备的射频定位通讯单元以及分布在施工现场的若干多频率基站。
进一步的，所述射频定位通讯单元包括天线、多频收发模块、UWB模块、频率自适应模块以及与所在子系统功能相适应的功能模块；任意所述射频定位通讯单元至少与三个基站建立通信。
进一步的，所述多频收发模块的频率范围为315～915MHz。
进一步的，所述多频率基站包括315MHz基站、433MHz基站、866MHz基站、915MHz基站以及UWB基站。
进一步的，所述全域变频定位与自识别子系统包括人员定位、轨迹和考勤单元、工地设备监测单元和人员健康监测单元；所述人员定位、轨迹和考勤单元根据施工人员佩戴的可穿戴设备获取指定人员的位置和轨迹信息；所述工地设备监测单元机械设备的内嵌设备获取指定设备的位置及运行状态信息；所述人员健康监测单元根据施工人员佩戴的可穿戴设备获取指定人员的健康状态信息。
进一步的，所述全域变频定位与自识别子系统包括至少一个设立在施工现场的门禁系统，对进入现场的施工人员发放可穿戴设备，并对施工人员的身份信息与可穿戴设备进行绑定后录入管理中心数据库；所述可穿戴设备搭载射频定位通讯单元、心率传感器，加速度传感器和温湿度传感器。
进一步的，所述四维施工管理子系统包括进度与任务提醒单元、物料与运输管理单元；所述四维施工管理子系统将工程进度信息、视频图像信息、三维位置信息经无线传输系统发送至管理中心进行存储并以可视化方式显示施工现场数据。
进一步的，所述绿色施工管理子系统包括环境传感器、信息处理模块，所述环境传感器采集环境信息并送至信息处理模块进行快速处理，并通过无线传输系统发送至管理中心。
进一步的，所述的工地巡检子系统包括三维引路单元、二维码指示单元和设备自识别单元，所述三维引路单元包括工地地理信息模型。
进一步的，所述管理中心还包括智能巡查系统，对所述全域变频定位与自识别子系统、四维施工管理子系统、绿色施工管理子系统和工地巡检子系统各自相应的终端设备异常信息进行报警处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明通过全域变频定位与自识别子系统切换不同频段的射频信号来准确定位和识别施工人员和设备，并获得其三维空间轨迹，并借助先进的传感器技术检测人员的健康状态和设备安全状态，无需手机基站或网络通信系统，仅依靠自身的射频通信模块实现数据的高效低能耗传输；并进一步融合了实现人员与设备的定位和考勤、四维施工管理、绿色施工和工地巡检等功能，有效避免了现有技术中普遍存在的数据传输依赖于手机基站、室内定位不准、三维位置信息残缺、定位范围受限和无轨迹信息等问题，适用于大范围野外无网络环境下施工现场的智能化管理。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明智慧工地管理系统机构框图；
图2为本发明无线传输系统结构示意图；
图3为本发明可穿戴设备电路连接图；
图4为本发明多频率基站电路连接图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明设计了一种无需手机基站或网络通信系统，仅依靠自身的射频通信模块实现数据的高效低能耗传输的智慧工地管理系统。
下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明的技术方案：
如图1所示为一种基于全域变频定位与自识别技术的智慧工地管理系统的结构图，其特征在于，系统包括：
全域变频定位与自识别子系统，通过施工人员佩戴的可穿戴设备以及机械设备的内嵌设备获取施工人员以及机械设备的信息数据。进一步的，所述全域变频定位与自识别子系统包括人员定位、轨迹和考勤单元、工地设备监测单元和人员健康监测单元；所述人员定位、轨迹和考勤单元根据施工人员佩戴的可穿戴设备获取指定人员的位置和轨迹信息；所述工地设备监测单元机械设备的内嵌设备获取指定设备的位置及运行状态信息；所述人员健康监测单元根据施工人员佩戴的可穿戴设备获取指定人员的健康状态信息。进一步的，所述全域变频定位与自识别子系统包括至少一个设立在施工现场的门禁系统，对进入现场的施工人员发放可穿戴设备，并对施工人员的身份信息与可穿戴设备进行绑定后录入管理中心数据库；所述可穿戴设备搭载射频定位通讯单元、心率传感器，加速度传感器和温湿度传感器等。作为本发明的优选，所述可穿戴设备可以选用头盔、手环等，其至少由电源管理模块、433MHZ无线射频模块CC1310组成。电源管理模块为锂电池供电的3.3V电源系统负责整体电源系统的监管、锂电池充电、可穿戴设备复位等；可穿戴设备由CC1310无线433MHZ射频模块进行数据发送及接收，数据经过射频滤波通过外置天线将数据发送与其通讯的终端设备进行无线数据交互，接收数据同理。CC1310由丰富的接口监控整体可穿戴设备的工作状态及电量检测等。如图3所示为本发明可穿戴设备电路连接示意图。
四维施工管理子系统，对工程进度数据、由分布在施工现场的各摄像头获取的实时监控数据、以及各施工人员及机械设备的三维位置数据进行分析和显示。进一步的，所述四维施工管理子系统包括进度与任务提醒单元、物料与运输管理单元；所述四维施工管理子系统将工程进度信息、视频图像信息、三维位置信息经无线传输系统发送至管理中心进行存储并以可视化方式显示施工现场数据。
绿色施工管理子系统，通过分布在施工现场的环境传感器获取环境信息数据，并进行分析和显示。进一步的，所述绿色施工管理子系统包括环境传感器、信息处理模块，所述环境传感器采集环境信息并送至信息处理模块进行快速处理，并通过无线传输系统发送至管理中心。
工地巡检子系统，利用施工人员及机械设备的三维位置数据进行实时导航。进一步的，所述的工地巡检子系统包括三维引路单元、二维码指示单元和设备自识别单元，所述三维引路单元包括工地地理信息模型。
所述全域变频定位与自识别子系统、四维施工管理子系统、绿色施工管理子系统和工地巡检子系统均通过无线传输系统与管理中心进行数据交互。
所述无线传输系统包括设置于各子系统终端设备的射频定位通讯单元以及分布在施工现场的若干多频率基站。进一步的，所述射频定位通讯单元包括天线、多频收发模块、UWB模块、频率自适应模块以及与所在子系统功能相适应的功能模块；任意所述射频定位通讯单元至少与三个基站建立通信。进一步的，所述多频收发模块的频率范围为315～915MHz。作为本发明的优选，多频基站由STM32主控芯片、433MHZ无线射频芯片CC1310、USR-TCP232网口模块三部分连接组成，由5V电源适配器或锂电池供电，对外提供串口、GPIO等接口。多频基站主控STM32模块通过与CC1310模块通讯进行数据交互(采集、发送数据)，数据射频滤波通过外置天线将数据发送与其通讯的终端设备进行无线数据交互，采集数据同理。STM32将采集的数据通过网口有线传输与上位机服务器进行数据交互。多频基站的主控STM32由丰富的接口监控整个终端设备的运行状态。如图4所示为本发明多频率基站电路连接图示意图。
进一步的，所述多频率基站包括315MHz基站、433MHz基站、866MHz基站、915MHz基站以及UWB基站。本发明中在使用时，也可根据使用领域的不同，使功能模块连接不同的信息采集装置，由频率自适应模块识别可用的通讯频率，并以该频率向外发送数据，例如发送信息前，频率自适应模块识别出315MHz为可用频率，则多频收发模块即以该频率向外发送信息。该射频定位通讯单元附近的至少三个多频率基站经315MHz基站接收，并经相应的天线转发至管理中心，进行进一步的存储、分析和显示。
进一步的，所述管理中心还包括智能巡查系统，对所述全域变频定位与自识别子系统、四维施工管理子系统、绿色施工管理子系统和工地巡检子系统各自相应的终端设备异常信息进行报警处理。
本发明引入一种全域变频定位与自识别技术，无需GPS、wifi或蓝牙定位技术，通过全新的全域变频定位与自识别系统切换不同频段的射频信号(315MHz-915MHz，UWB)来准确定位和识别施工人员和设备，并获得其三维空间轨迹，并借助先进的传感器技术检测人员的健康状态和设备安全状态，无需手机基站或网络通信系统，仅依靠自身的射频通信模块实现数据的高效低能耗传输。同时依托该技术实现人员与设备的定位和考勤、四维施工管理系统、绿色施工和工地巡检等功能，有效避免了现有的智慧工地系统普遍存在的数据传输依赖于手机基站、室内定位不准、三维位置信息残缺、定位范围受限和无轨迹信息等问题，适用于大范围野外无网络环境下施工现场的智能化管理。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于全域变频定位与自识别技术的智慧工地管理系统，其特征在于，系统包括：
全域变频定位与自识别子系统，通过施工人员佩戴的可穿戴设备以及机械设备的内嵌设备获取施工人员以及机械设备的信息数据；
四维施工管理子系统，对工程进度数据、由分布在施工现场的各摄像头获取的实时监控数据、以及各施工人员及机械设备的三维位置数据进行分析和显示；
绿色施工管理子系统，通过分布在施工现场的环境传感器获取环境信息数据，并进行分析和显示；
工地巡检子系统，利用施工人员及机械设备的三维位置数据进行实时导航；
所述全域变频定位与自识别子系统、四维施工管理子系统、绿色施工管理子系统和工地巡检子系统均通过无线传输系统与管理中心进行数据交互；
所述无线传输系统包括设置于各子系统终端设备的射频定位通讯单元以及分布在施工现场的若干多频率基站。
2.根据权利要求1所述的智慧工地管理系统，其特征在于，所述射频定位通讯单元包括天线、多频收发模块、UWB模块、频率自适应模块以及与所在子系统功能相适应的功能模块；
任意所述射频定位通讯单元至少与三个基站建立通信。
3.根据权利要求2所述的智慧工地管理系统，其特征在于，所述多频收发模块的频率范围为315～915MHz。
4.根据权利要求3所述的智慧工地管理系统，其特征在于，所述多频率基站包括315MHz基站、433MHz基站、866MHz基站、915MHz基站以及UWB基站。
5.根据权利要求1所述的智慧工地管理系统，其特征在于，所述全域变频定位与自识别子系统包括人员定位、轨迹和考勤单元、工地设备监测单元和人员健康监测单元；
所述人员定位、轨迹和考勤单元根据施工人员佩戴的可穿戴设备获取指定人员的位置和轨迹信息；所述工地设备监测单元机械设备的内嵌设备获取指定设备的位置及运行状态信息；所述人员健康监测单元根据施工人员佩戴的可穿戴设备获取指定人员的健康状态信息。
6.根据权利要求5所述的智慧工地管理系统，其特征在于，所述全域变频定位与自识别子系统包括至少一个设立在施工现场的门禁系统，对进入现场的施工人员发放可穿戴设备，并对施工人员的身份信息与可穿戴设备进行绑定后录入管理中心数据库；所述可穿戴设备搭载射频定位通讯单元、心率传感器，加速度传感器和温湿度传感器。
7.根据权利要求1所述的智慧工地管理系统，其特征在于，所述四维施工管理子系统包括进度与任务提醒单元、物料与运输管理单元；所述四维施工管理子系统将工程进度信息、视频图像信息、三维位置信息经无线传输系统发送至管理中心进行存储并以可视化方式显示施工现场数据。
8.根据权利要求1所述的智慧工地管理系统，其特征在于，所述绿色施工管理子系统包括环境传感器、信息处理模块，所述环境传感器采集环境信息并送至信息处理模块进行快速处理，并通过无线传输系统发送至管理中心。
9.根据权利要求1所述的智慧工地管理系统，其特征在于，所述的工地巡检子系统包括三维引路单元、二维码指示单元和设备自识别单元，所述三维引路单元包括工地地理信息模型。
10.根据权利要求1所述的智慧工地管理系统，其特征在于，所述管理中心还包括智能巡查系统，对所述全域变频定位与自识别子系统、四维施工管理子系统、绿色施工管理子系统和工地巡检子系统各自相应的终端设备异常信息进行报警处理。
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