專利名稱：一種無線多媒體傳感網(wǎng)定位裝置、方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線網(wǎng)絡(luò)定位領(lǐng)域，具體地講，涉及一種無線多媒體傳感網(wǎng)定位裝置、方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
無線傳感網(wǎng)(WSN)中沒有位置信息的傳感器數(shù)據(jù)是沒有意義的，同時傳感器節(jié)點自身位置的確定也是WSN眾多研究和應用的基礎(chǔ)。近幾年隨著以WSN和移動互聯(lián)網(wǎng)為核心技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)興起，能夠提供更豐富直觀內(nèi)容的無線多媒體傳感網(wǎng)(WMSN)引起了科學界和工程界的廣泛關(guān)注，WMSN在健康監(jiān)護、區(qū)域監(jiān)測巡檢、應急通訊等領(lǐng)域有著廣闊的應用前景，這些獨特的應用對實時目標定位和跟蹤的需求更加迫切并對定位精度提出了更高的要求:希望在幾百平米到數(shù)萬平米的區(qū)域內(nèi)達到5米，甚至1-2米的精度。同時為了不影響正常數(shù)據(jù)通信，定位方法還應滿足低復雜度和低網(wǎng)絡(luò)開銷的要求。為了達到較高的定位精度須采用基于測距的定位方法，雖然超寬帶(UWB)和801.15.4a啁啾擴頻(CSS)等基于時間的定位方法具有很高的定位精度，但是這些方法需要單獨的測距過程，網(wǎng)絡(luò)開銷較大；基于接收信號強度(RSSI)的定位方法無須額外硬件和測量過程，但是由于無線信號強度在大尺度條件下受多徑效應和非視距傳播影響較大，為了達到高定位精度需要較多的錨節(jié)點并對信號傳播模型進行修正，此外外部環(huán)境和射頻信號的變化都會對定位精度產(chǎn)生顯著影響；基于到達角度(AOA)的定位方法具有較高的定位精度，同時對節(jié)點發(fā)射功率的一致性要求不高，早期的研究如APS系統(tǒng)采用超聲波束測量相對角度，最新的研究則包括利用射頻技術(shù)進行角度測量:如將多節(jié)點組成天線陣列通過無線電干涉測量相位差進行定位。另外在室內(nèi)定位技術(shù)研究領(lǐng)域，NOKIA研究中心的科學家提出了一種基于藍牙4.0標準的定位方案，該方案通過錨節(jié)點內(nèi)置的可切換天線陣列測量無線信號的到達角度完成移動設(shè)備定位，預期定位精度最高可以達到0.3米。但是受藍牙協(xié)議的限制和天線切換的影響該方案不能應用于WMSN實時定位。·

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種無線多媒體傳感網(wǎng)定位裝置、方法及系統(tǒng)，在接收數(shù)據(jù)的同時完成節(jié)點定位，無額外的網(wǎng)絡(luò)開銷，不影響無線通信。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)發(fā)明目的:一種無線多媒體傳感網(wǎng)定位裝置，其特征是:包括一組天線，組成天線陣列，所述每組天線都連接低噪聲放大器，所述低噪聲放大器連接功分器，所述功分器連接檢波器，所有的所述功分器都還連接到一合路器，所述合路器輸出接口連接射頻開關(guān)一的公共端口，所述射頻開關(guān)一的兩路輸入端口分別連接微帶線和射頻功率放大器，所述微帶線和射頻功率放大器還都連接射頻開關(guān)二，所述射頻開關(guān)二公共端口連接無線收發(fā)芯片，所述低噪聲放大器、檢波器、射頻開關(guān)一、射頻開關(guān)二、射頻功率放大器和無線收發(fā)芯片都連接到微處理器。
作為對本技術(shù)方案的進一步限定，所述每個低噪聲放大器的兩端并接有旁路開關(guān)。作為對本技術(shù)方案的進一步限定，所述微處理器選用高性能低功耗的混合信號處理器，所述微處理器的I/o輸出端口分別連接所述低噪聲放大器、檢波器、射頻開關(guān)一、射頻開關(guān)二、射頻功率放大器的控制引腳，所述無線收發(fā)芯片的GPIO端口連接所述微處理器的具有輸入中斷功能的端口。作為對本技術(shù)方案的進一步限定，所述天線為定向天線，每個定向天線的主瓣寬度和增益相等。一種無線多媒體傳感網(wǎng)定位方法，其特征是:包括如下步驟:1)通過理論計算或者預測量方法獲得天線陣列的方向性數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)存儲到微處理器上；(2)微處理器將無線收發(fā)芯片設(shè)置為接收狀態(tài)，微處理器控制射頻功率放大器關(guān)閉，低噪聲放大器開啟，檢波器開啟，射頻開關(guān)一和射頻開關(guān)二連通微帶線，無線收發(fā)芯片探測是否接收到有效的無線數(shù)據(jù)，當探測到有效的無線數(shù)據(jù)時，無線收發(fā)芯片通知微處理器，微處理器開啟模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進行數(shù)據(jù)采集，在無線數(shù)據(jù)接收完畢前微處理器多次采集并存儲采樣數(shù)據(jù)；

(3)無線數(shù)據(jù)接收完畢后微處理器啟動定位模塊，將多次測量的采樣數(shù)據(jù)進行分析處理得到各天線的信號強度，通過比較各天線信號強度并利用已有的方向性數(shù)據(jù)判斷信號源方向，再通過信號源方向上的信號強度計算距離確定未知節(jié)點位置；(4)當微處理器向外發(fā)送數(shù)據(jù)時，微處理器控制射頻功率放大器開啟，低噪聲放大器設(shè)置為旁路狀態(tài)，檢波器關(guān)閉，射頻開關(guān)一和射頻開關(guān)二連通射頻功率放大器，無線收發(fā)芯片處于發(fā)送狀態(tài)，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，切換到接收狀態(tài)或者空閑狀態(tài)，轉(zhuǎn)到空閑狀態(tài)時，微處理器控制射頻功率放大器關(guān)閉，低噪聲放大器通過旁路開關(guān)設(shè)置為旁路狀態(tài)，即射頻信號不經(jīng)過低噪聲放大器，檢波器關(guān)閉，射頻開關(guān)一和射頻開關(guān)二連通微帶線，無線收發(fā)芯片處于空閑低功耗狀態(tài)，微處理器低功耗狀態(tài)。作為對本技術(shù)方案的進一步限定，所述步驟(3)包括如下步驟:(3.1)首先對天線陣列進行三三分組，計算每組天線信號強度的比值，并設(shè)定誤差范圍為20% ；(3.2)通過查表法篩選出每組天線的信號強度比值符合要求的數(shù)據(jù)，如果只有I組數(shù)據(jù)符合要求，此組數(shù)據(jù)為最終計算結(jié)果，計算完成，否則轉(zhuǎn)步驟(3.3)；(3.3)如果有多組數(shù)據(jù)符合要求，則在這些數(shù)據(jù)中選擇誤差最小的作為最終計算結(jié)果，計算完成；(3.4)利用已有的方向性數(shù)據(jù)判斷信號源方向，通過信號源方向上的信號強度計算計算確定未知節(jié)點的距離，從而確定未知節(jié)點的位置。一種無線多媒體傳感網(wǎng)定位系統(tǒng)，其特征是:包括:通信模塊:用于微處理器與無線收發(fā)芯片間的通信和數(shù)據(jù)傳輸；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊:用于測量檢波器輸入的模擬信號和其他傳感器輸入模擬信號信號輸出模塊:用于輸出I/O端口連接的元器件的控制信號；定位模塊:對多次測量的信號強度進行分析處理得到各天線的信號強度，通過比較各天線信號強度并利用已有的方向性數(shù)據(jù)判斷信號源方向，再通過信號源方向上的信號強度計算距離確定節(jié)點位置。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果是:本發(fā)明通過天線陣列進行無線數(shù)據(jù)的收發(fā)。每個天線連接具有旁路功能的低噪聲放大器，經(jīng)功分器后一路接檢波器，一路接合路器，檢波器輸出連接高速低功耗微處理器的ADC采集端口。合路器輸出端口接射頻開關(guān)一公共端口，射頻開關(guān)一兩路輸入端口分別為50歐姆微帶線和射頻功率放大器，后接射頻開關(guān)二，射頻開關(guān)二公共端口接無線收發(fā)芯片。微處理器控制無線收發(fā)芯片工作并通過輸出端口輸出高低電平控制低噪聲放大器、射頻功率放大器和檢波器的開關(guān)和收發(fā)切換。本發(fā)明在接收無線數(shù)據(jù)的同時完成定位，無需額外的定位操作和步驟，同時只需一個定位裝置就可以完成定位，與傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位裝置和方法相比無網(wǎng)絡(luò)開銷，不影響無線通信。


圖1為本發(fā)明的原理方框圖。圖2為本發(fā)明天線陣列的分布圖。圖中，1、低噪聲放大器，2、旁路開關(guān)，3、功分器，4、檢波器，5、接射頻開關(guān)一，6、接射頻開關(guān)二，7、射頻功率放大器。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和優(yōu)選實施例對本發(fā)明作更進一步的詳細描述。參見圖1，一種無線多媒體傳感網(wǎng)定位裝置，包括一組天線，組成天線陣列，所述每組天線都連接低噪聲放大器，所述低噪聲放大器連接功分器，所述功分器連接檢波器，所有的所述功分器都還連接到一合路器 ，所述合路器輸出接口連接射頻開關(guān)一的公共端口，所述射頻開關(guān)一的兩路輸入端口分別連接微帶線和射頻功率放大器，所述微帶線和射頻功率放大器還都連接射頻開關(guān)二，所述射頻開關(guān)二公共端口連接無線收發(fā)芯片，所述低噪聲放大器、檢波器、射頻開關(guān)一、射頻開關(guān)二、射頻功率放大器和無線收發(fā)芯片都連接到微處理器。所述每個低噪聲放大器的兩端并接有旁路開關(guān)。所述微處理器選用高性能低功耗的混合信號處理器，所述微處理器的I/O輸出端口分別連接所述低噪聲放大器、檢波器、射頻開關(guān)一、射頻開關(guān)二、射頻功率放大器的控制引腳，所述無線收發(fā)芯片的GPIO端口連接所述微處理器的具有輸入中斷功能的端口。一種無線多媒體傳感網(wǎng)定位方法，其特征是:包括如下步驟:(I)通過理論計算或者預測量方法獲得天線陣列的方向性數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)存儲到微處理器上；(2)微處理器將無線收發(fā)芯片設(shè)置為接收狀態(tài)，微處理器控制射頻功率放大器關(guān)閉，低噪聲放大器開啟，檢波器開啟，射頻開關(guān)一和射頻開關(guān)二連通微帶線，無線收發(fā)芯片探測是否接收到有效的無線數(shù)據(jù)，當探測到有效的無線數(shù)據(jù)時，無線收發(fā)芯片通知微處理器，微處理器開啟模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進行數(shù)據(jù)采集，在無線數(shù)據(jù)接收完畢前微處理器多次采集并存儲采樣數(shù)據(jù)；
(3)無線數(shù)據(jù)接收完畢后微處理器啟動定位模塊，將多次測量的采樣數(shù)據(jù)進行分析處理得到各天線的信號強度，通過比較各天線信號強度并利用已有的方向性數(shù)據(jù)判斷信號源方向，再通過信號源方向的信號強度計算距離確定未知節(jié)點位置；(4)當微處理器向外發(fā)送數(shù)據(jù)時，微處理器控制射頻功率放大器開啟，低噪聲放大器設(shè)置為旁路狀態(tài)，檢波器關(guān)閉，射頻開關(guān)一和射頻開關(guān)二連通射頻功率放大器，無線收發(fā)芯片處于發(fā)送狀態(tài)，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，切換到接收狀態(tài)或者空閑狀態(tài)，轉(zhuǎn)到空閑狀態(tài)時，微處理器控制射頻功率放大器關(guān)閉，低噪聲放大器通過旁路開關(guān)設(shè)置為旁路狀態(tài)，即射頻信號不經(jīng)過低噪聲放大器，檢波器關(guān)閉，射頻開關(guān)一和射頻開關(guān)二連通微帶線，無線收發(fā)芯片處于空閑低功耗狀態(tài)，微處理器低功耗狀態(tài)。所述步驟(3)包括如下步驟:(3.1)首先對天線陣列進行三三分組，計算每組天線信號強度的比值，并設(shè)定誤差范圍為20% ;本優(yōu)選實施例天線的分組方式如下:第一組為天線1、天線2和天線3 ;第二組為天線2、天線3和天線4 ;第三組為天線3、天線4和天線5 ;依次類推，直到將天線陣列分組完成。(3.2)通過查表法篩選出每組天線的信號強度比值符合要求的數(shù)據(jù)，如果只有I組數(shù)據(jù)符合要求，此組數(shù)據(jù)為最終計算結(jié)果，計算完成，否則轉(zhuǎn)步驟(3.3)；(3.3)如果有多組數(shù)據(jù)符合要求，則在這些數(shù)據(jù)中選擇誤差最小的作為最終計算結(jié)果，計算完成；(3.4)利用已有的方向性數(shù)據(jù)判斷信號源方向，通過選擇的信號強度數(shù)據(jù)確定未知節(jié)點的距離，從而確定未知節(jié)點的位置。一種無線多媒體傳感網(wǎng)定位系統(tǒng)，包括:通信模塊:用于微 處理器與無線收發(fā)芯片間的通信和數(shù)據(jù)傳輸；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊:用于測量檢波器輸入的模擬信號和其他傳感器輸入模擬信號信號輸出模塊:用于輸出I/O端口連接的元器件的控制信號；信號輸入模塊:用于輸入無線收發(fā)芯片的輸入信號；定位模塊:多次測量的信號強度進行分析處理得到各天線的信號強度，通過比較各天線信號強度并利用已有的方向性數(shù)據(jù)判斷信號源方向，再通過信號強度確定節(jié)點位置。本優(yōu)選實施例的天線陣列由三個以上具有良好方向性的定向天線組成，天線數(shù)量越多、方向性越好，定位效果越好，但是系統(tǒng)復雜度、功耗和成本越高，用戶可以根據(jù)實際系統(tǒng)需求進行選擇和設(shè)計。以三個天線組成的天線陣列為例，每個天線的主瓣寬度為120度，各天線間夾角為120度。當然，上述說明并非對本發(fā)明的限制，本發(fā)明也不僅限于上述舉例，本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的實質(zhì)范圍內(nèi)所做出的變化、改型、添加或替換，也屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種無線多媒體傳感網(wǎng)定位裝置，其特征是:包括一組天線，組成天線陣列，所述每組天線都連接低噪聲放大器，所述低噪聲放大器連接功分器，所述功分器連接檢波器，所有的所述功分器都還連接到一合路器，所述合路器輸出接口連接射頻開關(guān)一的公共端口，所述射頻開關(guān)一的兩路輸入端口分別連接微帶線和射頻功率放大器，所述微帶線和射頻功率放大器還都連接射頻開關(guān)二，所述射頻開關(guān)二公共端口連接無線收發(fā)芯片，所述低噪聲放大器、檢波器、射頻開關(guān)一、射頻開關(guān)二、射頻功率放大器和無線收發(fā)芯片都連接到微處理器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線多媒體傳感網(wǎng)定位裝置，其特征是:所述每個低噪聲放大器的兩端并接有旁路開關(guān)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線多媒體傳感網(wǎng)定位裝置，其特征是:所述微處理器選用高性能低功耗的混合信號處理器，所述微處理器的I/o輸出端口分別連接所述低噪聲放大器、檢波器、射頻開關(guān)一、射頻開關(guān)二、射頻功率放大器的控制引腳，所述無線收發(fā)芯片的GPIO端口連接所述微處理器的具有輸入中斷功能的端口。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的無線多媒體傳感網(wǎng)定位裝置，其特征是:所述天線為定向天線，每個定向天線的主瓣寬度和增益相等。
5.一種無線多媒體傳感網(wǎng)定位方法，其特征是:包括如下步驟: (1)通過理論計算或者預測量方法獲得天線陣列的方向性數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)存儲到微處理器上； (2)微處理器將無線收發(fā)芯片設(shè)置為接收狀態(tài)，微處理器控制射頻功率放大器關(guān)閉，低噪聲放大器開啟，檢波器開啟，射頻開關(guān)一和射頻開關(guān)二連通微帶線，無線收發(fā)芯片探測是否接收到有效的無線數(shù)據(jù)，當探測到有效的無線數(shù)據(jù)時，無線收發(fā)芯片通知微處理器，微處理器開啟模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進行數(shù)據(jù)采集， 在無線數(shù)據(jù)接收完畢前微處理器多次采集并存儲采樣數(shù)據(jù)； (3)無線數(shù)據(jù)接收完畢后微處理器啟動定位模塊，將多次測量的采樣數(shù)據(jù)進行分析處理得到各天線的信號強度，通過比較各天線信號強度并利用已有的方向性數(shù)據(jù)判斷信號源方向，再通過信號源方向上的信號強度計算距離確定未知節(jié)點位置； (4)當微處理器向外發(fā)送數(shù)據(jù)時，微處理器控制射頻功率放大器開啟，低噪聲放大器設(shè)置為旁路狀態(tài)，檢波器關(guān)閉，射頻開關(guān)一和射頻開關(guān)二連通射頻功率放大器，無線收發(fā)芯片處于發(fā)送狀態(tài)，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，切換到接收狀態(tài)或者空閑狀態(tài)，轉(zhuǎn)到空閑狀態(tài)時，微處理器控制射頻功率放大器關(guān)閉，低噪聲放大器通過旁路開關(guān)設(shè)置為旁路狀態(tài)，即射頻信號不經(jīng)過低噪聲放大器，檢波器關(guān)閉，射頻開關(guān)一和射頻開關(guān)二連通微帶線，無線收發(fā)芯片處于空閑低功耗狀態(tài)，微處理器低功耗狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的無線多媒體傳感網(wǎng)定位方法，其特征是:所述步驟(3)包括如下步驟: (3.1)首先對天線陣列進行三三分組，計算每組天線信號強度的比值，并設(shè)定誤差范圍為 20% ； (3.2)通過查表法篩選出每組天線的信號強度比值符合要求的數(shù)據(jù)，如果只有I組數(shù)據(jù)符合要求，此組數(shù)據(jù)為最終計算結(jié)果，計算完成，否則轉(zhuǎn)步驟(3.3)；(3.3)如果有多組數(shù)據(jù)符合要求，則在這些數(shù)據(jù)中選擇誤差最小的作為最終計算結(jié)果，計算完成；(3.4)利用已有的方向性數(shù)據(jù)判斷信號源方向，通過信號源方向上的信號強度計算確定未知節(jié)點的距離，從而確定未知節(jié)點的位置。
7.一種無線多媒體傳感網(wǎng)定位系統(tǒng)，其特征是:包括: 通信模塊:用于微處理器與無線收發(fā)芯片間的通信和數(shù)據(jù)傳輸； 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊:用于測量檢波器輸入的模擬信號和其他傳感器輸入模擬信號 信號輸出模塊:用于輸出I/O端口連接的元器件的控制信號； 定位模塊:對多次測量的信號強度進行分析處理得到各天線的信號強度，通過比較各天線信號強度并利用已有的方向性數(shù)據(jù)判斷信號源方向，再通過信號源方向上的信號強度確定節(jié) 點位置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無線多媒體傳感網(wǎng)定位裝置、方法及系統(tǒng)，包括一組天線，組成天線陣列，其特征是所述每組天線都連接低噪聲放大器，所述低噪聲放大器連接功分器，所述功分器連接檢波器，所有的所述功分器都還連接到一合路器，所述合路器輸出接口連接射頻開關(guān)一的公共端口，所述射頻開關(guān)一的兩路輸入端口分別連接微帶線和射頻功率放大器，所述微帶線和射頻功率放大器還都連接射頻開關(guān)二，所述射頻開關(guān)二公共端口連接無線收發(fā)芯片，所述低噪聲放大器、檢波器、射頻開關(guān)一、射頻開關(guān)二、射頻功率放大器和無線收發(fā)芯片都連接到微處理器。在接收數(shù)據(jù)的同時完成節(jié)點定位，無額外的網(wǎng)絡(luò)開銷，不影響無線通信。
文檔編號H04B1/38GK103237346SQ20131014031
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月22日
發(fā)明者付勇, 劉瑞霞, 鄭曉勢, 郭強, 孔祥龍, 楊明, 馬繼鵬, 王英龍 申請人:山東省計算中心