區(qū)域定位基站系統(tǒng)及其區(qū)域定位方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種區(qū)域定位基站系統(tǒng)及其區(qū)域定位方法，在指定區(qū)域內(nèi)設置天饋系統(tǒng)、定位基站、管理平臺和均勻分布的多組天線，同時結合天饋系統(tǒng)設置遍布指定區(qū)域的多個定位標簽，通過各個部件配合，即可計算各個定位標簽的位置，對人員或物品完成精準定位。本發(fā)明實現(xiàn)有無線室內(nèi)人員及物品定位、無線網(wǎng)絡覆蓋、RFID覆蓋等多種功能，適用于多種應用場景，定位更加準確，同時，采取半有源標簽設計，可以延長標簽使用壽命；此外，本發(fā)明定位基站具有無線網(wǎng)絡功能，解決了無線傳輸問題；同時還完成RFID覆蓋，建立了物聯(lián)網(wǎng)通道，并配備了輸出控制端口，可以連接外圍設備進行聯(lián)動，有助于拓展應用性和功能性。
【專利說明】區(qū)域定位基站系統(tǒng)及其區(qū)域定位方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及區(qū)域定位基站【技術領域】，更具體地，涉及一種基于無線定位基站，配合天饋系統(tǒng)和半有源定位標簽實現(xiàn)區(qū)域定位功能的區(qū)域定位基站系統(tǒng)，以及基于該系統(tǒng)的區(qū)域定位方法。
【背景技術】
[0002]隨著數(shù)據(jù)業(yè)務和多媒體業(yè)務的快速增加，以及社會移動性的增強，人們對位置定位與目標地導航的需求也日益增大，尤其是在復雜的室內(nèi)環(huán)境，如展廳、倉庫、監(jiān)獄、圖書館、地下停車場、礦井等環(huán)境中，確定移動終端或其持有者，以及設施與物品在特定環(huán)境內(nèi)的位置信息顯得尤為重要。但是，受定位時間、定位精度以及室內(nèi)環(huán)境復雜性等條件的限制，目前還沒有利用較為良好的比較完善的定位技術。
[0003]現(xiàn)有室內(nèi)定位技術主要有:超聲波定位技術、藍牙技術、紅外線技術、射頻識別技術(RFID)、超寬帶技術(UWB)、無線局域網(wǎng)絡等。其中常用于室內(nèi)人員定位的幾種技術為:超寬帶技術(UWB)、W1-FI無線技術(802.11)、ZigBee無線技術(802.15)、射頻識別技術(RFID)0
[0004]超寬帶技術(UWB)
超寬帶技術是一種全新的、與傳統(tǒng)通信技術有極大差異的新通信技術。它不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波，而是通過發(fā)送和接收具有納秒或納秒級以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，從而具有3.1-10.6GHz量級的帶寬。
[0005]超寬帶技術系統(tǒng)與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)相比，具有穿透力強、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復雜度低、能提供精確定位精度等優(yōu)點；但是，超寬帶技術工作在超高頻段，其反向散射大，干擾也很大，而且設備的覆蓋距離近，導致標簽功耗大。
[0006]W1-FI 無線技術(802.11)
無線局域網(wǎng)絡(WLAN)是一種全新的信息獲取平臺，可以在廣泛的應用領域內(nèi)實現(xiàn)復雜的大范圍定位、監(jiān)測和追蹤任務，而網(wǎng)絡節(jié)點自身定位是大多數(shù)應用的基礎和前提。當前比較流行的W1-Fi定位是無線局域網(wǎng)絡系列標準之IEEE802.11的一種定位解決方案。此類系統(tǒng)采用經(jīng)驗測試和信號傳播模型相結合的方式，易于布置，但缺點也是很明顯，其中，定位標簽相當于一個無線終端，需要接入到Wifi網(wǎng)絡才能定位，但每個AP關聯(lián)的終端數(shù)量是很有限的，通常每個AP只能同時接入25個無線終端，進行定位時，一個定位標簽需要同時關聯(lián)到3個AP才能進行位置計算，大量的占用了寶貴的網(wǎng)絡資源；同時，AP的布置主要滿足網(wǎng)絡覆蓋，定位只是附加功能，所以也導致了總體精度不高，定位標簽功耗很大無法長期使用等問題。
[0007]ZigBee 無線技術(802.15)
ZigBee無線技術是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡技術，它介于射頻識別和藍牙之間，也可以用于室內(nèi)定位。它有自己的無線電標準，通過在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)通信以實現(xiàn)定位。這些傳感器只需要很少的能量即可驅(qū)動，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)在傳感器之間進行傳輸，所以其通信效率非常高。
[0008]ZigBee無線技術最顯著的技術特點是低功耗和低成本。但在用于室內(nèi)定位時，需要計算無線信號的發(fā)射和接收時間來判斷位置，因此比較適用于狹長的通道環(huán)境，而當隔斷無序，空間環(huán)境復雜時，定位就會變得不準確，所以其應用面有限，目前主要專用于地下礦井的人員定位。
[0009]射頻識別技術(RFID )
射頻識別技術利用射頻方式進行非接觸式雙向通信交換數(shù)據(jù)，以達到識別和定位的目的，主要可以分為有源和無源兩種。其中，無源標簽本身不需要耗電，但距離很短，一般距離最遠只有幾米；有源標簽需要消耗一定的電力，但作用距離可以達到幾十米。雖然無論是有源還是無源方案成本都比較低，但是RFID本身由于不具有通信能力，所以只能整合到其他系統(tǒng)之中，因此功能性不強。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決上述技術問題。
[0011]無線區(qū)域定位需要定位標簽具有超低功耗，能自成網(wǎng)絡方便部署，又能適應復雜的無線環(huán)境，同時還需要成本低，根據(jù)這些需求和現(xiàn)有技術的缺陷，本發(fā)明提供了具有人員定位、無線網(wǎng)絡覆蓋、RFID信號覆蓋等功能的區(qū)域定位基站系統(tǒng)。
[0012]本發(fā)明的另一個目的是提供基于上述系統(tǒng)的區(qū)域定位方法。
[0013]為解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案如下:
區(qū)域定位基站系統(tǒng)，首先在指定區(qū)域內(nèi)設置天饋系統(tǒng)，天饋系統(tǒng)包括天線、饋線和無源器件(功分器，耦合器)；在指定區(qū)域內(nèi)設置定位基站、管理平臺，并將天饋系統(tǒng)的天線均勻分布在指定區(qū)域內(nèi)，同時結合天饋系統(tǒng)設置遍布指定區(qū)域的多個定位標簽；定位基站分別與管理平臺、天饋系統(tǒng)相連；應用中，定位基站的定位功能和網(wǎng)絡覆蓋功能需要現(xiàn)成的天饋系統(tǒng)的配合，完成對整個區(qū)域的覆蓋。
[0014]其中，定位標簽配備在在需要定位的人員或物體上；定位基站和天線之間饋線連接，采用樹型結構，配合功無源器件進行功率分配，合理的將定位基站發(fā)出的射頻信號分配到每一個天線上，完成整個指定區(qū)域的無縫覆蓋。
[0015]其中，實際應用中，單個定位基站連接18個天線為佳，覆蓋面積可達到2000平方米左右，如需要增加覆蓋面積，則需增加定位基站數(shù)量。
[0016]管理平臺用于管理定位基站，并處理定位基站所采集的數(shù)據(jù)信息，在管理平臺中預先繪制指定區(qū)域的地圖。
[0017]定位標簽為半有源定位標簽，如腕帶、電子工牌等。
[0018]其中，定位標簽發(fā)送固定強度的無線射頻信號，由周邊的天線進行接收，各個天線將接收到的無線射頻信號發(fā)送至定位基站進行運算，確定定位標簽的位置。
[0019]其中，定位標簽發(fā)出的無線射頻信號包含該定位標簽的ID號以及RSSI值等。
[0020]定位基站主要包括主板、無線板、合路器、電源四部分，四部分協(xié)同工作完成整個基站的功能運轉。
[0021]主板為定位基站的核心部件，包括:主控制單元、物聯(lián)網(wǎng)信道控制單元、定位運算單元、網(wǎng)絡控制單元、聯(lián)動接口控制單元和協(xié)議轉換及網(wǎng)絡交換單元。主控制單元分別與物聯(lián)網(wǎng)信道控制單元、定位運算單元、網(wǎng)絡控制單元、聯(lián)動接口控制單元和協(xié)議轉換及網(wǎng)絡交換單元相連。
[0022]其中，定位運算單元實時采集定位基站覆蓋范圍內(nèi)所有天線發(fā)送的無線射頻信號，通過無線射頻信號得到相應定位標簽的RSSI值，再根據(jù)三點定位方式計算出各個定位標簽的坐標，定位基站通過網(wǎng)絡將各個定位標簽的坐標信息上傳至管理平臺，在管理平臺的地圖上呈現(xiàn)出來。
[0023]物聯(lián)網(wǎng)信道控制單元的主要作用是控制所有接入到定位基站的物聯(lián)網(wǎng)設備的通信信道；為不同類型的物聯(lián)網(wǎng)設備分配不同的工作頻點，并控制在同一時間內(nèi)，同一頻點只會有一個物聯(lián)網(wǎng)設備在使用，從而保障傳輸不發(fā)生沖突。
[0024]網(wǎng)絡控制單元用于完成無線網(wǎng)絡的控制，具體的是對工作頻點、帶寬、信號強度、速率等內(nèi)容進行控制，以便保證2.4GHZ頻段和5.8GHz頻段的雙頻模式能正常工作。
[0025]聯(lián)動接口控制單元用于控制與定位基站相接的外接設備的接口，通過提供RS485協(xié)議串口，可以向?qū)耐饨釉O備發(fā)出動作命令。
[0026]協(xié)議轉換及網(wǎng)絡交換單元將主板上不同協(xié)議的數(shù)據(jù)都轉換成IP包，進行外部通訊，例如可通過TCP/IP協(xié)議與其它上位機進行連接，完成功能配合。
[0027]主控制單元用于完成主板各個功能單元之間的調(diào)度和數(shù)據(jù)傳送，并進行電源管理，利用電源為主板進行供電。
[0028]無線板的主要作用是將主板的基帶信號轉換成無線射頻信號，以及將天線送來的無線射頻信號轉換成適配主板的基帶信號。其中，整個基站的工作頻段范圍為400MHz~5900MHz，無線板設定四個專用頻段，分別為:433MHz頻段，UHF頻段，2.4GHZ頻段，5.8GHz頻段。
[0029]其中，2.4GHZ頻段和5.8GHz頻段適用于主板的網(wǎng)絡控制單元，配合提供無線網(wǎng)絡。
[0030]UHF頻段(即特高頻?分米波段，指頻率為300-3000ΜΗζ的特高頻無線電波)適用于主板的定位運算單元，是射頻識別技術常用的頻段，用于人員及物品定位。
[0031]433MHz頻段適用于主板的物聯(lián)網(wǎng)信道控制單元，主要用于接入其它物聯(lián)網(wǎng)應用設備。
[0032]合路器用于將來自無線板的不同頻段的無線信號合成一路信號，與天饋系統(tǒng)進行交互；主板通過合路器連接天饋系統(tǒng)。
[0033]電源采用高性能開關電源設計，為整個定位基站提供電力，其具體規(guī)格為:220V交流輸入，內(nèi)部5V供電。
[0034]實際應用中，定位標簽默認為休眠狀態(tài)，當定位標簽被超過3組的天線檢測到時，由定位基站發(fā)出激活信號激活該定位標簽，令該定位標簽發(fā)送固定強度的無線射頻信號，由周邊的天線進行接收:具體的，令定位標簽先連續(xù)發(fā)送3次無線射頻信號，然后休眠500~2000ms后再連續(xù)發(fā)送3次無線射頻信號。 [0035]其中，定位標簽的休眠時間可根據(jù)實際需要調(diào)整。
[0036]其中，當接收到定位標簽的無線射頻信號的天線少于I個時，基站發(fā)出休眠命令，使該定位標簽進入休眠裝袋，直到其再次被激活；當接收到定位標簽的無線射頻信號的天線不少于I個時，各個天線將接收到的無線射頻信號送回至定位基站進行運算，確定定位標簽的位置。
[0037]其中，定位標簽發(fā)出的無線射頻信號帶有該定位標簽的ID號，由于有空間損耗，不同的天線接收到這個無線射頻信號的RSSI強度是不同的；各個天線將接收到的無線射頻信號送回至定位基站進行運算，確定定位標簽的位置。
[0038]根據(jù)上述區(qū)域定位基站系統(tǒng)實現(xiàn)的區(qū)域定位方法，包括如下步驟:
S1、首先在指定區(qū)域內(nèi)設置天饋系統(tǒng)，在指定區(qū)域內(nèi)設置定位基站、管理平臺，并將天饋系統(tǒng)的天線均勻分布在指定區(qū)域內(nèi)，同時結合天饋系統(tǒng)設置遍布指定區(qū)域的多個定位標簽;
S2、將定位基站分別與管理平臺和天饋系統(tǒng)相連；將定位標簽配備在在需要定位的人員或物體上；
S3、定位標簽發(fā)送固定強度的無線射頻信號，定位標簽發(fā)出的無線射頻信號包含該定位標簽的ID號以及RSSI值等；無線射頻信號由周邊的天線進行接收，各個天線將接收到的無線射頻信號發(fā)送至定位基站進行運算，確定定位標簽的位置；
S4、定位運算單元實時采集定位基站覆蓋范圍內(nèi)所有天線發(fā)送的無線射頻信號，通過無線射頻信號得到相應定位標簽的RSSI值，再根據(jù)三點定位方式計算出各個定位標簽的坐標，定位基站通過網(wǎng)絡將各個定位標簽的坐標信息上傳至管理平臺，在管理平臺的地圖上呈現(xiàn)出來。
[0039]步驟S4中，定位基站的定位運算單元采用三角形質(zhì)心定位算法進行定位標簽的坐標運算，包括如下步驟:
定位算法模型如下:
基于RSSI的定位:RSSI測量，一般利用信號傳播的經(jīng)驗模型與理論模型。
[0040]對于經(jīng)驗模型，在實際定位前，先選取若干定位標簽作為測試點，記錄在這些測試點上定位基站所收到的信號強度，接著建立各個測試點上的位置和信號強度關系的離線數(shù)據(jù)庫(X，y，ssl, ss2, ss3),在實際定位時,根據(jù)測得的定位標簽的信號強度(ssl' , ss2/ ,ss3')和離線數(shù)據(jù)庫中記錄的信號強度進行比較，信號強度均方差最小的那個點的坐標作為定位標簽的節(jié)點坐標；
對于理論模型，采用無線電傳播路徑損耗模型進行分析，包括:自由空間無線電傳播路徑損耗模型對數(shù)一常態(tài)分布模型，以及對數(shù)距離路徑損耗模型、哈它模型等。
[0041]自由空間無線電傳播路徑損耗模型為:
【權利要求】
1.區(qū)域定位基站系統(tǒng)，首先在指定區(qū)域內(nèi)設置天饋系統(tǒng)，天饋系統(tǒng)包括天線、饋線和無源器件，其特征在于在指定區(qū)域內(nèi)設置定位基站、管理平臺，并將天饋系統(tǒng)的天線均勻分布在指定區(qū)域內(nèi)，同時結合天饋系統(tǒng)設置遍布指定區(qū)域的多個定位標簽；定位基站分別與管理平臺、天饋系統(tǒng)相連； 定位標簽配備在在需要定位的人員或物體上； 管理平臺管理定位基站，并處理定位基站所采集的數(shù)據(jù)信息；在管理平臺中預先繪制指定區(qū)域的地圖； 其中，定位標簽發(fā)送固定強度的無線射頻信號，由周邊的天線進行接收，各個天線將接收到的無線射頻信號發(fā)送至定位基站進行運算，確定定位標簽的位置；定位標簽發(fā)出的無線射頻信號包含該定位標簽的ID號以及RSSI值； 定位基站包括主板、無線板、合路器和電源；其中，電源與主板、無線板、合路器相連，主板與無線板相連，無線板與合路器相連。
2.根據(jù)權利要求1所述的區(qū)域定位基站系統(tǒng)，其特征在于所述的定位標簽為半有源定位標簽。
3.根據(jù)權利要求1所述的區(qū)域定位基站系統(tǒng)，其特征在于所述的主板包括主控制單元、物聯(lián)網(wǎng)信道控制單元、定位運算單元、網(wǎng)絡控制單元、聯(lián)動接口控制單元和協(xié)議轉換及網(wǎng)絡交換單元；主控 制單元分別與物聯(lián)網(wǎng)信道控制單元、定位運算單元、網(wǎng)絡控制單元、聯(lián)動接口控制單元和協(xié)議轉換及網(wǎng)絡交換單元相連； 其中，定位運算單元實時采集定位基站覆蓋范圍內(nèi)所有天線發(fā)送的無線射頻信號，通過無線射頻信號得到相應定位標簽的RSSI值，再計算出各個定位標簽的坐標，定位基站將各個定位標簽的坐標信息上傳至管理平臺，在管理平臺的地圖上呈現(xiàn)； 物聯(lián)網(wǎng)信道控制單元控制接入到定位基站的物聯(lián)網(wǎng)設備的通信信道，為不同類型的物聯(lián)網(wǎng)設備分配不同的工作頻點，并保證在同一時間內(nèi)，同一頻點只有一個物聯(lián)網(wǎng)設備在使用； 網(wǎng)絡控制單元完成無線網(wǎng)絡的控制，對工作頻點、帶寬、信號強度、速率進行控制；聯(lián)動接口控制單元用于控制與定位基站相接的外接設備的接口，通過提供RS485協(xié)議串口，向?qū)耐饨釉O備發(fā)出動作命令； 協(xié)議轉換及網(wǎng)絡交換單元將主板上不同協(xié)議的數(shù)據(jù)轉換成IP包，進行外部通訊； 主控制單元完成主板各個功能單元之間的調(diào)度和數(shù)據(jù)傳送，并進行電源管理，利用電源為主板進行供電。
4.根據(jù)權利要求1所述的區(qū)域定位基站系統(tǒng)，其特征在于所述的無線板將主板的基帶信號轉換成無線射頻信號，以及將天線送來的無線射頻信號轉換成適配主板的基帶信號。
5.根據(jù)權利要求4所述的區(qū)域定位基站系統(tǒng)，其特征在于所述的無線板設定四個專用頻段，分別為:433MHz頻段，UHF頻段，2.4GHZ頻段，5.8GHz頻段； 其中，2.4GHZ頻段和5.SGHz頻段適用于主板的網(wǎng)絡控制單元，配合提供無線網(wǎng)絡； UHF頻段適用于主板的定位運算單元，配合進行人員及物品定位； 433MHz頻段適用于主板的物聯(lián)網(wǎng)信道控制單元，配合接入其它物聯(lián)網(wǎng)應用設備。
6.根據(jù)權利要求1所述的區(qū)域定位基站系統(tǒng)，其特征在于所述的合路器將來自無線板的不同頻段的無線信號合成一路信號，與天饋系統(tǒng)進行交互；主板通過合路器連接天饋系統(tǒng)。
7.根據(jù)權利要求1所述的區(qū)域定位基站系統(tǒng)，其特征在于所述的電源為整個定位基站提供電力，電源規(guī)格為:220V交流輸入，內(nèi)部5V供電。
8.根據(jù)權利要求1所述的區(qū)域定位基站系統(tǒng)，其特征在于所述的定位標簽默認為休眠狀態(tài)，當定位標簽被超過3組的天線檢測到時，由定位基站發(fā)出激活信號激活該定位標簽，令該定位標簽發(fā)送固定強度的無線射頻信號，由周邊的天線進行接收:具體的，令定位標簽先連續(xù)發(fā)送3次無線射頻信號，然后休眠500~2000ms后再連續(xù)發(fā)送3次無線射頻信號； 其中，當接收到定位標簽的無線射頻信號的天線少于I個時，基站發(fā)出休眠命令，使該定位標簽進入休眠裝袋，直到其再次被激活；當接收到定位標簽的無線射頻信號的天線不少于I個時，各個天線將接收到的無線射頻信號送回至定位基站進行運算，確定定位標簽的位置。
9.根據(jù) 權利要求1-8任一所述的區(qū)域定位基站系統(tǒng)實現(xiàn)的區(qū)域定位方法，其特征在于包括如下步驟: 51、首先在指定區(qū)域內(nèi)設置天饋系統(tǒng)，在指定區(qū)域內(nèi)設置定位基站、管理平臺，并將天饋系統(tǒng)的天線均勻分布在指定區(qū)域內(nèi)，同時結合天饋系統(tǒng)設置遍布指定區(qū)域的多個定位標簽; 52、將定位基站分別與管理平臺、天饋系統(tǒng)相連；將定位標簽配備在在需要定位的人員或物體上； 53、定位標簽發(fā)送固定強度的無線射頻信號，定位標簽發(fā)出的無線射頻信號包含該定位標簽的ID號以及RSSI值等；無線射頻信號由周邊的天線進行接收，各個天線將接收到的無線射頻信號發(fā)送至定位基站進行運算，確定定位標簽的位置； 54、定位運算單元實時采集定位基站覆蓋范圍內(nèi)所有天線發(fā)送的無線射頻信號，通過無線射頻信號得到相應定位標簽的RSSI值，再根據(jù)三點定位方式計算出各個定位標簽的坐標，定位基站將各個定位標簽的坐標信息上傳至管理平臺，在管理平臺的地圖上呈現(xiàn)出來。
10.根據(jù)權利要求9所述的區(qū)域定位方法，其特征在于所述的步驟S4中，定位基站的定位運算單元采用三角形質(zhì)心定位算法進行定位標簽的坐標運算，包括如下過程: 定位算法模型如下: 基于RSSI的定位:RSSI測量，利用信號傳播的經(jīng)驗模型與理論模型； 對于經(jīng)驗模型，在實際定位前，先選取多個定位標簽作為測試點，記錄在這些測試點上定位基站所收到的信號強度，接著建立各個測試點上的位置和信號強度關系的離線數(shù)據(jù)庫(X, y, ssl, ss2, ss3),在實際定位時,根據(jù)測得的定位標簽的信號強度(ssl' , ss2/ ,ss3')和離線數(shù)據(jù)庫中記錄的信號強度進行比較，信號強度均方差最小的那個點的坐標作為定位標簽的節(jié)點坐標； 對于理論模型，采用無線電傳播路徑損耗模型進行分析，包括:自由空間無線電傳播路徑損耗模型；對數(shù)一常態(tài)分布模型； 自由空間無線電傳播路徑損耗模型為: Loss = 32.44+10klog10d+10klog10f——(一)； 式一中，d為距信源的距離,單位為km ；f為頻率，單位為MHz ；k為路徑衰減因子；對數(shù)一常態(tài)分布模型，其路徑損耗的計算公式為:
【文檔編號】H04W64/00GK103997781SQ201410150140
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年4月15日 優(yōu)先權日:2014年4月15日
【發(fā)明者】劉騏暢 申請人:劉騏暢