本發(fā)明涉及定位技術(shù)，具體涉及一種無(wú)線室內(nèi)定位系統(tǒng)及定位方法。

背景技術(shù)：

隨著基于位置服務(wù)(locationbasedservice，lbs)的出現(xiàn)，定位技術(shù)近年來(lái)也備受關(guān)注且發(fā)展迅速。雖然室外定位技術(shù)已經(jīng)非常成熟并開始被廣泛使用，但是作為定位技術(shù)的末端，室內(nèi)定位技術(shù)發(fā)展一直相對(duì)緩慢。而隨著現(xiàn)代人類生活越來(lái)越多的時(shí)間都處在室內(nèi)，室內(nèi)定位技術(shù)的前景也非常廣闊。目前市面上流行的室內(nèi)定位技術(shù)有以下幾種。

1、紅外線定位技術(shù)，紅外線室內(nèi)定位有兩種，第一種是被定位目標(biāo)使用紅外線(infraredradiation，ir)標(biāo)識(shí)作為移動(dòng)點(diǎn)，發(fā)射調(diào)制的紅外射線，通過(guò)安裝在室內(nèi)的光學(xué)傳感器接收進(jìn)行定位；第二種是通過(guò)多對(duì)發(fā)射器和接收器織紅外線網(wǎng)覆蓋待測(cè)空間，直接對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行定位。紅外線的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，用于室內(nèi)定位精度相對(duì)較高，但是由于紅外線只能視距傳播，穿透性極差，如家里的電視遙控器，當(dāng)標(biāo)識(shí)被遮擋時(shí)就無(wú)法正常工作，也極易受燈光、煙霧等環(huán)境因素影響明顯。加上紅外線的傳輸距離不長(zhǎng)，使其在布局上，無(wú)論哪種方式，都需要在每個(gè)遮擋背后、甚至轉(zhuǎn)角都安裝接收端，布局復(fù)雜，使得成本提升，而定位效果有限。

2、超聲波室內(nèi)定位技術(shù)，超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)是基于超聲波測(cè)距系統(tǒng)而開發(fā)，由若干個(gè)應(yīng)答器和主測(cè)距器組成：主測(cè)距器放置在被測(cè)物體上，向位置固定的應(yīng)答器發(fā)射同無(wú)線電信號(hào)，應(yīng)答器在收到信號(hào)后向主測(cè)距器發(fā)射超聲波信號(hào)，利用反射式測(cè)距法和三角定位等算法確定物體的位置。超聲波室內(nèi)定位整體精度很高，達(dá)到了厘米級(jí)，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，有一定的穿透性而且超聲波本身具有很強(qiáng)的抗干擾能力，但是超聲波在空氣中的衰減較大，不適用于大型場(chǎng)合，加上反射測(cè)距時(shí)受多徑效應(yīng)和非視距傳播影響很大，造成需要精確分析計(jì)算的底層硬件設(shè)施投資，成本太高。

3、射頻識(shí)別(rfid)室內(nèi)定位技術(shù)，射頻識(shí)別室內(nèi)定位技術(shù)利用射頻方式，固定天線把無(wú)線電信號(hào)調(diào)成電磁場(chǎng)，附著于物品的標(biāo)簽進(jìn)過(guò)磁場(chǎng)后感應(yīng)電流生成把數(shù)據(jù)傳送出去，以多對(duì)雙向通信交換數(shù)據(jù)以達(dá)到識(shí)別和三角定位的目的。射頻識(shí)別室內(nèi)定位技術(shù)作用距離很近，但它可以在幾毫秒內(nèi)得到厘米級(jí)定位精度的信息，且由于電磁場(chǎng)非視距等優(yōu)點(diǎn)，傳輸范圍很大，而且標(biāo)識(shí)的體積比較小，造價(jià)比較低。但其不具有通信能力，抗干擾能力較差，不便于整合到其他系統(tǒng)之中。

4、藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)，藍(lán)牙室內(nèi)技術(shù)是利用在室內(nèi)安裝的若干個(gè)藍(lán)牙局域網(wǎng)接入點(diǎn)，把網(wǎng)絡(luò)維持成基于多用戶的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)連接模式，并保證藍(lán)牙局域網(wǎng)接入點(diǎn)始終是這個(gè)微微網(wǎng)(piconet)的主設(shè)備，然后通過(guò)測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度對(duì)新加入的盲節(jié)點(diǎn)進(jìn)行三角定位。藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備體積小、短距離、低功耗，容易集成在手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備中。只要設(shè)備的藍(lán)牙功能開啟，就能夠?qū)ζ溥M(jìn)行定位。藍(lán)牙傳輸不受視距的影響，但對(duì)于復(fù)雜的空間環(huán)境，藍(lán)牙系統(tǒng)的穩(wěn)定性稍差，受噪聲信號(hào)干擾大且在于藍(lán)牙器件和設(shè)備的價(jià)格比較昂貴。

5、wi-fi室內(nèi)定位技術(shù)，wi-fi定位技術(shù)有兩種，一種是通過(guò)移動(dòng)設(shè)備和三個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)的無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度，通過(guò)差分算法，來(lái)比較精準(zhǔn)地對(duì)人和車輛的進(jìn)行三角定位。另一種是事先記錄巨量的確定位置點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度，通過(guò)用新加入的設(shè)備的信號(hào)強(qiáng)度對(duì)比擁有巨量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，來(lái)確定位置。由于wi-fi路由器和移動(dòng)終端的普及，使得定位系統(tǒng)可以與其他客戶共享網(wǎng)絡(luò)，硬件成本很低，而且wi-fi的定位系統(tǒng)可以降低射頻(rf)干擾可能性。wi-fi定位可以在廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的大范圍定位、監(jiān)測(cè)和追蹤任務(wù)，總精度比較高，但是用于室內(nèi)定位的精度只能達(dá)到2米左右，無(wú)法做到精準(zhǔn)定位。

6、zigbee室內(nèi)定位技術(shù)，zigbee室內(nèi)定位技術(shù)通過(guò)若干個(gè)待定位的盲節(jié)點(diǎn)和一個(gè)已知位置的參考節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間形成組網(wǎng)，每個(gè)微小的盲節(jié)點(diǎn)之間相互協(xié)調(diào)通信以實(shí)現(xiàn)全部定位。作為一個(gè)低功耗和低成本的通信系統(tǒng)，zigbee的工作效率非常高。但zigbee的信號(hào)傳輸受多徑效應(yīng)和移動(dòng)的影響都很大，而且定位精度取決于信道物理品質(zhì)、信號(hào)源密度、環(huán)境和算法的準(zhǔn)確性，造成定位軟件的成本較高，提高空間還很大。

7、超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)，超寬帶定位技術(shù)是一種全新的、與傳統(tǒng)通信定位技術(shù)有極大差異的新技術(shù)。它利用事先布置好的已知位置的錨節(jié)點(diǎn)和橋節(jié)點(diǎn)，與新加入的盲節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊，并利用三角定位或者“指紋”定位方式來(lái)確定位置。超寬帶通信不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波，而是通過(guò)發(fā)送和接收具有納秒或納秒級(jí)以下的極窄脈沖來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，因此具有g(shù)hz量級(jí)的帶寬。由于超寬帶定位技術(shù)具有穿透力強(qiáng)、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供精確定位精度等優(yōu)點(diǎn)，前景廣闊。但由于新加入的盲節(jié)點(diǎn)也需要主動(dòng)通信使得功耗較高，而且也需要事先布局，使得成本還無(wú)法降低。

綜上可見(jiàn)，現(xiàn)有室內(nèi)定位技術(shù)或多或少都存在成本高、需要網(wǎng)絡(luò)支持、設(shè)備復(fù)雜、定位精度不高等問(wèn)題，特別是較高的成本，使得難以在日常生活中得到普遍應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提出了一種基于自熄式超再生接收機(jī)的無(wú)線室內(nèi)定位系統(tǒng)，可以解決目前室內(nèi)定位技術(shù)成本高、需要網(wǎng)絡(luò)支持、設(shè)備復(fù)雜的問(wèn)題。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于自熄式超再生接收機(jī)的無(wú)線室內(nèi)定位方法。

技術(shù)方案：一種基于自熄式超再生接收機(jī)的無(wú)線室內(nèi)定位系統(tǒng)，包括定位裝置、基站和控制終端，所述定位裝置、基站和控制終端之間的無(wú)線通信通過(guò)各自攜帶的自熄式超再生接收模塊和發(fā)射模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中，所述定位裝置安裝在待尋物體上，并且被配置為當(dāng)接收到控制終端發(fā)送的激活信號(hào)時(shí)發(fā)射射頻信號(hào)；所述基站包括第一基站、第二基站和第三基站，均布置在定位區(qū)域內(nèi)，并且每個(gè)基站均被配置為當(dāng)接收到定位裝置發(fā)射的射頻信號(hào)時(shí)向控制終端發(fā)送距離信息，所述距離信息包括當(dāng)前基站與待尋物體之間的距離；所述控制終端被配置為向待尋物體發(fā)送激活信號(hào)，并根據(jù)從第一基站、第二基站和第三基站接收到的距離信息，利用定位算法得到待尋物體在定位區(qū)域內(nèi)的坐標(biāo)，并進(jìn)行顯示。當(dāng)控制終端上顯示出待尋物體的坐標(biāo)時(shí)，定位裝置停止發(fā)射信號(hào)。

一種基于自熄式超再生接收機(jī)的無(wú)線室內(nèi)定位方法，包括以下步驟：

a、控制終端向安裝在待尋物體上的定位裝置發(fā)送激活信號(hào)；

b、定位裝置接收到激活信號(hào)后，持續(xù)發(fā)射射頻信號(hào)；

c、布置于定位區(qū)域內(nèi)的第一基站、第二基站和第三基站接收到射頻信號(hào)后，分別向控制終端發(fā)送距離信息，所述距離信息包括當(dāng)前基站與待尋物體之間的距離；

d、控制終端接收距離信息，利用定位算法計(jì)算待尋物體在定位區(qū)域內(nèi)的坐標(biāo)，并進(jìn)行顯示；

其中，定位裝置、第一基站、第二基站、第三基站以及控制終端之間的無(wú)線通信通過(guò)各自攜帶的超再生接收模塊和發(fā)射模塊實(shí)現(xiàn)，第一基站、第二基站和第三基站還包括信號(hào)處理模塊和頻率測(cè)定模塊，使得步驟c中每個(gè)基站確定與待尋物體之間距離的具體步驟如下：

c1、超再生接收模塊接收到來(lái)自待尋物體的射頻信號(hào)后，輸出熄滅信號(hào)，并將熄滅信號(hào)傳輸至信號(hào)處理模塊；

c2、信號(hào)處理模塊對(duì)熄滅信號(hào)進(jìn)行濾波、整形、限幅穩(wěn)壓，從而得到標(biāo)準(zhǔn)ttl信號(hào)，并將ttl信號(hào)傳輸至頻率測(cè)定模塊；

c3、頻率測(cè)定模塊利用單片機(jī)的定時(shí)器、計(jì)數(shù)器和中斷功能得到ttl信號(hào)的頻率，并根據(jù)事先得到的頻率與距離之間的映射關(guān)系，將頻率轉(zhuǎn)換為基站與待尋物體之間的距離。

工作原理：超再生接收機(jī)是一種依靠?jī)?nèi)部振蕩器起振時(shí)間的改變來(lái)識(shí)別輸入信號(hào)強(qiáng)弱的裝置，典型的超再生接收機(jī)主要由接收天線、低噪聲放大器(lownoiseamplifier,lna)、超再生振蕩器(superregenerationoscillator,sro)、包絡(luò)檢波解調(diào)電路以及熄滅信號(hào)產(chǎn)生電路等構(gòu)成，如圖1所示。圖2示出了超再生接收機(jī)的振蕩工作原理。超再生接收機(jī)的核心是超再生振蕩器，而超再生振蕩器實(shí)際上是一個(gè)工作在間歇振蕩狀態(tài)的振蕩器，間歇頻率由熄滅信號(hào)決定。當(dāng)沒(méi)有接收到信號(hào)時(shí)，即輸入“0”信號(hào)時(shí)，振蕩器以一個(gè)本振頻率振蕩工作，在每個(gè)間歇周期內(nèi)的起振時(shí)間是相對(duì)穩(wěn)定的一個(gè)值；當(dāng)接收到輸入信號(hào)時(shí)，即輸入“1”時(shí)，振蕩器在每個(gè)間歇周期內(nèi)的起振時(shí)間將縮短，振蕩頻率會(huì)增大。

本發(fā)明主要利用自熄滅式超再生接收機(jī)中的熄滅頻率與接收機(jī)天線接收信號(hào)強(qiáng)度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)進(jìn)行定位。我們知道在同樣的發(fā)射功率下，天線接收到的信號(hào)強(qiáng)度與發(fā)射端的距離存在一定的關(guān)系；而對(duì)自熄滅式超再生接收機(jī)而言，天線接收的輸入信號(hào)強(qiáng)度越高，振蕩器的振蕩建立越快，經(jīng)與基準(zhǔn)電壓比較后產(chǎn)生的自熄滅頻率就越高；這樣就可以將信號(hào)強(qiáng)度與超再生芯片自熄滅頻率之間的關(guān)系，轉(zhuǎn)化為距離與超再生芯片自熄滅頻率之間的關(guān)系。因此，只需通過(guò)測(cè)頻算法測(cè)試該接收機(jī)輸出的自熄滅頻率即可得到有效距離，進(jìn)而利用多節(jié)點(diǎn)定位算法，就可以計(jì)算出發(fā)射端的坐標(biāo)位置。

有益效果：本發(fā)明提出的基于自熄式超再生接收機(jī)的無(wú)線室內(nèi)定位系統(tǒng)和定位方法在室內(nèi)可以達(dá)到較高的定位精度，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)線路簡(jiǎn)單、制造成本低、功耗低、靈敏度高、體積小、適用性高，受外界環(huán)境的影響較小，且不依賴于wi-fi網(wǎng)絡(luò)，可以獨(dú)立組成一套最小定位系統(tǒng)，也可以集成到其他系統(tǒng)內(nèi)。因此，利用本發(fā)明可以做出一款便攜、低成本、低功耗的定位系統(tǒng)，具有實(shí)用意義。

附圖說(shuō)明

圖1為自熄滅超再生無(wú)線接收機(jī)電路結(jié)構(gòu)圖；

圖2為超再生接收芯片振蕩工作原理圖；

圖3為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖4為本發(fā)明的基站內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；

圖5為本發(fā)明的總體定位流程圖；

圖6為本發(fā)明采用的超再生芯片的電路結(jié)構(gòu)圖；

圖7為本發(fā)明的基站中的信號(hào)處理模塊電路結(jié)構(gòu)圖；

圖8為本發(fā)明的室內(nèi)空間坐標(biāo)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖3所示，本發(fā)明的無(wú)線室內(nèi)定位系統(tǒng)包括定位裝置10、基站20和控制終端30，定位裝置10安裝在待尋物體上，基站20包括第一基站21、第二基站22、第三基站23，均布置在定位區(qū)域內(nèi)。定位裝置10、第一基站21、第二基站22、第三基站23以及控制終端30都帶有自熄式超再生接收模塊和發(fā)射模塊。圖4示出了基站的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，三個(gè)基站的內(nèi)部結(jié)構(gòu)均相同，包括超再生接收模塊201、信號(hào)處理模塊202、頻率測(cè)定模塊203和發(fā)射模塊204，各模塊的具體用途在下文詳細(xì)描述。圖5示出了該系統(tǒng)的總體定位流程圖。首先，控制終端30發(fā)射激活信號(hào)，安裝在待尋物體上的定位裝置10接收到激活信號(hào)后被激活，持續(xù)發(fā)射射頻信號(hào)；第一基站21接收到該射頻信號(hào)后，向控制終端30發(fā)送第一距離信息，第二基站22接收到該射頻信號(hào)后，向控制終端30發(fā)送第二距離信息，第三基站23接收到該射頻信號(hào)后，向控制終端30發(fā)送第三距離信息；控制終端30接收到三個(gè)距離信息后，結(jié)合三個(gè)基站在室內(nèi)的坐標(biāo)，利用三點(diǎn)定位算法，計(jì)算出發(fā)射端(即待尋物體)在室內(nèi)空間的坐標(biāo)并顯示，從而實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)定位的功能。

在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明采用市場(chǎng)上可得的自熄滅式超再生芯片scsr118作為超再生接收模塊201，其電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖7所示為基站的信號(hào)處理模塊202的電路結(jié)構(gòu)圖，該信號(hào)處理模塊主要由運(yùn)放opa690搭建實(shí)現(xiàn)，可完成信號(hào)的濾波、整形、限幅穩(wěn)壓。頻率測(cè)定模塊203采用stm32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。發(fā)射模塊204采用市場(chǎng)上可得的315mhz發(fā)射模塊，調(diào)制方式為ook(onoffkeying)調(diào)制。定位裝置10的超再生接收模塊和發(fā)射模塊也采用scsr118芯片和315mhz發(fā)射模塊；控制終端30的超再生接收模塊采用scsr118芯片，為了便于對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行區(qū)分，控制終端30的發(fā)射模塊可以采用433mhz發(fā)射模塊。當(dāng)需要對(duì)待尋物體位置進(jìn)行確定時(shí)，控制終端30的發(fā)射模塊首先發(fā)出一個(gè)433mhz的搜索激活信號(hào)，待尋物體上的定位裝置10接收到該激活信號(hào)之后就會(huì)控制其發(fā)射模塊持續(xù)發(fā)射315mhz信號(hào)。三個(gè)基站接收到該315mhz信號(hào)后，各自的超再生接收芯片scsr118的filt1腳會(huì)輸出自熄滅信號(hào)。該自熄滅信號(hào)被傳送至圖7所示電路中的in+端，先經(jīng)過(guò)電容濾除直流電平，然后作為運(yùn)放整形電路的一個(gè)輸入，運(yùn)放另一個(gè)輸入接地，構(gòu)成過(guò)零比較器，實(shí)現(xiàn)對(duì)該信號(hào)的波形整形得到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)，隨后再通過(guò)一個(gè)二極管去除其負(fù)電壓，最后通過(guò)穩(wěn)壓二極管限幅電路，得到可以供單片機(jī)處理的標(biāo)準(zhǔn)ttl信號(hào)，送入頻率測(cè)定模塊203進(jìn)行測(cè)頻。頻率測(cè)定模塊203對(duì)信號(hào)頻率的測(cè)定，主要是利用單片機(jī)的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器以及中斷的功能。具體如下：設(shè)置單片機(jī)定時(shí)器tim3工作在定時(shí)模式，周期是0.1s；tim1工作在計(jì)數(shù)器模式，計(jì)數(shù)時(shí)鐘為超再生接收模塊的輸出信號(hào)；定時(shí)器每產(chǎn)生一次中斷，記錄一次計(jì)數(shù)器值，乘以10便得到輸入的ttl信號(hào)的頻率。最后選擇多個(gè)中斷所得的頻率最大值作為有信號(hào)時(shí)的頻率。

在上述過(guò)程中，基站向控制終端30發(fā)送的距離信息，是根據(jù)事先得到的超再生接收機(jī)的自熄滅頻率與距離之間的映射關(guān)系轉(zhuǎn)換而來(lái)的。該映射關(guān)系可以通過(guò)多次測(cè)量并記錄距離和頻率，然后用matlab擬合函數(shù)關(guān)系而得到。具體過(guò)程如下：?jiǎn)为?dú)對(duì)每一個(gè)基站，固定它的位置，然后人手持定位裝置10，定位裝置10向基站發(fā)射測(cè)試信號(hào)，基站的超再生接收模塊201接收到測(cè)試信號(hào)后，輸出自熄滅信號(hào)，測(cè)量自熄滅信號(hào)的頻率以及發(fā)射端(即待尋物體)與接收端(即基站)之間的距離，記錄一組距離和頻率，然后人再變動(dòng)位置由近到遠(yuǎn)進(jìn)行測(cè)試，再記錄，直到頻率接近本振的自熄滅頻率結(jié)束測(cè)量。

在本實(shí)施例中，經(jīng)檢測(cè)確定超再生芯片scsr118輸出信號(hào)的自熄滅頻率變化范圍是400khz-800khz，波形為不規(guī)則的ttl信號(hào)，電壓在0.4v-3.3v之間，無(wú)信號(hào)接收時(shí)自熄滅頻率是400khz，有信號(hào)接收時(shí)頻率高于400khz。通過(guò)頻率值的大小與距離之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即可將檢測(cè)得到的頻率值轉(zhuǎn)化為發(fā)射端(即待尋物體)與該接收端(即基站)之間的距離值。至此，在三個(gè)基站分別得到一個(gè)距離值d1、d2、d3，用單片機(jī)對(duì)距離值進(jìn)行編碼，然后通過(guò)每個(gè)基站的發(fā)射模塊204發(fā)送至控制終端30，控制終端30通過(guò)接收模塊接收后由單片機(jī)進(jìn)行解碼，接下來(lái)進(jìn)行定位。

如圖8所示，在定位區(qū)域空間內(nèi)建立坐標(biāo)系統(tǒng)，設(shè)待尋物體上的定位裝置為信號(hào)發(fā)射源t(x,y,z)，放置在定位區(qū)域內(nèi)的三個(gè)基站的坐標(biāo)分別為a(x1,y1,z1)、b(x2,y2,z2)、c(x3,y3,z3)?？刂平K端根據(jù)三點(diǎn)定位算法構(gòu)造兩點(diǎn)間距離方程組如下：

通過(guò)最小二乘法(也可以通過(guò)級(jí)數(shù)展開和加權(quán)概率的方法進(jìn)行優(yōu)化)，最終得到t點(diǎn)的最似然坐標(biāo)t(x,y,z)，并將坐標(biāo)顯示在控制終端30上。當(dāng)控制終端30上顯示出待尋物體的坐標(biāo)時(shí)，待尋物體上的定位裝置10停止發(fā)射信號(hào)。