CN101801084B - 无线局域网中设备定位和跟踪方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本方明公开了一种无线局域网中设备定位和跟踪方法及装置。该方法与装置不局限于室内环境，在无线局域网覆盖下的室外环境同样有效。无线局域网中设备定位和跟踪方法利用至少两个地点测量目标的水平位置定位和垂直位置定位实现无线局域网中设备定位和跟踪，无线局域网中设备定位和跟踪装置包括定向天线、无线网卡、定向天线旋转控制器、无线信号数据采集器、计算与主控制单元以及控制台；本发明不需要借助于无线局域网的基础设施，不需要部署传感器，在三维空间最少仅需要两个点即可定位目标，并可以对移动目标的移动方向进行跟踪。

Description

无线局域网中设备定位和跟踪方法及装置
技术领域
本发明涉及一种在水平和垂直方向对无线局域网中用户无线移动设备进行定位和跟踪的方法和装置。
背景技术
在无线局域网中，对无线终端设备进行定位与跟踪，目前的技术都只涉及定位问题，没有考虑到跟踪问题；且在定位技术中，现有的系统都只是提供两维空间，即经度与纬度的平面定位。
定位系统可以分为室外和室内系统两种。室外定位系统的一个例子是美国的全球定位系统(GPS)，该系统借助于24颗地球同步卫星，用户设备根据接收到的卫星信号计算出当前位置的经纬度。然而该系统在室内环境中由于卫星信号受到建筑物的阻隔无法使用。室内定位系统专为室内环境设计，目前有三类实现方法。第一种技术是采用测量无线信号强度的方法来定位无线设备，该技术需要事先测量出无线信号强度在室内环境中的分布情况，在具体定位时，根据接收到信号的强度，与事先测的信号强度分布情况进行比对，从而计算出无线设备的位置。第二种方法是在室内环境中分布安装传感器，比如申请(专利)号为CN200410067531.9的无线局域网终端设备室内定位方法，利用全向天线根据哪几个传感器能接收到无线设备的信号，计算出设备的位置，该方法需要事先在无线局域网中部署传感器。第三种方法是利用定向天线测量无线信号的来源方向，在三个不同地点进行测量，即可计算出无线设备的位置。
线设备的位置。
虽然定位技术得到了长足的发展，但目前的定位技术所能达到的精度不是很高，而且大多只能对水平平面进行定位，这就使得在高层建筑的室内环境中无法应用目前的技术。
发明内容
为了克服目前技术的不足之处，本发明的主要目的是提供一种基于无线局域网中无线信号传播技术，来实现室内环境下以及无线网络覆盖的室外环境下无线局域网中设备定位以及跟踪的方法和装置。
无线局域网中设备定位和跟踪装置，包括定向天线、无线网卡、定向天线旋转控制器、无线信号数据采集器、计算与主控制单元以及控制台；所述定向天线包括用于测量水平角度的水平定向天线、用于测量垂直角度的垂直定向天线；水平定向天线和垂直定向天线均设置于所述定向天线旋转控制器上；所述计算与主控制单元通过所述无线信号数据采集器与所述定向天线电路连接，无线信号数据采集器将定向天线接收的数据包经过无线网卡的转换传递给计算与主控制单元；所述计算与主控制单元分别电路连接定向天线旋转控制器、无线网卡和控制台，通过天线旋转控制器从而控制定向天线的旋转方位。
所述定向天线旋转控制器包括用于控制水平定向天线旋转的水平旋转电机、用于控制垂直定向天线旋转的垂直旋转电机以及电机控制器；电机控制器分别连接水平旋转电机和垂直旋转电机；在搜集水平信号和垂直信号时，接水平旋转电机和垂直旋转电机分别控制水平定向天线和垂直定向天线旋转以接收无线数据包。
所述计算与主控制单元包括储存装置和计算模块；储存装置用于存储输入的被测设备的MAC地址和无线信号所在的信道号；计算模块用于计算角度、方位值以及检测验证被测设备的MAC地址。
所述垂直定向天线和水平定向天线旋转角度均为360度，以保证全方位检测被测设备信号。
所述垂直定向天线沿垂直面转动，水平定向天线沿水平面转动。
无线局域网中设备定位和跟踪方法具体步骤是：
步骤1、确定并设置无线局域网内两个或两个以上的测量地点同时或顺次展开下述步骤工作；
步骤2、确定要定位或跟踪目标设备的MAC地址，确定任意两地点间的直线距离，以及确定目标无线信号所在的信道号；
步骤3、水平方向搜集源地址是该MAC地址的无线数据包；垂直方向搜集源地址是该MAC地址的无线数据包；
步骤4、在收集的所有水平方向数据包中寻找信号强度最大的方向角度，作为目标的水平信号来源角度并计算其角度值；在垂直方向寻找信号强度最大的方向角度，作为目标的垂直信号来源角度并计算其角度值；
步骤5、固定接收信号角度到所测得水平信号和垂直信号确定的空间方位；
步骤6、设置时间T，若在某个时间段tk中测得最大无线信号强度sk与上一个时间段tk-1中测得的最大无线信号强度sk-1差值的绝对值小于3分贝，则认为该目标处于静止状态，从而检测静止，综合无线局域网内两个或两个以上测量地点所得数据计算所测设备所在方位，进行步骤9；若大于3分贝，则认为该目标处于移动状态，进行步骤7至8；
步骤7、水平向右或向左搜索角度angle1，垂直向上或向下搜索角度angle2，由angle1和angle2确定新位置A；若在新位置A测得的最大无线信号强度变小，则水平向反方向搜索角度angle3同时垂直向反方向搜索角度angle4；若在新位置A测得的最大无线信号强度变大，则水平向原方向搜索角度angle3同时垂直向原方向搜索角度angle4；由angle3和angle4确定新位置B；
步骤8、判断在新位置B测得的最大无线信号强度比上一个位置的最大无线信号强度sk-1差值的绝对值是否小于3分贝；是，则检测静止，综合两个或两个以上测量地点所得数据计算所测设备所在方位，进行步骤9；否，则返回第7步骤；
步骤9、重复步骤3至6到主动结束测量。
原方向或反方向搜索的转向角度为随机值或设定值。
本发明的有益效果是：不需要在局域网范围内布置传感器，对于被测装置定位更加方便，而且精确度高，适合在室内环境下或无线局域网覆盖下的外部区域检测。
附图说明
下面结合说明书附图对本发明进行说明。
图1是无线局域网中设备定位和跟踪装置的结构框图；
图2是无线局域网中设备定位和跟踪方法的流程图。
具体实施方式
如图1所示，无线局域网中设备定位和跟踪装置，由定向天线、无线网卡、定向天线旋转控制器、无线信号数据采集器、计算与主控制单元以及控制台组成；所述定向天线包括用于测量水平角度的水平定向天线、用于测量垂直角度的垂直定向天线；水平定向天线和垂直定向天线均设置于所述定向天线旋转控制器上；所述计算与主控制单元通过所述无线信号数据采集器与所述定向天线电路连接，无线信号数据采集器将定向天线接收的数据包经过无线网卡的转换传递给计算与主控制单元；所述计算与主控制单元分别电路连接定向天线旋转控制器、无线网卡和控制台，通过天线旋转控制器从而控制定向天线的旋转方位。
机、用于控制垂直定向天线旋转的垂直旋转电机以及电机控制器；电机控制器分别连接水平旋转电机和垂直旋转电机；在搜集水平信号和垂直信号时，接水平旋转电机和垂直旋转电机分别控制水平定向天线和垂直定向天线旋转以接收无线数据包。
所述计算与主控制单元包括储存装置和计算模块；储存装置用于存储输入的被测设备的MAC地址和无线信号所在的信道号；计算模块用于计算角度、方位值以及检测验证被测设备的MAC地址。
所述垂直定向天线和水平定向天线旋转角度均为360度，以保证全方位检测被测设备信号。
所述垂直定向天线沿垂直面转动，水平定向天线沿水平面转动。
如图2所示，无线局域网中设备定位和跟踪方法，实施例在两个地点a和b进行测量具体步骤是：
步骤1、确定并设置无线局域网内两个地点a和b同时或顺次展开下述步骤工作；
步骤2、确定要定位或跟踪目标设备的MAC地址，确定a和b间的直线距离，以及确定目标无线信号所在的信道号；
步骤3、定向天线旋转控制器命令水平旋转电机促使水平定向天线在水平方向搜集源地址是该MAC地址的无线数据包；定向天线旋转控制器命令垂直旋转电机促使垂直定向天线在垂直方向搜集源地址是该MAC地址的无线数据包；
步骤4、搜索到的数据包通过无线信号数据采集器整理后传递给计算与主控制单元；计算与主控制单元在收集的所有水平方向数据包中寻找信号强度最大的方向角度，作为目标的水平信号来源角度并计算其角度值；在垂直方向寻找信号强度最大的方向角度，作为目标的垂直信号来源角度并计算其角度寻找信号强度最大的方向角度，作为目标的垂直信号来源角度并计算其角度值；
步骤5、垂直和水平定向天线均固定接收信号角度到所测得水平信号和垂直信号确定的空间方位；
步骤6、计算与主控制单元设置时间T，计算在某个时间段tk中测得最大无线信号强度sk与上一个时间段tk-1中测得的最大无线信号强度sk-1差值的绝对值是否小于3分贝；是，则认为该目标处于静止状态，从而检测静止，计算与主控制单元综合a和b两个测量地点所得数据计算所测设备所在方位，进行步骤9；否，则认为该目标处于移动状态，进行步骤7至8；
步骤7、平定向天线随机向右或向左搜索角度angle1，垂直定向天线随机向上或向下搜索角度angle2，由angle1和angle2确定新位置A；若在新位置A测得的最大无线信号强度变小，则水平定向天线向反方向搜索角度angle3，同时垂直定向天线向反方向搜索角度angle4；若在新位置A测得的最大无线信号强度变大，则水平定向天线向原方向搜索角度angle3，同时垂直定向天线向原方向搜索角度angle4；由angle3和angle4确定新位置B；
步骤8、计算与主控制单元计算并判断在新位置B测得的最大无线信号强度比A位置的最大无线信号强度sk-1差值的绝对值是否小于3分贝；是，则检测静止，计算与主控制单元综合a和b两个测量地点所得数据计算所测设备所在方位，进行步骤9；否，则返回第7步骤；
步骤9、重复步骤3至6到主动结束测量。
静止目标距离地点a的距离d1和距离地点b的距离d2满足如下方程：
d1sin(e1)-d2sin(e2)＝0
d1cos(e1)sin(a1)-d2cos(e2)sin(a2)＝0
d1cos(e1)cos(a1)+d2cos(e2)cos(a2)＝d
计算与主控制单元综合a和b两个测量地点所得数据计算所测设备所在方位，用最小二乘法解此方程组，可得静止目标相对于地点1、地点2的相对位置d。

Claims (5)

1.无线局域网中设备定位和跟踪装置，其特征是：包括定向天线、无线网卡、定向天线旋转控制器、无线信号数据采集器、计算与主控制单元以及控制台组成；所述定向天线包括：用于测量水平角度的水平定向天线和用于测量垂直角度的垂直定向天线；水平定向天线和垂直定向天线均设置于所述定向天线旋转控制器上；所述计算与主控制单元通过所述无线信号数据采集器与所述定向天线电路连接；所述计算与主控制单元分别电路连接定向天线旋转控制器、无线网卡和控制台；
所述的定向天线旋转控制器包括用于控制水平定向天线旋转的水平旋转电机、用于控制垂直定向天线旋转的垂直旋转电机以及电机控制器；电机控制器分别连接水平旋转电机和垂直旋转电机；在搜集水平信号和垂直信号时，水平旋转电机和垂直旋转电机分别控制水平定向天线和垂直定向天线旋转以接收无线数据包；
所述计算与主控制单元包括储存装置和计算模块；储存装置用于存储输入的被测设备的MAC地址和无线信号所在的信道号；计算模块用于计算角度、方位值以及检测验证被测设备的MAC地址。
2.根据权利要求1所述的无线局域网中设备定位和跟踪装置，其特征是：所述垂直定向天线和水平定向天线旋转角度均为360度。
3.根据权利要求2所述的无线局域网中设备定位和跟踪装置，其特征是：所述垂直定向天线沿垂直面转动，水平定向天线沿水平面转动。
4.无线局域网中设备定位和跟踪方法，其特征在于：具体步骤是：
步骤1、确定并设置无线局域网内两个或两个以上的测量地点顺次展开下述步骤工作；
步骤2、确定要定位或跟踪目标设备的MAC地址，确定任意两地点间的直线距离，以及确定目标设备无线信号所在的信道号；
步骤3、水平方向搜集源地址是该MAC地址的无线数据包；垂直方向搜集源地址是该MAC地址的无线数据包；
步骤4、在收集的所有水平方向数据包中寻找信号强度最大的方向角度，作为目标设备的水平信号来源角度并计算其角度值；在垂直方向寻找信号强度最大的方向角度，作为目标设备的垂直信号来源角度并计算其角度值；
步骤5、固定接收信号角度到所测得水平信号和垂直信号确定的空间方位；
步骤6、设置时间t，若在某个时间段tk中测得最大无线信号强度sk与上一个时间段tk-1中测得的最大无线信号强度sk-1差值的绝对值小于3分贝，则认为该目标设备处于静止状态，从而检测静止，综合无线局域网内两个或两个以上测量地点所得数据计算所测设备所在方位，进行步骤9；若大于3分贝，则认为该目标设备处于移动状态，进行步骤7至8；
步骤7、水平向右或向左搜索角度angle1，垂直向上或向下搜索角度angle2，由angle1和angle2确定新位置A；若在新位置A测得的最大无线信号强度变小，则水平向反方向搜索角度angle3同时垂直向反方向搜索角度angle4；若在新位置A测得的最大无线信号强度变大，则水平向原方向搜索角度angle3同时垂直向原方向搜索角度angle4；由angle3和angle4确定新位置B；
步骤8、判断在新位置B测得的最大无线信号强度比上一个位置的最大无线信号强度sk-1差值的绝对值是否小于3分贝；是，则检测静止，综合两个或两个以上测量地点所得数据计算所测设备所在方位，进行步骤9；否，则返回第7步骤；
步骤9、重复步骤3至6到主动结束测量。
5.根据权利要求4所述的无线局域网中设备定位和跟踪方法，其特征在于：原方向或反方向搜索的转向角度为随机值或设定值。
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