CN102264128A

CN102264128A - 基于无线传感网的人员实时定位装置

Info

Publication number: CN102264128A
Application number: CN2011100413797A
Authority: CN
Inventors: 赵壮; 高雪; 王钦; 王江; 张锦刚
Original assignee: Wuxi Ubisensing Internet Of Things Technology Co Ltd
Current assignee: Wuxi Ubisensing Internet Of Things Technology Co Ltd
Priority date: 2011-06-27
Filing date: 2011-06-27
Publication date: 2011-11-30

Abstract

基于无线传感网的人员实时定位装置，它涉及无线传感网络技术领域。它包含定位终端(1)、定位基站(2)和上位机(3)，定位终端(1)通过无线信号与上位机(3)相连，上位机(3)与定位基站(2)相连。它的定位设备兼顾室内室外情况、适合非视距传输、远距离传输，设备低成本、低功耗、定位精确度较高。

Description

基于无线传感网的人员实时定位装置

技术领域

本发明涉及无线传感网络技术领域，尤其涉及一种基于无线传感网的人员实时定位装置。

背景技术

实时定位装置的定位目标是在特定区域（如监狱、医院、居住小区、校园等）内的各种人员（如管理人员、临时访问人员和被监护人员等）等，定位装置按算法可分为两大类：基于测距（range-based）的定位技术和无需测距（range-free）的定位技术。

基于测距的定位技术可以划分为：1、三边定位和多边定位：a)信号强度（RSS）；b)信号传播时间/时间差（TOA/TDOA/RTOF）；c)接收信号相位（PDOA）；d)近场电磁测距（NFER）。2、接收信号的角度（AOA, Arrival of Angle）。3、多边测量估计：a)最小二乘法（LS）; b)极大似然估计（MLE）；c)最小均方差（MMSE）。

无需测距的定位技术可以划分为：1、质心算法；2、距离向量（DV-Hop）算法；3、不定形（Amorphous）定位算法：如蚁群并行计算；4、近似三角形内点测试（APIT）算法。

按实现载体分类主要包括：基于无线传感网络（WSN），射频识别技术（RFID），无线WIFI网络，超宽带技术（UWB），红外线标识技术（Infrared Landmark）和超声波技术（Ultrasonic）等。

传统的实时定位装置不能同时兼顾室内室外情况、适合非视距传输及远距离传输，设备成本高，功耗高，定位精度不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于无线传感网的人员实时定位装置，它的定位设备兼顾室内室外情况、适合非视距传输、远距离传输，设备低成本、低功耗、定位精确度较高。

为了解决背景技术所存在的问题，本发明是采用以下技术方案：它包含定位终端、定位基站和上位机，定位终端通过无线信号与上位机相连，上位机与定位基站相连。

所述的定位终端由需要定位的目标人群每人随身佩戴一个，每个定位终端具有无线通信装置，可以作为信号源周期性发送无线定位信号（即心跳信号），并接收来自定位基站的控制信息，实时调整心跳周期和发送功率，从而做到动态节能。

所述的定位基站主要功能为接收（无线）心跳信号，测量信号强度，缓冲汇集后发送给上位机。在整个系统中起承上启下的作用；同时接收上位机的指令，修改相应的数据结构（见下），并发送确认（ACK）信息给定位终端，转发配置信息，调节归属定位终端的信号强度。定位基站是预先部署的，且一般许多部署多个，从而覆盖所需定位区域。定位基站可以安装在建筑物的适当位置，以利于无线通信。

所述的上位机为本装置的定位方案的数据处理端，并对业务逻辑提供统一的接口。主要功能为处理来自定位基站的统计信息，根据RSS和MLE算法计算出各个定位终端的位置信息；并发送配置信息给定位基站，令其修改定位终端归属表。上位机还完成定位终端报警信息的上报、与客户端通信、转发客户端命令等功能。

本发明中的定位终端、定位基站和上位机组成了两个子系统，即数据服务子系统和目标定位子系统：数据服务子系统由上位机和定位基站组成，主要功能为通过定位算法把定位基站采集的心跳信息转化为定位终端的位置信息，向客户端提供位置信息服务；将客户端的业务逻辑转化为系统的配置信息，提高本方案的通用性。目标定位子系统由定位基站和定位终端组成，主要功能是完成定位终端信号采集，方案中远距离通信和低功耗的平衡以及负载平衡问题在这个系统内解决。

本发明的占空比动态可调：根据佩戴定位终端载体的类型（危险、重要、一般）、所处的物理位置（室内、室外）、当前时间（白天，夜晚）等，动态调节占空比（和具体业务相关），大大延长电池使用寿命；发送功率动态可调：实时根据定位基站与定位终端的位置和定位算法，调节定位终端发送功率，在定位精度与节能之间取得平衡；与业务耦合度低：减少通讯与业务的耦合度，可移植性强，本发明通过上述消息流程很好的将业务应用与底层系统相分离，在保证系统通用性的同时，做到时域、地域、应用场景的动态调节；定位终端工作在动态可调节的低占空比模式下，电池寿命长、定位精度比较高、实时性好。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中定位终端1的状态转移图；

图3为本发明的实时定位装置的注册流程、心跳流程、事件处理和操作维护流程图；

图4为本发明中定位终端1的唤醒过程图。

具体实施方式

参照图1-4，本具体实施方式采用以下技术方案：它包含定位终端1、定位基站2和上位机3，定位终端1通过无线信号与上位机3相连，上位机3与定位基站2相连。

所述的定位终端1由需要定位的目标人群每人随身佩戴一个，每个定位终端具有无线通信装置，可以作为信号源周期性发送无线定位信号（即心跳信号），并接收来自定位基站的控制信息，实时调整心跳周期和发送功率，从而做到动态节能。

所述的定位终端动态实时调整系统参数的方法，其中系统参数为发送功率和心跳周期，其中：定位终端的主要能耗 = 发送功率*发送时间（即占空比或心跳周期）。发送周期受目标人群的属性（重要、一般）、时间（白天、夜晚）和目标所处位置（室内、室外）等多方面因素相关。发送功率主要与定位基站和定位终端的位置相关即目标离定位基站近，即可减小发送功率，目标里定位基站远即可加大发送功率，不需要人为干预，这种能耗调节在定位基站上自动完成。

所述的定位基站2主要功能为接收（无线）心跳信号，测量信号强度，缓冲汇集后发送给上位机。在整个系统中起承上启下的作用；同时接收上位机的指令，修改相应的数据结构（见下），并发送确认（ACK）信息给定位终端，转发配置信息，调节归属定位终端的信号强度。定位基站是预先部署的，且一般许多部署多个，从而覆盖所需定位区域。定位基站可以安装在建筑物的适当位置，以利于无线通信。

所述的上位机3为本发明定位方案的数据处理端，并对业务逻辑提供统一的接口。主要功能为处理来自定位基站的统计信息，根据RSS和MLE算法计算出各个定位终端的位置信息；并发送配置信息给定位基站，令其修改定位终端归属表。上位机还完成定位终端报警信息的上报、与客户端通信、转发客户端命令等功能。

本具体实施方式中的定位终端1、定位基站2和上位机3组成了两个子系统，即数据服务子系统和目标定位子系统：数据服务子系统由上位机和定位基站组成，主要功能为通过定位算法把定位基站采集的心跳信息转化为定位终端的位置信息，向客户端提供位置信息服务；将客户端的业务逻辑转化为系统的配置信息，提高本方案的通用性。目标定位子系统由定位基站和定位终端组成，主要功能是完成定位终端信号采集，方案中远距离通信和低功耗的平衡以及负载平衡问题在这个系统内解决。

本具体实施方式涉及的定位流程为：归属定位：物理上距离定位终端最近的定位基站为定位终端的归属定位基站，即离定位终端最近的定位基站收到的心跳信息信号强度最强，归属定位就是找出某个定位终端的归属定位基站，由于定位基站之间不互相通讯，所以定位基站也无法做出信号强弱的比较，只能上传给上位机，比较操作由上位机完成，并下发给相应定位基站；精确定位：定位终端周期发送信号后，周围定位基站均检测信号强度，上报给上位机，根据最小二乘法、信号强度距离公式和欧式空间两点间距离公式计算目标绝对坐标，表示为xyz形式；定位终端表：在上位机保存，以定位终端 ID为键值，记录当前归属定位基站和信号强度以及定位基站链表。定位基站链表为收到该定位终端心跳的所有定位基站信息表，以（定位基站ID，RSSI）的形式存储，并按照RSSI从大到小排列。根据定位基站上报的信息更新,并定期删除过期的记录；定位基站表：在上位机保存，以定位基站 ID为键值，记录归属于当前定位基站的定位终端，以（定位终端ID，RSSI）形式，根据定位终端表的变化而变化；定位终端归属（belong）表：在定位基站中保存，以定位终端 ID为键值，记录当前归属于本定位基站的定位终端，用于给定位终端发应答消息和配置消息。

本具体实施方式的定位技术方案可通过两个层面来反映。微观层面：定位终端的状态机；宏观层面：定位终端1、定位基站2和上位机3的消息流程图。

定位终端分为四个状态，即：注册状态、心跳状态、事件状态和操作维护状态。注册状态：定位终端上电后的默认状态，此时定位终端发送注册信息给定位基站，当接收到定位基站的确认信息后，配置心跳周期、发送功率，即完成注册，之后进入心跳状态；心跳状态：在此状态下，定位终端周期性地发送心跳信号，如果定位终端收不到定位基站的心跳应答，则转化为注册状态，如果在心跳状态下收到配置信息，定位终端转化为操作维护状态；定位终端检测到事件发生（主动、被动报警），则转化为时间状态；事件状态：被定位的目标人主动按键或者传感器采样的数据大于某一阈值，触发事件，阀值类型和大小和业务应用相关。事件发生后会持续报警，只有报警现象解除并且上位机下发报警解除配置消息后定位终端才会恢复为注册状态，确保报警信息不会因为无线通信信道不稳定而丢失；操作维护状态：主要功能为设备的状态维护、参数的配置、代码更新、异常检测等，一般分为主动和被动两种方式，主动方式由上位机通过下发命令来完成，被动方式由定位终端定期上报来完成。

与状态转移相对应的消息流程包括注册流程、心跳流程、事件处理流程、操作维护流程（参照图3）。

注册流程：1）定位终端上电后，加载FLASH中默认配置（定位终端ID、版本信息、报警开关、阈值参数等），并全功率广播注册信息，之后射频前端从发送状态切换为接收状态，等待定位基站的注册应答，此时启动应答定时器。在定时器超时之前若收到定位基站的注册应答，定位终端则按照应答包中的内容修改心跳周期(PERIOD)和发送功率(POWER)。否则重复注册流程，直到注册成功或注册连续累计不成功次数超过给定门限值；2）定位基站收到定位终端的注册信号后，测量该注册信息的信号强度，并将（定位终端ID RSSI值）存入本地的缓冲区，每二分之一周期，将缓冲区中的信息发送给上位机，形式如：定位基站ID NUM（定位终端ID，RSSI）（定位终端ID，RSSI）（定位终端ID，RSSI）…；定位基站收到上位机的配置命令Config定位基站后，修改定位终端归属表（即：belong表），并根据新的定位终端归属表决定是否需要给定位终端发送注册。如果需要发送注册，应答包中包括心跳周期（由上位机配置）和发送功率（由定位基站和定位终端的估测距离计算而得）。

心跳流程：定位终端进入心跳状态后，以当前的发送功率发送心跳，心跳包括当前发送功率，并启动应答定时器。在定时器超时之前若收到定位基站的心跳应答，修改发送功率和发送周期，之后根据当前周期休眠；否则进入注册状态。1)定位终端的休眠唤醒过程如图4：上位机收到定位基站的数据包，将定位基站ID-定位终端ID一对多的关系分解为定位终端ID-定位基站ID的项，插入定位终端表中，重新排列定位基站链表并根据归属定位算法计算出定位终端的归属定位基站，相应的修改定位基站表并发送Config定位基站命令给对应定位基站，其中包含对定位终端归属表的新配置（添加和删除）；2) 定位基站收到定位终端的心跳消息后，根据定位终端归属表判断是否需要做出心跳应答，但是无论该定位终端是否归属本定位基站，都需要测量该信号强度，并存入本地缓冲区，每二分之一周期，将缓冲区内容发送给上位机，数据形式如：定位基站ID（定位终端ID，RSSI）（定位终端ID，RSSI）（定位终端ID，RSSI）…；定位基站收到上位机的Config定位基站命令后，修改定位终端归属表（添加或者删除），并在下一次定位终端心跳时，把定位基站的归属变更发给定位终端（包括周期和发送功率）；3) 上位机收到定位基站的数据将定位基站ID-定位终端ID一对多的关系分解为定位终端ID-定位基站ID的项，插入定位终端表中，按RSSI从大到小重新排列定位基站 list并根据归属定位算法计算出定位终端的归属定位基站，相应的修改定位基站表并发送Config定位基站命令。

事件处理流程：1)定位终端在每次唤醒后，执行传感器采样，如果采样数据大于某一阈值（与业务相关），则触发事件，定位终端以全功率广播事件消息。事件发生后会持续报警，每秒重复一次，只有报警现象解除并且上位机下发报警解除配置后定位终端才会恢复注册状态;2)定位基站封装报警消息并加入定位基站ID等信息，之后立即发送给上位机；上位机会对同一报警在时间上压缩，传递给客户端，具体处理与业务相关；3)用户处理完报警现象并且通过客户端解除定位终端报警，上位机检查定位终端归属表，执行定位终端到定位基站的映射，定位基站将该命令封装为报警解除命令发给对应定位终端。

操作维护流程：操作维护分为对定位基站的操作和对定位终端的操作，具体操作分为状态查询、参数配置、代码更新三部分。1)状态查询：查询定位终端 ID、心跳周期、发送功率、版本号、报警类型、报警阀值；2)参数配置：配置各个参数，参数同状态查询各个域；3)代码更新：定位基站与上位机之间通过有线网络进行通信，采用TCP/IP协议，可靠性高，采取一次全部升级方式，更新定位基站的代码；定位终端与定位基站之间通过433或780MHz等频段进行无线通信，可靠性较低，采用单定位终端升级方式，上位机将定位终端代码发逐行送给定位基站，再由定位基站转发给定位终端。

本具体实施方式的占空比动态可调：根据佩戴定位终端载体的类型（危险、重要、一般）、所处的物理位置（室内、室外）、当前时间（白天，夜晚）等，动态调节占空比（和具体业务相关），大大延长电池使用寿命；发送功率动态可调：实时根据定位基站与定位终端的位置和定位算法，调节定位终端发送功率，在定位精度与节能之间取得平衡；与业务耦合度低：减少通讯与业务的耦合度，可移植性强，本发明通过上述消息流程很好的将业务应用与底层系统相分离，在保证系统通用性的同时，做到时域、地域、应用场景的动态调节；定位终端工作在动态可调节的低占空比模式下，电池寿命长、定位精度比较高、实时性好。

Claims

1.基于无线传感网的人员实时定位装置，其特征在于它包含定位终端(1)、定位基站(2)和上位机(3)，定位终端(1)通过无线信号与上位机(3)相连，上位机(3)与定位基站(2)相连。

2.根据权利要求1所述的基于无线传感网的人员实时定位装置，其特征在于所述上位机(3)和定位基站(2)组成数据服务子系统，所述的定位基站(2)和定位终端(1)组成目标定位子系统。

3.根据权利要求1所述的基于无线传感网的人员实时定位装置，其特征是：每个定位终端具有无线通信装置，可以作为信号源周期性发送无线定位信号（即心跳信号），并接收来自定位基站的控制信息，实时调整心跳周期和发送功率；所述的定位基站能接收心跳信号，测量信号强度，缓冲汇集后发送给上位机；同时接收上位机的指令，修改相应的数据结构，并发送确认信息给定位终端，转发配置信息，调节归属定位终端的信号强度；所述的上位机为本装置的数据处理端，并对业务逻辑提供统一的接口，处理来自定位基站的统计信息，根据RSS和MLE算法计算出各个定位终端的位置信息；并发送配置信息给定位基站，令其修改定位终端归属表；上位机还完成定位终端报警信息的上报、与客户端通信、转发客户端命令等功能。