CN102542315A - 基于zigbee的双向定位、报警、寻呼功能的电子身份卡 - Google Patents

Abstract

基于Zigbee的双向定位、报警、寻呼功能的电子身份卡本发明阐述了一种新型的电子身份卡。该卡具有身份识别功能，双向定位功能，同时具有四个报警按钮，具有寻呼工能，以及提示功能。由于RFID射频卡在井下仅仅能够单向实现人员考勤这一单一功能，引入Zigbee技术，该技术的运用不单单可以实现身份识别这一功能，同时还可以实现人员定位管理跟踪功能。同样这种基于Zigbee的身份识别定位方案还可以传输数据，区别于普通的身份识别卡，该卡还具有报警功能，如遇到突发事件或者危险时，可以按身份卡上的按键进行报警，通过Zigbee具有的传输功能把报警信号传输到信息管理平台上，为地上的管理人员进行施救做出第一时间和最及时的信息提供。

Description

基于zigbee的双向定位、报警、寻呼功能的电子身份卡

技术领域

本发明涉及身份识别技术，特别涉及一种具有定位、报警、寻呼等功能的双向通信识别卡。

背景技术

目前市场上流行的身份识别卡是基于射频识别技术为基础的。射频识别技术，是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术。RFID标签具有体积小、容量大、寿命长、可重复使用等特点，可支持快速读写、非可视识别、移动识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理。RFID按应用频率的不同分为低频(LF)、高频(HF)、超高频(UHF)、微波(MW)，相对应的代表性频率分别为：低频135KHz以下、高频13.56MHz、超高频860M～960MHz、微波2.4G，5.8G。RFID技术的基本工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(Passive Tag，无源标签或被动标签)，或者主动发送某一频率的信号(Active Tag，有源标签或主动标签)；解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。但是基于RFID的身份识别卡具有数据单向传输的特点，同时，目前的身份识别卡只是单一的识别卡，不具有定位，报警，寻呼等功能。这样本发明就阐述了一个新的身份识别卡，这种识别卡具有定位管理，报警寻呼指示等双向通信功能，为我们的实际应用带来了极大地便利。我们的定位是通过Zigbee技术的引进实现的，Zigbee不但可以实现定位功能，同时可进行双向通信，具有功率低等特点。

而ZigBee技术是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。ZigBee的基础是IEEE 802.15.4，这是IEEE无线个人区域网(Personal Area Network，PAN)工作组的一项标准，被称作IEEE 802.15.4(ZigBee)技术标准。Zigbee属于短距离的无线通信技术，使用2.4GHz频段，采用DSSS技术。Zigbee具有以下特点：

1功耗低，发射功率仅为1mw，因此，ZigBee设备非常省电，仅用两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的时间，非常适合在井下使用。

2成本低，并且ZigBee协议是免费的

3节点容易配置，工作在ISM 2.4GHz频段，可以组成Ad.hoc网络，在突发情况下，通信节点如果发生通信链路的中断，会自发寻找附近可以链接的链路，实现与上一层节点的通信，特别适用在矿难的情况下应用。

4ZigBee采取了碰撞避免策略，可以避开发送数据的竞争与冲突，提供了基于循环冗余校验的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用AES-128加密算法，安全性能高。

5网络容量大，一个ZigBee网络最多可以包括1个ZigBee主设备，254个ZigBee从设备，对于人员密集的井下作业情况比较适用。

在传感器网络定位过程中，通常会使用三边测量法、三角测量法或极大似然估计法确定节点位置。根据定位过程中是否实际测量节点间的距离或角度，把传感器网络中的定位分为于距离有关的定位和与距离无关的定位。而与距离无关的定位由于降低了对节点硬件的要求，使得节点更适合于大规模传感器网络，且定位性能受环境的影响小，是目前大家重点关注的定位机制，主要有质心算法，DV-Hop算法、Amorphous算法、APIT算法等。

发明内容

本发明在身份识别的基础上，扩展了定位管理，报警指示，双向通信，寻呼等功能。本发明实现了基于Zigbee技术的身份识别卡，代替了市场上常见的RFID技术。同样在身份卡上还集成了报警模块，电源模块，定位模块等。具体发明内容为

1基于Zigbee网络的身份识别卡

2基于Zigbee技术的人员定位技术

3基于功率检测的电池管理技术

4在身份识别卡上实现双向通信功能

5在身份识别卡上具有报警按键，可实现快速实时的报警信息

6在身份识别卡上具有蜂鸣和LED等指示功能，可以准确快速的传递指挥中心信息

附图说明

图1为本发明身份识别卡的硬件结构示意图

图2为本发明平面定位算法示意图

图3为本发明空间8点定位算法示意图

具体实施方法

身份识别卡的硬件原理图如图1所示。其中包括处理器部，电源模块，存储器模块，身份识别和定位模块和输入输出模块等。身份识别和定位模块我们选择CC2430来实现。TI的芯片CC2430是它所并购的Chipcon公司开发的一款芯片，于2003年底推出，兼容2.4GHz IEEE802.15.4。CC2420基于Chipcon公司的SmartRF03技术，使用0.18umCMOS制造工艺，具有很高的集成度。CC2430提供一个SPI接口与微处理器连接，通过该接口完成设置和收发数据两方面的任务。CC2430具有完全集成的压控振荡器，只需要天线、16MHz晶振等非常少的外围电路就能在2.4GHz频段上工作。具有可编程的发射功率，从.25dBm到0dBm可调，发射和接收电流分别为17.4mA和18.8mA，在误码率为1％时接收灵敏度为.85dBm，供电电压2.1V-3.6V，消耗的电流在空闲模式下为426uA，低功耗模式下为20uA。CC2430用硬件实现了IEEE802.15.4的MAC子层安全操作。IEEE802.15。4中MAC子层的安全操作有三种：计数器(CounTeR，CTR)加解密模式、CBC.MAC鉴别模式和CCM(CTR+CBC-MAC)加解密+鉴别模式，所有模式都是基于128位的AES加密。在CC2430中，操作都是以MAC帧为单位在FIFO缓存区中由硬件完成的，它所使用的处理器是最常见的8051处理器。中心处理器我们选用ARM7来实现。输入设备，我们选择四个报警按钮来实现，分别代表塌方、火灾、一氧化碳泄露，和其他报警。输出模块主要有蜂鸣器和指示灯组成，当有紧急指示时，蜂鸣器和指示灯则可分别代表各自的意思。这样的设计可以使用户更加直观方便。

信号强度(RSS)在复杂的环境中，会受到障碍物或者反射等的影响，本发明使用LQI参数，LQI(LinkQuality Indicator)是链路质量指示，表征接收数据帧的能量与质量，实际是一个电波损耗的值，只要组建的网络健壮性足够好，实时的数据帧的质量就会上报。其大小基于信号强度以及检测到的信噪LL(SNR)，由MAC(Media Access Control)层计算得到并提供给上一层，RSSI值和LQI值在ZigBee模块每接收一个数据帧时都可以得到，及时反映信号强度的变化和受到的干扰的变化。LQI的动态范m(0-255)Lk RSSI大，有更高的分辨率。把LQI值融入距离估计算法将使基于RSSI的测距技术有提高的空间。

解决平面定位问题，需要3个锚节点就可以实现。如图x所示，假定End节点A即图2中矿井工作人员，在Router节点B、C和Coordinator节点D的信号覆盖范围之内，其中节点B、C、D为位置已知的锚节点，节点A为待定位节点。通过与实测的LQI值比较，可以得到A到B、C、D的距离R_ad，R_ac和R_ab已知R_bd＝2n；R_cd＝2m；图中三角形BCD的重心作为坐标原点。如图2所示，简化计算以CD中心为原点，可以计算：

(x-m)²+y²＝R_ac，(x+m)²+y²＝R_ad

以BD为原点，可以计算：

(x-n)²+y²＝R_ab，(x+n)²+y²＝R_ad

由上述公式，它们的公共解就是End节点A的位置，计算出来的值都是相对于锚节点的相对位置，在做实际定位的时候，关心的是未知节点相对于锚节点的位置，所以不需要将相对的坐标对应三角形BCD的重心再转换为绝对坐标。同理，三维空间上Z坐标可以通过增加一个Router节点来得到。在后面的算法中会介绍到。

误差分析1：实际上得到的计算值不可能为一个交点。只能得到一个大概的区域范围区间解(在正方形内)，通过解2、解3取平均来得到

误差分析2：在ZigBee模块测量过程中，有可能会发生数据包的丢失，或者是空气和其他噪声会引起测量数值的波动。所以采用每10次接收值做一次平均，然后与下一次平均值再做一次逐差，以消除系统噪声的误差，发数据的间隔时间采用0.05秒。

以下提出本文基于LQI的8点定位算法。完成平面定位至少要确定3个锚节点的方位，要完成空间的定位则至少要知道4个锚节点的方位。对于8点定位，如图3所示，空间8点A、B、C、D、E、F、G、H位置可以构成一个立方体，8个点均为锚节点，待定位的节点位于立方体内部，为了减小定位的系统误差，在立方体内部确定一个固定位置的参照点M(X，Y，Z)，立方体的重心为原点，如图3所示，根据M点的LQI值，以及任意4个锚节点坐标(x_i，y_i，z_i)，i＝1，2，3，4和以下方程(x-x_i)²+(y-y_i)²+(z-z_i)²＝d_i ²，i＝1，2，3，4求解出：

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=2{\left[\begin{array}{c}{x}_1-x_4,y_1-y_4,z_1-z_4\\ x_2-x_4,y_2-y_4,z_2-z_4\\ x_3-x_4,y_3-y_4,z_3-z_4\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{x_1}^2-{x_4}^2+{y_1}^2-{y_4}^2+{z_1}^2-{z_4}^2+{d_1}^2-{d_4}^2\\ {x_2}^2-{x_4}^2+{y_2}^2-{y_4}^2+{z_2}^2-{z_4}^2+{d_2}^2-{d_4}^2\\ {x_3}^2-{x_4}^2+{y_3}^2-{y_4}^2+{z_3}^2-{z_4}^2+{d_3}^2-{d_4}^2\end{array}\right]$

则系统误差为ΔX＝X-x，ΔY＝Y-y，ΔZ＝Z-z，对于一般待定位的节点F(真实位置(X_F，Y_F，Z_F))，任意4个锚节点的组合可以估算出其大致的方位，再增加一个锚节点，就可以唯一计算出待定位节点的位置，那么每个待定位的节点在立方体中就存在

即56组可能的解，对56组解逐差，最后可以得到存在于定位空间的噪声N(N_X，N_Y，N_Z)，对56组解求平均，可以得到待定位节点F的计算位置F′(x_F，y_F，z_F)，则有以下公式成立。X_F＝x_F+ΔX+N_x，Y_F＝y_F+ΔX+N_y，Z_F＝z_F+ΔX+N_z，如果考虑待定节点位置移动的瞬时性，则有下列公式成立

$X_F=x_F+\mathrm{\ΔX}+N_x+\frac{d(x_F+\mathrm{\ΔX}+N_x)}{\mathrm{dt}}(t-t_0)$

$Y_F=x_F+\mathrm{\ΔY}+N_y+\frac{d(y_F+\mathrm{\ΔY}+N_y)}{\mathrm{dt}}(t-t_0)$

$Z_F=z_F+\mathrm{\ΔZ}+N_z+\frac{d(z_F+\mathrm{\ΔZ}+N_z)}{\mathrm{dt}}(t-t_0)$

(t-t₀)为待定位节点两个时刻的时间差，有了变化率就可以抵消待定位点F与参照点M共有的误差，比如电磁波绕射引起的误差，使最后得到的计算值更加接近待定位节点的真实位置，提高定位的准确性。

Claims (9)

1.一种新型身份识别卡，其特征可以真正实现智能化双向互动的一个井下人员生命终端。

2.根据权利要求1所描述的电子身份卡，其特征可以有效的识别佩戴者的身份。

3.根据权利要求1所描述的电子身份卡，其特征具有人员定位功能，可以有效的对佩戴者进行精确定位。

4.根据权利要求1所描述的电子身份卡，其特征具有数据传输功能，Zigbee网络支持双向通信，该身份卡可以支持小数据量的通讯。

5.根据权利要求1所描述的电子身份卡，其特征具有紧急报警功能，该卡面上具有4个报警按钮，在危险时可以按这四个报警按钮向信息中心报警，为中心提供最新最及时的信息。

6.根据权利要求1所描述的电子身份卡，其特征具有提示功能，可以有效的指示帮助佩戴者行动。该卡上具有蜂鸣和指示灯，可以为佩戴者提供提示或者行动指示，可以最快的把信息传输给佩戴者。

7.根据权利要求1所描述的电子身份卡，其特征由Zigbee实现，由CC2430芯片作为其网络处理芯片，由一ARM7作为其主处理器。

8.根据权利要求3，该定位功能由加权质心RSSI算法实现，并由卡尔曼滤波进行精确定位处理。

9.根据权利要求5，该按键为塌方，火灾，一氧化碳中毒和其他告警四种告警按钮，可以满足上井下告警需要。 

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