CN102780972A

CN102780972A - 一种微功耗无线网络实时定位系统

Info

Publication number: CN102780972A
Application number: CN2011101237133A
Authority: CN
Inventors: 李文仲
Original assignee: CHENGDU WIRELESS DRAGON COMMUNICATION TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: CHENGDU WIRELESS DRAGON COMMUNICATION TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2011-05-13
Filing date: 2011-05-13
Publication date: 2012-11-14

Abstract

本发明公开了一种微功耗无线网络实时定位系统，包括应用软件、定位引擎、Zigbee网络网关、参考节点、定位标签；其中，由应用软件和定位引擎组成的软件系统通过人机交互系统与Zigbee网络网关之间有线连接，Zigbee网络网关与若干参考节点以及相互临近的各参考节点之间通过Zigbee网络进行无线通讯；在参考节点内设置有Zigbee网络信号无线收发系统和433M频率信号无线收发系统，定位标签与参考节点之间通过433M频率进行无线通讯。本发明结合了Zigbee网络、433M有源RFID网络，充分发挥这两类无线网络的特点和优势，改进了无线网络覆盖范围小、定位精度不高、网络容量小等诸多问题，可以准确、大范围、大容量地实现室内定位。

Description

一种微功耗无线网络实时定位系统

技术领域

本发明涉及一种无线网络实时定位系统，尤其涉及一种可以准确、大范围、大容量地实现室内定位的微功耗无线网络实时定位系统，属于无线网络实时定位系统尤其是室内定位系统的生产领域。

背景技术

目前常见的定位技术主要有GPS卫星定位、蓝牙定位、WIFI网络定位、GPRS/CDMA移动通讯技术定位等。

全球定位系统(Global Positioning System，即GPS卫星定位系统)是美国从20世纪70年代开始研制，具有在海、陆、空进行全方位实时三维定位的新一代卫星导航与定位系统。GPS定位原理实质上就是测量学的空间测距定位。其特点是利用平均20200km高空均匀分布在6个轨道上的24颗卫星，发射测距信号及载波，用户通过接收机接收这些信号测量卫星至接收机之距，一般地形条件下可见4至12颗卫星，解这些方程，便可知地面点位坐标。它的优点是覆盖范围广，定位准确，而且目前应用很普及；但是它不能用于室内定位。

红外线室内定位技术：红外线室内定位技术定位的原理是，红外线IR标识发射调制的红外射线，通过安装在室内的光学传感器接收进行定位。虽然红外线具有相对较高的室内定位精度，但是由于光线不能穿过障碍物，使得红外射线仅能视距传播。直线视距和传输距离较短这两大主要缺点使其室内定位的效果很差。当标识放在口袋里或者有墙壁及其他遮挡时就不能正常工作，需要在每个房间、走廊安装接收天线，造价较高。因此，红外线只适合短距离传播，而且容易被荧光灯或者房间内的灯光干扰，在精确定位上有局限性。

超声波定位技术：超声波测距主要采用反射式测距法，通过三角定位等算法确定物体的位置，即发射超声波并接收由被测物产生的回波，根据回波与发射波的时间差计算出待测距离，有的则采用单向测距法。超声波定位系统可由若干个应答器和一个主测距器组成，主测距器放置在被测物体上，在微机指令信号的作用下向位置固定的应答器发射同频率的无线电信号，应答器在收到无线电信号后同时向主测距器发射超声波信号，得到主测距器与各个应答器之间的距离。当同时有3个或3个以上不在同一直线上的应答器做出回应时，可以根据相关计算确定出被测物体所在的二维坐标系下的位置。超声波定位整体定位精度较高，结构简单，但超声波受多径效应和非视距传播影响很大，同时需要大量的底层硬件设施投资，成本太高。

蓝牙技术：蓝牙技术通过测量信号强度进行定位。这是一种短距离低功耗的无线传输技术，在室内安装适当的蓝牙局域网接入点，把网络配置成基于多用户的基础网络连接模式，并保证蓝牙局域网接入点始终是这个微微网(piconet)的主设备，就可以获得用户的位置信息。蓝牙技术主要应用于小范围定位，例如单层大厅或仓库。蓝牙室内定位技术最大的优点是设备体积小、易于集成在PDA、PC以及手机中，因此很容易推广普及。理论上，对于持有集成了蓝牙功能移动终端设备的用户，只要设备的蓝牙功能开启，蓝牙室内定位系统就能够对其进行位置判断。采用该技术作室内短距离定位时容易发现设备且信号传输不受视距的影响。其不足在于蓝牙器件和设备的价格比较昂贵，而且对于复杂的空间环境，蓝牙系统的稳定性稍差，受噪声信号干扰大。

射频识别技术：射频识别技术利用射频方式进行非接触式双向通信交换数据以达到识别和定位的目的。这种技术作用距离短，一般最长为几十米。但它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息，且传输范围很大，成本较低。同时由于其非接触和非视距等优点，可望成为优选的室内定位技术。目前，射频识别研究的热点和难点在于理论传播模型的建立、用户的安全隐私和国际标准化等问题。优点是标识的体积比较小，造价比较低，但缺点是作用距离近，不具有通信能力，而且不便于整合到其他系统之中。

超宽带技术：超宽带技术是一种全新的、与传统通信技术有极大差异的通信新技术。它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有GHz量级的带宽。超宽带可用于室内精确定位，例如战场士兵的位置发现、机器人运动跟踪等。超宽带系统与传统的窄带系统相比，具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。因此，超宽带技术可以应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航，且能提供十分精确的定位精度，但是其覆盖范围有限，不适合做大面积范围的定位，而且成本较高，它适合应用于特种行业。

Wi-Fi技术：无线局域网络(WLAN)是一种全新的信息获取平台，可以在广泛的应用领域内实现复杂的大范围定位、监测和追踪任务，而网络节点自身定位是大多数应用的基础和前提。当前比较流行的Wi-Fi定位是无线局域网络系列标准之IEEE802.11的一种定位解决方案。该系统采用经验测试和信号传播模型相结合的方式，易于安装，需要很少基站，能采用相同的底层无线网络结构，系统总精度高。芬兰的Ekahau公司开发了能够利用Wi-Fi进行室内定位的软件。Wi-Fi绘图的精确度大约在1米至20米的范围内，总体而言，它比蜂窝网络三角测量定位方法更精确。但是，如果定位的测算仅仅依赖于哪个Wi-Fi的接入点最近，而不是依赖于合成的信号强度图，那么在楼层定位上很容易出错。目前，它应用于小范围的室内定位，成本较低。但无论是用于室内还是室外定位，Wi-Fi收发器都只能覆盖半径90米以内的区域，而且很容易受到其他信号的干扰，从而影响其精度，定位器的能耗也较高。

ZigBee技术：ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它介于射频识别和蓝牙之间，也可以用于室内定位。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调通信以实现定位。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。ZigBee最显著的技术特点是它的低功耗和低成本。但其缺点是抗干扰性较差，信号衰减较快，对于移动信息的感应和定位不够理想。

发明内容

本发明的目的就在于针对上述各种无线定位的缺陷，提供一种可以准确、大范围、大容量地实现室内定位的微功耗无线网络实时定位系统。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明包括应用软件、定位引擎、Zigbee网络网关、参考节点、定位标签；其中，由应用软件和定位引擎组成的软件系统通过人机交互系统与Zigbee网络网关之间有线连接，Zigbee网络网关与若干参考节点以及相互临近的各参考节点之间通过Zigbee网络进行无线通讯；在参考节点内设置有Zigbee网络信号无线收发系统和433M频率信号无线收发系统，定位标签与参考节点之间通过433M频率进行无线通讯。

所述定位标签为433M有源RFID标签。

进一步地，为了对室内环境进行监控，所述参考节点内还设置有环境监控传感器。所述环境监控传感器可以为温度传感器、湿度传感器、CO₂浓度传感器和光线传感器中的一种或几种。

本发明充分利用了Zigbee网络的自组织、自修复、网络容量大等特点，来搭建本发明的主干网络(主干网络为一个)，即Zigbee网络网关与若干参考节点以及相互临近的各参考节点之间形成的Zigbee无线通讯网络；利用433M的穿透能力较强，受环境干扰小等特点来实现本发明的定位网络(定位网络为若干个)的搭建，即参考节点内的433M频率信号无线收发系统与定位标签之间形成的433M频率无线通讯网络。

本发明的有益效果在于：

由于本发明整合了Zigbee网络和RFID技术，具有两种技术的优点，所以具有低功耗、自组织、自修复、网络容量大、覆盖范围广、定位精度准确、实时响应度高的优点，适合用于各种大型室内定位系统；另外，根据不同应用环境，可以对整个环境做监控，如温度、湿度、CO₂浓度、光线等监控，使其具有更多的功能，扩大了应用范围。

附图说明

图1是本发明的系统框图；

图2是本发明中主干网络拓扑图；

图3是本发明中定位网络应用示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步具体说明：

如图1所示，本发明包括应用软件、定位引擎、Zigbee网络网关、参考节点、定位标签；其中，由应用软件和定位引擎组成的软件系统通过人机交互系统与Zigbee网络网关之间有线连接，Zigbee网络网关与若干参考节点以及相互临近的各参考节点之间通过Zigbee网络进行无线通讯；在参考节点内设置有Zigbee网络信号无线收发系统(形成Zigbee网络)和433M频率信号无线收发系统(形成433M网络)，定位标签与参考节点之间通过433M频率进行无线通讯。

图1中的定位标签为433M有源RFID标签。

为了对室内环境进行监控，所述参考节点内还设置有环境监控传感器。所述环境监控传感器可以为温度传感器、湿度传感器、CO₂浓度传感器和光线传感器中的一种或几种。

如图2所示，本发明充分利用了Zigbee网络的自组织、自修复、网络容量大等特点，来搭建本发明的主干网络，即Zigbee网络网关与若干参考节点1以及相互临近的各参考节点1之间形成的Zigbee无线通讯网络(图中Zigbee网络网关不可视)。如图3所示，利用433M的穿透能力较强，受环境干扰小等特点来实现本发明的定位网络的搭建，即参考节点1内的433M频率信号无线收发系统与定位标签2之间形成的433M频率无线通讯网络。

如图3所示，当定位标签2(安装在移动物体上或人或其它动物身上)从区域3移动到区域4时(每一个区域为一个定位网络)，参考节点1内的433M频率信号无线收发系统会感应到定位标签2的移动过程，并将此信息通过参考节点1传递Zigbee网络网关，再由Zigbee网络网关将信号传递给人机交互系统内的软件系统，形成直观的移动效果图，让监控的人一目了然，从而实现了室内的物体(或人或其它动物)的精确定位。

具体地，结合图2，Zigbee主干网络包括以下内容：(1)2.4GHZ DSSS通信方式；(2)网络拓扑：网状网络；(3)Zigbee线路由器连接；(4)软件协议栈：ZigBee2007/PRO；(5)路由器节点SOC：CC2530，256K闪存；(6)路由节点环境监控传感器：光线传感器，温度传感器；(7)网络传输速率：250KBIT/S；(8)组网方式：IEEE802.15.4，网络自组织；(9)路由器由可充电锂电池供电，电池寿命3年(通信周期5秒情况下)。

结合图3，定位网络包括以下内容：(1)无线片上系统GS10XX，433MHZ工作频点可编程；(2)内置无线定位固件和算法；(3)参考节点1采用CR2032纽扣电池供电，电池寿命1-2年(通信周期3秒情况下)；(4)无线定位精度：3米或者房间精度；(5)每个网络节点数量限制：和节点无关，取决于骨干网络通信容量。

结合图1，应用软件的主要功能包括：(1)按地图查询，显示信息；(2)人员定位；(3)设备定位；(4)分析和报告：报告人员和设备位置。

定位引擎：采用多点加重算法，无线自组织网络和微控制器，实现实时高精度无线定位。

参考节点：采用ZIGBEE无线网络路由器，网状网络拓扑，在微功耗前提下，实现物体和目标实时定位，同时兼容2.4GHZ和433MHZ。

定位标签：采用433M有源RFID标签，实现低功耗，移动节点休眠功耗可以达到1微安，具有电池工作寿命长，抗干扰能力强，可实现多种数传等特点。

本发明的重点在于整合Zigbee网络和RFID技术形成一套有效的室内定位系统，若仅对网关或参考节点或定位标签的性能、数量或位置进行改变，应视为侵犯本发明专利的权利。

Claims

1.一种微功耗无线网络实时定位系统，其特征在于：包括应用软件、定位引擎、Zigbee网络网关、参考节点、定位标签；其中，由应用软件和定位引擎组成的软件系统通过人机交互系统与Zigbee网络网关之间有线连接，Zigbee网络网关与若干参考节点以及相互临近的各参考节点之间通过Zigbee网络进行无线通讯；在参考节点内设置有Zigbee网络信号无线收发系统和433M频率信号无线收发系统，定位标签与参考节点之间通过433M频率进行无线通讯。

2.根据权利要求1所述的微功耗无线网络实时定位系统，其特征在于：所述定位标签为433M有源RFID标签。

3.根据权利要求1所述的微功耗无线网络实时定位系统，其特征在于：所述参考节点内还设置有环境监控传感器。

4.根据权利要求3所述的微功耗无线网络实时定位系统，其特征在于：所述环境监控传感器为温度传感器、湿度传感器、CO₂浓度传感器和光线传感器中的一种或几种。