CN103237346A - 一种无线多媒体传感网定位装置、方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线多媒体传感网定位装置、方法及系统，包括一组天线，组成天线阵列，其特征是：所述每组天线都连接低噪声放大器，所述低噪声放大器连接功分器，所述功分器连接检波器，所有的所述功分器都还连接到一合路器，所述合路器输出接口连接射频开关一的公共端口，所述射频开关一的两路输入端口分别连接微带线和射频功率放大器，所述微带线和射频功率放大器还都连接射频开关二，所述射频开关二公共端口连接无线收发芯片，所述低噪声放大器、检波器、射频开关一、射频开关二、射频功率放大器和无线收发芯片都连接到微处理器。在接收数据的同时完成节点定位，无额外的网络开销，不影响无线通信。
Description
一种无线多媒体传感网定位装置、方法及系统
技术领域
[0001] 本发明涉及无线网络定位领域，具体地讲，涉及一种无线多媒体传感网定位装置、方法及系统。
背景技术
[0002] 无线传感网(WSN)中没有位置信息的传感器数据是没有意义的，同时传感器节点自身位置的确定也是WSN众多研究和应用的基础。近几年随着以WSN和移动互联网为核心技术的物联网产业兴起，能够提供更丰富直观内容的无线多媒体传感网(WMSN)引起了科学界和工程界的广泛关注，WMSN在健康监护、区域监测巡检、应急通讯等领域有着广阔的应用前景，这些独特的应用对实时目标定位和跟踪的需求更加迫切并对定位精度提出了更高的要求:希望在几百平米到数万平米的区域内达到5米，甚至1-2米的精度。同时为了不影响正常数据通信，定位方法还应满足低复杂度和低网络开销的要求。
[0003] 为了达到较高的定位精度须采用基于测距的定位方法，虽然超宽带(UWB)和801.15.4a啁啾扩频(CSS)等基于时间的定位方法具有很高的定位精度，但是这些方法需要单独的测距过程，网络开销较大；基于接收信号强度(RSSI)的定位方法无须额外硬件和测量过程，但是由于无线信号强度在大尺度条件下受多径效应和非视距传播影响较大，为了达到高定位精度需要较多的锚节点并对信号传播模型进行修正，此外外部环境和射频信号的变化都会对定位精度产生显著影响；基于到达角度(AOA)的定位方法具有较高的定位精度，同时对节点发射功率的一致性要求不高，早期的研究如APS系统采用超声波束测量相对角度，最新的研究则包括利用射频技术进行角度测量:如将多节点组成天线阵列通过无线电干涉测量相位差进行定位。另外在室内定位技术研究领域，NOKIA研究中心的科学家提出了一种基于蓝牙4.0标准的定位方案，该方案通过锚节点内置的可切换天线阵列测量无线信号的到达角度完成移动设备定位，预期定位精度最高可以达到0.3米。但是受蓝牙协议的限制和天线切换的影响该方案不能应用于WMSN实时定位。·发明内容
[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种无线多媒体传感网定位装置、方法及系统，在接收数据的同时完成节点定位，无额外的网络开销，不影响无线通信。
[0005] 本发明采用如下技术方案实现发明目的:
[0006] 一种无线多媒体传感网定位装置，其特征是:包括一组天线，组成天线阵列，所述每组天线都连接低噪声放大器，所述低噪声放大器连接功分器，所述功分器连接检波器，所有的所述功分器都还连接到一合路器，所述合路器输出接口连接射频开关一的公共端口，所述射频开关一的两路输入端口分别连接微带线和射频功率放大器，所述微带线和射频功率放大器还都连接射频开关二，所述射频开关二公共端口连接无线收发芯片，所述低噪声放大器、检波器、射频开关一、射频开关二、射频功率放大器和无线收发芯片都连接到微处理器。[0007] 作为对本技术方案的进一步限定，所述每个低噪声放大器的两端并接有旁路开关。
[0008] 作为对本技术方案的进一步限定，所述微处理器选用高性能低功耗的混合信号处理器，所述微处理器的I/o输出端口分别连接所述低噪声放大器、检波器、射频开关一、射频开关二、射频功率放大器的控制引脚，所述无线收发芯片的GPIO端口连接所述微处理器的具有输入中断功能的端口。
[0009] 作为对本技术方案的进一步限定，所述天线为定向天线，每个定向天线的主瓣宽度和增益相等。
[0010] 一种无线多媒体传感网定位方法，其特征是:包括如下步骤:
[0011] 1)通过理论计算或者预测量方法获得天线阵列的方向性数据，并将这些数据存储到微处理器上；
[0012] (2)微处理器将无线收发芯片设置为接收状态，微处理器控制射频功率放大器关闭，低噪声放大器开启，检波器开启，射频开关一和射频开关二连通微带线，无线收发芯片探测是否接收到有效的无线数据，当探测到有效的无线数据时，无线收发芯片通知微处理器，微处理器开启模数转换模块进行数据采集，在无线数据接收完毕前微处理器多次采集并存储采样数据；
[0013] (3)无线数据接收完毕后微处理器启动定位模块，将多次测量的采样数据进行分析处理得到各天线的信号强度，通过比较各天线信号强度并利用已有的方向性数据判断信号源方向，再通过信号源方向上的信号强度计算距离确定未知节点位置；
[0014] (4)当微处理器向外发送数据时，微处理器控制射频功率放大器开启，低噪声放大器设置为旁路状态，检波器关闭，射频开关一和射频开关二连通射频功率放大器，无线收发芯片处于发送状态，数据发送完毕后，切换到接收状态或者空闲状态，转到空闲状态时，微处理器控制射频功率放大器关闭，低噪声放大器通过旁路开关设置为旁路状态，即射频信号不经过低噪声放大器，检波器关闭，射频开关一和射频开关二连通微带线，无线收发芯片处于空闲低功耗状态，微处理器低功耗状态。
[0015] 作为对本技术方案的进一步限定，所述步骤(3)包括如下步骤:
[0016] (3.1)首先对天线阵列进行三三分组，计算每组天线信号强度的比值，并设定误差范围为20% ；
[0017] (3.2)通过查表法筛选出每组天线的信号强度比值符合要求的数据，如果只有I组数据符合要求，此组数据为最终计算结果，计算完成，否则转步骤(3.3)；
[0018] (3.3)如果有多组数据符合要求，则在这些数据中选择误差最小的作为最终计算结果，计算完成；
[0019] (3.4)利用已有的方向性数据判断信号源方向，通过信号源方向上的信号强度计算计算确定未知节点的距离，从而确定未知节点的位置。
[0020] 一种无线多媒体传感网定位系统，其特征是:包括:
[0021] 通信模块:用于微处理器与无线收发芯片间的通信和数据传输；
[0022] 模数转换模块:用于测量检波器输入的模拟信号和其他传感器输入模拟信号
[0023] 信号输出模块:用于输出I/O端口连接的元器件的控制信号；
[0024] 定位模块:对多次测量的信号强度进行分析处理得到各天线的信号强度，通过比较各天线信号强度并利用已有的方向性数据判断信号源方向，再通过信号源方向上的信号强度计算距离确定节点位置。
[0025] 与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是:本发明通过天线阵列进行无线数据的收发。每个天线连接具有旁路功能的低噪声放大器，经功分器后一路接检波器，一路接合路器，检波器输出连接高速低功耗微处理器的ADC采集端口。合路器输出端口接射频开关一公共端口，射频开关一两路输入端口分别为50欧姆微带线和射频功率放大器，后接射频开关二，射频开关二公共端口接无线收发芯片。微处理器控制无线收发芯片工作并通过输出端口输出高低电平控制低噪声放大器、射频功率放大器和检波器的开关和收发切换。本发明在接收无线数据的同时完成定位，无需额外的定位操作和步骤，同时只需一个定位装置就可以完成定位，与传统无线传感器网络定位装置和方法相比无网络开销，不影响无线通信。
附图说明
[0026] 图1为本发明的原理方框图。
[0027] 图2为本发明天线阵列的分布图。
[0028] 图中，1、低噪声放大器，2、旁路开关，3、功分器，4、检波器，5、接射频开关一，6、接射频开关二，7、射频功率放大器。
具体实施方式
[0029] 下面结合附图和优选实施例对本发明作更进一步的详细描述。
[0030] 参见图1，一种无线多媒体传感网定位装置，包括一组天线，组成天线阵列，所述每组天线都连接低噪声放大器，所述低噪声放大器连接功分器，所述功分器连接检波器，所有的所述功分器都还连接到一合路器 ，所述合路器输出接口连接射频开关一的公共端口，所述射频开关一的两路输入端口分别连接微带线和射频功率放大器，所述微带线和射频功率放大器还都连接射频开关二，所述射频开关二公共端口连接无线收发芯片，所述低噪声放大器、检波器、射频开关一、射频开关二、射频功率放大器和无线收发芯片都连接到微处理器。
[0031] 所述每个低噪声放大器的两端并接有旁路开关。
[0032] 所述微处理器选用高性能低功耗的混合信号处理器，所述微处理器的I/O输出端口分别连接所述低噪声放大器、检波器、射频开关一、射频开关二、射频功率放大器的控制引脚，所述无线收发芯片的GPIO端口连接所述微处理器的具有输入中断功能的端口。
[0033] 一种无线多媒体传感网定位方法，其特征是:包括如下步骤:
[0034] (I)通过理论计算或者预测量方法获得天线阵列的方向性数据，并将这些数据存储到微处理器上；
[0035] (2)微处理器将无线收发芯片设置为接收状态，微处理器控制射频功率放大器关闭，低噪声放大器开启，检波器开启，射频开关一和射频开关二连通微带线，无线收发芯片探测是否接收到有效的无线数据，当探测到有效的无线数据时，无线收发芯片通知微处理器，微处理器开启模数转换模块进行数据采集，在无线数据接收完毕前微处理器多次采集并存储采样数据；[0036] (3)无线数据接收完毕后微处理器启动定位模块，将多次测量的采样数据进行分析处理得到各天线的信号强度，通过比较各天线信号强度并利用已有的方向性数据判断信号源方向，再通过信号源方向的信号强度计算距离确定未知节点位置；
[0037] (4)当微处理器向外发送数据时，微处理器控制射频功率放大器开启，低噪声放大器设置为旁路状态，检波器关闭，射频开关一和射频开关二连通射频功率放大器，无线收发芯片处于发送状态，数据发送完毕后，切换到接收状态或者空闲状态，转到空闲状态时，微处理器控制射频功率放大器关闭，低噪声放大器通过旁路开关设置为旁路状态，即射频信号不经过低噪声放大器，检波器关闭，射频开关一和射频开关二连通微带线，无线收发芯片处于空闲低功耗状态，微处理器低功耗状态。
[0038] 所述步骤(3)包括如下步骤:
[0039] (3.1)首先对天线阵列进行三三分组，计算每组天线信号强度的比值，并设定误差范围为20% ;本优选实施例天线的分组方式如下:第一组为天线1、天线2和天线3 ;第二组为天线2、天线3和天线4 ;第三组为天线3、天线4和天线5 ;依次类推，直到将天线阵列分组完成。
[0040] (3.2)通过查表法筛选出每组天线的信号强度比值符合要求的数据，如果只有I组数据符合要求，此组数据为最终计算结果，计算完成，否则转步骤(3.3)；
[0041] (3.3)如果有多组数据符合要求，则在这些数据中选择误差最小的作为最终计算结果，计算完成；
[0042] (3.4)利用已有的方向性数据判断信号源方向，通过选择的信号强度数据确定未知节点的距离，从而确定未知节点的位置。
[0043] 一种无线多媒体传感网定位系统，包括:
[0044] 通信模块:用于微 处理器与无线收发芯片间的通信和数据传输；
[0045] 模数转换模块:用于测量检波器输入的模拟信号和其他传感器输入模拟信号
[0046] 信号输出模块:用于输出I/O端口连接的元器件的控制信号；
[0047] 信号输入模块:用于输入无线收发芯片的输入信号；
[0048] 定位模块:多次测量的信号强度进行分析处理得到各天线的信号强度，通过比较各天线信号强度并利用已有的方向性数据判断信号源方向，再通过信号强度确定节点位置。
[0049] 本优选实施例的天线阵列由三个以上具有良好方向性的定向天线组成，天线数量越多、方向性越好，定位效果越好，但是系统复杂度、功耗和成本越高，用户可以根据实际系统需求进行选择和设计。以三个天线组成的天线阵列为例，每个天线的主瓣宽度为120度，各天线间夹角为120度。
[0050] 当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种无线多媒体传感网定位装置，其特征是:包括一组天线，组成天线阵列，所述每组天线都连接低噪声放大器，所述低噪声放大器连接功分器，所述功分器连接检波器，所有的所述功分器都还连接到一合路器，所述合路器输出接口连接射频开关一的公共端口，所述射频开关一的两路输入端口分别连接微带线和射频功率放大器，所述微带线和射频功率放大器还都连接射频开关二，所述射频开关二公共端口连接无线收发芯片，所述低噪声放大器、检波器、射频开关一、射频开关二、射频功率放大器和无线收发芯片都连接到微处理器。
2.根据权利要求1所述的无线多媒体传感网定位装置，其特征是:所述每个低噪声放大器的两端并接有旁路开关。
3.根据权利要求1所述的无线多媒体传感网定位装置，其特征是:所述微处理器选用高性能低功耗的混合信号处理器，所述微处理器的I/o输出端口分别连接所述低噪声放大器、检波器、射频开关一、射频开关二、射频功率放大器的控制引脚，所述无线收发芯片的GPIO端口连接所述微处理器的具有输入中断功能的端口。
4.根据权利要求1-3之一所述的无线多媒体传感网定位装置，其特征是:所述天线为定向天线，每个定向天线的主瓣宽度和增益相等。
5.一种无线多媒体传感网定位方法，其特征是:包括如下步骤: (1)通过理论计算或者预测量方法获得天线阵列的方向性数据，并将这些数据存储到微处理器上； (2)微处理器将无线收发芯片设置为接收状态，微处理器控制射频功率放大器关闭，低噪声放大器开启，检波器开启，射频开关一和射频开关二连通微带线，无线收发芯片探测是否接收到有效的无线数据，当探测到有效的无线数据时，无线收发芯片通知微处理器，微处理器开启模数转换模块进行数据采集， 在无线数据接收完毕前微处理器多次采集并存储采样数据； (3)无线数据接收完毕后微处理器启动定位模块，将多次测量的采样数据进行分析处理得到各天线的信号强度，通过比较各天线信号强度并利用已有的方向性数据判断信号源方向，再通过信号源方向上的信号强度计算距离确定未知节点位置； (4)当微处理器向外发送数据时，微处理器控制射频功率放大器开启，低噪声放大器设置为旁路状态，检波器关闭，射频开关一和射频开关二连通射频功率放大器，无线收发芯片处于发送状态，数据发送完毕后，切换到接收状态或者空闲状态，转到空闲状态时，微处理器控制射频功率放大器关闭，低噪声放大器通过旁路开关设置为旁路状态，即射频信号不经过低噪声放大器，检波器关闭，射频开关一和射频开关二连通微带线，无线收发芯片处于空闲低功耗状态，微处理器低功耗状态。
6.根据权利要求5所述的无线多媒体传感网定位方法，其特征是:所述步骤(3)包括如下步骤: (3.1)首先对天线阵列进行三三分组，计算每组天线信号强度的比值，并设定误差范围为 20% ； (3.2)通过查表法筛选出每组天线的信号强度比值符合要求的数据，如果只有I组数据符合要求，此组数据为最终计算结果，计算完成，否则转步骤(3.3)；(3.3)如果有多组数据符合要求，则在这些数据中选择误差最小的作为最终计算结果，计算完成；(3.4)利用已有的方向性数据判断信号源方向，通过信号源方向上的信号强度计算确定未知节点的距离，从而确定未知节点的位置。
7.一种无线多媒体传感网定位系统，其特征是:包括: 通信模块:用于微处理器与无线收发芯片间的通信和数据传输； 模数转换模块:用于测量检波器输入的模拟信号和其他传感器输入模拟信号 信号输出模块:用于输出I/O端口连接的元器件的控制信号； 定位模块:对多次测量的信号强度进行分析处理得到各天线的信号强度，通过比较各天线信号强度并利用已有的方向性数据判断信号源方向，再通过信号源方向上的信号强度确定节 点位置。
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