CN103376441A - 多精度室内定位系统以及采用该系统的定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种定位系统以及定位方法，尤其涉及一种应用于楼宇、室内的位置定位、人员监测领域。本发明的多精度室内定位系统，包括多精度定位接收组群、控制中心、移动终端，多精度定位接收组群、控制中心、移动终端相互之间双向无线通信。本发明与现有技术比较，通过搭建多精度定位接收组群将原有的全部通过有线方式连接的超声波接收组转换为无线连接方式，并且增加了相对低精度的ZigBee定位技术；不仅解决了原有超声波接收组在安装中布置电线过长等繁琐的问题，而且比单纯的将超声波定位模块与ZigBee定位模块机械的整合在一起的技术成本大幅减少。

Description

多精度室内定位系统以及采用该系统的定位方法

技术领域

本发明涉及一种定位系统以及定位方法，尤其涉及一种应用于楼宇、室内的位置定位、人员监测领域。

背景技术

目前市场上常见的应用各种定位技术的产品各有其优缺点和限制：一方面定位精度相对较高的定位技术成本过高，不适合于大面积推广使用，另一方面成本低廉、结构简单的定位技术又由于本身的定位精度不高导致很多场合无法使用，有一些定位技术因为要考虑到定位环境问题不能够灵活的安装定位系统，这些都给生产和应用带来极大的不方便。

现有的室内定位技术中应用比较广泛的有ZigBee定位技术、超宽带定位技术、RFID识别定位技术与超声波定位技术。其中ZigBee定位技术、超宽带定位技术、RFID识别定位技术均属于射频类定位技术，如果混合使用容易造成干扰，所以采用ZigBee定位技术与超声波定位技术的混合定位技术实现多精度定位的目的。

目前，单独的这两项技术产品有很多缺陷：

如CN201096877Y专利文献中公开的技术方案中定位采用的为ZigBee无线信号，由于本身信号的不利因素的限制，定位精度并不是很高，平均在3-5米左右，虽然可以实现基础的定位功能，但是在一些要求定位精度高的场合却并不适用，虽然ZigBee产品在射频产品领域中成本并不是很高，但与其他通讯方式相比成本仍然不低，由于本身系统中ZigBee模块都是自身提供供电，在维护时很不方便。

再如CN201594136U专利文献中公开的技术方案中定位采用的为超声波信号，由于本身系统中超声波接收模块全部为有线连接，导致在安装和维护中很不方便，而且不能够灵活的布置接收网络；以上两种技术不仅本身存在很多缺陷，而且他们只能给出一种或一个较小范围内的定位精度，不适用于需要多种定位精度的复杂环境。

又如CN201417142Y专利文献中公开的技术方案中单纯的将ZigBee技术与超声波模块机械的结合，如果直接拿来用于定位，不仅大幅度增加成本而且丧失了应有的灵活性。

发明内容

本发明的技术效果能够克服上述缺陷，提供一种多精度室内定位系统，其结构简单、安装维护方便灵活、成本低、省电、处理速度快、适用于有不同定位精度要求的复杂空间环境。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：其包括多精度定位接收组群、控制中心、移动终端，多精度定位接收组群、控制中心、移动终端相互之间双向无线通信。

移动终端：包括ZigBee无线定位模块、超声波发射模块，一个或多个具有超声波发射模块，ZigBee无线定位模块带有可测量接收信号强度(RSSI)功能，并可由轻触开关控制定位。

控制中心：用于计算定位坐标并显示定位情况的，包括ZigBee转串口无线模块、上位机模块，ZigBee转串口无线模块用于通信，上位机模块用于计算及显示。

用于完成定位的多个多精度定位接收组，各接收组均包括一个ZigBee无线控制模块、一个电源供电模块并且可包括多个超声波接收模块，接收组中ZigBee无线控制模块与超声波接收模块、超声波接收模块之间均由现场总线连接，接收组中各模块均由电源供电模块统一供电；

ZigBee无线控制模块包括现场总线数据传输模块I、微控制器I、集成ZigBee无线模块，集成ZigBee无线模块依次通过微控制器I、现场总线数据传输模块I与现场总线连接。

每个多精度定位接收组至少包括一个超声波接收模块，超声波接收模块包括现场总线数据传输模块II、微控制器II、脉冲转换模块、自动增益模块、超声波换能器，超声波换能器依次通过自动增益模块、脉冲转换模块、微控制器II、现场总线数据传输模块II与现场总线连接，超声波换能器与移动终端通信。

本发明的另一个目的是提供一种采用上述系统的定位方法，包括如下步骤：

(1)启动定位(包括主动式和被动式两种方式)；

(2)当移动终端启动定位时，移动终端先由自身携带的ZigBee无线定位模块向多精度定位接收组群发送广播信息，提示多精度定位接收组群开始准备低精度定位；

(3)启动准备定位的多精度定位接收组由自身携带的ZigBee无线控制模块向移动终端发送目前ZigBee无线控制模块所在地的二维坐标值，传输完成后，ZigBee无线控制模块重新进入睡眠模式；

(4)移动终端接收到各个多精度定位接收组中ZigBee无线控制模块发来的数据，同时生成相应的接收信号强度值，之后将这些数据传送至控制中心，由控制中心计算定位，并显示出来；

(5)控制中心计算出定位范围后，根据自身存储的多精度定位接收组分布情况及各多精度定位接收组组内携带超声波接收模块情况，向定位范围附近的多精度定位接收组发送高精度定位准备命令，当多精度定位接收组接收到高精度定位准备命令时唤醒睡眠模式下的超声波接收模块，并向控制中心发送确认信息，待接到反馈回的确认信息时再向移动终端发送高精度定位命令，向多精度定位接收组群发送计时命令；

(6)移动终端接收到高精度定位命令后由自身携带的超声波发射模块向多精度定位接收组群发送超声波，多精度定位接收组群接收到计时命令时组内各超声波接收模块开始计时，当超声波接收模块接收到超声波时停止计，通过现场总线向ZigBee无线控制模块发送超声波接收模块所在的二维坐标值及计时值，再由ZigBee无线控制模块分批发向控制中心；

(7)控制中心接收完数据后向多精度定位接收组群发送确认信息，多精度定位接收组群接收到确认信息后重新进入睡眠模式，控制中心根据已有算法及接收到的数据进行定位计算并显示出来。

本发明与现有技术比较，具有如下优点：

1、通过搭建多精度定位接收组群将原有的全部通过有线方式连接的超声波接收组转换为无线连接方式，并且增加了相对低精度的ZigBee定位技术；不仅解决了原有超声波接收组在安装中布置电线过长等繁琐的问题，而且比单纯的将超声波定位模块与ZigBee定位模块机械的整合在一起的技术成本大幅减少。

2、多精度定位接收组由于有组内单独的电源供电模块向全组内用电模块供电，使得在维护过程中较容易的集中更换电源部分，降低维护成本。

3、由于多精度定位接收组内超声波接收模块的数量是任意的，所以可以根据现场的复杂安装环境灵活调整。适用于各种复杂环境。

4、不同环境对定位的精度要求并不一致，在定位精度要求较高的区域高密度摆放超声波接收模块，在定位精度要求不高的区域，为了节省开支可降低该区域的超声波接收模块的密度，甚至可不布置超声波接收模块，使用相对低精度的ZigBee定位技术实现定位。从而实现了多精度定位的目的。

5、由于ZigBee技术在传输过程中本身具有防冲突机制，解决了原有超声波定位技术中可能导致数据冲突问题及在大面积区域内定位速度慢的问题。

6、本发明系统多个部分长期处于睡眠模式，只有当定位时才开始正常工作，并且结合先低精度定位后高精度定位的方法，切实有效的减少需要唤醒的多精度定位接收组，为整个系统节省了大量的电力。

7、所有定位数据均由控制中心接收后进行计算定位，充分结合了云运算的思想。

附图说明

图1为本发明的整体模块示意图；

图2为本发明的多精度定位接收组模块示意图；

图3为本发明定位方法的流程结构示意图。

具体实施方式

本发明的多精度定位系统包括多精度定位接收组群、控制中心、移动终端，多精度定位接收组群、控制中心、移动终端相互之间双向无线通信。

多精度定位接收组群包括多个多精度定位接收组。多精度定位接收组包括ZigBee无线控制模块、超声波接收模块、电源供电模块，ZigBee无线控制模块、超声波接收模块分别与电源供电模块连接，ZigBee无线控制模块、超声波接收模块之间通过现场总线连接。ZigBee无线控制模块包括现场总线数据传输模块I、微控制器I、集成ZigBee无线模块，集成ZigBee无线模块依次通过微控制器I、现场总线数据传输模块I与现场总线连接。每个多精度定位接收组包括三个超声波接收模块，超声波接收模块包括现场总线数据传输模块II、微控制器II、脉冲转换模块、自动增益模块、超声波换能器，超声波换能器依次通过自动增益模块、脉冲转换模块、微控制器II、现场总线数据传输模块II与现场总线连接，超声波换能器与移动终端通信。移动终端包括ZigBee无线定位模块、超声波发射模块。控制中心包括ZigBee转串口无线模块、上位机模块。

本系统利用多个多精度定位接收组，使ZigBee无线定位技术和超声波定位技术相结合，由控制中心动态计算出移动终端的位置；移动终端、控制中心、多精度定位接收组是通过无线方式进行通讯，多精度定位接收组组内的超声波接收模块和ZigBee无线控制模块是由有线方式进行通讯。

移动终端和控制中心之间采用被动定位和主动定位两种驱动方式；其中，主动定位是移动终端要求控制中心对其进行定位；被动定位是控制中心主动对移动终端进行定位。

多精度室内定位系统中的三大功能单元：多精度定位接收组群、移动终端及控制中心；多精度定位接收组群即由多个多精度定位接收组组成的单元；三大功能单元的通讯均由ZigBee无线通讯，并且各模块之间均为双向通信，仅在多精度定位接收组群及移动终端上附加有超声波模块且为单向传输，多精度定位接收组群接收移动终端发送来的超声波信号，用于超声波定位。

图3为本发明一种多精度室内定位系统及方法的定位流程图，步骤如下：

步骤1：开始定位，分为两种启动定位方式。

第一种是被动启动定位模式，是由控制中心向指定移动终端发送定位启动命令，命令中包含启动命令标识符和相应移动终端的编号，命令发出后唤醒睡眠模式下的各移动终端，移动终端接收命令并确定为启动命令且呼叫的编号与本身所记录的编号相一致时开始被动启动定位，同时向控制中心返回已接收到命令的确认信息。

第二种是主动启动定位模式，是待定位移动物体主动按下所携带的移动终端上的开关，此时移动终端向控制中心发送已启动定位及自身编号信息，控制中心接收到后向移动终端返回确认信息，开始主动启动定位。

步骤2：当移动终端启动定位时，移动终端先由自身携带的ZigBee无线定位模块向多精度定位接收组群发送广播信息，提示多精度定位接收组群开始准备低精度定位，只有接收到广播信息的多精度定位接收组才被唤醒并开始准备低精度定位过程，这样大大较少了整个系统的耗电情况。

步骤3：启动准备定位的多精度定位接收组由自身携带的ZigBee无线控制模块向移动终端发送目前ZigBee无线控制模块所在地的二维坐标值，由于ZigBee技术本身在传输数据时存在防冲突机制，所以当有多个ZigBee无线控制模块向移动终端发送数据时，可智能防止数据冲突，防止接收数据错误，系统瘫痪等情况。传输完成后ZigBee无线控制模块重新进入睡眠模式。

步骤4：移动终端接收到各个多精度定位接收组中ZigBee无线控制模块发来的数据，同时生成相应的接收信号强度值(RSSI)，之后将这些数据传送至控制中心，由控制中心结合已有算法进行计算定位，并显示出来。

步骤5：控制中心计算出定位范围后，根据本身存储的多精度定位接收组分布情况及各多精度定位接收组组内携带超声波接收模块情况，向定位范围附近的多精度定位接收组发送高精度定位准备命令，当多精度定位接收组接收到高精度定位准备命令时唤醒睡眠模式下的超声波接收模块，并向控制中心发送确认信息，待接到反馈回的确认信息时再向移动终端发送高精度定位命令，向多精度定位接收组群发送计时命令。

步骤6：移动终端接收到高精度定位命令后由自身携带的超声波发射模块向多精度定位接收组群发送超声波，多精度定位接收组群接收到计时命令时组内各超声波接收模块开始计时，当超声波接收模块接收到超声波时停止计时，通过现场总线向ZigBee控制模块发送超声波接收模块所在的二维坐标值及计时值，再由ZigBee控制模块分批发向控制中心。

步骤7：控制中心接收完数据后向多精度定位接收组群发送确认信息，多精度定位接收组群接收到确认信息后重新进入睡眠模式，控制中心根据已有算法及接收到的数据进行定位计算并显示出来。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (10)

1.一种多精度室内定位系统，其特征在于，包括多精度定位接收组群、控制中心、移动终端，多精度定位接收组群、控制中心、移动终端相互之间双向无线通信。

2.根据权利要求1所述的多精度室内定位系统，其特征在于，多精度定位接收组群包括至少一个多精度定位接收组。

3.根据权利要求2所述的多精度室内定位系统，其特征在于，多精度定位接收组包括ZigBee无线控制模块、超声波接收模块、电源供电模块，ZigBee无线控制模块、超声波接收模块分别与电源供电模块连接，ZigBee无线控制模块、超声波接收模块之间通过现场总线连接。

4.根据权利要求3所述的多精度室内定位系统，其特征在于，ZigBee无线控制模块包括现场总线数据传输模块I、微控制器I、集成ZigBee无线模块，集成ZigBee无线模块依次通过微控制器I、现场总线数据传输模块I与现场总线连接。

5.根据权利要求3所述的多精度室内定位系统，其特征在于，每个多精度定位接收组至少包括一个超声波接收模块，超声波接收模块包括现场总线数据传输模块II、微控制器II、脉冲转换模块、自动增益模块、超声波换能器，超声波换能器依次通过自动增益模块、脉冲转换模块、微控制器II、现场总线数据传输模块II与现场总线连接，超声波换能器与移动终端通信。

6.根据权利要求1所述的多精度室内定位系统，其特征在于，移动终端包括ZigBee无线定位模块、超声波发射模块。

7.根据权利要求1所述的多精度室内定位系统，其特征在于，控制中心包括ZigBee转串口无线模块、上位机模块。

8.一种采用上述任一权利要求所述系统的定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)启动定位；

(2)当移动终端启动定位时，移动终端先由自身携带的ZigBee无线定位模块向多精度定位接收组群发送广播信息，提示多精度定位接收组群开始准备低精度定位；

(3)启动准备定位的多精度定位接收组由自身携带的ZigBee无线控制模块向移动终端发送目前ZigBee无线控制模块所在地的二维坐标值，传输完成后，ZigBee无线控制模块重新进入睡眠模式；

(4)移动终端接收到各个多精度定位接收组中ZigBee无线控制模块发来的数据，同时生成相应的接收信号强度值，之后将这些数据传送至控制中心，由控制中心计算定位，并显示出来；

(5)控制中心计算出定位范围后，根据自身存储的多精度定位接收组分布情况及各多精度定位接收组组内携带超声波接收模块情况，向定位范围附近的多精度定位接收组发送高精度定位准备命令，当多精度定位接收组接收到高精度定位准备命令时唤醒睡眠模式下的超声波接收模块，并向控制中心发送确认信息，待接到反馈回的确认信息时再向移动终端发送高精度定位命令，向多精度定位接收组群发送计时命令；

(6)移动终端接收到高精度定位命令后由自身携带的超声波发射模块向多精度定位接收组群发送超声波，多精度定位接收组群接收到计时命令时组内各超声波接收模块开始计时，当超声波接收模块接收到超声波时停止计，通过现场总线向ZigBee无线控制模块发送超声波接收模块所在的二维坐标值及计时值，再由ZigBee无线控制模块分批发向控制中心；

(7)控制中心接收完数据后向多精度定位接收组群发送确认信息，多精度定位接收组群接收到确认信息后重新进入睡眠模式，控制中心根据已有算法及接收到的数据进行定位计算并显示出来。

9.根据权利要求8所述的定位方法，其特征在于，定位启动采用被动启动定位模式，由控制中心向指定移动终端发送定位启动命令，命令中包含启动命令标识符和相应移动终端的编号，命令发出后唤醒睡眠模式下的各移动终端，移动终端接收命令并确定为启动命令且呼叫的编号与本身所记录的编号相一致时，开始被动启动定位，同时向控制中心返回已接收到命令的确认信息。

10.根据权利要求8所述的定位方法，其特征在于，定位启动采用主动启动定位模式，是待定位移动物体主动按下所携带的移动终端上的开关，此时移动终端向控制中心发送已启动定位及自身编号信息，控制中心接收到后向移动终端返回确认信息，开始主动启动定位。

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