CN103487046B - 具有自诊断和低功耗的精确定位节点 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有自诊断和低功耗的精确定位节点，包括数据处理模块、通信模块、电源模块、电源监测模块、I/O控制模块、外部指令输入模块以及报警模块，其中通信模块接有天线，数据处理模块与通信模块、电源监测模块以及I/O控制模块进行双向连接，I/O控制模块的输入端接收外部指令输入模块的指令和数据处理模块的控制指令，输出端与报警模块相连；电源模块为各用电模块提供工作电源；电源监测模块接收电源模块的输出信号进行监测。本发明节点实现了节点本身的自诊断、节点状态的调整；实现自组网的组建，完成无阅读器覆盖的节点的数据通信；实现人员和设备的精确定位，尤其是在GPS信号无法覆盖的井下、地铁、隧道等场所有广泛的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线定位技术，具体的说是一种具有自诊断和低功耗的精确定位节点。
背景技术
随着国家经济发展的需求，国家加快了基础工业的建设速度，矿山、地铁等项目的建设日益增多。而当前各种建设事故发生频繁，因此对作业人员和设备的定位需求日趋强烈，一方面应用于灾后救援中人员、设备的搜寻，另一方面应用于日常生产中的人员、设备的管理和调度。
目前市场上使用的定位技术主要存在的不足如下：
（1）射频标签技术，该技术无法实现数据的实时获取，无法实现近距离精确定位。
（2）GPS技术，GPS定位在大范围可覆盖的情况下已被广泛使用，但GPS定位精度在10米左右，这种精度在近距离定位中远远不够。在矿山巷道、地铁隧道等场所，存在GPS信号无法覆盖的问题。
发明内容
针对现有技术中无法实现数据实时获取和近距离精确定位等不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种具有自诊断和低功耗的精确定位节点。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明一种具有自诊断和低功耗的精确定位节点，包括数据处理模块、通信模块、电源模块、电源监测模块、I/O控制模块、外部指令输入模块以及报警模块，其中通信模块接有天线，数据处理模块与通信模块、电源监测模块以及I/O控制模块进行双向连接，I/O控制模块的输入端接收外部指令输入模块的指令和数据处理模块的控制指令，输出端与报警模块相连；电源模块为各用电模块提供工作电源；电源监测模块接收电源模块的输出信号进行监测。
所述数据处理模块通过从电源监控模块、I/O控制模块、通信模块获取数据进行分析完成系统状态的自诊断，具体过程为：
判断节点电池电量是否低于额定值；
如节点电池电量低于额定值，则判断信号发射强度是否低于额定值；
如信号发射强度低于额定值，则降低处理器工作频率和I/O控制模块的输出电压；
发送低电报警信息给控制中心，一次系统状态的自诊断结束。
如信号发射强度不低于额定值，则降低信号发射强度，接续降低处理器工作频率和I/O控制模块的输出电压步骤；
或者，如节点电池电量不低于额定值，则判断信号发射强度是否低于额定值；
如信号发射强度低于额定值，则调整信号发射强度到额定值；
判断处理器频率是否低于额定值；
如处理器频率低于额定值，则调整处理器频率到额定值；
判断I/O控制模块的输出电压是否低于额定值，是则调整I/O控制模块的输出电压到额定值，一次系统状态的自诊断结束。
如处理器频率不低于额定值，则接续判断I/O控制模块的输出电压是否低于额定值步骤。
或者，如信号发射强度不低于额定值，则接续判断处理器频率是否低于额定值步骤。
所述通信模块与其它节点的通信模块进行数据交换，通信模块对交换得到的数据中的路由信息进行分析，建立最优路由路径，然后将最优路径通知周围的节点，形成自组织网络，过程为：
当节点3接收到节点2的路由信息时，先分析节点2的路由信息，分解出节点2的id、路由使用的阅读器id、信号强度、稳定时长以及本条路由信息产生的时间；
判断节点3分析接收到的路由信息的时间是否超时；
如节点3分析该路由信息的时间没有超时，则判断节点3是否存有路由用阅读器id；
如节点3不存有路由用阅读器id，则使用接收到的路由信息替换原有路由信息，形成节点3的新路由信息，一次自组织网络过程结束。
如节点3存有路由用阅读器id，则比较节点3路由用信号强度和稳定时长是否均小于接收路由信息中的信号强度和稳定时长；
如节点3信号强度和稳定时长均小于接收路由信息中的信号强度和稳定时长，则接续使用接收到的路由信息替换原有路由信息步骤；
或者，如节点3信号强度和稳定时长不均小于接收路由信息中的信号强度和稳定时长，则判断原有阅读器路由信息是否超时；
如原有阅读器路由信息超时，则清除节点3的路由信息，接续使用接收到的路由信息替换原有路由信息步骤；
或者，如节点3原有路由信息未超时，则使用节点3原有的路由信息，一次自组织网络过程结束。
所述通信模块接收来自网络的配置信息，数据处理模块对配置信息进行分析和处理，依据处理的结果对系统的运行参数进行重配，过程为：
如果为模式参数调整，则判断是否要求设置为睡眠模式；
如要求设置为睡眠模式，则设置参数，降低处理器的工作频率、关闭部分I/O控制模块输出，降低发送频率，一次在线配置参数过程结束。
如要求设置不是睡眠模式，则判断是否要求设置为普通模式；
如果要求设置为普通模式，则设置参数，调整处理器频率到标准值，调整I/O控制模块输出电压到标准值，调整发送频率到标准值，一次在线配置参数过程结束；
或者，如果要求设置不是普通模式，则判断是否要求设置为紧急模式；
如要求设置为紧急模式，则设置参数，提高发送频率，关闭I/O输出，一次在线配置参数过程结束。
或者，如为强度参数调整，则调整信号发送的强度，一次在线配置参数过程结束；
如为报警参数调整，则设置参数，开启I/O控制模块输出、调整I/O控制模块输出次数到最大值，一次在线配置参数过程结束。
所述I/O控制模块输入三种信息：报警信息，设置信息以及模式调整信息；
如果为报警信息，则系统进行紧急工作模式，暂停除报警信息以外的所有数据的上传，提高信息发送的频率，最终报警信息上传到控制中心，一次I/O控制模块输入信息的分析与配置结束。
如果为设置信息，则调整发送频率，一次I/O控制模块输入信息的分析与配置结束；
或者，如果为模式调整信息，则该信息使系统在普通模式和睡眠模式间切换；
如要求设置为普通模式，则设置参数，调整处理器频率到正常值，开启I/O控制模块输出，调整发送频率到正常值，一次I/O控制模块输入信息的分析与配置结束；
或者，如为设置睡眠模式，则设置参数，降低处理器的频率，关闭部分I/O控制模块输出，降低发送频率；一次I/O控制模块输入信息的分析与配置结束。
本发明具有以下有益效果及优点:
1.本发明的节点实现了节点本身的自诊断，完成节点状态的调整；实现自组网的组建，完成无阅读器覆盖的节点的数据通信；实现人员和设备的精确定位，以上设计使节点的功能得到了极大的完善。
2．对于携带节点的人员和设备，当节点开始工作时本发明的每个模块都开始工作，将节点相关信息上传至数据处理模块，数据处理模块处理完成后，将数据通过通信模块，无线传输至阅读器或其它定位节点。此功能针对人员地下作业具有重要意义。
3．本发明的功能实现了人员和设备的精确定位，尤其是在GPS信号无法覆盖或覆盖较差的井下、地铁、隧道等场所有广泛的应用价值。
附图说明
图1为本发明节点结构框图；
图2为本发明中节点工作原理图；
图3为本发明中电池自诊断流程图；
图4为本发明中建立路由最佳路径流程图；
图5为本发明中参数在线配置流程图；
图6为本发明中外部I/O请求配置流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明具有自诊断和低功耗的精确定位节点，包括数据处理模块、通信模块、电源模块、电源监测模块、I/O控制模块、外部指令输入模块以及报警模块，其中通信模块接有天线，数据处理模块与通信模块、电源监测模块以及I/O控制模块进行双向连接，I/O控制模块的输入端接收外部指令输入模块的指令和数据处理模块的控制指令，输出端与报警模块相连；电源模块为各用电模块提供工作电源；电源监测模块接收电源模块的输出信号进行监测。其中，通信模块采用zigbee通信协议，报警模块包括蜂鸣器、双色LED灯。
本实施例中，所述的数据处理模块负责数据分析、处理和系统控制、调度，完成数据优先级的处理、工作模式的调整、系统状态的自诊断，实现节点的低功耗。通信模块包括射频芯片和相关网络部件，负责与阅读器和其它节点使用zigbee协议进行通信，向阅读器和其它节点传送定位相关数据和节点信息数据，定位节点通过该模块实现无线自组织网络的构建，实现网络通信和自组网，完成数据的传输和汇聚；电源模块，包括电池和外围电路，负责给其它模块提供电源；电源监控模块，包括电源监测芯片和外围电路，负责监控供电电池的工作状态和健康状况，为系统状态自诊断提供依据。外部指令输入模块完成使用人员对节点的控制，完成设置、呼叫、应答操作。蜂鸣器负责声音输出。双色LED灯负责灯光输出。
本发明硬件部分外壳采用工程塑料成型，共有3个输出接口，采用4个螺孔，外部采用防尘防水密闭接口。
本发明通过上述各个模块实现具有自组网、自诊断、低功耗、在线配置的精确定位。
本发明具有自诊断的功能，自诊断功能是由数据处理模块通过从电源监控模块、外部I/O模块、通信模块获取数据进行分析完成系统状态的自诊断。电源监控模块中的监测芯片对供电电源的电压等信息进行运算得出电池电量和电池状态数据，送给数据处理模块，数据处理模块通过获取电源监控模块上传的电量信息进行判断，如电量信息低于一定的范围，调整节点工作状态为睡眠模式，同时产生低电报警信息，该信息经数据处理模块封包后，送给通信模块，通信模块通过通信网络传送给阅读器或其它定位节点，控制中心收到低电报警信息后，提醒用户更换电池。控制步骤如图3所示：
判断节点电池电量是否低于额定值；
如节点电池电量低于额定值，则判断信号发射强度是否低于额定值；
如信号发射强度低于额定值，则降低处理器工作频率和I/O控制模块的输出电压；
发送低电报警信息给控制中心，一次系统状态的自诊断结束。
如信号发射强度不低于额定值，则降低信号发射强度，接续降低处理器工作频率和I/O控制模块输出电压步骤。
如节点电池电量不低于额定值，则判断信号发射强度是否低于额定值；
如信号发射强度低于额定值，则调整信号发射强度到额定值；
判断处理器频率是否低于额定值；
如处理器频率低于额定值，则调整处理器频率到额定值；
判断I/O控制模块的输出电压是否低于额定值，是则调整I/O控制模块的输出电压到额定值，一次系统状态的自诊断结束。
如处理器频率不低于额定值，则一次系统状态的自诊断结束。
如处理器频率不低于额定值，则接续判断I/O控制模块的输出电压是否低于额定值步骤。
如信号发射强度不低于额定值，则接续判断处理器频率是否低于额定值步骤。
本发明具有自组网的功能，通信模块可实现zigbee自组网功能。该模块能接收阅读器信息和其它节点的信息。节点位于阅读器覆盖范围内的位置时，该模块将接收到的由数据处理模块送来的上传数据送给阅读器。节点位于阅读器未能覆盖范围的位置时，该模块将与周围的节点组成自组织网络，由该自组网中在阅读器覆盖范围内的节点转发数据给阅读器。自组网功能是通过该节点的通信模块与其它节点的通信模块进行数据交换，通信模块对交换得到的数据中的路由信息进行分析，建立最优路由路径，然后将最优路径通知周围的节点，形成自组织网络。
节点工作原理图如图2所示，每一个节点在定时向其它节点送路由信息的同时，都接收其它节点送来的路由信息，控制步骤如图4所示：
当节点3接收到节点2的路由信息时，先分析节点2的路由信息，分解出节点2的id、路由使用的阅读器id、信号强度、稳定时长以及本条路由信息产生的时间；
判断节点3收到的节点2的路由信息中的信息产生时间是否超时；
如节点3分析该路由信息没有超时，则判断节点3是否存有路由用阅读器id；
如节点3不存有路由用阅读器id，则使用接收到的路由信息信息替换原有路由信息，形成节点3的新路由信息，一次自组织网络过程结束。
如节点3存有路由用阅读器id，则比较节点3路由用阅读器的信号强度和稳定时间是否均小于接收路由信息中的信号强度和稳定时间；
如节点3信号强度和稳定时间均小于接收路由信息中的信号强度和稳定时间，则接续使用接收到的路由信息替换原有路由信息步骤。
如节点3信号强度和稳定时间不均小于接收路由信息中的信号强度和稳定时间，则判断原有路由信息是否超时；
如原有路由信息超时，则清除节点3的路由信息，接续使用接收到的路由信息替换原有路由信息步骤。
如节点3原有阅读器路由信息未超时，则使用节点3原有的路由信息，一次自组织网络过程结束。
本发明具有在线配置功能，在线配置是指接受网络传送给节点的配置信息并完成相关的配置。在线配置功能是通过通信模块接收来自网络的配置信息，数据处理模块对配置信息进行分析和处理，依据处理的结果对系统的运行参数进行重配。
如图5所示，节点可处于睡眠状态、普通工作状态和紧急工作状态，三种状态可以在特定条件下进行转换，实现节点的低功耗工作。通常情况下，节点在睡眠状态和普通工作状态间切换，实现了高效节能功能。在睡眠状态下可由外部输入唤醒。在紧急工作状态下，停止进入睡眠状态，停止其它事件处理，保证紧急通信稳定、连续工作。紧急工作状态的进入和退出由外部I/O量控制。
通信模块接收来自网络的配置信息，数据处理模块对配置信息进行分析和处理，依据处理的结果对系统的运行参数进行重配，控制过程为：
如果为模式参数调整，则判断是否要求设置为睡眠模式；
如要求设置为睡眠模式，则设置参数、降低处理器的工作频率、关闭部分I/O控制模块输出，降低发送频率，一次在线配置参数过程结束。
如要求设置不是睡眠模式，则判断是否要求设置为普通模式；
如果要求设置为普通模式，则设置参数，调整处理器频率到标准值，调整I/O控制模块输出电压到标准值，调整发送频率到标准值，一次在线配置参数过程结束。
如果要求设置不是普通模式，则判断是否要求设置为紧急模式；
如要求设置为紧急模式，则设置参数，提高发送频率，关闭I/O输出，一次在线配置参数过程结束。
如为强度参数调整，则调整信号发送的强度，一次在线配置参数过程结束。
如为报警参数调整（这个报警是从控制中心发给节点让节点通知使用者的报警信息），则设置参数、开启I/O控制模块输出、调整I/O控制模块输出次数到最大值，一次在线配置参数过程结束。
信号发射强度可调整，并将强度值发送给接收节点。信号强度的调整是通过系统的自诊断功能判断系统的状态，根据系统状态对信号的发射参数进行调整，实现信号发射强度的调整。
外部I/O输入有三种信息，一种为报警信息，该信息使系统进入紧急工作模式；一种为设置信息，该信息为调整发送频率；一种为模式调整信息，该信息使系统在普通模式和睡眠模式间切换。外部指令输入模块由按键产生输入信息，经I/O控制模块处理后传送给数据处理模块。对于报警信息，数据处理模块处理后送给通信模块，传送给阅读器或其它节点。对于系统设置请求信息数据处理模块根据请求完成设置。对于模式调整信息，则该信息使系统在普通模式和睡眠模式间切换。I/O控制模块接收从核心处理模块发出的控制命令，由报警模块完成LED输出和蜂鸣器输出。
如图6所示，外部I/O请求配置流程如下：
所述I/O控制模块输入三种信息：报警信息，设置信息以及模式调整信息，如果为报警信息，则系统进入紧急工作模式，暂停除报警信息以外的所有数据的上传，提高信息发送的频率，最后报警信息上传到控制中心，一次I/O控制模块输入信息的分析与配置结束。
如果为设置信息，则调整发送频率，一次I/O控制模块输入信息的分析与配置结束。
如果为模式调整信息，则该信息使系统在普通模式和睡眠模式间切换；
如要求设置为了普通模式，则设置参数，调整处理器频率到正常值，开启I/O控制模块输出，调整发送频率到正常值，一次I/O控制模块输入信息的分析与配置结束。
如为设置睡眠模式，则设置参数，降低处理器的频率，关闭部分I/O控制模块输出，降低发送频率；一次I/O控制模块输入信息的分析与配置结束。
本发明将近距离无线通信技术和定位技术有效的组合在一起，使用近距离无线通信技术实现网络通信和无线自组织网络构建，使用嵌入式技术完成信息的采集、处理和回馈控制，有效的提高了节点的定位精度和节点的服务能力。
Claims (8)
1.一种具有自诊断和低功耗的精确定位节点，其特征在于：包括数据处理模块、通信模块、电源模块、电源监测模块、I/O控制模块、外部指令输入模块以及报警模块，其中通信模块接有天线，数据处理模块与通信模块、电源监测模块以及I/O控制模块进行双向连接，I/O控制模块的输入端接收外部指令输入模块的指令和数据处理模块的控制指令，输出端与报警模块相连；电源模块为各用电模块提供工作电源；电源监测模块接收电源模块的输出信号进行监测；
所述数据处理模块通过从电源监测模块、I/O控制模块、通信模块获取数据进行分析完成系统状态的自诊断，具体过程为：
判断节点电池电量是否低于额定值；
如节点电池电量低于额定值，则判断信号发射强度是否低于额定值；
如信号发射强度低于额定值，则降低处理器工作频率和I/O控制模块的输出电压；
发送低电报警信息给控制中心，一次系统状态的自诊断结束；
如信号发射强度不低于额定值，则降低信号发射强度，接续降低处理器工作频率和I/O控制模块的输出电压步骤；
或者，如节点电池电量不低于额定值，则判断信号发射强度是否低于额定值；
如信号发射强度低于额定值，则调整信号发射强度到额定值；
判断处理器频率是否低于额定值；
如处理器频率低于额定值，则调整处理器频率到额定值；
判断I/O控制模块的输出电压是否低于额定值，是则调整I/O控制模块的输出电压到额定值，一次系统状态的自诊断结束。
2.按权利要求1所述的具有自诊断和低功耗的精确定位节点，其特征在于：
如处理器频率不低于额定值，则接续判断I/O控制模块的输出电压是否低于额定值步骤；
或者，如信号发射强度不低于额定值，则接续判断处理器频率是否低于额定值步骤。
3.按权利要求1所述的具有自诊断和低功耗的精确定位节点，其特征在于：所述通信模块与其它节点的通信模块进行数据交换，通信模块对交换得到的数据中的路由信息进行分析，建立最优路由路径，然后将最优路径通知周围的节点，形成自组织网络，过程为：
当节点3接收到节点2的路由信息时，先分析节点2的路由信息，分解出节点2的id、路由使用的阅读器id、信号强度、稳定时长以及本条路由信息产生的时间；
判断节点3分析接收到的路由信息的时间是否超时；
如节点3分析该路由信息的时间没有超时，则判断节点3是否存有路由用阅读器id；
如节点3不存有路由用阅读器id，则使用接收到的路由信息替换原有路由信息，形成节点3的新路由信息，一次自组织网络过程结束。
4.按权利要求3所述的具有自诊断和低功耗的精确定位节点，其特征在于：
如节点3存有路由用阅读器id，则比较节点3路由用信号强度和稳定时长是否均小于接收路由信息中的信号强度和稳定时长；
如节点3信号强度和稳定时长均小于接收路由信息中的信号强度和稳定时长，则接续使用接收到的路由信息替换原有路由信息步骤；
或者，如节点3信号强度和稳定时长不均小于接收路由信息中的信号强度和稳定时长，则判断原有阅读器路由信息是否超时；
如原有阅读器路由信息超时，则清除节点3的路由信息，接续使用接收到的路由信息替换原有路由信息步骤；
或者，如节点3原有路由信息未超时，则使用节点3原有的路由信息，一次自组织网络过程结束。
5.按权利要求1所述的具有自诊断和低功耗的精确定位节点，其特征在于：所述通信模块接收来自网络的配置信息，数据处理模块对配置信息进行分析和处理，依据处理的结果对系统的运行参数进行重配，过程为：
如果为模式参数调整，则判断是否要求设置为睡眠模式；
如要求设置为睡眠模式，则设置参数，降低处理器的工作频率、关闭部分I/O控制模块输出，降低发送频率，一次在线配置参数过程结束。
6.按权利要求5所述的具有自诊断和低功耗的精确定位节点，其特征在于：
如要求设置不是睡眠模式，则判断是否要求设置为普通模式；
如果要求设置为普通模式，则设置参数，调整处理器频率到标准值，调整I/O控制模块输出电压到标准值，调整发送频率到标准值，一次在线配置参数过程结束；
或者，如果要求设置不是普通模式，则判断是否要求设置为紧急模式；
如要求设置为紧急模式，则设置参数，提高发送频率，关闭I/O输出，一次在线配置参数过程结束；
或者，如为强度参数调整，则调整信号发送的强度，一次在线配置参数过程结束；
如为报警参数调整，则设置参数，开启I/O控制模块输出、调整I/O控制模块输出次数到最大值，一次在线配置参数过程结束。
7.按权利要求1所述的具有自诊断和低功耗的精确定位节点，其特征在于：所述I/O控制模块输入三种信息：报警信息，设置信息以及模式调整信息；
如果为报警信息，则系统进行紧急工作模式，暂停除报警信息以外的所有数据的上传，提高信息发送的频率，最终报警信息上传到控制中心，一次I/O控制模块输入信息的分析与配置结束。
8.按权利要求7所述的具有自诊断和低功耗的精确定位节点，其特征在于：
如果为设置信息，则调整发送频率，一次I/O控制模块输入信息的分析与配置结束；
或者，如果为模式调整信息，则该信息使系统在普通模式和睡眠模式间切换；
如要求设置为普通模式，则设置参数，调整处理器频率到正常值，开启I/O控制模块输出，调整发送频率到正常值，一次I/O控制模块输入信息的分析与配置结束；
或者，如为设置睡眠模式，则设置参数，降低处理器的频率，关闭部分I/O控制模块输出，降低发送频率；一次I/O控制模块输入信息的分析与配置结束。
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