CN104570034A - 复合精准定位系统及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种复合精准定位系统，包括主节点单元、作为被定位对象的从节点单元和监控中心，所述从节点单元分别与主节点单元、监控中心无线通信连接；所述主节点单元包括有源RFID模块；所述从节点单元包括微控制器、有源RFID模块、GNSS模块、GSM模块和电源模块；所述微控制器、有源RFID模块、GNSS模块和GSM模块分别与电源模块电连接；所述GNSS模块和GSM模块都是通过串口与所述微控制器连接。本发明实施例还公开了一种复合精准定位系统的定位方法。采用本发明，能够实现高精度的定位。

Description

复合精准定位系统及其定位方法

技术领域

本发明涉及一种定位系统，尤其涉及一种基于RFID、GSM、GNSS的微型的复合精准定位系统及其定位方法。

背景技术

目前市场上常见的跟踪定位设备，通常是将GPS、GSM进行整合集成，使用GPS进行精确定位以及使用GSM进行基站定位和定位信息传送。但是受GPS定位精度的限制，尚缺少对目标实现10米以内精确定向和定位的手段，特别是在室内环境下，无法接收卫星信号或信号很弱。同时也有只利用信号强度RSSI进行测距的方法，但其受环境因素干扰较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种复合精准定位系统，将全球导航卫星系统(GNSS)、全球移动通信系统(GSM)和射频识别(RFID)技术进行系统整合，形成微型复合定位装置，最终实现在中远距离使用GNSS和GSM对目标进行跟踪和定位，在近距离使用RFID技术对目标进行定向查找。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种复合精准定位系统，包括主节点单元、作为被定位对象的从节点单元和监控中心，所述从节点单元分别与主节点单元、监控中心无线通信连接；所述主节点单元包括有源RFID模块；所述从节点单元包括微控制器、有源RFID模块、GNSS模块、GSM模块和电源模块；所述微控制器、有源RFID模块、GNSS模块和GSM模块分别与电源模块电连接；所述GNSS模块和GSM模块都是通过串口与所述微控制器连接。

对于上述技术方案的改进，所述电源模块还电连接有电压检测模块，用于检测电源模块的电压是否低于门限值，从而在低于门限值时通过无线网络进行低压报警。

对于上述技术方案的进一步改进，所述GNSS模块的输入端外置有高灵敏的低噪声放大器和高Q值滤波网络。

对于上述技术方案的进一步改进，所述GSM模块的顶部设有屏蔽盖板。

相应地，本发明实施例还提供了一种利用复合精准定位系统进行定位的方法，包括以下步骤：

所述从节点单元定时向主节点单元报告是否处于安全距离内，如果在安全距离内，则所述从节点单元基于有源RFID模块，通过飞行时差TOF及接收信号强度RSSI进行测距；

如果不在安全距离内，则所述从节点单元自动判别后，触发GNSS模块或GSM，模块进行定位，并将定位信息交由微控制器处理，然后通过GSM模块发送至所述主节点单元和监控中心。

对于上述技术方案的改进，所述安全距离为20～100米。

对于上述技术方案的进一步改进，不在安全距离内，所述从节点单元自动判别后，触发GNSS模块进行定位，所述微控制器通过SPI接口读取GNSS返回的数据，并对数据进行解析，得到从节点单元具体的位置信息。

对于上述技术方案的进一步改进，在所述GNSS模块出现信号接收不佳的情况时，所述微控制器才启用GSM模块进行定位。

对于上述技术方案的进一步改进，所述微控制器通过UART接口向GSM模块发送指令，从而激活GSM模块并将得到的位置信息通过无线蜂窝网发送到主节点单元以及监控中心。

对于上述技术方案的进一步改进，所述微控制器通过开启内置定时器，控制所述有源RFID模块采取定时脉冲模式工作。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明将GNSS模块、GSM模块以及RFID模块进行系统整合，将三者定位的功能发挥到极致，尤其满足各种远近距离的定位，并且做到精确到10米之内。该系统不仅做到定位精确度高、同时不会受到外界干扰，能最大限度保证系统的定位性能的稳定。其中，所述GNSS模块负责对目标进行大范围定位，GSM模块负责定位数据通信和基于基站的粗略定位，有源RFID模块负责在近距离范围内对目标进行精确定向和定位，其解决了以往定位系统无法在近距离对目标精确定位的问题，并且将远距离定位和近距离定位进行充分有效地结合，实现对目标的全方位跟踪和定位，并且耗能低，具有长时间工作及环保的优点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种复合精准定位系统中从节点单元的结构框图；

图2为本发明实施例提供的一种复合精准定位系统的主、从节点单元的测距示意图；

图3为本发明实施例提供的一种复合精准定位系统中从节点单元的GSM模块框图；

图4为本发明实施例提供的一种复合精准定位系统的定位方法的工作流程图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例：

如图1、图2和图3所示，所述复合精准定位系统，包括主节点单元1、从节点单元2和监控中心3，所述从节点2作为被定位对象，具有自身定位功能，其与主节点单元1和监控中心3分别通过无线通信连接。

其中，所述主节点单元1包括有源RFID模块5；所述从节点单元2包括微控制器4、有源RFID模块5、GNSS模块6、GSM模块7和电源模块8，所述微控制器4、有源RFID模块5、GNSS模块6和GSM模块7分别与电源模块8，所述GNSS模块6和GSM模块7都是通过串口与所述微控制器4连接。

所述有源RFID(有源射频识别)模块5的定位功能是采用飞行时差测距(TOF)与接收信号强度(RSSI)测距相结合的方法进行距离测量，使用双向测距技术(Two Way Ranging)，利用信号在两个异步收发机之间往返飞行时间来测量节点间的距离。其以低能耗，高灵敏度的紫峰协议(Zigbee)芯片(2.4GHZ)作为有源射频识别(RFID)的通讯模块，实现空间定向及定位。

所述GNSS模块5包括美国的GPS系统、俄罗斯的Glonass系统、欧洲的Galileo系统、我国的北斗卫星导航系统以及相关的增强系统，为全球导航卫星系统，其是个多系统、多层面、多模式的复杂组合系统。在我国现在普遍使用的是发展相当成熟的GPS系统，其使用微型封装的单芯片，同时采用成熟的射频体系架构，再加上先进的干扰抑制机制。

所述GSM模块7为全球移动通信系统，采用已经发展比较成熟的移动通讯网络进行数据传输与定位模块控制，模块采取平面封装，具有体积小、使用方便、覆盖范围广的优点。

为了提高整个系统的稳定性，则所述电源模块8还电连接有电压检测模块(图中未标示)，该模块用于检测电压模块8的电压是否低于门限值，从而在低于门限值时通过无线网络进行低压报警。

同时，为了进一步提高整个系统的在定位时避免受干扰，在所述GNSS模块6的输入端外置有高灵敏的低噪声放大器和高Q值滤波网络。该设计即使在恶劣的环境中，也能最大限度的保证系统的定位性能。

另外，还可以在GSM模块7的顶部设置屏蔽盖板，有利于减少对其他模块的干扰，适合在狭小空间中使用。

所述主节点单元1和从节点单元2都是工作在低功耗模式下，其中所述微控制器4通过开启定时器的方式控制有源RFID模块5进行定时脉冲式工作，大部分时间处在休眠状态，通过调节占空比，可控制功耗水平；GNSS模块6和GSM模块7都是通过微控制器4的指令工作在休眠或全功能两种状态下。

以上是对本发明所述的复合精准定位系统的结构说明，以下对其定位方法做具体描述，结合附图4的工作流程图来看：

本发明所述的复合精准定位系统的定位方法，具体步骤如下：

(1)判断从节点单元2与主节点单元1是否在安全距离内；

系统通电启动运行后，所述从节点单元1设备上的RFID模块4定时周期性与主节点单元1上的RFID模块4之间进行距离测量，其使用双向测距技术(TwoWay Ranging)，利用信号在两个异步收发机之间往返飞行时间来测量节点间的距离，并报告是否在安全距离内，本实施例的安全距离为20米，在实际过程中还可以根据具体情况选择30米、40米、50米、60米、100米等。

如果在安全距离内，则以上即可测量出，完成定位。

(2)如果不在安全距离内，则触发GNSS模块6或GSM模块7；

所述从节点单元2自动判别后，触发GNSS模块6进行定位，从节点内部唤醒GPS模块，所述微控制器4通过SPI接口读取GNSS模块6返回的数据，并对数据进行解析，得到从节点单元2具体的位置信息。

在所述GNSS模块6出现信号接收不佳(室内或有云层遮挡)的情况时，所述微控制器4才启用GSM模块7进行基站定位。具体定位过程中，所述微控制器4是通过UART接口向GSM模块7发送指令，从而激活GSM模块7并将得到的位置信息通过无线蜂窝网发送到主节点单元1以及监控中心3。当到达定位地点后，为实现对目标近距离的精确定向和定位，利用主节点单元1上的定向天线，对目标进行定向查找。

在上述定位过程中，所述微控制器4通过开启内置定时器，控制所述有源RFID模块5采取定时脉冲模式工作，即其大部分时间处于休眠状态，并且还可以通过调节占空比，控制其功耗水平；与此同时，所述GNSS模块6和GSM模块7都是在微控制器4的指令下工作，即所述微控制器4没有指示则都处于休眠状态。据此可知，本发明所述的复合精准定位系统的定位方法不仅可以解决以往定位无法在近距离对目标的精确定位，还有效的将远距离定位和近距离定位进行充分的结合，实现对目标的全方位跟踪和定位，并且耗能低，具有长时间工作及环保的优点。

同时，本发明的发明人在具体实验过程中，做出以下实测数据：

通过以上数据可得出：在近距离高精度测距定位方面，具有显著的效果，其精度在0.5～1.6米的误差内。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种复合精准定位系统，包括主节点单元、作为被定位对象的从节点单元和监控中心，其特征在于：

所述从节点单元分别与主节点单元、监控中心无线通信连接；

所述主节点单元包括有源RFID模块；

所述从节点单元包括微控制器、有源RFID模块、GNSS模块、GSM模块和电源模块；

所述微控制器、有源RFID模块、GNSS模块和GSM模块分别与电源模块电连接；

所述GNSS模块和GSM模块都是通过串口与所述微控制器连接。

2.根据权利要求1所述的复合精准定位系统，其特征在于：

所述电源模块还电连接有电压检测模块，用于检测电源模块的电压是否低于门限值，从而在低于门限值时通过无线网络进行低压报警。

3.根据权利要求1所述的复合精准定位系统，其特征在于：

所述GNSS模块的输入端外置有高灵敏的低噪声放大器和高Q值滤波网络。

4.根据权利要求1所述的复合精准定位系统，其特征在于：

所述GSM模块的顶部设有屏蔽盖板。

5.一种利用权利要求1至4任意一项所述的复合精准定位系统进行定位的方法，其特征在于，包括以下步骤：

所述从节点单元定时向主节点单元报告是否处于安全距离内，如果在安全距离内，则所述从节点单元基于有源RFID模块，通过飞行时差TOF及接收信号强度RSSI进行测距；

如果不在安全距离内，则所述从节点自动判别后，触发GNSS模块或GSM，模块进行定位，并将定位信息交由微控制器处理，然后通过GSM模块发送至所述主节点单元和监控中心。

6.根据权利要求5所述的复合精准定位系统的定位方法，其特征在于：

所述安全距离为20～100米。

7.根据权利要求5所述的复合精准定位系统的定位方法，其特征在于：

不在安全距离内，所述从节点单元自动判别后，触发GNSS模块进行定位，所述微控制器通过SPI接口读取GNSS返回的数据，并对数据进行解析，得到从节点单元具体的位置信息。

8.根据权利要求7所述的复合精准定位系统的定位方法，其特征在于：

在所述GNSS模块出现信号接收不佳的情况时，所述微控制器才启用GSM模块进行定位。

9.根据权利要求8所述的复合精准定位系统的定位方法，其特征在于：

所述微控制器通过UART接口向GSM模块发送指令，从而激活GSM模块并将得到的位置信息通过无线蜂窝网发送到主节点单元以及监控中心。

10.根据权利要求5所述的复合精准定位系统的定位方法，其特征在于：

所述微控制器通过开启内置定时器，控制所述有源RFID模块采取定时脉冲模式工作。