CN105610943B - 一种基于信标和定位网元的三维位置定位系统及方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及一种三维位置定位系统，尤其涉及一种基于信标和定位网元的三维位置定位系统，并涉及应用于该基于信标和定位网元的三维位置定位系统的方法。
背景技术
现有防盗定位技术基于移动数据网络实现数据传输，基于北斗、GPS和GLONASS等卫星定位系统获取位置信息，并通过移动数据网络传输位置信息至服务器，然后通过网页，客户端等查看车辆位置信息。现有定位器都是一个机器对应一个定位卡使用一条数据通道，由于集成了卫星信号接收系统，移动数据网络传输系统，功耗管理系统等，一般功率消耗和体积都比较大，应用在微型便携定位领域难以表现完美；并且由于传输途径单一，现有定位器在被屏蔽情况下，无法实现定位。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是需要提供一种能够增强定位网元的数据连接路径，提高反屏蔽能力的基于信标和定位网元的三维位置定位系统，并提供应用于该基于信标和定位网元的三维位置定位系统的方法。
对此，本发明提供一种基于信标和定位网元的三维位置定位系统，包括：ID发射信标、定位网元和云服务器，所述ID发射信标周期性发送自身ID信息，所述定位网元接收到ID发射信标的ID信息后，将ID信息、定位网元本身的经纬度信息以及网元所在环境信息打包传输至云服务器，所述云服务器通过收到的信息进而得到各个ID发射信标和定位网元的地理位置信息并加以存储。
本发明的进一步改进在于，所述定位网元包括固定网元和移动网元；所述固定网元和移动网元之间通过互联网和RF中继实现自动组网。
本发明的进一步改进在于，所述固定网元用于检测其固定设置之处的经纬度信息和网元所在环境信息，所述网元所在环境信息包括楼层、温度、高度、湿度、噪音和空气质量中至少一种；所述移动网元在断网或者被屏蔽的情况下通过RF中继完成数据通讯。
本发明的进一步改进在于，在断电情况下，所述固定网元切换至紧急状态下实现安防数据的传输。
本发明的进一步改进在于，所述ID发射信标包括第一传感器信标、第一定位信标、第二传感器信标和第二定位信标，其中，所述第一传感器信标只连接与之配套的固定网元，所述第二传感器信标只连接与之配套的移动网元，所述第一定位信标和第二定位信标均连接至任意一个通讯范围内的固定网元和移动网元。
本发明的进一步改进在于，所述固定网元和移动网元之间通过RF中继实现自动组网时，通过硬件加密装置和软件自定义加密算法进行双重加密。
本发明的进一步改进在于，ID发射信标通过无线通信芯片单向发射其ID信息或发射其ID信息和传感器信息。
本发明的进一步改进在于，所述定位网元接收到ID发射信标的ID信息后，还将ID发射信标和定位网元本身的设备工作状态信息发送至云服务器，用户通过访问所述云服务器查询其权限内的设备工作状态。
本发明还提供一种基于信标和定位网元的三维位置定位方法，应用于如上所述的基于信标和定位网元的三维位置定位系统，并包括以下步骤：
步骤S1，ID发射信标发送自身ID信号和/或传感器信号；
步骤S2，定位网元接收到ID发射信标的信号；
步骤S3，定位网元将ID信号、传感器信号、定位网元自身的经纬度数据以及网元环境数据打包发送到云服务器；
步骤S4，云服务器根据接收到的数据包，解析出对应ID发射信标的时间信息、位置信息和环境数据信息，并存储到数据库；
步骤S5，用户通过客户端访问云服务器的数据库，显示相关信息到地图，并通过相应的操作查询数据库里的时间、位置和环境信息，同时对定位网元的开关机周期、频率、外接开关量、外接模拟量和工作模式等进行远程控制。
本发明的进一步改进在于，所述步骤S3中，所述定位网元接收并执行云服务器下发的网元配置信息和用户控制信息；所述步骤S4中，通过参考捕获到ID发射信标的定位网元的经纬度信息进而解析该ID发射信标的位置过程中；并通过时间数据计算出该ID发射信标的移动轨迹。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：打破了传统定位器单独专享一个数据通道的方式，实现定位网元层面传输的全面融合，增强了定位网元的数据连接路径，提高了三维位置定位系统的反屏蔽能力；同时，通过数据通道横向融合的方法，开辟出不同于目前卫星定位、基站定位和WIFI定位等现有定位技术的一种全新的更加优秀的定位方法，本发明可以率先实现信标的楼层高度定位，并为新一代超微型低功耗甚至是植入式定位器的诞生奠定基础。
附图说明
图1是本发明一种实施例的工作原理示意图；
图2是本发明一种实施例的系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
实施例1：
如图1和图2所示本例提供一种基于信标和定位网元的三维位置定位系统，包括：ID发射信标、定位网元和云服务器，所述ID发射信标周期性发送自身ID信息，所述定位网元接收到ID发射信标的ID信息后，将ID信息、定位网元本身的经纬度信息以及网元所在环境信息打包传输至云服务器，所述云服务器通过收到的信息进而得到各个ID发射信标和定位网元的地理位置信息并加以存储。
如图2所示，本例所述定位网元包括固定网元和移动网元；所述固定网元和移动网元之间通过互联网和RF中继实现自动组网，所述固定网元优选为设置于室内的家庭固定网元，所述移动网元优选为设置于汽车上的车载移动网元；所述固定网元和移动网元之间通过互联网实现自动组网，而在车载移动网元被屏蔽或是其他意外情况下，还能够通过RF中继实现组网，进而避免了被屏蔽后无法定位的问题；本例打破了传统定位器单独专享通道的方式，实现定位网元层面传输的全面融合，增强了定位网元的数据连接路径，提高了三维位置定位系统的反屏蔽能力；同时，通过数据通道横向融合的方法，开辟出不同于目前卫星定位、基站定位和WIFI定位等现有定位技术的一种全新的更加优秀的定位方法，本例可以率先实现信标的楼层高度定位，并为新一代超微型低功耗甚至是植入式定位器的诞生奠定基础。
如图2所示，本例所述固定网元用于检测其固定设置之处的经纬度信息和网元所在环境信息，所述网元所在环境信息包括楼层、温度、高度、湿度、噪音和空气质量中至少一种；所述移动网元在断网或者被屏蔽的情况下通过RF中继完成数据通讯。在断电情况下，所述固定网元切换至紧急状态下实现安防数据的传输；所述ID发射信标包括第一传感器信标、第一定位信标、第二传感器信标和第二定位信标，其中，所述第一传感器信标只连接与之配套的固定网元，所述第二传感器信标只连接与之配套的移动网元，所述第一定位信标和第二定位信标均连接至任意一个通讯范围内的固定网元和移动网元。
本例所述固定网元和移动网元之间通过RF中继实现自动组网时，通过硬件加密装置和软件自定义加密算法进行双重加密；这样，即使没有像现有技术那样通过专用通道进行数据传输，数据的安全性和可靠性也是完全能够满足要求的。
本例ID发射信标通过无线通信芯片单向发射其ID信息或发射其ID信息和传感器信息；所述定位网元接收到ID发射信标的ID信息后，还将ID发射信标和定位网元本身的设备工作状态信息发送至云服务器，用户通过访问所述云服务器查询其权限内的设备工作状态。
本例可以在各个开放频段通过各种通讯协议和网元通讯的ID发射信标，所述ID发射信标为以一定间隔发送自身ID信息和相关传感器信息的超低功耗功能模块，其发送的ID信息可以被一个或者多个周边的定位网元接收到；该ID发射信标采用无线通讯芯片，仅仅实现信号的发射功能，使其功耗更低，体积更小。
所述ID发射信标其实就是一种定位信标，属于只具备发射功能的定位信标，采用一次性锂电池、纽扣电池、光动能或机械发电等供电手段，可以满足长期的免维护定位能源需求；由于是该ID发射信标周期发送自身ID信息和相关传感器信息，结合低功耗无线技术可以做到相当低的功耗从而延长维护周期甚至终身免维护；所述ID发射信标设置了专一的ID发射功能可以做到比现有儿童定位手表、定位鞋子和宠物定位项圈等定位器更小的体积，因此可以减小佩戴者额外负担从而提高使用舒适度。
所述定位网元也称为传输网元，是一种具有卫星定位功能的并可以把接收到的ID信息、自身的经纬度以及网元环境信息一起通过移动数据网络、WIFI、宽带上网等有线和无线途径传输到云服务器，即使在断电情况下，所述固定网元依然可以满足家庭安防等关键系统的数据传输需求；而车载移动网元在本机欠费或者被屏蔽的情况下，也能够通过RF中继依然完成数据上传。所述网元环境信息包括楼层、温度、高度、湿度、噪音和空气质量中的一种或几种，并可以在自身断网的情况下，通过其他定位网元的中继功能继续完成通讯任务，所述定位网元可以是可移动或者固定的定位通讯一体化设备，这种定位通讯一体化设备可以实现自组网，并为所有的兼容的定位信标提供定位接入。
本例实现了互动定位，采用ID发射信标和定位网元双向移动的策略，大大提高网元的覆盖面和定位捕获成功率，从而实现每个城市少量的定位传输网元的部署数量，即可达到信标定位的需求；在系统安全方面，系统RF通讯层面会采用现有协议成熟的已有加密技术，即在现有硬件加密装置的基础上，在系统软件层面加入私有的专用加密算法，加强个人隐私的安全性，所述私有的专用加密算法为软件自定义加密算法，可以根据不同的用户进而自定义设置自己的加密算法。
所述云服务器基于网元层传输上来的各种信息并计算出车载移动网元、固定网元和ID发射信标的地理位置信息并加以存储；同时会处理固定网元的网元环境信息并通过各个用户接口呈现到用户面前；所述云服务器同时还要完成用户管理、定位网元和ID发射信标的配置等任务。
所述用户的客户端通过有线和无线联网的智能终端访问云端数据，所述智能终端包括IOSAPP、安卓APP、微信、网页浏览和电脑客户端等，并将实时位置信息呈现在用户客户端的界面，并可以通过用户客户端的界面控制用户登录查询权限，查询和管理设备工作状态。
ID发射信标在工作时不断发送自身ID信息和相关传感器信息，和ID发射信标对应的定位网元可以接收到信标的数据并上传到云服务器；由于定位网元具有卫星定位功能，且ID发射信标的发射距离较短，因此，借助一个或者多个可以接收到某个ID发射信标的定位网元的位置数据，就可以通过不同的定位网元的位置信息进而确定该ID发射信标的三维位置信息。
定位网元自身具备定位功能，可以是车载可移动的，也可以是固定使用的。如图2中，在家用场景下，定位网元是固定在家庭路由器周边使用的可以和ID发射信标通讯的卫星定位器；在车载模式下，定位网元是装在车辆上的可以接收兼容信标信号的卫星定位器。ID发射信标在自己家里可以依靠自家和附近用户的固定网元定位，ID发射信标在街道、商场、交通路网和学校等公共场合可以依靠无处不在的车载移动网元实现定位；而无处不在的车载移动网元大大拓展了ID发射信标的可定位范围，ID发射信标和定位网元的一次相遇，就可以在云服务器侦测到该ID发射信标的位置。
所述定位网元内置有信标接收模块，对于定位网元自身位置信息的上传，除了自带的互联网通讯功能外，还可以依靠其自带的信标接收模块实现与其他定位网元之间的自组网互联功能并实现协同中继通讯。在局部移动数据网络不稳定的情况下，也可以通过众多ID发射信标以及与所述众多ID发射信标连接的不同的定位网元之间的中继接力，让数据包最终成功上报，提高系统的抗干扰和反屏蔽能力。数据上传到云服务器后，云服务器会根据收到的含有ID信息、位置信息以及其他相关信息的数据包解析出有用数据，进而计算出每一个ID发射信标和定位网元的实时位置信息，并分别存放到不同用户名下的设备数据区，该设备数据区针对每一个用户或每一个设备进行了一对一设置，以备查询。
关于本系统的位置计算的具体流程如下：首先查询数据库，找到相关时间点收到确定ID发射信标的定位网元上报信息；根据不同的定位网元数量和对应的时间点位置信息计算出ID发射信标的位置信息，其位置精度和定位网元数量相关；定位算法采用多基点定位算法并叠加信号强度权重，在平面位置确定的基础上如果有固定使用网元环境信息存在，会同步输出信标所在楼层信息。优选的，通过参考捕获到ID发射信标的定位网元的经纬度信息进而解析该ID发射信标的位置过程中；并通过时间数据计算出该ID发射信标的移动轨迹；例如：有一个网元捕获到某个ID发射信标的ID信号，那么该ID发射信标在这个时间点的位置就在该定位网元的发射范围内；当有多个定位网元同时捕获到某个ID发射信标的ID信号时，云服务器会结合这几个定位网元的经纬度数据和楼层数据，根据多边形定位算法并加入信号强度变量计算出该ID发射信标的精确空间位置，而且随着时间的推移，ID发射信标会在不同的定位网元中留下自身的ID信息记录，从而可以结合数据包中的时间值计算出该ID发射信标的移动轨迹。
在系统的用户客户端界面层次，可以通过相对应的有线和无线联网的智能终端访问云服务器的云端数据库，并呈现在用户客户端界面，从而最终实现实时位置信息服务的功能。所述智能终端包括IOSAPP、安卓APP、微信、网页浏览和电脑客户端等。
实施例2：
本例还提供一种基于信标和定位网元的三维位置定位方法，应用于如实施例1所述的基于信标和定位网元的三维位置定位系统，并包括以下步骤：
步骤S1，ID发射信标发送自身ID信号和/或传感器信号；
步骤S2，定位网元接收到ID发射信标的信号；
步骤S3，定位网元将ID信号、传感器信号、定位网元自身的经纬度数据以及网元环境数据打包发送到云服务器；
步骤S4，云服务器根据接收到的数据包，解析出对应ID发射信标的时间信息、位置信息和环境数据信息，并存储到数据库；
步骤S5，用户通过客户端访问云服务器的数据库，显示相关信息到地图，并通过相应的操作查询数据库里的时间、位置和环境信息，同时对定位网元的开关机周期、频率、外接开关量、外接模拟量和工作模式等进行远程控制。
本例所述步骤S3中，所述定位网元接收并执行云服务器下发的网元配置信息和用户控制信息；所述步骤S4中，通过参考捕获到ID发射信标的定位网元的经纬度信息进而解析该ID发射信标的位置过程中；并通过时间数据计算出该ID发射信标的移动轨迹。例如：有一个网元捕获到某个ID发射信标的ID信号，那么该ID发射信标在这个时间点的位置就在该定位网元的发射范围内；当有多个定位网元同时捕获到某个ID发射信标的ID信号时，云服务器会结合这几个定位网元的经纬度数据和楼层数据，根据多边形定位算法并加入信号强度变量计算出该ID发射信标的精确空间位置，而且随着时间的推移，ID发射信标会在不同的定位网元中留下自身的ID信息记录，从而可以结合数据包中的时间值计算出该ID发射信标的移动轨迹。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
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