CN105911578A - 超低功耗室内外混合定位系统 - Google Patents

超低功耗室内外混合定位系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超低功耗室内外混合定位系统，包括：多个iBeacon基站，其设置在室内，以预设信号强度通过蓝牙广播其通用唯一识别码；定位节点，其设置在待定位的移动个体上，通过蓝牙周期性监听其周围的多个通用唯一识别码及对应的信号强度，并通过LoRa输出；无线网关，其用于接收多个通用唯一识别码及信号强信息度，并通过移动网络输出；云平台，接收多个通用唯一识别码及其信号强度，并确定移动个体的经纬度以及室内位置。本发明能够在室内采用基于蓝牙的iBeacon技术、室外采用GNSS定位技术进行精准定位、无缝切换，并通过LPWAN网关低功耗远距离传输，具有定位精度高、功耗低距离远的优点，适于大规模推广应用。

Description

超低功耗室内外混合定位系统
技术领域
本发明涉及一种定位系统。更具体地说，本发明涉及一种超低功耗室内外混合定位系统。
背景技术
室内外定位技术有广泛的应用前景，但是面临一些问题：GPS定位主要是针对室外定位，但是由于建筑物遮挡，使GPS定位技术难以在室内定位展开实际应用；AGPS为代表的基站定位可以解决室内定位的需求，但是移动设备与电信基站的信息交互产生很大的流量费用，同时移动设备的功耗也非常高；UWB等室内定位技术可以满足室内定位，但是无法在室外进行准确定位。因此，目前亟需一种定位精度高、功耗低的室内外混合定位系统
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种超低功耗室内外混合定位系统，其能够在室内采用基于蓝牙的iBeacon技术、室外采用GNSS定位技术进行精准定位、无缝切换，并通过LPWAN网关低功耗远距离传输，具有定位精度高、功耗低距离远的优点，适于大规模推广应用。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种超低功耗室内外混合定位系统，包括：
多个iBeacon基站，其设置在室内空间中，所述iBeacon基站以预设信号强度通过蓝牙广播其通用唯一识别码；
定位节点，其设置在待定位的移动个体上，所述定位节点通过蓝牙周期性监听其周围的多个通用唯一识别码及对应的信号强度，并通过LoRa无线模块输出；
无线网关，其用于接收所述定位节点通过LoRa无线模块输出的多个通用唯一识别码及信号强信息度，并通过移动网络输出；
云平台，其存储有多个iBeacon基站的经纬度、以及不同信号强度对应的范围区间，所述云平台接收所述无线网关输出的多个通用唯一识别码及其信号强度，并根据每个通用唯一识别码确定对应的iBeacon基站的位置，然后根据接收的多个iBeacon基站的信号强度确定范围区间的交集，以确定移动个体的经纬度以及室内位置。
优选的是，所述的超低功耗室内外混合定位系统，所述定位节点还包括GNSS定位模块，其设置为：当蓝牙监听的通用唯一识别码数量少于预定值时启动GNSS定位模块定位，获得移动个体的经纬度，并通过LoRa无线模块输出至所述无线网关，然后通过移动网络输出至云平台。
优选的是，所述的超低功耗室内外混合定位系统，所述预定值为3。
优选的是，所述的超低功耗室内外混合定位系统，还包括：
管理员服务器或移动客户端，其用于接收云平台输出的移动个体的经纬度，并将移动个体的位置标记到电子地图上。
优选的是，所述的超低功耗室内外混合定位系统，相邻iBeacon基站的布置间距不超过30m。
优选的是，所述的超低功耗室内外混合定位系统，所述定位节点交替进入监听模式和休眠模式，且每次监听模式持续时间不超过4s。
优选的是，所述的超低功耗室内外混合定位系统，所述iBeacon基站的发射功率为4dBm，传输距离为10～30m。
优选的是，所述的超低功耗室内外混合定位系统，移动网络为WIFI、有线以太网、2/3/4G中的一种。
优选的是，所述的超低功耗室内外混合定位系统，所述无线网关为低功耗广域物联网网关，其设置在楼顶或铁塔的制高点。
优选的是，所述的超低功耗室内外混合定位系统，低功耗广域物联网网关的工作频段为137～1202Mhz，城市覆盖距离3km，空旷覆盖距离20km，支持接入6.5万个定位节点。
本发明至少包括以下有益效果：
第一、在室内采用基于蓝牙的iBeacon技术、室外采用GNSS定位技术进行精准定位、无缝切换，并通过LPWAN网关低功耗远距离传输，具有定位精度高、功耗低距离远的优点；
第二、本发明适用范围广，可用于学校内学生、工地内、建筑楼宇的工人、设备的定位等等，管理人员通过云平台的GIS数据界面实时了解定位信息，依此进行安全管理和人员管理，具有广泛的应用前景。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的实施例中工人空间定位方位的架构图；
图2为本发明所述的室内外混合定位系统的网络部署方案示意图；
图3为本发明所述的云平台的架构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明提供一种超低功耗室内外混合定位系统，包括：
多个iBeacon基站，其设置在室内空间中，所述iBeacon基站以预设信号强度通过蓝牙广播其通用唯一识别码；
定位节点，其设置在待定位的移动个体上，所述定位节点通过蓝牙周期性监听其周围的多个通用唯一识别码及对应的信号强度，并通过LoRa无线模块输出；
无线网关，其用于接收所述定位节点通过LoRa无线模块输出的多个通用唯一识别码及信号强信息度，并通过移动网络输出；
云平台，其存储有多个iBeacon基站的经纬度、以及不同信号强度对应的范围区间，所述云平台接收所述无线网关输出的多个通用唯一识别码及其信号强度，并根据每个通用唯一识别码确定对应的iBeacon基站的位置，然后根据接收的多个iBeacon基站的信号强度确定范围区间的交集，以确定移动个体的经纬度以及室内位置。
在上述技术方案中，能够实现超低功耗的室内定位。
其中，所述的超低功耗室内外混合定位系统，所述定位节点还包括GNSS定位模块，其设置为：当蓝牙监听的通用唯一识别码数量少于预定值时启动GNSS定位模块定位，获得移动个体的经纬度，并通过LoRa无线模块输出至所述无线网关，然后通过移动网络输出至云平台。能够实现超低功耗的室内室外定位。
其中，所述的超低功耗室内外混合定位系统，所述预定值为3。当偏离室内一定距离时信号微弱至一定程度，体现在数量上即为蓝牙监听到的通用唯一识别码数量减小至一定值，小于3个时，可确认偏离室内抵达室外。
其中，所述的超低功耗室内外混合定位系统，还包括：
管理员服务器或移动客户端，其用于接收云平台输出的移动个体的经纬度，并将移动个体的位置标记到电子地图上。通过地图和坐标的形式更加直观的确认工人的位置。
其中，所述的超低功耗室内外混合定位系统，相邻iBeacon基站的布置间距不超过30m。此间距确保基站数量和发射距离的均衡。
其中，所述的超低功耗室内外混合定位系统，所述定位节点交替进入监听模式和休眠模式，且每次监听模式持续时间不超过4s。定位效果更精准。
其中，所述的超低功耗室内外混合定位系统，所述iBeacon基站的发射功率为4dBm，传输距离为10～30m。确保在较低功耗下周围的定位节点能够在一定范围检测并确定周围的基站的UUID。
其中，所述的超低功耗室内外混合定位系统，移动网络为WIFI、有线以太网、2/3/4G中的一种。
其中，所述的超低功耗室内外混合定位系统，所述无线网关为低功耗广域物联网网关，其设置在楼顶或铁塔的制高点。可以便捷高效低组件大容量物联网网络系统，实现接入点设备的数据采集、管理和控制等功能。
其中，所述的超低功耗室内外混合定位系统，低功耗广域物联网网关的工作频段为137～1202Mhz，城市覆盖距离3km，空旷覆盖距离20km，支持接入6.5万个定位节点。
在本实施例中，以工人定位为例阐述此系统。建筑工地可以通过空间分解为两个部分：建筑物(楼宇等)内部、室外施工场地。建筑物内部由于遮挡无法采用GNSS定位，可以采用基于蓝牙的iBeacon方案定位；建筑物外部的室外场地一般较空旷，一般不适合部署蓝牙iBeacon基站，可采用GNSS辅助定位。综合分析节点空间定位方案采用蓝牙iBeacon定位+GNSS定位的双重方案。
定位节点配备有蓝牙模块、GNSS定位模块、LoRa模块、处理器以及电池，由于定位节点体积较小，可以安置于工人安全帽内部。GNSS包括：中国北斗、美国GPS、苏联GLONSS等，相较于GPS具有更好的定位效果。iBeacon基站采用电池供电，体积小(长宽小于3cm)，可以方便地布置在室内外的各种标志性的建筑物上，iBeacon基站会周期性地通过蓝牙协议广播数据，其传输距离一般10～30米；安全帽上的定位节点中的蓝牙模块会实时侦听其周围iBeacon基站广播的通用唯一识别码UUID以及信号强度，并将其所有侦听到的若干个iBeacon基站UUID和信号强度通过LoRa传输到LPWAN网关，然后经过LPWAN网关传输到云平台；为了保证定位节点的功耗最低，其GNSS模块采取低功耗开启策略，即当定位节点的蓝牙模块检测到的iBeacon基站的数量很少(小于3个)，或者信号强度非常低(微弱)的时候，即判断其离开建筑物，此时策略性开启GNSS模块搜星定位，并将室外定位的经纬度信息经LoRa通过LPWAN网关传输到云平台；云平台根据其接收到的经纬度信息以及iBeacon基站的信号强度等信息，综合分析定位节点的位置，并结合GIS地图数据，通过三维可视化界面将定位信息展现出来。
如图2所示，本发明的网络部署方案包括定位节点、LPWAN无线网关、云平台和应用APP软件四个部分组成，定位节点实时将信息通过LPWAN网关传输到云平台上，云平台进行数据存储和分析，并将相关定位信息传输到管理员的服务器网站或者移动客户端APP上。其中，LPWAN无线网关是智能多通道物联网网关，可以便捷高效低组件大容量物联网网络系统，实现接入点设备的数据采集、管理和控制等功能。工作频段在
137-1202Mhz，城市覆盖距离3KM，空旷覆盖距离20KM，支持接入6.5万个节点设备，即定位节点，通过WIFI、2/3G/4G、以太网接入云平台。
如图3所示，云平台运维整个网络通信系统，可以将定位节点发送的数据推送到智能终端，或者管理者应用的服务器上。为所有设备监理和运行提供全套服务和支持，实现并简化了设备、人、物品和地点信息的互联互通。任何组织和个人可以通过平台的软件、可视化编程、云服务接口、移动SDK等快速创建应用，从而减少开发者产品周期。
iBeacon基站可以部署安装在一些标志性的物体上，比如特定楼层的门窗等物体上。iBeacon基站外观轻巧漂亮，可以采用悬挂、粘贴、磁吸等多种方式进行安装。其中根据客户需求，电池容量可以扩大，从而延长模块的使用寿命。其技术参数如表1所示：
表1
特性 参数
发射功率 4dBm
传输距离 10-30米(空旷)
协议标准 iBeacon协议
电池型号 CR2032纽扣电池
电池容量 230mAh
工作电流 40uA
定位节点体积很小，可以安置于安全帽上。定位节点采用锂电池供电周期性地将其检测到的位置信息传输到云平台上。其技术参数如表2所示：
表2
特性 参数
上报周期 3～5min(可配置)
定位精度 5米
休眠功耗 3uA
发射功率 20dBm
卫星定位 GNSS+北斗
电池电量 400mAh
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种超低功耗室内外混合定位系统，其特征在于，包括：
多个iBeacon基站，其设置在室内空间中，所述iBeacon基站以预设信号强度通过蓝牙广播其通用唯一识别码；
定位节点，其设置在待定位的移动个体上，所述定位节点通过蓝牙周期性监听其周围的多个通用唯一识别码及对应的信号强度，并通过LoRa无线模块输出；
无线网关，其用于接收所述定位节点通过LoRa无线模块输出的多个通用唯一识别码及信号强信息度，并通过移动网络输出；
云平台，其存储有多个iBeacon基站的经纬度、以及不同信号强度对应的范围区间，所述云平台接收所述无线网关输出的多个通用唯一识别码及其信号强度，并根据每个通用唯一识别码确定对应的iBeacon基站的位置，然后根据接收的多个iBeacon基站的信号强度确定范围区间的交集，以确定移动个体的经纬度以及室内位置。
2.如权利要求1所述的超低功耗室内外混合定位系统，其特征在于，所述定位节点还包括GNSS定位模块，其设置为：当蓝牙监听的通用唯一识别码数量少于预定值时启动GNSS定位模块定位，获得移动个体的经纬度，并通过LoRa无线模块输出至所述无线网关，然后通过移动网络输出至云平台。
3.如权利要求2所述的超低功耗室内外混合定位系统，其特征在于，所述预定值为3。
4.如权利要求2所述的超低功耗室内外混合定位系统，其特征在于，还包括：
管理员服务器或移动客户端，其用于接收云平台输出的移动个体的经纬度，并将移动个体的位置标记到电子地图上。
5.如权利要求2所述的超低功耗室内外混合定位系统，其特征在于，相邻iBeacon基站的布置间距不超过30m。
6.如权利要求2所述的超低功耗室内外混合定位系统，其特征在于，所述定位节点交替进入监听模式和休眠模式，且每次监听模式持续时间不超过4s。
7.如权利要求1所述的超低功耗室内外混合定位系统，其特征在于，所述iBeacon基站的发射功率为4dBm，传输距离为10～30m。
8.如权利要求1所述的超低功耗室内外混合定位系统，其特征在于，移动网络为WIFI、有线以太网、2/3/4G中的一种。
9.如权利要求1～8中任一项所述的超低功耗室内外混合定位系统，其特征在于，所述无线网关为低功耗广域物联网网关，其设置在楼顶或铁塔的制高点。
10.如权利要求9所述的超低功耗室内外混合定位系统，其特征在于，低功耗广域物联网网关的工作频段为137～1202Mhz，城市覆盖距离3km，空旷覆盖距离20km，支持接入6.5万个定位节点。
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