CN106686722A - 基于css技术的大型室内环境定位的微基站及工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于CSS技术的大型室内环境下定位的微基站及工作方法,本发明中的CSS射频模块和天线通过SPI总线与MCU控制处理模块连接,作为实现大型室内环境定位功能的主测距信号;zigbee模块/WIFI模块/蓝牙模块作为可选择功能模块,根据室内定位已有网络环境和功能需求,用于选择不同模块实现微基站接入到当前已有的网络环境中,同时提供定位中的辅助测距信号并通过SPI总线与MCU控制处理模块连接;气压测高模块提供定位系统中的高度测定,用于大型室内环境中的多层建筑区分,通过SPI总线与MCU控制处理模块连接,本发明实现大型室内环境下的高精度定位,定位精度高,稳定性好。

Description

基于CSS技术的大型室内环境定位的微基站及工作方法
技术领域
[0001] 本发明属于物联网室内定位微基站及工作方法,具体涉及一种基于CSS技术的大 型室内环境定位的微基站及工作方法。 技术背景
[0002] 近年来,随着无线网络技术、信息处理技术的快速发展,基于定位信息的服务与应 用需求日益增加,这些服务都需要依靠对人或物的精确定位来实现。此外,节点定位问题是 无线传感网络中的关键技术之一,获得节点观测事件发生的位置或采集信息的节点位置是 无线传感网络最基本的功能之一,也是无线传感网络其他如拓扑控制、位置路由等关键技 术的基础。然而,受成本、复杂室内环境、算法鲁棒性不强等因素的影响,目前尚未有比较完 善的定位技术方案。当前采用的定位方案包括红外线定位技术、超声波定位技术、蓝牙定位 技术、定位技术、RFID定位技术,超宽带定位技术、WIFI定位技术等,这些定位方案都有着或 多或少的缺陷,其中定位精度比较高的系统存在信号带宽过宽、成本较高的问题,而定位精 度比较低的系统存在不够精确、不够稳定的问题,因此实现面向复杂室内环境的、健壮的、 较高精度的无线定位目前仍然是一个研究热点及难点。本发明在分析多种定位系统技术的 基础上,采用线性调频扩频(Chirp Spread Spectrum,CSS)的高精度室内定位方法作为微 基站的主测距信号,该定位技术在中短距离内具有良好的定位精度和稳定性,在产品功耗、 抗干扰性、移动性等方面具有良好的性能;同时采用常用zigbee模块/WIFI模块/蓝牙模块 作为辅助测距模块,实现主测距信号与辅助测距信号的融合定位,从而为地下车库、大型购 物商场等场所提供一种广域、高精度的定位基站,具有良好的应用前景。
发明内容
[0003] 本发明针对当前常用室内定位方案存在的问题,如定位精度比较高的系统存在信 号带宽过宽、成本较高的问题,而定位精度比较低的系统存在不够精确、不够稳定的问题, 难以实现面向复杂室内环境的、健壮的、较高精度方案,提出了一种基于CSS技术的大型室 内环境定位的微基站及工作方法。
[0004] -种基于CSS技术的大型室内环境定位的微基站,包括M⑶控制处理模块,CSS射频 模块、天线、zigbee模块/WIFI模块/蓝牙模块和气压测高模块。
[0005] 所述的CSS射频模块通过SPI总线与MCU控制处理模块连接,可选zigbee模块/WIFI 模块/蓝牙模块通过SPI总线与M⑶控制处理模块连接,气压测高模块通过SPI总线与M⑶控 制处理模块连接,MCU控制处理模块上设有天线。
[0006] 基于CSS技术的大型室内环境定位的微基站的工作方法,具体包括以下步骤:
[0007] 步骤一:所述微基站工作时包括微基站和用户终端,用户终端通过气压测高模块 测量用户终端所处位置的气压值,将所述气压值转换后得到大地高程值,得到用户终端工 作的等高程曲面,得到微基站与用户终端的高程差h 1;
[0008] 步骤二:用户终端首先通过可选模块zigbee模块/WIFI模块/蓝牙模块测量用户终 端与微基站之间的RSSI值,并通过多次测量求平均值的方法对RSSI值进行平滑滤波,降低 噪声干扰,然后通过通用对数正态分布路径损耗模型得到RSSI与距离的关系,计算得到用 户终端到微基站的距离&,并通过多次测量求平均值的方法对口:进行平滑滤波;
[0009] 步骤三:用户终端采用对称双面双向测距法通过CSS主测距模块测量用户终端与 微基站之间的距离P 2,并通过求平均值的方法P2对进行平滑滤波;
[0010] 步骤四:实现距离口!和距离P2的信息融合。
[0011] 在室内测距时,基于RSSI的测距在距离近时测距精度较高,而css测距在近距离时 误差相对较大;在远距离时,RSSI测距算法存在的耗损和噪声产生误差的较大,而CSS测距 的精度较高,因此设置融合阈值,
Figure CN106686722AD00051
以内的测距时,将测距信息P2作为预测 值,测距信息P1作为观测值,辅助修正定位,通过联合卡尔曼滤波的方式得到用户终端与微 基站的距尚仍;,
[0012]
Figure CN106686722AD00052
,采用加权的方式实现距离Pl和距离P2的信息融合:
[0013] ρ3 = βρ!+ (l-β) P2 ;
[0014] 其中β取值为服从) = 1 ~ ίΤ#2的概率密度函数。
[0015] 步骤五:通过三次测量,由距离P3和高程值hi,通过三边定位算法得到用户终端的 三维空间坐标。
[0016] 所述用于大型室内环境定位的微基站采用多源信号融合的方式定位,其采用CSS 技术作为实现大型室内环境定位功能的主测距信号,根据室内定位已有网络环境和功能需 求,采用zigbee模块/WIFI模块/蓝牙模块作为辅助测距信号模式;
[0017] 所述微基站的主测距CSS模块采用Nanotron公司的nanoPAN5375射频模块,并通过 SPI总线与MCU控制处理模块连接,通过2.4G天线采用基于SDS-TWR (对称双面双向测距)进 行室内测距;
[0018] 所述用于该微基站的辅助测距信号根据当前室内已有网络环境,选择zigbee模 块/WIFI模块/蓝牙模块其中的一个作为辅助测距信号实现室内高精度定位,同时通过该模 块实现微基站接入到当前已有的网络环境中,并通过SPI总线与MCU控制处理模块连接;
[0019] 所述微基站的气压测高模块,用于提供定位系统中的高度测定,实现大型室内环 境中的多层建筑区分,并通过SPI总线与MCU控制处理模块连接。
[0020] 本发明专利所述的基于CSS技术的大型室内环境定位的微基站,通过主测距信号 和辅助测距信号融合在一起,使用多个测距量值有效的提高定位精度,该微基站能够实现 大型室内环境的定位,如多层地下车库、大型购物商厦、机场等广域场所,并能实现三维立 体空间的地位,在单基站50平米的范围内,实现精度1米的定位效果,具有良好的应用前景。
附图说明
[0021] 图1本发明系统框图。
具体实施方式 [0022] 参见图1,
[0023] 一种用于大型室内环境定位的微基站,包括M⑶控制处理模块,CSS射频模块、天 线、zigbee模块/WIFI模块/蓝牙模块和气压测高模块。
[0024] 所述的CSS射频模块通过SPI总线与MCU控制处理模块连接,可选zigbee模块/WIFI 模块/蓝牙模块通过SPI总线与M⑶控制处理模块连接,气压测高模块通过SPI总线与M⑶控 制处理模块连接,MCU控制处理模块上设有天线。
[0025] 基于CSS技术的大型室内环境定位的微基站的工作方法,具体包括以下步骤:
[0026] 步骤一:所述微基站工作时包括微基站和用户终端,用户终端通过气压测高模块 测量用户终端所处位置的气压值,将所述气压值转换后得到大地高程值,得到用户终端工 作的等高程曲面,得到微基站与用户终端的高程差h 1;
[0027] 步骤二:用户终端首先通过可选模块zigbee模块/WIFI模块/蓝牙模块测量用户终 端与微基站之间的RSSI值,并通过多次测量求平均值的方法对RSSI值进行平滑滤波,降低 噪声干扰,然后通过通用对数正态分布路径损耗模型得到RSSI与距离的关系,计算得到用 户终端到微基站的距离&,并通过多次测量求平均值的方法对口:进行平滑滤波;
[0028] 步骤三:用户终端采用对称双面双向测距法通过CSS主测距模块测量用户终端与 微基站之间的距离P 2,并通过求平均值的方法P2对进行平滑滤波;
[0029] 步骤四:实现距离01和距离仍的信息融合。
[0030] 在室内测距时,基于RSSI的测距在距离近时测距精度较高,而CSS测距在近距离时 误差相对较大;在远距离时,RSSI测距算法存在的耗损和噪声产生误差的较大,而CSS测距 的精度较高,因此设置融合阈值
Figure CN106686722AD00061
以内的测距时,将测距信息口2作为预测 值,测距信息P1作为观测值,辅助修正定位,通过联合卡尔曼滤波的方式得到用户终端与微 基站的距,
[0031]
Figure CN106686722AD00062
:的测距时,采用加权的方式实现距离P1和距离P 2的信息融合:
[0032] Ρ3 = βΡι+ (1-β) Ρ2;
[0033] 其中β取值为服从= I - 的概率密度函数。
[0034] 步骤五:通过三次测量,由距离P3和高程值lu,通过三边定位算法得到用户终端的 三维空间坐标。
[0035] 本发明实施例适用流程如下:
[0036] 在大型室内环境定位过程中,根据已有的室内网络环境,选择zigbee模块/WIFI模 块/蓝牙模块其中的一个模块作为与外部环境通信的模块,同时作为辅助测距信号实现室 内高精度定位。CSS模块通过SPI总线与MCU控制处理模块进行数据交互,同时通过天线与外 部待定位节点进行定位数据的接收和发送,并采用SDS-TWR (对称双面双向测距)方式进行 室内测距,获取定位的主测距值后上传到M⑶控制处理模块,然后通过可选的外部通信模块 将获得的主测距数据上传到外部待定位节点中;同时辅助测距模块通过MCU控制进行命令 交互,并通过天线与外部待定位节点进行辅助定位数据的接收和发送,获取辅助定位数据, 并将辅助定位数据上传待定位节点;同时气压测高模块通过MUC控制获取测得的高度信息, 也通过外部环境通信模块上传到待定位节点中,待定位节点根据获取的三类测距数值的融 合实现高精度的定位。

Claims (6)

1. 基于CSS技术的大型室内环境定位的微基站,包括MCU控制处理模块,CSS射频模块、 天线、zigbee模块/WIFI模块/蓝牙模块和气压测高模块; 所述的CSS射频模块通过SPI总线与M⑶控制处理模块连接,zigbee模块/WIFI模块/蓝 牙模块通过SPI总线与MCU控制处理模块连接,气压测高模块通过SPI总线与MCU控制处理模 块连接,MCU控制处理模块上设有天线。
2. 根据权利要求1所述的基于CSS技术的大型室内环境定位的微基站的工作方法,具体 包括以下步骤: 步骤一:所述微基站工作时包括微基站和用户终端,用户终端通过气压测高模块测量 用户终端所处位置的气压值,将所述气压值转换后得到大地高程值,得到用户终端工作的 等高程曲面,得到微基站与用户终端的高程差h 1; 步骤二:用户终端首先通过可选模块zigbee模块/WIFI模块/蓝牙模块测量用户终端与 微基站之间的RSSI值,并通过多次测量求平均值的方法对RSSI值进行平滑滤波,降低噪声 干扰,然后通过通用对数正态分布路径损耗模型得到RSSI与距离的关系,计算得到用户终 端到微基站的距离P 1,并通过多次测量求平均值的方法对口:进行平滑滤波; 步骤三:用户终端采用对称双面双向测距法通过CSS主测距模块测量用户终端与微基 站之间的距离P2,并通过求平均值的方法P2对进行平滑滤波; 步骤四:实现距离口!和距离P2的信息融合; 在室内测距时,基于RSSI的测距在距离近时测距精度较高,而CSS测距在近距离时误差 相对较大;在远距离时,RSSI测距算法存在的耗损和噪声产生误差的较大,而CSS测距的精 度较高,因此设置融合阈值,当
Figure CN106686722AC00021
长以内的测距时,将测距信息P2作为预测值,测 距信息P1作为观测值,辅助修正定位,通过联合卡尔曼滤波的方式得到用户终端与微基站 的距离P3;, 当
Figure CN106686722AC00022
'米的测距时,采用加权的方式实现距离P1和距离P 2的信息融合: Ρ3 = βρΐ+ (1-β) Ρ2; 其中β取值为服从= I - Μ的概率密度函数; 步骤五:通过三次测量,由距离P3和高程值lu,通过三边定位算法得到用户终端的三维 空间坐标。
3. 根据权利要求1或2所述的一种基于CSS技术的大型室内环境定位的微基站,其特征 在于:所述用于大型室内环境定位的微基站采用多源信号融合的方式定位,其采用CSS技术 作为实现大型室内环境定位功能的主测距信号,根据室内定位已有网络环境和功能需求, 采用zigbee模块/WIFI模块/蓝牙模块作为辅助测距信号模式。
4. 根据权利要求1或2所述的一种基于CSS技术的大型室内环境定位的微基站,其特征 在于:所述微基站的主测距CSS模块采用Nanotron公司的nanoPAN5375射频模块,并通过SPI 总线与MCU控制处理模块连接,通过2.4G天线采用基于SDS-TWR进行室内测距。
5. 根据权利要求1或2所述的一种基于CSS技术的大型室内环境定位的微基站,其特征 在于:所述用于该微基站的辅助测距信号根据当前室内已有网络环境,选择zigbee模块/ WIFI模块/蓝牙模块其中的一个作为辅助测距信号实现室内高精度定位,同时通过该模块 实现微基站接入到当前已有的网络环境中,并通过SPI总线与MCU控制处理模块连接。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于CSS技术的大型室内环境定位的微基站,其特征 在于:所述微基站的气压测高模块,用于提供定位系统中的高度测定,实现大型室内环境中 的多层建筑区分,并通过SPI总线与MCU控制处理模块连接。
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