CN106941654B

CN106941654B - 一种用于旅游景区及货场的人员及资产搜寻系统和方法

Info

Publication number: CN106941654B
Application number: CN201610001263.3A
Authority: CN
Inventors: 廖应成
Original assignee: WESTVALLEY DIGITAL TECHNOLOGIES Inc
Current assignee: WESTVALLEY DIGITAL TECHNOLOGIES Inc
Priority date: 2016-01-05
Filing date: 2016-01-05
Publication date: 2020-05-26
Anticipated expiration: 2036-01-05
Also published as: CN106941654A

Abstract

本发明利用超低功耗以及超过1500米距离的超远距离睡眠唤醒技术，将GPS模块与一个采用低占空比工作方式工作的超远距离智能电子标签集成在一起，成为一个低功耗的智能GPS标签。这里的GPS标签不仅具有智能电子标签包括室内定位,多信道协同工作在内的所有功能，而且还具有GPS特有的室外精确定位的功能。GPS标签不依赖移动公网或WiFi等网络来传递自己采集到的GPS位置信息，它的电池的使用寿命可达3‑5年。它不仅成本低，而且使用简单方便。可广泛用于各种旅游景区，游乐场所以及城市中的人员搜寻定位；旅游团队的人员管理。偏远地区没有网络覆盖的人员搜救，还可广泛用于大型港口以及货场中集装箱等的资产搜寻定位等。

Description

一种用于旅游景区及货场的人员及资产搜寻系统和方法

技术领域

本发明涉及GPS定位，低功耗无线通信技术。

背景技术

现有的室外定位技术基本上都是通过利用GPS模块采集位置信息，再利用无线公网（GPRS或WiFi）将位置信息传回后台管理计算机来实现对人员和资产的定位。

这种方法存在如下问题：

1. 为了保证定位模块与后台的通信联系，定位模块中的的GPRS必须始终处于开启工作状态，因而十分费电，加上GPS模块的耗电，定位终端必须采用可随时充电的供电方式（例如手机和可穿戴设备）。这样就大大限制了这种定位技术的应用。

2. 这种方法用于室内定位时，将带来很大的定位误差。

3. 另外GPRS模块的使用不仅增加了定位终端的总体成本，还涉及每个月都得缴纳一笔费用。长期下来这是一笔不小的开支。

发明内容

本发明利用超远距离超低功耗睡眠唤醒技术，将GPS模块与一个采用低占空比工作方式工作的远距离智能电子标签集成在一起，成为一个低功耗的智能GPS标签。这里的智能电子标签采用周期性睡眠，苏醒后监听工作指令信号一瞬间的工作方式，这里的“智能”概念是指电子标签不仅具有双向通信能力，信息处理能力，而且还可根据读写器的工作指令，改变自己的工作方式，包括频道，发射功率等。这种GPS标签既具有一般有源电子标签的功能，包括室内定位功能，还具有GPS特有的室外精确定位的功能。它不仅不需要依赖移动公网（GPRS或WiFi等）来传递自己采集到的GPS位置信息，而且电池的使用寿命可达3-5年，因而成本低，使用简单方便，可广泛用于人员及资产的室内外定位。

GPS标签中的GPS模块平常处于超低功耗状态或关机状态，而其中的智能电子标签中的无线收发机模块则处于在预先安排的无线信道上周期性（t）监听来自读写器工作指令信号的状态。这里的无线信道既可以是通过频率来区分的无线通信通道，也可以是在同一频率上使用不同信号编码来区分的无线通信通道。

为了省电的目的，智能电子标签中的无线收发模块在周期性苏醒的瞬间，采用了先仅只花费非常短的时间检测所监听的信号，看其是否具有组成读写器向它发射的数据信号包必须要有的，部分或全部射频信号的基本特征，例如射频信号的频率，调制及编码方式等，而只有当检测到的信号，具有期待的部分或全部射频信号的基本特征后，智能标签中的无线收发模块才会延长原先设定的监听时间，接收完整个数据信号包，按照预先规定的通信协议，对来自读写器的工作指令信号进行解析，并根据工作指令的要求执行相应的任务，包括更改工作信道，发射功率，睡眠苏醒周期等，否则智能标签中的无线收发模块将在非常有限的监听时间结束后，回到周期性的睡眠，苏醒后监听信号一瞬间的低功耗状态（图6）。这里预先设定的非常有限的监听时间的长度，是按照足以保证无线收发模块能够完成这种射频信号特征检测来设定的。在一些简单的应用场景中，智能电子标签周期性苏醒后，监听的工作指令信号还可以是一个具有某种射频信号特征的简单射频信号，其射频特征就代表了某种预先设定的智能电子标签可以识别的具体工作指令。

位置信息采集过程：GPS标签平常处于低功耗休眠状态，只有当GPS标签接收到来自远端读写器开启GPS模块的工作指令信号，或通过其上的按键或其他方式接收到一个启动GPS模块工作的信号时，GPS模块才会进入工作状态，接收卫星信号，获取自身位置信息，并通过GPS标签中的智能电子标签，将信号传给远端的读写器，并通过读写器传到后台管理计算机，包括手机。GPS模块在完成位置信息采集后，将处于关机状态或低功耗待机状态，直到下一次被按键或来自读写器的工作指令信号所启动。而GPS标签中的智能电子标签在将采集到的位置信息传输给读写器后，也将进入周期性监听信号的低功耗状态。

系统结构

本发明系统由一个或多个与移动目标连接的GPS标签，一个或多个通过有线或无线方式与计算机连接的读写器，管理计算机以及相关管理软件组成；当位置信息接收方为一般手机时，还可包括手机在内(图1)；在一般情况下，读写器应由一个以上可与GPS标签通信的无线收发机模块组成，其中至少有一个无线收发机模块用于在标签的监听信道上，连续在一段时间T内向GPS标签广播工作指令信号，其余的无线收发机模块，则在标签信息返回信道上等待接收标签的位置信息。当我们在一般手机中嵌入了可与GPS标签进行通信的无线收发机模块时，这个手机便成为物联网手机，这种物联网手机既具有移动标签读写器的功能，也具有一般计算机的信息处理功能，输入及输出显示的功能。在一般应用情况下，物联网手机中仅只安装了一个可与GPS标签通信的无线收发机模块。因而，在使用这种物联网手机对GPS标签进行操控时，往往需要将广播定位工作指令信号和接收标签返回的位置信息这两个任务，通过时分（半双工）的方式来完成。此时，物联网手机将与GPS标签进行直接不依赖任何其他网络的通信，物联网手机既是搜寻定位命令的发布者，也是GPS标签返回的位置信息的直接接收者。

实际上，任意一个带有GPS功能的物联网手机，功能上既可以是一个GPS标签，也可以是一个集成了计算机功能的GPS标签读写器，它可以在没有移动网络存在的情况下，在有限范围内发起对其他任意一个物联网手机的搜寻定位。

每个读写器和GPS标签都有一个唯一的身份ID。每个GPS标签都可与读写器或物联网手机实现不依赖移动公网的无线通信。这里的GPS标签采用了周期性睡眠，苏醒后在预先安排的无线信道上监听来自读写器工作指令信号一瞬间的低占空比的工作方式；GPS标签与读写器之间在开阔空间的通信距离可以达到200 -1500米，甚至更远（定向天线），而GPS标签中的电池使用寿命，一般情况下也可以达到2-5年。

本系统也可由一个或多个与移动目标连接的GPS标签与物联网手机及相关软件组成，这里的物联网手机既承担了前述系统中读写器的工作，也承担了计算机的工作；

系统的工作方式

当需要对携带GPS标签的特定目标进行搜寻定位时，读写器将在该GPS标签的监听信道上，在一段大于GPS标签睡眠苏醒周期的时间段T内，连续不间断地向GPS标签发射定位工作指令信号，抓住GPS标签睡眠苏醒后监听信号的瞬间与GPS标签建立起通信联系；GPS标签在接收到定位工作指令后，将立即启动GPS模块进入前述位置信息采集过程。（图2）

在旅游景区或其它娱乐区域内，为了便于迷路的儿童或掉队的旅游团队成员告诉家长或导游自己所在的精确位置，GPS标签还提供了某种激活装置，例如按键，使得GPS标签携带者可以通过按键或其他方便的方式启动GPS标签，使GPS标签进入前述的位置信息采集过程，并将获取的位置信息传输给读写器，最终传给家长或导游。这里GPS标签发送的信息中还带有目标接收设备的地址信息。(图1)

在海量GPS标签存在的情况下，例如在堆放集装箱的码头货场，当需要确定某个集装箱，或在游乐场中某个迷路儿童的具体位置信息时，系统需要在整个区域内广播搜寻工作指令，此时，所有的GPS标签都会接收并解析这个命令，直到确认这个命令不是发给自己的。如果我们频繁广播这种目标搜寻工作指令时，势必导致许多不属于搜寻对象的GPS标签不必要的能量消耗。为此，本发明将根据GPS标签的ID号或其他特征的差异，将GPS标签监听工作指令信号的信道预先进行区分。例如利用ID号最末10个数字的差异，将所有GPS标签分配在10个不同的监听信道上。因而读写器将根据被搜寻对象的GPS标签的ID号及其分配的监听信道，仅只在相应的信道上发射搜寻工作指令信号。这样，不在这一组的GPS标签将会不受打扰。（图3）

为了避免景区内分布的多个读写器在广播搜寻定位工作指令时发生信号相互干扰，我们利用读写器内的两个无线收发机模块可同时工作在不同信道上的优势，（一个广播定位工作指令，另一个接收GPS标签返回的位置信息），让分布在旅游景区或游乐场内的多个读写器，采用同时在不同信道上广播搜寻工作指令（频分），或轮流在相同信道上广播搜寻工作指令（时分），来避免相邻读写器在同时广播工作指令时造成的信号干扰（图4）。在一般情况下，比起系统接收返回信息的能力来，景区内需要搜寻对象的数量非常有限，因而，所有读写器可使用同一个信道接收来自不同被搜寻的GPS标签返还的位置信息（图3）；在被搜寻对象数量非常大时，接收到不同读写器工作指令GPS标签，还可根据读写器工作指令所安排的不同信道，向该读写器返回自己的位置信息。

除了利用GPS标签中的GPS模块实现精确卫星定位外，为了景区管理方便，分布在景区中不同位置（包括安装在室内）的GPS标签读写器还可以通过不启动GPS模块，而仅仅采用对景区内所有GPS标签进行盘点的方式，来了解游客的分布情况和具体位置。通过调整GPS标签读写器与GPS标签的通信距离（调整发射功率和接收灵敏度等），以及GPS标签读写器之间的安装距离的方式，系统还可实现对批量GPS标签不同精度的室内外标杆定位（Cell-ID）。

此外，为了对特定的一个或一组游客进行监控管理，例如家长或导游对自己小孩和团队成员的监管，我们还可以使用物联网手机，通过改变标签及手机中无线收发模块发射功率，接收灵敏度，根据需要在不同远近距离范围内与标签进行定期或不定期的通信，盘点等，实现对特定人员的实时监控管理。

除此之外，在许多野外偏远地区，由于网络覆盖的限制，往往无法对失踪人员进行有效的搜寻定位。当我们在直升机或无人机上安装了GPS标签读写器后，我们便可以很容易获取到携带GPS标签的失踪者的精确坐标位置。

利用本发明系统中，一般手机用户可以利用专用的APP,向本发明系统发送搜寻某个携带GPS标签的特定目标的请求（例如家长找自己的小孩，或导游寻找掉队成员等）。系统将根据该GPS标签的ID号，及其分配的监听信道，通过分布在景区内的所有读写器，利用读写器时分和频分广播的方式（图4）向该GPS标签发送获取位置信息的定位工作指令信号。例如，当需要搜寻多个在不同监听信道上的GPS标签时，安装在景区内的读写器则可连续在F1信道上连续广播工作指令T=4秒钟后，随后再在另一个F2信道上再广播4秒，然后再在F3信道上广播4秒，…..；与此同时，其相邻的读写器则分别先后在F2,F3,F1信道及F3,F1,F2信道上以相同的方式进行时分和频分广播定位指令信号。这里使用信道的多少，取决于被搜寻的所有GPS标签一共使用了多少个监听信道；如果被搜寻GPS标签只有一个，当然也就只有一个信道需要搜寻（假如是F3），此时，区域内所有相邻的读写器只能通过时分方式在F3信道上轮流广播指令信号，而不相邻的读写器则可同时在F3信道上广播指令信号，以此类推，以避免相邻读写器在同一信道上同时广播工作指令时造成无线信号之间的相互干扰（图5）。当该标签接收到工作指令信号后，将立即启动标签中的GPS,使其进入前述的位置信息采集过程。在获取到标签的位置信息后，GPS标签将相关的位置信息传给后台管理计算机或手机，计算机或手机上便可显示该被搜寻对象的精确位置（图1）。

同样，当迷路的小孩或掉队的旅游团队成员需要告诉家长或导游自己的准确位置时，只需要按下GPS标签上的按键或其他方式启动GPS标签使其进入前述的位置信息采集过程。自身的精确位置便会显示在家长或导游的手机屏幕上。

当搜寻行动的发起人使用物联网手机对目标进行搜寻时，整个过程与使用读写器搜寻目标完全相同，只不过整个过程中的通信，不再依赖任何其他网络（包括移动公网或WiFi）而是依靠物联网手机和GPS标签中的无线通信模块来完成的。

本发明带来的效益

本发明所带来的效益是显而易见的：由于一个GPS定位标签的成本很低，电池使用寿命长，因而不需要外供电源或频繁充电。这样它以低成本的方式，解决了一般室外设备及人员的精确定位和搜寻问题。特别是在野外或自然灾害发生后，没有移动公网可依赖的情况下。

附图说明：

图1 系统结构及工作方式

图2 GPS标签工作方式

图3 对海量GPS标签的监听信道进行分组

图4 相邻读写器通过频分广播来避免信号干扰

图5 相邻读写器通过时分广播来避免信号干扰

图6 智能电子标签苏醒后瞬间检测射频信号特征

具体实施方式：

下面我们以本发明在景区中的具体应用为例子来加以说明：

这里需要说明的是，GPS标签中的智能电子标签，可以根据实际应用场景采用具有不同通信距离的无线收发模块，例如150米或1500米的通信模块，这些无线收发模块的通信距离都可以根据需要调整。在景区范围有限的情况下，可以采用近距离模块。

我们在景区中每隔一定距离，一般为100-200米左右，安装一个GPS标签读写器，并将这些读写器与GPS标签之间的通信距离控制在80-150米左右，这些读写器（<3w）可以采用太阳能或一般市电供电，这些读写器通过有线（例如光钎）或无线（例如WIFI）与后台管理计算机（服务器）连接，而管理计算机又通过网络与移动手机通信平台链接，从而在一般手机与GPS标签之间建立起了一个数字通信通道。

当手机用户（家长或导游）需要知道自己小孩的位置时，他只需通过手机APP向管理计算机发送搜寻请求，管理计算机将通过景区内的读写器，在该被搜寻GPS标签的监听信道上，采用时分的方式（图5），分时向该标签广播搜寻定位指令；如果有多个家长同时需要搜寻多个迷路小孩，则这些读写器将采用前述时分和频分的方式来广播搜寻定位命令。一当被搜寻的GPS标签（不管在哪个监听信道上）接收到搜寻定位指令，该标签将立即启动GPS模块，进入前述的位置信息采集过程。系统在获取到相关位置信息后，将向发出搜寻请求的手机发回被搜寻对象的位置信息，并通过预先安装的手机APP在手机上将被搜寻目标的位置显示出来。

同样，当迷路的小孩或旅游团队成员需要找寻自己的家长或导游时，他们将通过标签上的按键，启动GPS模块进入前述的位置信息采集过程，并将位置信息传给相关家长或导游的手机。这里小孩的标签与旅游团队成员标签的ID是预先与家长和相关导游的手机号捆绑在一起的。

在码头货场寻找设备，物资，集装箱等的情况完全类似。

Claims

1.一种用于旅游景区及货场的人员及资产搜寻系统，包括至少一个与移动目标连接的GPS标签，至少一个通过有线或无线方式与计算机连接的读写器，管理计算机以及相关管理软件组成；当位置信息接收方为一般手机时，还包括至少一个手机在内；每个GPS标签都有一个唯一的身份ID；

其中，GPS标签由一个GPS模块和一个处于周期性睡眠，苏醒后在预先安排的无线通信信道上监听读写器工作指令信号一瞬间的无线收发机模块集成；GPS模块平常处于低功耗状态或关机状态，只有当GPS标签接收到来自远端读写器开启GPS模块的工作指令信号，或通过其上的按键接收到一个启动GPS模块的工作指令信号时，GPS模块才会进入工作状态，接收卫星信号，获取自身位置信息，并通过GPS标签中的无线收发模块，将信号传给远端的读写器和后台管理计算机，包括手机；GPS模块在完成位置信息采集后，将重新回到关机状态或低功耗待机状态，直到下一次GPS模块被按键或来自读写器的工作指令信号所启动；而GPS标签中的无线收发机模块在将采集到的位置信息传输给读写器和后台计算机后，也将回到周期性监听信号的低功耗状态；

每个读写器至少有一个可与GPS标签进行通信的无线收发机模块，读写器通过在GPS标签的监听信道上，在一段大于GPS标签睡眠苏醒周期的时间段内，连续不间断地向GPS标签发射各种工作指令信号，抓住GPS标签睡眠苏醒后监听信号的瞬间与GPS标签建立起通信联系；这里的各种工作指令信号，至少包括向GPS标签下达启动标签中GPS模块，利用GPS卫星定位系统的定位工作指令信号；

其特征在于，在存在海量GPS标签的应用场景中，系统还根据GPS标签的ID号或其他特征差异，将GPS标签监听工作指令信号的信道预先进行区分，读写器将根据被搜寻GPS标签的分组及其分配的监听信道，仅只在相应的信道上发射搜寻工作指令信号；

为了避免在一个区域内多个读写器同时工作时可能造成的信号干扰，系统还让分布在区域内相邻的读写器采用时分和/或频分的工作指令广播方式，所述频分为采用同时在不同信道上广播搜寻工作指令，所述时分为轮流在相同信道上广播搜寻工作指令，来避免相邻读写器在同时广播工作指令时造成的信号干扰；

当读写器中只有一个无线收发机模块时，所述无线收发机模块可与GPS标签进行通信，以使手机成为物联网手机，读写器需要将其向GPS标签广播定位工作指令信号和接收GPS标签返回的位置信息这两个任务，通过半双工时分的方式来完成；物联网手机与GPS标签进行直接不依赖其他网络的通信，物联网手机既是搜寻定位命令的发布者，也是GPS标签返回的位置信息的直接接收者；而且任意一个带有GPS功能的物联网手机，功能上既可以是一个GPS位置标签，也可以是一个集成了计算机功能的GPS标签读写器，在没有其他网络存在的情况下，在有限范围内可以发起对其他任意一个带有GPS功能的物联网手机的搜寻定位；

当读写器中安装了一个以上的无线收发机模块时，则其中至少有一个无线收发机模块被用于在GPS标签的监听信道上，连续在一段时间内向GPS标签广播工作指令信号，而其余的收发机模块，则可同时在标签信息返回的信道上等待接收GPS标签返回的位置信息。

2.根据权利要求1所述的用于旅游景区及货场的人员及资产搜寻系统，其特征在于，所述GPS标签中的无线收发机模块，在周期性睡眠苏醒的瞬间，采用了先仅只花费非常短的时间检测所监听的信号，看其是否具有组成读写器向它发射的数据信号包必须要有的，部分或全部射频信号的基本特征；而只有当检测到的信号，具有期待的部分或全部射频信号的基本特征后，无线收发机模块才会延长原先设定的监听时间，接收完整个数据信号包，按照预先规定的通信协议，对来自读写器的工作指令信号进行解析，并根据工作指令的要求执行相应的任务。

3.根据权利要求1所述的用于旅游景区及货场的人员及资产搜寻系统，其特征在于，所述GPS标签中的无线收发机模块，在周期性睡眠苏醒的瞬间，采用了只监听GPS标签可以识别的，预先设定的代表了一种具体工作指令的某种特征的简单射频信号，并执行该特征射频信号所代表的工作指令；或者直接接收一个完整的工作指令信号包，并执行该工作指令。

4.一种用于旅游景区及货场的人员及资产搜寻方法，包括将GPS模块与一个处于周期性睡眠，苏醒后在预先安排的无线通信信道上监听读写器工作指令信号一瞬间的智能电子标签集成在一起成为一个GPS标签；让GPS标签中的GPS模块平常处于低功耗状态或关机状态，只有在接收到来自智能电子标签读写器通过智能电子标签传来的工作指令，或其它人为的触发信号后，才进入GPS位置信息的采集过程，并在完成GPS位置信息采集后，迅速回到低功耗状态或关机状态，等待下一次的工作机会；将GPS标签采集到的GPS位置信息通过智能电子标签传给智能电子标签读写器，让智能电子标签在完成信息传输任务后，回到周期性睡眠的低功耗状态；智能电子标签读写器通过在智能电子标签的监听信道上，在一段大于GPS标签睡眠苏醒周期的时间段内，连续不间断地重复地向GPS标签发射工作指令信号，抓住GPS标签睡眠苏醒后监听信号的瞬间与GPS标签建立起通信联系；向GPS标签下达工作指令，包括，但不限于启动标签中GPS模块，利用GPS卫星定位系统的定位工作指令；其特征在于，在存在海量GPS标签的应用场景中，系统还根据GPS标签的ID号或其他特征差异，将GPS标签监听工作指令信号的信道预先进行区分，读写器将根据被搜寻GPS标签的分组及其分配的监听信道，仅只在相应的信道上发射搜寻工作指令信号；为了避免在一个区域内多个读写器同时工作时可能造成的信号干扰，系统还让分布在区域内相邻的读写器采用时分和频分的工作指令广播方式，所述频分为采用同时在不同信道上广播搜寻工作指令，所述时分为轮流在相同信道上广播搜寻工作指令，来避免相邻读写器在同时广播工作指令时造成的信号干扰。

5.根据权利要求4所述的用于旅游景区及货场的人员及资产搜寻方法，其特征在于，所述方法中的智能电子标签中的无线收发机模块，在周期性睡眠苏醒的瞬间，采用了先仅只花费非常短的时间检测所监听的信号，看其是否具有组成读写器向它发射的数据信号包必须要有的，部分或全部射频信号的基本特征；而只有当检测到的信号，具有期待的部分或全部射频信号的基本特征后，无线收发机模块才会延长原先设定的监听时间，接收完整个数据信号包，按照预先规定的通信协

议，对来自读写器的工作指令信号进行解析，并根据工作指令的要求执行相应的任务。

6.根据权利要求5所述的用于旅游景区及货场的人员及资产搜寻方法，其特征在于，在存在海量GPS标签的应用场景中，所述方法还将GPS标签监听工作指令信号的信道预先进行分组，读写器将根据被搜寻GPS标签所分配的监听信道，只在相应的信道上广播搜寻工作指令信号；并为了避免在一个区域内多个读写器同时工作时可能造成的信号干扰，系统还让分布在区域内相邻的读写器采用时分和频分的工作指令广播方式。