CN107071899A - 一种快速高精度室内实时定位系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快速高精度室内实时定位系统，它包括标签，标签与时钟同步无线路由基站无线连接，时钟同步无线路由基站与交换机连接，交换机通过局域网与控制终端和服务器连接；解决了解决现有技术的室内定位技术精度差、抗干扰能力较差及空间的局限性等技术问题。
Description
技术领域
本发明属于室内定位技术，尤其涉及一种快速高精度室内实时定位系统。
背景技术
目前室内定位系统所用的技术有WiFi、RFID、Zigbee、UWB、蓝牙、地磁、超声波、红外、光线等。
WiFi定位是比较容易实现也比较廉价的一种方法。因为公共场合建筑物中的WiFi覆盖率比较高，而且移动终端大部分都携带有WiFi模块，所以可以大大降低成本，只要从算法上面进行改进就可以进行简单的室内定位。但是，由于WiFi容易受到人体的干扰以及多个WiFi网络信道之间的干扰，所以在实际应用中往往有一定的局限性；Zigbee定位需要搭建基站和移动模块，难度比WiFi的要大，定位精度不比WiFi的好；蓝牙定位具有定位成本低、部署方便等特点，但是其定位精度约为3米，抗干扰能力较差。
RFID定位是采用的刷卡方式，根据卡机的位置对刷卡人或设备进行区间性质的定位。其优点有：非接触式操作、使用方便、环境适应性强、RFID标签上信息可变等。缺点有：无法进行实时精确定位。地磁、超声波、红外、光线定位等方法有着其自身的局限性。地磁、光线定位等方法也在研究之列，但其精度不够，达不到分米级别，厘米级别的定位不使用这两种方法。超声波定位的局限性在于声速测量移动物体和固定站点之间的距离的速度相对于电磁波较慢，这就导致其实时性不如超带宽的好。红外定位有空间的局限性，从高精度室内定位的空间的复杂度来讲，很难达到厘米级别的精度设计要求。
发明内容：
本发明要解决的技术问题是：提供一种快速高精度室内实时定位系统，以解决现有技术的室内定位技术精度差、抗干扰能力较差及空间的局限性等技术问题。
本发明技术方案：
一种快速高精度室内实时定位系统，包括标签，标签与时钟同步无线路由基站通过无线连接，时钟同步无线路由基站与交换机连接，交换机通过局域网与控制终端和服务器连接。
所述时钟同步无线路由基站与时钟同步单元连接。
所述标签包括微处理器MCU，UWB射频模块、WIFI模块和LED指示灯与微处理器MCU连接。
时钟同步无线路由基站包括微控制器MCU，UWB射频模块、WiFi模块、路由模块和LED指示灯与微控制器MCU连接。
每一个标签周围至少有三个时钟同步无线路由基站。
所述时钟同步无线路由基站至少为四个，所有时钟同步无线路由基站组成时钟同步无线路由基站阵列；每隔35米到50米布置一个时钟同步无线路由基站。
本发明的有益效果：
本发明在室内布置无数标签，设置时钟同步无线路由基站阵列，通过标签和时钟同步无线路由基站阵列之间的信号传递时间，时钟同步无线路由基站的位置信息是提前存储在服务器，在控制终端上就可以很容易的看到每个标签在无线路由基站之中的实时的位置情况；然后根据标签所在的基站单元可以精确的知道标签所在位置，从而实现高精度定位；解决了现有技术的室内定位技术精度差、抗干扰能力较差及空间的局限性等技术问题。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明标签结构示意图；
图3为本发明时钟同步无线路由基站结构示意图；
图4为本发明实施例无线路由基站阵列和单个标签结构示意图；
图5为本发明实施例多标签室内定位系统的基站连接和时钟分配网络图示意图；
图6为本发明实施例无线路由基站时钟分配网络示意图；
图7实施例标签无线路由基站之间的工作流程图；
图8为实施例位置解算服务器数据计算和存储示意图；
图9为实施例整体终端的控制流程示意图。
具体实施方式：
一种快速高精度室内实时定位系统，它包括标签，标签与时钟同步无线路由基站通过无线连接，时钟同步无线路由基站与交换机连接，交换机通过局域网与控制终端和服务器连接。
服务器采用位置解算服务器。
所述时钟同步无线路由基站与时钟同步单元连接。
所述标签包括微处理器MCU，UWB射频模块、WIFI模块和LED指示灯与微处理器MCU连接。
标签的电源模块为锂电池，充电的时候起到稳压保护、过流保护的作用，充电的时候保证各个模块能正常工作。电源模块通过VCC和GND连接微控制器、UWB射频模块、WiFi模块，保证各个模块电源的供给。锂电池的作用是在没有外界电源的情况下给整个标签系统供电。充电的时候有红色的LED等作为指示。
标签的MCU通过SPI接口与UWB射频模块进行数据交换，MCU通过MISO获得从UWB模块传输过来的标签和时钟同步无线路由基站(可简称基站)之间的距离数据信息；同时MCU通过MOSI给UWB模块发送模式控制等信息。
标签的微控制器通过UART的Rx和Tx引脚和WiFi模块进行信息的交互，MCU通过Rx接收来自WiFi模块的控制信息，这个控制信息是控制终端通过无线局域网发送给WiFi模块的；MCU通过Tx向WiFi模块传输标签所在的位置数据信息，最终这些位置信息会通过无线局域网发送给位置解算服务器；如果需要可以给标签所在系统加上温湿度传感器模块，MCU可以通过UART的Tx将环境的温湿度等的变化信息发送给WiFi模块，然后WiFi模块发送给上位机，实现系统的可扩展性。
所述的标签的UWB射频模块通过SPI与MCU相连接，把探测到的距离的原始数据信息传输给MCU，微处理器可以将这些位置的原始数据信息进行处理，同时UWB模块要接收来自MCU的模式控制信息。
所述标签的WiFi模块通过UART的RX和TX与MCU进行数据交换。WiFi模块能够得到与基站WiFi模块之间的RSSI场强的信号值，如果需要标签发送信息给无线路由基站，这个值可以作为标签决定把自己的信息数据发送给信号最强的那个无线路由基站，通过局域网传送给位置解算服务器；WiFi模块通过串口把RSSI场强信号值的结果传送给MCU，MCU中的算法会对这些值进行排序处理，得到距离标签最近的一个基站来作为接收和发送控制信号。
配置标签的工作模式和无线网连接到无线路由基站等功能是通过WiFi模块的混杂模式下的AIRKISS功能来实现的。具体的方法是，控制终端通过无线路由基站给各个标签广播自身的SSID和PASSWORD，当处于混杂模式的标签收到广播的信息之后会根据信号最强的一个信号连接到无线路由基站上去，接下来就可以通过控制终端对标签进行模式的设定和电量的查看等。
上位机不仅可以通过无线路由基站获得标签位置信息、环境温湿度的信息和标签电池电量等信息，而且还能通过无线路由器给标签的WiFi模块发送控制信号以实现对标签所在系统的控制。
时钟同步无线路由基站包括微控制器MCU，UWB射频模块、WiFi模块、路由模块和LED指示灯与微控制器MCU连接。
时钟同步无线路由基站的电源模块支持外部电源电压的范围在5.0V到12.0V之间，在给各个模块进行供电的过程中会转换到合适、稳定的电压，在这里电源模块主要起电压转化及过流保护的作用。电源模块通过VCC和GND连接微控制器、UWB射频模块、WiFi模块、路由模块，目的是为各个模块提供合适的电压。由于无线路由基站移动性不强，这里不使用内置锂电池模块，如果在室内布置固定的系统可以统一使用POE(Power Over Ethernet)来供电，搭建临时系统可使直流电源、可移动电源供电。
无线路由基站的MCU通过SPI与UWB射频模块进行连接，获取UWB模块传过来的基站和标签之间的距离信息，同时给UWB模块传输控制信息。
MCU通过UART的RX和TX与WiFi模块进行连接，向WiFi模块传输基站和标签之间处理过的距离数据信息。
UWB射频模块通过SPI与MCU相连接，UWB模块接收MCU发送过来的控制信号，UWB模块把探测到的距离的原始数据传输给MCU进行处理。
WiFi模块通过UART的TX和RX与MCU进行数据交换，接收MCU传输过来的距离数据信息并通过路由模块发送给交换机，最后统一发送到位置解算服务器。
无线基站模块的位置提前已被位置解算服务器所存储，在控制终端软件上可以看到每个标签在无线路由基站之中的实时的位置信息。根据标签所在的基站单元可以精确的知道标签坐在的位置。
每一个标签周围至少有三个时钟同步无线路由基站。
所述时钟同步无线路由基站至少为四个，所有时钟同步无线路由基站组成时钟同步无线路由基站阵列；每隔35米到50米布置一个时钟同步无线路由基站。
本发明的实现原理：时钟同步无线路由基站是一个子单元，本发明引入基站阵列的概念，基本的模型单元是有四个基站和若干个标签组成的。如果室内面积比较小，可以在四个角分别放置一个基站，这就构成了一个基本的基站阵列单元，室内有障碍物情况下间隔35m‐50m。对于工厂里室内面积较大的情况，可以把基站阵列进行拓展；标签在基站阵列里面进行移动的时候只要有近邻的三个基站，并与之进行通信，就能准确的定位标签所在的位置。
下面对本发明的方案的应用作近一步的描述，以便于本领域技术人员掌握本发明的上述技术方案。
一、少标签室内定位系统方案
文中：时钟同步无线路由基站简称为：无线路由基站。
如果室内的面积比较小，标签数量比较少，所需要组建的室内定位系统所需要的硬件资源相对较少，只需要四个无线路由基站和数量较少的标签就可以组成室内定位网络。这种情况下数据量比较小，可以使用高性能的电脑来充当位置解析服务器，所要实现的功能是位置解析、数据分析、显示地图、终端控制等。
搭建少标签室内定位系统。小面积、少标签室内定位系统适合于家庭或者是工作单位里面的移动机器人或者是人员、资产、宠物等的实时定位。
无线路由基站放置在室内尽可能高的地方，四个基站放置在同一个水平高度以增加探测精度，离地面距离为2‐3m，目的是减少可视距离障碍物的干扰。如果要获得三维的定位信息，需要在四个基站构成的水平面之上再放置一个无线路由基站，要求放置的距离要大于50cm，通过此种方式可以获得Z方向的坐标信息。
标签定位人员的位置、室内机器人的位置、宠物、固定资产等的位置信息。标签独自成一个系统，具有体积小、功耗低的优点。本专利在标签中搭配使用WiFi模块，是为了通过无线局域网直接调节标签的通信模式，调节数据传输速率，远程升级标签固件等。当标签处于静止状态的时候，其处于睡眠状态；当标签移动的速度比较慢的时候，可以定义较长的时间来进行一次位置信息的采集；当标签移动速度较快的时候，调节位置数据采样率，以实现高精度、高实时性的定位需求。由于这里的标签跟无线路由基站之间建立连接的时候是没有办法输入所想要连接的路由的IP地址和密码的，所以本专利使用WiFi模块的Airkiss功能来配置标签模块连接到距离他最近的无线路由基站上面去，以实现最快最有效的数据的传输。具体的方法是，标签的WiFi模块能够探测到周围WiFi信号最强的一个无线路由基站，当接收到这个无线路由基站广播的SSID和Password信息的时候会自动连接到所收到广播信号的无线路由基站上面去。
由于少标签的室内定位系统数据量比较小，为了控制成本和增加系统的易搭建性，本专利直接使用高性能的台式机或者是笔记本电脑可以替代位置解算服务器和控制终端，电脑上面运行的上位机不仅可以查看室内的无线路由基站所构建的地图和地图中标签的实时的位置，而且还能够通过发送控制信号对标签所在的智能终端系统进行控制。同时手机或者是平板也可以通过网络来连接定位系统的网络，从而实现对家庭、公司等场景中人员或者固定资产等的位置信息的查看。
针对少标签的室内定位系统使用的算法是双边双路对称测距算法(SymmetricDouble Sided Two Way Ranging,SDS‐TWR),能够有效的降低抗多径传输和噪声的干扰，提高测距的精度，标签给基站发送数据的时候也会接收基站发送的信号，最下面物理层信息箭头是双向的，时间戳是从标签物理层到基站物理层之间的时间差，具体的实现方式如下。
为了计算出标签到每一个基站之间的距离，标签会分别对每一个基站进行信号的发送和接收。这种交互方式是由标签发起的。首先，标签会发起一个信号并且标记开始的时间，标记为TTXTAO，开始时间和标签的结构和所使用的的处理器有关系；信号从标签到基站之间的时间标记为Tt1，此时间和标签到基站的距离以及数据包的长度有关；基站收到信号之后会处理收到的数据，然后返回给标签TTA，此处理时间和基站的结构以及所使用的处理器有关；下面进行第二次的基站和标签之间的信号时间的测量，标记为Tt2，此时间和基站和标签之间的距离以及返回数据包的长度有关系；标签接收到基站发送的信号会有一个处理的过程，这个时间标记为TRXTAG，此时间和标签的结构和所使用的处理器有关系；最后标签会把基站和标签之间的距离算出来然后经过卡尔曼滤波算法之后发送给上位机。标签会分别和每一个基站进行信息的交互从而得到标签到每一个基站之间的距离。在双边双路对称测距算法之中标签是不需要监听基站的信息的，从而节省了监听信号所要消耗的功耗。
上位机接收到标签到每一个基站的距离信息之后会分别以基站为圆心基站到标签之间的距离为半径做圆。四个基站可以按照这种方法画四个圆出来，这四个圆会交于一点，交点就是所要定位的标签的位置。算法的实现用C语言、C++，将算法编译后下载到MCU，可以通过采集UWB的距离信息来得到位置信息。
电脑上位机接收到标签到每一个基站的距离信息之后会通过算法计算出来具体的位置坐标，通过地图把位置信息显示在屏幕上面，上位机还能够进行标签位置的历史记录和统计显示。如果系统加上摄像头的话，可以在界面里选中某一个标签之后，上位机会调用这个标签所在区域里面的摄像头进行标签的实时的位置查看。如果要限制标签的运动范围，可以做一个电子围栏，一旦标签所在的系统到围栏之外就会发送控制指令使其移动到电子围栏或者报警提示。可以针对标签的应用场景做一些定制的上微机控制终端的开发。
二、多标签室内定位系统
多标签定位系统是为了适应大面积、多标签的情况，例如，物流系统里面的大量资产的定位和物流机器人的定位以及操作人员的定位；大型展会佩戴标签人员和展示产品的分布情况；大型养殖场的养殖动物的分布情况；总之，多标签室内定位系统是为了解决大量的标签和多无线路由基站所构成的定位系统所产生的大量的位置数据的一种解决方案。
多标签的室内定位系统的组建需要较多的硬件投入，根据环境、算法、需求等来设计方案。系统基本上由标签、无线路由基站、位置解算服务器、无线路由基站时钟同步系统、交换机、控制终端(电脑、手机、平板、智能手机等)。软件方面需要实时定位系统所需的每一个模块的嵌入式操作系统、服务器数据存储系统、控制终端的软件平台。
所需要的标签可以根据不同的应用场景做相应的改变。如果是需要人佩戴的，那么可以做成胸牌、安全帽、手环、钥匙挂坠等的形式；如果是对特殊环境的资产进行定位就需要做成防水、防电、防酸、防高温等资产标签的形式；如果是针对动物的定位可以做成项圈、耳号标签等。标签要具有体积小、功耗小、性能稳定等优点。
所需要的定位基站网络需要通过交换机连接成系统，通过交换机连接每一个无线路由基站，交换机不仅有传输数据的功能，还具有同步所有的无线路由基站的功能。位置解算服务器、控制终端等也通过交换机来接入室内定位系统的网络，无线局域网构成了信息采集系统和控制系统。基站时钟分配系统需要有一个时钟分配单元的输入，然后通过分配交换机的输出到各个无线路由基站从而来配置各个基站的时钟同步。
基站时钟同步是一个要时刻注意的问题，需要有一个时钟同步分配网络。这里分两方面来探讨。第一，硬件结构，连线的延迟是分配时钟不同步的一个主要原因，所以在硬件连接的时候就应该尽量减少这种延迟，可以通过无线或者是有线连接各个无线路由基站，连接的时候尽量保持对称，最开始的时钟控制是由上位机来完成的，然后由时钟同步产生模块分配给下面的时钟重复器，最后统一分配给各个基站；第二，软件特性，对于实时定位系统的软件的功能应该有探测分布网络起点到各个基站延时的功能，标准标签给各个基站发送标准同步信号的同步功能以及能够同时复位各个基站时钟的功能。本专利使用的方法是使用相应的一些标签来修正不同步的基站时钟，在固定的时间间隔会由上位机软件触发一次同步过程。还有一个原因会影响基站之间的时钟的同步,那就是基站之间复位时候的起始的时钟。如果想要基站之间起始的时钟是一样的，那么需要让所有的时钟从零开始。所以伴随着同步时钟信号这里还要有一个同步至零的信号。
标签会根据所在载体的移动速度不断的向外面广播信号，由于标签所在位置到达每一个无线路由基站的距离是不一样的，所以广播信号到达每一个无线路由基站的时间是不一样的，每两个基站之间的到达时间都会有一个时间差，这里我们称之为到达时间差(Time Difference of Arrival,TDOA)。信号从标签到基站是单向的，基站接收到标签发送过来的信号之后会记录下时间戳信息，将时间戳信息发送给位置解算服务器。无线路由基站会把到达时间信息统一发送给位置解算服务器，位置解算服务器利用这些时间差来计算标签的位置。计算出来的结果会被存储起来，以备调用，或者是实时的显示在上位机的界面。
多标签的室内定位系统所使用的是TDOA(Time Difference of Arrival)技术。此技术是利用不同的基站到达标签的信号时延来定位的。具体的方法是标签向所有的基站广播一个信号，当基站收到信号之后会计算出来任何两个基站到达标签之间的绝对时间差，这个时间差可以确定一条双曲线，然后由多个双曲线可以定位一个标签的位置。由于基站的绝对完全同步，可以通过数学方法得到最优解，如最小二乘法、线性约束等。TDOA算法最大的优点是不限制标签的数量，标签是相互独立的。由于无线路由基站已经由时钟分配单元进行了整个无线路基站网络的时钟同步，面对室内的复杂的环境，信号在传输的过程中，不可避免的遇到非视距的障碍物的阻挡产生误差，对于这种问题，采用卡尔曼滤波错误检测算法来消除传输误差。
由于多标签定位系统里面的标签数量相对较多，这个时候就需要一个位置解算服务器。位置解散服务器会根据无线路由基站发送过来的距离信息进行各个标签位置的解算，并把求出来的位置信息存储起来，控制终端可以通过软件来进行位置信息的实时性的查看，具体的实现方法是通过构建三维的地图来进行显示。
对于位置数据的应用可以进行综合性质的分析和结果显示。例如，想要知道标签的整体的分布情况，通过对整体标签位置数据的分析，可以得到标签位置的热图分析效果。想要保持整个控制范围的标签的密度不至于太大，可以设定控制区域的标签密度阈值，如果某个区域的标签(可代表参观人员、动物、资产、机器人等)太过于密集，超过了所设定的密度的阈值，那么就会通过高亮高密度区域或者是报警来提示。如果想要看单个标签的移动的历史信息，对单个的标签进行特性分析。可以在控制终端的历史信息查看功能窗口输入想查看标签的ID或者是直接在地图上进行右击鼠标，选择查看历史轨迹。上位机可以显示标签的移动轨迹信息。如果想要对某一个标签所在的系统进行控制(此功能只针对标签所在系统有动力装置的情况)，需要进入控制界面，输入想要控制的标签的ID，就可以通过操控界面进行控制。
想要知道标签现实时的连接情况，可以直接选中标签，显示标签的位置坐标和现在连接的基站的数量情况。任意标签的实时追踪，电量检测，低电量提示。地图的三维任何角度的查看、拖拽、切换，配上摄像头联动，可以实时查看任何标签所在位置的信息，可以在控制终端发送一个指示灯闪烁信号，方便辨认所想要查看的标签。
控制终端可以导入CAD、GIS仓库图，设置禁区、查询分析，员工、车辆、叉车、资产、物流机器人等混合定位、分类管理，做到M2M(Machine to Machine)，物流仓库物联网建设精确、高效、实时定位的环节。综合指挥决策方面，实时以GIS/CAD地图综合显示各楼层、库区，针对多库区集中管控提供了远程方案，针对现场临时管控提供了移动解决方案。可以使用PC机，平板，智能手机分别对定位系统进行查看和控制。
Claims (6)
1.一种快速高精度室内实时定位系统，它包括标签，其特征在于：标签与时钟同步无线路由基站无线连接，时钟同步无线路由基站与交换机连接，交换机通过局域网与控制终端和服务器连接。
2.根据权利要求1所述的一种快速高精度室内实时定位系统，其特征在于：所述时钟同步无线路由基站与时钟同步单元连接。
3.根据权利要求1所述的一种快速高精度室内实时定位系统，其特征在于：所述标签包括微处理器MCU，UWB射频模块、WIFI模块和LED指示灯与微处理器MCU连接。
4.根据权利要求1所述的一种快速高精度室内实时定位系统，其特征在于：时钟同步无线路由基站包括微控制器MCU，UWB射频模块、WiFi模块、路由模块和LED指示灯与微控制器MCU连接。
5.根据权利要求1所述的一种快速高精度室内实时定位系统，其特征在于：每一个标签周围至少有三个时钟同步无线路由基站。
6.根据权利要求1所述的一种快速高精度室内实时定位系统，其特征在于：所述时钟同步无线路由基站至少为四个，所有时钟同步无线路由基站组成时钟同步无线路由基站阵列；每隔35米到50米布置一个时钟同步无线路由基站。
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