CN107094290B - 基于自熄式超再生接收机的无线室内定位系统及定位方法 - Google Patents

基于自熄式超再生接收机的无线室内定位系统及定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于自熄式超再生接收机的无线室内定位系统及定位方法，所述系统包括定位装置、三个基站和控制终端，其中，定位装置安装在待寻物体上，响应于控制终端的激活信号持续发射射频信号；三个基站接收射频信号，利用超再生接收机的自熄灭频率与距离之间的映射关系，将检测到的自熄灭频率转换为距离并发送给控制终端；控制终端根据距离和各基站在室内的坐标，利用多节点定位算法计算出待寻物体的坐标，从而实现定位。本发明在室内可以达到较高的定位精度，设计线路简单、研制成本低、功耗低、灵敏度高、体积小、适用性高，受外界环境的影响较小，且不依赖于Wi‑Fi网络，可以独立组成一套最小定位系统，也可以集成到其他系统内。

Description

基于自熄式超再生接收机的无线室内定位系统及定位方法
技术领域
本发明涉及定位技术，具体涉及一种无线室内定位系统及定位方法。
背景技术
随着基于位置服务(Location Based Service，LBS)的出现，定位技术近年来也备受关注且发展迅速。虽然室外定位技术已经非常成熟并开始被广泛使用，但是作为定位技术的末端，室内定位技术发展一直相对缓慢。而随着现代人类生活越来越多的时间都处在室内，室内定位技术的前景也非常广阔。目前市面上流行的室内定位技术有以下几种。
1、红外线定位技术，红外线室内定位有两种，第一种是被定位目标使用红外线(Infrared Radiation，IR)标识作为移动点，发射调制的红外射线，通过安装在室内的光学传感器接收进行定位；第二种是通过多对发射器和接收器织红外线网覆盖待测空间，直接对运动目标进行定位。红外线的技术已经非常成熟，用于室内定位精度相对较高，但是由于红外线只能视距传播，穿透性极差，如家里的电视遥控器，当标识被遮挡时就无法正常工作，也极易受灯光、烟雾等环境因素影响明显。加上红外线的传输距离不长，使其在布局上，无论哪种方式，都需要在每个遮挡背后、甚至转角都安装接收端，布局复杂，使得成本提升，而定位效果有限。
2、超声波室内定位技术，超声波室内定位系统是基于超声波测距系统而开发，由若干个应答器和主测距器组成：主测距器放置在被测物体上，向位置固定的应答器发射同无线电信号，应答器在收到信号后向主测距器发射超声波信号，利用反射式测距法和三角定位等算法确定物体的位置。超声波室内定位整体精度很高，达到了厘米级，结构相对简单，有一定的穿透性而且超声波本身具有很强的抗干扰能力，但是超声波在空气中的衰减较大，不适用于大型场合，加上反射测距时受多径效应和非视距传播影响很大，造成需要精确分析计算的底层硬件设施投资，成本太高。
3、射频识别(RFID)室内定位技术，射频识别室内定位技术利用射频方式，固定天线把无线电信号调成电磁场，附着于物品的标签进过磁场后感应电流生成把数据传送出去，以多对双向通信交换数据以达到识别和三角定位的目的。射频识别室内定位技术作用距离很近，但它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息，且由于电磁场非视距等优点，传输范围很大，而且标识的体积比较小，造价比较低。但其不具有通信能力，抗干扰能力较差，不便于整合到其他系统之中。
4、蓝牙室内定位技术，蓝牙室内技术是利用在室内安装的若干个蓝牙局域网接入点，把网络维持成基于多用户的基础网络连接模式，并保证蓝牙局域网接入点始终是这个微微网(piconet)的主设备，然后通过测量信号强度对新加入的盲节点进行三角定位。蓝牙室内定位技术最大的优点是设备体积小、短距离、低功耗，容易集成在手机等移动设备中。只要设备的蓝牙功能开启，就能够对其进行定位。蓝牙传输不受视距的影响，但对于复杂的空间环境，蓝牙系统的稳定性稍差，受噪声信号干扰大且在于蓝牙器件和设备的价格比较昂贵。
5、Wi-Fi室内定位技术，Wi-Fi定位技术有两种，一种是通过移动设备和三个无线网络接入点的无线信号强度，通过差分算法，来比较精准地对人和车辆的进行三角定位。另一种是事先记录巨量的确定位置点的信号强度，通过用新加入的设备的信号强度对比拥有巨量数据的数据库，来确定位置。由于Wi-Fi路由器和移动终端的普及，使得定位系统可以与其他客户共享网络，硬件成本很低，而且Wi-Fi的定位系统可以降低射频(RF)干扰可能性。Wi-Fi定位可以在广泛的应用领域内实现复杂的大范围定位、监测和追踪任务，总精度比较高，但是用于室内定位的精度只能达到2米左右，无法做到精准定位。
6、ZigBee室内定位技术，ZigBee室内定位技术通过若干个待定位的盲节点和一个已知位置的参考节点与网关之间形成组网，每个微小的盲节点之间相互协调通信以实现全部定位。作为一个低功耗和低成本的通信系统，ZigBee的工作效率非常高。但ZigBee的信号传输受多径效应和移动的影响都很大，而且定位精度取决于信道物理品质、信号源密度、环境和算法的准确性，造成定位软件的成本较高，提高空间还很大。
7、超宽带室内定位技术，超宽带定位技术是一种全新的、与传统通信定位技术有极大差异的新技术。它利用事先布置好的已知位置的锚节点和桥节点，与新加入的盲节点进行通讯，并利用三角定位或者“指纹”定位方式来确定位置。超宽带通信不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，因此具有GHz量级的带宽。由于超宽带定位技术具有穿透力强、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点，前景广阔。但由于新加入的盲节点也需要主动通信使得功耗较高，而且也需要事先布局，使得成本还无法降低。
综上可见，现有室内定位技术或多或少都存在成本高、需要网络支持、设备复杂、定位精度不高等问题，特别是较高的成本，使得难以在日常生活中得到普遍应用。
发明内容
发明目的：针对以上现有技术，本发明提出了一种基于自熄式超再生接收机的无线室内定位系统，可以解决目前室内定位技术成本高、需要网络支持、设备复杂的问题。
本发明的另一目的在于提供一种基于自熄式超再生接收机的无线室内定位方法。
技术方案：一种基于自熄式超再生接收机的无线室内定位系统，包括定位装置、基站和控制终端，所述定位装置、基站和控制终端之间的无线通信通过各自携带的自熄式超再生接收模块和发射模块来实现，其中，所述定位装置安装在待寻物体上，并且被配置为当接收到控制终端发送的激活信号时发射射频信号；所述基站包括第一基站、第二基站和第三基站，均布置在定位区域内，并且每个基站均被配置为当接收到定位装置发射的射频信号时向控制终端发送距离信息，所述距离信息包括当前基站与待寻物体之间的距离；所述控制终端被配置为向待寻物体发送激活信号，并根据从第一基站、第二基站和第三基站接收到的距离信息，利用定位算法得到待寻物体在定位区域内的坐标，并进行显示。当控制终端上显示出待寻物体的坐标时，定位装置停止发射信号。
一种基于自熄式超再生接收机的无线室内定位方法，包括以下步骤：
A、控制终端向安装在待寻物体上的定位装置发送激活信号；
B、定位装置接收到激活信号后，持续发射射频信号；
C、布置于定位区域内的第一基站、第二基站和第三基站接收到射频信号后，分别向控制终端发送距离信息，所述距离信息包括当前基站与待寻物体之间的距离；
D、控制终端接收距离信息，利用定位算法计算待寻物体在定位区域内的坐标，并进行显示；
其中，定位装置、第一基站、第二基站、第三基站以及控制终端之间的无线通信通过各自携带的超再生接收模块和发射模块实现，第一基站、第二基站和第三基站还包括信号处理模块和频率测定模块，使得步骤C中每个基站确定与待寻物体之间距离的具体步骤如下：
C1、超再生接收模块接收到来自待寻物体的射频信号后，输出熄灭信号，并将熄灭信号传输至信号处理模块；
C2、信号处理模块对熄灭信号进行滤波、整形、限幅稳压，从而得到标准TTL信号，并将TTL信号传输至频率测定模块；
C3、频率测定模块利用单片机的定时器、计数器和中断功能得到TTL信号的频率，并根据事先得到的频率与距离之间的映射关系，将频率转换为基站与待寻物体之间的距离。
工作原理：超再生接收机是一种依靠内部振荡器起振时间的改变来识别输入信号强弱的装置，典型的超再生接收机主要由接收天线、低噪声放大器(Low Noise Amplifier,LNA)、超再生振荡器(Super Regeneration Oscillator,SRO)、包络检波解调电路以及熄灭信号产生电路等构成，如图1所示。图2示出了超再生接收机的振荡工作原理。超再生接收机的核心是超再生振荡器，而超再生振荡器实际上是一个工作在间歇振荡状态的振荡器，间歇频率由熄灭信号决定。当没有接收到信号时，即输入“0”信号时，振荡器以一个本振频率振荡工作，在每个间歇周期内的起振时间是相对稳定的一个值；当接收到输入信号时，即输入“1”时，振荡器在每个间歇周期内的起振时间将缩短，振荡频率会增大。
本发明主要利用自熄灭式超再生接收机中的熄灭频率与接收机天线接收信号强度之间的对应关系来进行定位。我们知道在同样的发射功率下，天线接收到的信号强度与发射端的距离存在一定的关系；而对自熄灭式超再生接收机而言，天线接收的输入信号强度越高，振荡器的振荡建立越快，经与基准电压比较后产生的自熄灭频率就越高；这样就可以将信号强度与超再生芯片自熄灭频率之间的关系，转化为距离与超再生芯片自熄灭频率之间的关系。因此，只需通过测频算法测试该接收机输出的自熄灭频率即可得到有效距离，进而利用多节点定位算法，就可以计算出发射端的坐标位置。
有益效果：本发明提出的基于自熄式超再生接收机的无线室内定位系统和定位方法在室内可以达到较高的定位精度，该系统设计线路简单、制造成本低、功耗低、灵敏度高、体积小、适用性高，受外界环境的影响较小，且不依赖于Wi-Fi网络，可以独立组成一套最小定位系统，也可以集成到其他系统内。因此，利用本发明可以做出一款便携、低成本、低功耗的定位系统，具有实用意义。
附图说明
图1为自熄灭超再生无线接收机电路结构图；
图2为超再生接收芯片振荡工作原理图；
图3为本发明的系统结构图；
图4为本发明的基站内部结构图；
图5为本发明的总体定位流程图；
图6为本发明采用的超再生芯片的电路结构图；
图7为本发明的基站中的信号处理模块电路结构图；
图8为本发明的室内空间坐标图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图3所示，本发明的无线室内定位系统包括定位装置10、基站20和控制终端30，定位装置10安装在待寻物体上，基站20包括第一基站21、第二基站22、第三基站23，均布置在定位区域内。定位装置10、第一基站21、第二基站22、第三基站23以及控制终端30都带有自熄式超再生接收模块和发射模块。图4示出了基站的内部结构图，三个基站的内部结构均相同，包括超再生接收模块201、信号处理模块202、频率测定模块203和发射模块204，各模块的具体用途在下文详细描述。图5示出了该系统的总体定位流程图。首先，控制终端30发射激活信号，安装在待寻物体上的定位装置10接收到激活信号后被激活，持续发射射频信号；第一基站21接收到该射频信号后，向控制终端30发送第一距离信息，第二基站22接收到该射频信号后，向控制终端30发送第二距离信息，第三基站23接收到该射频信号后，向控制终端30发送第三距离信息；控制终端30接收到三个距离信息后，结合三个基站在室内的坐标，利用三点定位算法，计算出发射端(即待寻物体)在室内空间的坐标并显示，从而实现在室内定位的功能。
在一个实施例中，本发明采用市场上可得的自熄灭式超再生芯片SCSR118作为超再生接收模块201，其电路结构如图6所示。图7所示为基站的信号处理模块202的电路结构图，该信号处理模块主要由运放OPA690搭建实现，可完成信号的滤波、整形、限幅稳压。频率测定模块203采用STM32单片机实现。发射模块204采用市场上可得的315MHz发射模块，调制方式为OOK(On Off Keying)调制。定位装置10的超再生接收模块和发射模块也采用SCSR118芯片和315MHz发射模块；控制终端30的超再生接收模块采用SCSR118芯片，为了便于对发射信号进行区分，控制终端30的发射模块可以采用433MHz发射模块。当需要对待寻物体位置进行确定时，控制终端30的发射模块首先发出一个433MHz的搜索激活信号，待寻物体上的定位装置10接收到该激活信号之后就会控制其发射模块持续发射315MHz信号。三个基站接收到该315MHz信号后，各自的超再生接收芯片SCSR118的Filt1脚会输出自熄灭信号。该自熄灭信号被传送至图7所示电路中的IN+端，先经过电容滤除直流电平，然后作为运放整形电路的一个输入，运放另一个输入接地，构成过零比较器，实现对该信号的波形整形得到一个标准的方波信号，随后再通过一个二极管去除其负电压，最后通过稳压二极管限幅电路，得到可以供单片机处理的标准TTL信号，送入频率测定模块203进行测频。频率测定模块203对信号频率的测定，主要是利用单片机的定时器和计数器以及中断的功能。具体如下：设置单片机定时器TIM3工作在定时模式，周期是0.1s；TIM1工作在计数器模式，计数时钟为超再生接收模块的输出信号；定时器每产生一次中断，记录一次计数器值，乘以10便得到输入的TTL信号的频率。最后选择多个中断所得的频率最大值作为有信号时的频率。
在上述过程中，基站向控制终端30发送的距离信息，是根据事先得到的超再生接收机的自熄灭频率与距离之间的映射关系转换而来的。该映射关系可以通过多次测量并记录距离和频率，然后用MATLAB拟合函数关系而得到。具体过程如下：单独对每一个基站，固定它的位置，然后人手持定位装置10，定位装置10向基站发射测试信号，基站的超再生接收模块201接收到测试信号后，输出自熄灭信号，测量自熄灭信号的频率以及发射端(即待寻物体)与接收端(即基站)之间的距离，记录一组距离和频率，然后人再变动位置由近到远进行测试，再记录，直到频率接近本振的自熄灭频率结束测量。
在本实施例中，经检测确定超再生芯片SCSR118输出信号的自熄灭频率变化范围是400KHz-800KHz，波形为不规则的TTL信号，电压在0.4v-3.3v之间，无信号接收时自熄灭频率是400KHz，有信号接收时频率高于400KHz。通过频率值的大小与距离之间的对应关系，即可将检测得到的频率值转化为发射端(即待寻物体)与该接收端(即基站)之间的距离值。至此，在三个基站分别得到一个距离值d1、d2、d3，用单片机对距离值进行编码，然后通过每个基站的发射模块204发送至控制终端30，控制终端30通过接收模块接收后由单片机进行解码，接下来进行定位。
如图8所示，在定位区域空间内建立坐标系统，设待寻物体上的定位装置为信号发射源T(x,y,z)，放置在定位区域内的三个基站的坐标分别为A(x1,y1,z1)、B(x2,y2,z2)、C(x3,y3,z3)。控制终端根据三点定位算法构造两点间距离方程组如下：
Figure BDA0001290616630000071
通过最小二乘法(也可以通过级数展开和加权概率的方法进行优化)，最终得到T点的最似然坐标T(x,y,z)，并将坐标显示在控制终端30上。当控制终端30上显示出待寻物体的坐标时，待寻物体上的定位装置10停止发射信号。

Claims (6)

1.一种基于自熄式超再生接收机的无线室内定位系统，包括定位装置(10)、基站(20)和控制终端(30)，其特征在于：所述定位装置(10)、基站(20)和控制终端(30)之间的无线通信通过各自携带的超再生接收模块(201)和发射模块(204)实现，其中，
所述定位装置(10)安装在待寻物体上，并且被配置为当接收到控制终端(30)发送的激活信号时持续发射射频信号；
所述基站(20)包括第一基站(21)、第二基站(22)和第三基站(23)，均布置在定位区域内，并且每个基站均被配置为当接收到定位装置(10)发射的射频信号时向控制终端(30)发送距离信息，所述距离信息包括当前基站与待寻物体之间的距离；所述第一基站(21)、第二基站(22)和第三基站(23)还包括信号处理模块(202)和频率测定模块(203)；超再生接收模块(201)接收到来自待寻物体的射频信号后，输出熄灭信号，并将熄灭信号传输至信号处理模块(202)；信号处理模块(202)对熄灭信号进行滤波、整形、限幅稳压，从而得到标准TTL信号，并将TTL信号传输至频率测定模块(203)；频率测定模块(203)利用单片机的定时器、计数器和中断功能得到TTL信号的频率，并根据事先得到的频率与距离之间的映射关系，将频率转换为基站与待寻物体之间的距离；
所述控制终端(30)被配置为向待寻物体发送激活信号，并根据从第一基站(21)、第二基站(22)和第三基站(23)接收到的距离信息，利用定位算法得到待寻物体在定位区域内的坐标，并进行显示。
2.根据权利要求1所述的基于自熄式超再生接收机的无线室内定位系统，其特征在于：当控制终端(30)上显示出待寻物体的坐标时，定位装置(10)停止发射信号。
3.根据权利要求1-2中的任一项所述的基于自熄式超再生接收机的无线室内定位系统，其特征在于：所述超再生接收模块采用自熄式超再生接收电路。
4.根据权利要求1-2中的任一项所述的基于自熄式超再生接收机的无线室内定位系统，其特征在于：所述频率测定模块(203)采用STM32单片机。
5.根据权利要求1-2中的任一项所述的基于自熄式超再生接收机的无线室内定位系统，其特征在于：所述定位算法采用三点定位算法。
6.一种利用权利要求1所述的基于自熄式超再生接收机的无线室内定位系统的定位方法，其特征在于包括以下步骤：
(A)控制终端(30)向定位装置(10)发送激活信号；
(B)定位装置(10)接收到激活信号后，持续发射射频信号；
(C)第一基站(21)、第二基站(22)和第三基站(23)接收到射频信号后，分别向控制终端(30)发送距离信息，所述距离信息包括当前基站与待寻物体之间的距离；
(D)控制终端(30)接收距离信息，利用定位算法计算待寻物体在定位区域内的坐标，并进行显示；
其中，步骤C中第一基站(21)、第二基站(22)和第三基站(23)中的每一个确定与待寻物体之间距离的具体步骤如下：
(C1)超再生接收模块(201)接收到来自待寻物体的射频信号后，输出熄灭信号，并将熄灭信号传输至信号处理模块(202)；
(C2)信号处理模块(202)对熄灭信号进行滤波、整形、限幅稳压，从而得到标准TTL信号，并将TTL信号传输至频率测定模块(203)；
(C3)频率测定模块(203)利用单片机的定时器、计数器和中断功能得到TTL信号的频率，并根据事先得到的频率与距离之间的映射关系，将频率转换为基站与待寻物体之间的距离。
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