CN107958037A - 一种将虚拟地图技术和室内精确定位结合的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种将虚拟地图技术和室内精确定位结合的方法，它由虚拟终端、滚动装置、LED灯组、单片机、无线传输模块组成，本方法将虚拟终端、虚拟地图、LED灯组、压力和光强测量、无线数据传输、网络传输、数据处理等技术相结合，在室内照明的基础上实现了终端控制、虚拟地图生成、动态定位、实时监测等功能，给人的生活带来极大的方便，本方法经过适当调整可以应用于更多场合，具有很大的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种将虚拟地图技术和室内精确定位结合的方法，本方法在室内照明的基础上实现了室内精确的动态定位等功能，属于电子技术领域。
背景技术
随着科技的进步，智能化的产品越来越受到人们的重视，智能化的产品能将人从重复性的工作中解放出来，给生活、工作带来很大的便利。室内定位一般都是基于无线定位或者区域定位，这些定位方式只能实现简单的定位功能而且精度低。将虚拟地图、室内照明与室内定位相结合可以实现精确的室内动态定位，使用虚拟终端分析室内定位的数据可以显示定位效果，同时还能实现辅助人寻物、夜间导航的功能，将虚拟终端接入网络可以实现异地监测的功能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种将虚拟地图技术和室内精确定位结合的方法，
本方法将虚拟终端、虚拟地图、LED灯组、压力和光强测量、无线传输、网络传输、数据处理等技术相结合，在室内照明的基础上实现了终端控制、虚拟地图生成、动态定位等功能。
本发明专利通过以下方案予以实现：
一种将虚拟地图技术和室内精确定位结合的方法由虚拟终端、滚动装置、LED灯组、单片机、无线传输模块组成虚拟终端、虚拟地图采集模块、LED灯组、地址配置模块、数据传输模块组成，虚拟地图采集模块采集房间内详细的位置信息传输给虚拟终端，虚拟终端根据这些数据自动生成房间二维地图并根据定位精度给地图生成二维坐标系、网格，每个网格点自动生成X、Y坐标值。LED灯组使用众多特制LED灯，这些特制LED灯严格对应网格点的位置嵌于房间地面，使用地址配置模块给每个LED灯匹配地址，使用LED灯组采集地面上的人、物的运动情况并将数据按照特定的数据帧格式排列通过数据传输模块发送给虚拟终端，虚拟终端解析这些数据然后将变化情况显示在触摸屏上，实现室内精确的动态定位、辅助照明、辅助寻物、夜间导航、异地监测等功能。
所述虚拟终端为控制和显示的核心，虚拟终端具有2.4G通信功能、网络通信功能、数据缓存与处理功能、显示与触控功能，虚拟终端的控制包括以下步骤：
(1)虚拟终端控制滚动装置采集房间二维平面数据并自动生成房间二维虚拟地图；
(2)虚拟终端给二维虚拟地图生成坐标系、网格、格点X、Y坐标值；
(3)虚拟终端给LED灯组的每个LED灯匹配唯一地址；
(4)虚拟终端定时接收运动数据；
(5)虚拟终端解析运动数据，显示运动情况；
(6)虚拟终端更新数据缓存表中的数据；
所述的虚拟地图采集模块使用滚动装置采集室内屏幕信息，将单片机、电子罗盘传感器、测距仪集成到滚动装置中，虚拟终端控制滚动装置按照房间的墙体轮廓线、家具轮廓线、物品轮廓线、门的轮廓线进行移动，单片机按照轮廓线生成“虚线”和“实线”两种数据定时的发送给虚拟终端，虚拟终端根据“虚线”和“实线”数据绘制出房间二维虚拟地图并根据房间门的位置对多个房间的地图进行拼接形成完整的二维虚拟地图。
所述的LED灯组众多特制LED灯组成，这种特制LED灯可以提供白光和红外光两种光源，当人们需要室内照明时选择白光光源，当不需要室内照明或者深夜人们入睡时选择红外光源。特制LED灯在发光的基础上还加入了光强测量和压力变化测量的功能，当人、物经过LED灯时会导致灯内光强和灯面压力增加，从而导致测量的电压增加，将电压信号进行放大、AD转换后就可以表征室内的人、物的位置情况给虚拟终端提供重要的定位数据。
所述的地址编码配置模块用来给特制的LED灯进行地址分配，每个LED灯被分配的地址是唯一的，同时在数据传输过程中有重要的识别作用。虚拟终端将每个网格点的X坐标值作为高四位、Y坐标值作为低四位形成唯一的16位地址，将众多的特制LED灯对应网格点嵌于房间的地面上，使用多个单片机管理所有的特制LED灯，每个单片机管理X坐标相同的一组特制LED灯，虚拟地图将每个网格点的X、Y坐标发送到相应的单片机中并匹配给每个LED灯设置为唯一地址。
所述的数据传输模块由单片机、放大电路、AD转换电路、2.4G通信模块、网络通信模块组成，单片机每隔100ms采集一次自己管理的特制LED灯的输出电压，将这个电压通过放大电路放大再通过AD转换电路转换为数字量数据，然后将数据按照特定的数据帧格式组合通过2.4G通信模块发送给室内的虚拟终端，通过网络通信模块发送给异地的虚拟终端，实现室内检测和异地监测的功能。
使用的虚拟终端按照所有特制LED灯的地址生成数据临时表、可见光数据缓存表、红外光数据缓存表，并设置可见光阈值、红外光阈值、浮动范围，将数据传输模块发送过来的数据存入数据临时表中并记录写入时间，根据使用的光源不同将数据临时表中的数据与数据缓存表中的数据以及阈值、浮动范围进行比较判断室内人、物的位置情况并显示在液晶屏上同时刷新数据缓存表中的数据，实现室内精确动态定位的功能。虚拟终端根据记录的写入时间计算人、物在灯上的停留时间，根据停留时间的长短显示不同的颜色，实现辅助寻物的功能。当在夜间人物活动过程中可以打开夜间指路功能，在虚拟地图上选择目标地点，虚拟终端会自动规划路线并打开相应的LED光源实现夜间指路功能。
附图说明
图1为本发明的虚拟终端采集的室内二维虚拟平面地图；
图2为本发明的虚拟终端给虚拟地图规划坐标系和网格的图；
图3为本发明特制LED灯的剖面图，图中示例说明如下：1-灯盖2-电阻式压力传感器3-隔热板4-光敏电阻5-光源6-灯壳7-电压采集电路8-驱动电路；
图4为本发明隔热板正反面图；
图5为本发明整体软件控制流程图；
图6为本发明输出电压采集及处理电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明专利进一步说明。
如图1所示，本发明提供了一种将虚拟地图技术和室内精确定位结合的方法，由虚拟终端、滚动装置、LED灯组、单片机、无线传输模块组成，虚拟终端控制滚动装置采集房间平面数据并自动生成房间虚拟地图并给虚拟地图生成坐标系、网格、格点X、Y坐标值，使用单片机管理LED灯组，使用无线传输模块交互数据，使用虚拟终端解析人物运动数据并显示变化情况，将这些技术进行结合可以实现终端控制、虚拟地图生成、动态定位等功能。本发明使用特制LED灯组来监测房子中人、物的移动情况，将数据经过数字量化处理后通过无线方式发送给虚拟终端，虚拟终端解析这些数据将其直观的显示在显示屏上，虚拟终端分析这些数据的变化情况可以实现精确的室内动态定位、辅助寻物、辅助照明、夜间导航、异地监测灯功能，给人的生活提供很大的方便。
本方法的软件控制流程如图5所示，虚拟终端在开机之后会读取保存的虚拟地图，如果读取不到则会启动采集房间二维平面地图的功能，虚拟终端控制滚动装置先沿着房间的墙体轮廓线移动，再沿着每个家具的轮廓线进行移动，再沿着其他物品的轮廓线进行移动，最后采集门所在的位置，滚动装置在移动中会将移动的距离和角度数据定时的发给虚拟终端，虚拟终端根据这些数据自动绘制虚拟地图并对每个门进行编号，由于一座房子有很多房间虚拟终端在绘制出所有房间的虚拟地图之后会根据门的位置将每个房间进行拼接从而绘制出完整房子的虚拟二维地图。
当虚拟终端读取到地图之后，会让使用者选择开启何种光源，当白天不需要照明的时候或者深夜使用者睡觉之后选择使用红外光源，这种光源发射人眼看不见的红外光可以在不影响人的情况下继续监测，当傍晚或者需要辅助照明的时候可以选择使用白光光源。本发明使用特制的LED灯获取室内人、物的移动情况，这种LED灯在提供基本照明的基础上可以检测灯内光强变化和灯面压力变化，LED灯组有很多这种特制的LED灯，这些灯的排列顺序严格对应虚拟地图坐标系上的网格点。
使用多个STM32F103RCT6单片机管理这个LED灯，每个单片机管理一组X坐标相同Y坐标不同的特制LED灯。虚拟终端给整个房子的虚拟二维地图设置坐标并根据动态定位精度生成网格给每个网格点生成X、Y坐标，X、Y坐标都是从1开始的，虚拟终端将这些X、Y坐标值发送给管理这些LED灯的单片机，单片机为每个特制LED灯进行唯一地址匹配。特制的LED灯的输出信号是综合了光强和压力两种变化因素的电压信号，将这个电压信号进行放大后传输给单片机，STM32F103RCT6单片机自带有12位AD转换功能和DMA传输功能，单片机每隔100ms会采集一次LED灯的输出电压并进行AD转换转为数字量信息，然后单片机将数据按照特定的数据帧格式排列通过2.4G通信模块和网络通信模块将输出发送出去。
在房间内的虚拟终端接收来自2.4G通信模块的数据，在其他地方的虚拟终端通过网络接收来自网络通信模块的数据实现异地监测，将接收到的数据存于数据临时表中并记录数据接收时间，判断数据临时表中的数据是否超过阈值，将数据临时表与数据缓存表中的数据进行比较判断数据是否在浮动范围内，当数据低于阈值且在浮动范围内的话表示没有人、物经过，当数据低于阈值且超过浮动范围则表示有人、物从这个LED灯上离开，当数据高于阈值且超过浮动范围则表示有人、物移动到这个LED灯上，以上三种情况下数据临时表中的数据会更新数据缓存表中的数据并更新记录时间，将这些数据情况在显示屏上以红色动态显示实现动态定位，当数据高于阈值且在浮动范围内就表示有人、物在LED灯上面停留，这个情况不更新数据和时间，将当前时间减去数据的记录时间计算出停留时间，停留时间越大就表示停留的越久，同时在显示屏对这些对应位置的颜色进行加深(最大为黑色)，通过这些数据可以帮助人们寻找东西和提醒人们整理东西。有些人的夜晚视力不好，如果人半夜去厕所、厨房等位置可以使用夜间导航功能，虚拟终端会自动规划到目的位置的路线并亮起路线上的LED灯为人提供方便，同时还可以监测房间内是否有老鼠、监测宠物的位置等。
图1为虚拟终端根据虚拟地图采集模块的数据自动生成的虚拟地图，图2为虚拟终端为虚拟地图设置的坐标系和网格，当定位的精度要求越高时网格就越密集同时所需要的特制LED灯就越多。虚拟地图采集模块是一个滚动装置，滚动装置中集成了单片机、电子罗盘传感器、测距仪，虚拟终端控制滚动装置先沿着房间的墙体轮廓线移动，再沿着每个家具的轮廓线进行移动，再沿着其他物品的轮廓线进行移动，最后采集门所在的位置，滚动装置中的电子罗盘传感器会生成角度数据，测距仪会生成移动距离数据，单片机在滚动装置移动过程会将这些数据生成“虚线”和“实线”两种数据，“实线”数据是在显示屏上实际显示的数据，“虚线”数据不是用来显示而是用来辅助计算运动情况的数据，将这两个数据通过2.4G无线模块发送给虚拟终端，虚拟终端解析这些数据就能自动生成虚拟的二维房间地图。
本发明使用的特制的LED灯由光源5、灯壳6、灯盖1、隔热板3、光敏电阻4、电阻式压力传感器2、驱动电路8、电压采集电路7组成，光源5由白光LED二极管、红外LED二极管组成，光敏电阻由可见光光敏电阻和红外光光敏电阻串联组成，驱动电路8、电压采集电路7、光源5位于LED灯的底部，灯盖1位于LED灯的顶部，灯盖下面紧贴电阻式压力传感器2，电阻式压力传感器2下面紧贴隔热板3，隔热板3下面紧贴光敏电阻4，将这些特制LED灯对于虚拟地图格点嵌入地面，当人、物经过LED灯时会导致灯内光强和灯面压力增加，此时电阻式压力传感器和光敏电阻的输出电压就会增加，将这两个电压变化通过以下算法进行结合用来表示人、物的运动位置，电压采集电路采用单臂直流电桥测量电阻式压力传感器由于压力变化导致的电压变化，单臂直流电桥输出电压公式为：
(1)式中，UL为电阻式压力传感器两端的输出电压，E为电桥输入电压，K为比例常数，由材料的性质决定，ε为应变量，当没有压力变化时ε为0则UL接近于0，当有压力变化时ε增大则UL也随之增大；
使用分压法获取光敏电阻两端电压，光敏电阻的两端电压公式为：
(2)式中，E为输出电压，R1为光敏电阻阻值，R0为保护电阻阻值，U为电源电压；
将光敏电阻两端电压通过电压跟随器供给单臂直流电桥，综合(1)式和(2)式得到UL的公式为：
根据算法可以将光强和压力两种不同领域的影响因素通过电场结合起来，两种因素相互优化提高测量的灵敏度，(3)式中UL的值可以表示人物的移动情况，将UL的值进行AD转换供虚拟终端使用。单一使用这两种因素来反映定位信息存在很大缺陷而且精度不高，对这两个因素进行简单的相加更是毫无意义的，根据这种电路设计，可以成倍的增加了数据采集的灵敏度，电压采集电路设计如图6所示。
特制LED灯的剖面图如图3所示，图4中的左图为隔热板的正面图，如图所示隔热板3上紧贴着电阻式压力传感器2，图4中的右图为隔热板的反面图，如图所示隔热板3下紧贴着光敏电阻4，光敏电阻4由白光光敏电阻和红外光敏电阻串联组成，当光源为白光LED二极管时白光光敏电阻起主要作用，当光源为红外LED二极管时红外光敏电阻起主要作用。隔热板使用能隔热不透光的材料，隔热是为了不让温度影响电阻式压力传感器，不透光是为了增强灯内的光强，而隔热板和灯盖之间的圆环区域能透光出来辅助室内照明。
由于特制LED灯众多，所以使用STM32F103RCT6单片机来分组控制这些特制LED灯，单片机每隔100ms采集一次管理的特制LED灯的输出电压将其通过自带的AD转换功能转换为数字量数据，然后将数据以特定的数据帧格式排列，使用的数据帧格式为：
| 0x0000 | 地址1 | 数据1 | …… | 0x0000 | 地址n | 数据n |
数据帧中的每个数据都是16位的，由于X、Y的坐标值都是8位的且都大于0，电压转换过来的数字量数据也是大于0的，所以每个电压转换过来的数字量数据以0x0000作为起始标志，后面紧跟着16位的地址，这个地址的高四位为X的坐标值低四位为Y的坐标值，地址后面紧跟着电压转换过来的数字量数据。虚拟终端接收这些数据后可以按照数据帧格式很方便、准确的解析数据，减少数据丢帧和匹配错位的情况。
本发明所提供一种将虚拟地图技术和室内精确定位结合的方法可以在室内照明的基础上提供精确的室内动态定位，给人的生活提供多个辅助功能，给人的生活带来极大的方便，本方法经过适当调整可以应用于更多场合，具有很大的应用前景。
Claims (10)
1.一种将虚拟地图技术和室内精确定位结合的方法，其特征在于：由虚拟终端、滚动装置、LED灯组、单片机、无线传输模块组成的装置实现，虚拟终端控制滚动装置采集房间平面数据并自动生成房间虚拟地图并给虚拟地图生成坐标系、网格、格点X、Y坐标值，使用LED灯组采集室内人、物运动数据，使用单片机管理LED灯组，使用无线传输模块交互数据，使用虚拟终端解析人物运动数据并显示变化情况。
2.根据权利要求1所述的一种将虚拟地图技术和室内精确定位结合的方法，其特征在于：所述虚拟终端为控制和显示的核心，虚拟终端具有2.4G通信功能、网络通信功能、数据缓存与处理功能、显示与触控功能，虚拟终端的控制包括以下步骤：
(1)虚拟终端控制滚动装置采集房间二维平面数据并自动生成房间二维虚拟地图；
(2)虚拟终端给二维虚拟地图生成坐标系、网格、格点X、Y坐标值；
(3)虚拟终端给LED灯组的每个LED灯匹配唯一地址；
(4)虚拟终端定时接收运动数据；
(5)虚拟终端解析运动数据，显示运动情况；
(6)虚拟终端更新数据缓存表中的数据。
3.根据权利要求2所述的一种将虚拟地图技术和室内精确定位结合的方法，其特征在于：所述虚拟终端内有数据临时表、可见光数据缓存表、红外光数据缓存表，并设置可见光阈值、红外光阈值和浮动范围，虚拟终端接收到数据后将数据存入数据临时表中并记录写入时间，根据使用光源的差异将数据临时表中的数据与数据缓存表中的数据以及阈值、浮动范围进行比较判断室内人、物的运动情况并显示在液晶屏上同时刷新数据缓存表中的数据，实现室内精确动态定位的功能。
4.权利要求3所述的一种将虚拟地图技术和室内精确定位结合的方法，其特征在于：虚拟终端根据记录的写入时间计算人、物在灯上的停留时间，根据停留时间的长短显示不同的颜色，实现辅助寻物的功能。
5.根据权利要求1所述的一种将虚拟地图技术和室内精确定位结合的方法，其特征在于：所述的滚动装置包括单片机、电子罗盘传感器、测距仪，虚拟终端控制滚动装置沿着房间的墙体轮廓线、家具轮廓线、物品轮廓线、门的轮廓线进行移动，由单片机生成“虚线”和“实线”两种数据并发送给虚拟终端，虚拟终端根据“虚线”和“实线”的数据绘制出房间二维虚拟地图，根据房间门的位置对多个房间的地图进行拼接形成完整的二维虚拟地图。
6.根据权利要求1所述的一种将虚拟地图技术和室内精确定位结合的方法，其特征在于：所述的LED灯组由众多特制LED灯组成，特制LED灯内有电阻式压力传感器和光敏电阻，将特制LED灯对应虚拟地图格点嵌入地面，当人、物经过LED灯时会导致灯内光强和灯面压力增加，此时电阻式压力传感器和光敏电阻的输出电压就会增加，将这两个电压变化通过以下算法进行结合用来表示人、物的运动位置，采用单臂直流电桥测量电阻式压力传感器的电压变化，单臂直流电桥输出电压公式为：
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
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<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
(1)式中，UL为电阻式压力传感器两端的输出电压，E为电桥输入电压，K为比例常数，由材料的性质决定，ε为应变量，当没有压力变化时ε为0则UL接近于0，当有压力变化时ε增大则UL也随之增大；
使用分压法获取光敏电阻两端电压，光敏电阻的两端电压公式为：
<mrow>
<mi>E</mi>
<mo>=</mo>
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<msub>
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<mn>1</mn>
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<mo>*</mo>
<mi>U</mi>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>2</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
(2)式中，E为输出电压，R1为光敏电阻阻值，R0为保护电阻阻值，U为电源电压；
将光敏电阻两端电压通过电压跟随器供给单臂直流电桥，综合(1)式和(2)式得到UL的公式为：
<mrow>
<msub>
<mi>U</mi>
<mi>L</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mfrac>
<msub>
<mi>R</mi>
<mn>1</mn>
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<msub>
<mi>R</mi>
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<mo>+</mo>
<msub>
<mi>R</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
<mn>4</mn>
</mfrac>
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<mi>U</mi>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>3</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
根据算法可以将光强和压力两种不同领域的影响因素通过电场结合起来，两种因素相互优化提高测量的灵敏度，(3)式中的UL的值可以表示人物的移动情况，将UL的值进行AD转换供虚拟终端使用。
7.根据权利要求6所述的一种将虚拟地图技术和室内精确定位结合的方法，其特征在于：所述的每个特制LED灯具有白光和红外光两种光源，在傍晚需要照明时使用白光光源辅助照明，在白天或夜晚人入睡后使用红外光源在不影响人的情况下继续监测。
8.根据权利要求1所述的一种将虚拟地图技术和室内精确定位结合的方法，其特征在于：使用单片机管理LED灯组，将每个网格点的X坐标值作为高四位、Y坐标值作为低四位形成唯一的16位地址，将该地址通过单片机匹配给对应的特制LED灯实现准确的位置定位。
9.根据权利要求1所述的一种将虚拟地图技术和室内精确定位结合的方法，其特征在于：所述的无线传输模块具有2.4G通信和网络传输的功能，无线传输模块将运动数据和LED灯地址按照特定的数据帧排列，每隔100ms将数据帧通过2.4G通信方式发送给室内的虚拟终端，通过网络传输方式发送给异地虚拟终端，实现室内检测和异地监测的功能。
10.根据权利要求1所述的一种将虚拟地图技术和室内精确定位结合的方法，其特征在于：在夜间人物活动过程中可以打开夜间指路功能，在虚拟地图上选择目标地点，虚拟终端会自动规划路线并打开相应的LED光源实现指路功能。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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