CN108112003A - 定位系统中基于频分和时分的通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种定位系统中基于频分和时分的通信方法；该通信方法为：1：在定位基站中设置至少两个信道；2：定位器随机选一个信道；3：定位器接收定位基站广播的同步头，根据同步头中的指示符判断是否有空闲状态的时隙；如没有，转5；4：定位器随机选择一个空闲的时隙向定位基站发送接入请求，定位基站接到后判断是否符合实际情况；如不符合，转3；在对应的时隙向定位器发送一次入网权证，定位器接收到入网权证后完成接入工作，占用该对应的时隙向定位基站发送定位数据，结束；5：定位器重新选择一个和当前不同的信道，转3；本发明扩大了定位基站通信的数据量，提高了定位基站的利用率以及与定位器的数据传输速度。

Description

定位系统中基于频分和时分的通信方法

（一）、技术领域：

本发明涉及一种定位系统中的通信方法，特别涉及一种定位系统中基于频分和时分的通信方法。

（二）、背景技术：

在定位领域中，现有的定位技术和设备从定位区域角度可分为两种：一种是室外定位技术，如GPS定位技术、北斗定位技术等，只能够实现目标（如被定位的人）在室外、无遮挡的环境中定位，其局限性大，不能对目标精确定位；另一种是室内定位技术，如蓝牙定位技术、ZigBee定位技术、UWB定位技术等，能够实现目标在室内、有遮挡的环境中定位，但其定位距离较短。在实际的管理工作中，不论目标在室内还是在室外，都需要及时掌握定位目标的位置信息，从而对其工作进行实时的监管，以及有突发状况时能够进行及时的救援。如果目标在室内、室外环境中不能够实现准确定位，将会给管理工作带来很多不便。

频分多址（FDMA）是数据通信中的一种技术，即不同的用户分配在时隙相同而频率不同的信道上，按照这种技术，把频分多路传输系统中集中控制的频段根据要求分配给用户，由于每个用户进行通信时占用一个频率、一个信道，频带利用率不高，随着用户数量的增加，其容量不足的缺点就显现出来了。时分多址（TDMA）是一种为实现共享传输介质（一般是无线电领域）或者网络的通信技术，允许多个用户在不同的时间片（时隙）来使用相同的频率，通过TDMA技术把时间分割成周期性的帧，每一个帧再分割成若干个时隙向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各移动终端的信号而不混淆，但基站能容纳的终端数量是有限的，当终端数量增大时，其通信速度就会受到影响。

（三）、发明内容：

本发明要解决的技术问题是：提供一种定位系统中基于频分和时分的通信方法，该通信方法扩大了定位基站通信的数据量，提高了定位基站的利用率以及与定位器的数据传输速度，特别适用于室内外均可定位的定位系统。

本发明的技术方案：

一种定位系统中基于频分和时分的通信方法，具体为：定位系统中含有定位基站和定位器，定位基站和定位器之间通过无线的通信方式进行数据传输，定位基站和定位器之间的通信方法如下：

步骤1：在定位基站中设置至少两个用于无线数据传输的信道，在每个信道中，定位基站定时向外广播同步头，同步头中含有同步码和指示符，两个同步头之间的固定时长称为一个工作周期，每个工作周期中含有至少两个时隙，每个时隙有两个工作状态：占用状态和空闲状态，所有时隙的工作状态均反映在同步头的指示符中；

步骤2：当定位器选定需要接入的定位基站后，定位器先在该定位基站的所有信道中随机选取一个信道作为定位器当前通信的信道；

步骤3：定位器在选择的信道中接收定位基站广播的同步头，根据同步头中的指示符判断是否有空闲状态的时隙；如果有，转到步骤4；如果没有，转到步骤5；

步骤4：定位器随机选择一个空闲状态的时隙向定位基站发送接入请求，该接入请求中含有命令字、定位器ID、申请的信道和时隙，定位基站接收到定位器的接入请求后，通过定位器ID、申请的信道和时隙来判断该接入请求是否符合定位基站的实际情况；

如果接入请求不符合定位基站的实际情况，定位基站不允许定位器接入，指示符中对应的时隙状态维持原状不变，然后转步骤3；

如果接入请求符合定位基站的实际情况，定位基站允许定位器接入，定位基站从下一次发送同步头开始，将指示符中对应的时隙状态更新为占用状态，定位基站仅在更新同步头的同一个工作周期内，在对应的时隙向定位器发送一次入网权证，定位器在该对应的时隙接收到定位基站发送的入网权证后即完成了接入工作，定位器占用该对应的时隙向定位基站发送定位数据，然后转到步骤6；

步骤5：定位器在定位基站的所有信道中重新选择一个和当前通信的信道不同的信道进行通信，然后转到步骤3；

步骤6：结束。

步骤1中，在定位器中预先存储定位基站的所有信道的信道顺序表；

步骤5的具体方法为：

定位器判断正在通信的信道是否为信道顺序表中排在最后的信道；

如果是，定位器选择信道顺序表中排在最前的信道进行通信，然后转到步骤3；

如果不是，定位器选择信道顺序表中的下一个信道进行通信，然后转到步骤3。

定位器为移动式定位器，在定位区域内固定布设M个定位标签，M为大于等于1的自然数，M个定位标签实时向外广播信标信号，形成无线定位环境，定位器接收信标信号，并通过无线的通信方式将定位数据传输至定位基站。

定位标签为蓝牙定位标签。

定位基站和定位器之间的无线的通信方式为LoRa通信方式。

定位基站通过有线或无线的通信方式将定位数据传输至定位引擎，定位引擎完成对定位器位置的解算，最终，定位结果以可视化形式显示在管理平台中。

步骤1中，在定位基站中设置4个用于无线数据传输的信道。

蓝牙定位标签具有可识别的唯一MAC地址，蓝牙定位标签采用超低功耗设计，采用纽扣电池供电，电量续航时间可达4-6年。通过对蓝牙定位标签进行配置，使其定时向外广播蓝牙信号。蓝牙定位标签在定位环境中分布式安装，从而在定位环境中形成蓝牙定位信号的全方位覆盖。

定位器具有可识别的唯一序列号，定位器采用蓝牙通信和LoRa通信双重通信技术设计，其内部包含蓝牙通信模块和LoRa通信模块。定位器中的蓝牙通信模块采集蓝牙定位标签广播的蓝牙信号数据包，获得蓝牙定位标签的MAC地址、RSSI等信息，经由LoRa通信模块将处理后的数据包传输至定位基站。LoRa通信技术具有无线远距离数据传输的特性，且数据传输稳定可靠。

定位基站采用LoRa通信技术定时接收由定位器传输的定位数据，定位基站采用以太网或无线通信技术将接收到的定位数据传输至定位引擎。

定位引擎内置定位系统的定位算法，将从定位基站接收到的定位数据进行解算，得到定位目标的准确位置。另外，定位引擎也用来存储定位区域的电子地图、定位目标的信息等。

管理平台主要用于管理人员对定位目标的监管，通过管理平台，管理人员能够直接查看定位目标的实时位置信息和历史行动轨迹等。在本定位系统的基础上，可以附加其他扩展功能，如定位目标求助时的一键报警功能、对定位人员权限管理的电子围栏功能。本定位系统与监控系统相结合，能够实现定位目标视频联动功能，使得监控画面伴随着定位目标的具体位置移动，进行智能的画面切换。

本发明的有益效果：

1、本发明的定位器与定位基站之间采用频分和时分相结合的通信方法，扩大了定位基站通信的数据量，提高了定位基站的利用率以及与定位器的数据传输速度，解决了通常的星型拓扑结构的数据碰撞问题，同时保障了数据传输的相对实时性。

2、本发明通过在定位基站的下行数据（同步头）中添加对定位器的控制指令，实现了定位器与定位基站之间数据的双向传输。

3、本发明的定位器与定位基站之间采用LoRa无线通信技术，定位基站能够远距离稳定接收定位器发送的数据，突破了现有室内定位技术中定位数据传输距离短、数据接收不稳定、定位基站布设密度大的难题，实现了室内外无缝精准定位，定位系统成本低、性价比高。

4、本发明采用超低功耗蓝牙技术，使得固定式蓝牙定位标签能够长时间连续工作；固定式蓝牙定位标签采用纽扣电池供电，使得在实际安装过程中，无需额外布线供电，显著地提高了定位系统在使用过程中的便捷性。

（四）、附图说明：

图1为定位系统的结构示意图；

图2为定位基站的某个信道的上/下行无线数据收发时序图；

图3为定位基站同步头中指示符与时隙状态的关系示意图；

图4为定位基站接收接入请求示意图；

图5为指示符对应时隙状态更新示意图；

图6为定位基站发送入网权证示意图；

图7为定位器的电路原理框图；

图8为定位基站的电路原理框图。

（五）、具体实施方式：

定位系统中基于频分和时分的通信方法具体为：定位系统（见图1） 中含有定位基站和定位器，定位基站和定位器之间通过无线的通信方式进行数据传输，定位基站和定位器之间的通信方法如下：

步骤1：在定位基站中设置4个用于无线数据传输的信道，在每个信道中，定位基站定时向外广播同步头，同步头中含有同步码和指示符，两个同步头之间的固定时长称为一个工作周期t0-t1，每个工作周期中含有N 个时隙slot1-slotN（见图2），每个时隙有两个工作状态：占用状态和空闲状态，所有时隙的工作状态均反映在同步头的指示符中（见图3）；

步骤2：当定位器选定需要接入的定位基站后，定位器先在该定位基站的所有信道中随机选取一个信道作为定位器当前通信的信道；

步骤3：定位器在选择的信道中接收定位基站广播的同步头，根据同步头中的指示符判断是否有空闲状态的时隙；如果有，转到步骤4；如果没有，转到步骤5；

步骤4：定位器随机选择一个空闲状态的时隙向定位基站发送接入请求，该接入请求中含有命令字、定位器ID、申请的信道和时隙（见图4），定位基站接收到定位器的接入请求后，通过定位器ID、申请的信道和时隙来判断该接入请求是否符合定位基站的实际情况；

如果接入请求不符合定位基站的实际情况，定位基站不允许定位器接入，指示符中对应的时隙状态维持原状不变，然后转步骤3；

如果接入请求符合定位基站的实际情况，定位基站允许定位器接入，定位基站从下一次发送同步头开始，将指示符中对应的时隙状态更新为占用状态（见图5），定位基站仅在更新同步头的同一个工作周期内，在对应的时隙向定位器发送一次入网权证，定位器在该对应的时隙接收到定位基站发送的入网权证后即完成了接入工作（见图6），定位器占用该对应的时隙向定位基站发送定位数据，然后转到步骤6；

步骤5：定位器在定位基站的所有信道中重新选择一个和当前通信的信道不同的信道进行通信，然后转到步骤3；

步骤6：结束。

步骤1中，在定位器中预先存储定位基站的所有信道的信道顺序表；

步骤5的具体方法为：

定位器判断正在通信的信道是否为信道顺序表中排在最后的信道；

如果是，定位器选择信道顺序表中排在最前的信道进行通信，然后转到步骤3；

如果不是，定位器选择信道顺序表中的下一个信道进行通信，然后转到步骤3。

定位器为移动式定位器，在定位区域内固定布设M个定位标签，M个定位标签实时向外广播信标信号，形成无线定位环境，定位器接收信标信号，并通过无线的通信方式将定位数据传输至定位基站。

定位标签为蓝牙定位标签。

定位基站和定位器之间的无线的通信方式为LoRa通信方式。

定位基站通过有线或无线的通信方式将定位数据传输至定位引擎，定位引擎完成对定位器位置的解算，最终，定位结果以可视化形式显示在管理平台中。

蓝牙定位标签具有可识别的唯一MAC地址，蓝牙定位标签采用超低功耗设计，采用纽扣电池供电，电量续航时间可达4-6年。通过对蓝牙定位标签进行配置，使其定时向外广播蓝牙信号。蓝牙定位标签在定位环境（室内和室外）中分布式安装，从而在定位环境中形成蓝牙定位信号的全方位覆盖。在室内定位区域，蓝牙定位标签可固定于天花板上或其它墙体上，不影响室内的整体环境，构成室内无线定位环境；在室外定位区域，蓝牙定位标签可安装于建筑墙体外侧、路边或其它建筑上，构成室外的无线定位环境。

定位器具有可识别的唯一序列号，定位器采用蓝牙通信和LoRa通信双重通信技术设计，其内部包含蓝牙通信模块、LoRa通信模块和中央处理模块（见图7）。定位器中的蓝牙通信模块采集蓝牙定位标签广播的蓝牙信号数据包，获得蓝牙定位标签的MAC地址、RSSI等信息，经由LoRa通信模块将处理后的数据包传输至定位基站。LoRa通信技术具有无线远距离数据传输的特性，且数据传输稳定可靠。

定位基站中含有4路LoRa通信电路、网络通信模块和中央处理模块（见图8），4路LoRa通信电路对应4个信道，定位基站采用LoRa通信技术定时接收由定位器传输的定位数据，定位基站采用以太网将接收到的定位数据传输至定位引擎。

定位引擎内置定位系统的定位算法，将从定位基站接收到的定位数据进行解算，得到定位目标的准确位置。另外，定位引擎也用来存储定位区域的电子地图、定位目标的信息等。

管理平台主要用于管理人员对定位目标的监管，通过管理平台，管理人员能够直接查看定位目标的实时位置信息和历史行动轨迹等。在本定位系统的基础上，可以附加其他扩展功能，如定位目标求助时的一键报警功能、对定位人员权限管理的电子围栏功能；定位人员需要向后台发出求助时，可通过携带的定位器上的一键求助按钮进行一键报警，管理平台即可显示求助信息和求助位置；电子围栏功能可实现定位人员的活动区域限制，当定位人员超出电子围栏区域时，定位系统能够立即发出报警提示。本定位系统与监控系统相结合，能够实现定位目标视频联动功能，使得监控画面伴随着定位目标的具体位置移动，进行智能的画面切换。

定位人员佩戴具有可识别的唯一序列号的定位器，根据应用场景的不同，定位器的形态各不相同：在工厂、施工现场等区域安装该定位系统，定位器可采用易安装于安全帽的形式；在办公室区域安装该定位系统，定位器可采用胸牌的形式；用于对安保人员的定位，该定位器可采用集成于对讲机的形式。定位基站安装于建筑的高处，便于定位信号的接收。定位引擎安装于监控管理中心机房，管理平台安装于监控室电脑中。

Claims (7)

1.一种定位系统中基于频分和时分的通信方法，其特征是：定位系统中含有定位基站和定位器，定位基站和定位器之间通过无线的通信方式进行数据传输，定位基站和定位器之间的通信方法如下：

步骤1：在定位基站中设置至少两个用于无线数据传输的信道，在每个信道中，定位基站定时向外广播同步头，同步头中含有同步码和指示符，两个同步头之间的固定时长称为一个工作周期，每个工作周期中含有至少两个时隙，每个时隙有两个工作状态：占用状态和空闲状态，所有时隙的工作状态均反映在同步头的指示符中；

步骤2：当定位器选定需要接入的定位基站后，定位器先在该定位基站的所有信道中随机选取一个信道作为定位器当前通信的信道；

步骤3：定位器在选择的信道中接收定位基站广播的同步头，根据同步头中的指示符判断是否有空闲状态的时隙；如果有，转到步骤4；如果没有，转到步骤5；

步骤4：定位器随机选择一个空闲状态的时隙向定位基站发送接入请求，该接入请求中含有命令字、定位器ID、申请的信道和时隙，定位基站接收到定位器的接入请求后，通过定位器ID、申请的信道和时隙来判断该接入请求是否符合定位基站的实际情况；

如果接入请求不符合定位基站的实际情况，定位基站不允许定位器接入，指示符中对应的时隙状态维持原状不变，然后转步骤3；

如果接入请求符合定位基站的实际情况，定位基站允许定位器接入，定位基站从下一次发送同步头开始，将指示符中对应的时隙状态更新为占用状态，定位基站仅在更新同步头的同一个工作周期内，在对应的时隙向定位器发送一次入网权证，定位器在该对应的时隙接收到定位基站发送的入网权证后即完成了接入工作，定位器占用该对应的时隙向定位基站发送定位数据，然后转到步骤6；

步骤5：定位器在定位基站的所有信道中重新选择一个和当前通信的信道不同的信道进行通信，然后转到步骤3；

步骤6：结束。

2.根据权利要求1所述的定位系统中基于频分和时分的通信方法，其特征是：所述步骤1中，在定位器中预先存储定位基站的所有信道的信道顺序表；

所述步骤5的具体方法为：

定位器判断正在通信的信道是否为信道顺序表中排在最后的信道；

如果是，定位器选择信道顺序表中排在最前的信道进行通信，然后转到步骤3；

如果不是，定位器选择信道顺序表中的下一个信道进行通信，然后转到步骤3。

3.根据权利要求1所述的定位系统中基于频分和时分的通信方法，其特征是：所述定位器为移动式定位器，在定位区域内固定布设M个定位标签，M为大于等于1的自然数，M个定位标签实时向外广播信标信号，形成无线定位环境，定位器接收信标信号，并通过无线的通信方式将定位数据传输至定位基站。

4.根据权利要求3所述的定位系统中基于频分和时分的通信方法，其特征是：所述定位标签为蓝牙定位标签。

5.根据权利要求1或2或3所述的定位系统中基于频分和时分的通信方法，其特征是：所述定位基站和定位器之间的无线的通信方式为LoRa通信方式。

6.根据权利要求3所述的定位系统中基于频分和时分的通信方法，其特征是：所述定位基站通过有线或无线的通信方式将定位数据传输至定位引擎，定位引擎完成对定位器位置的解算，最终，定位结果以可视化形式显示在管理平台中。

7.根据权利要求1所述的定位系统中基于频分和时分的通信方法，其特征是：所述步骤1中，在定位基站中设置4个用于无线数据传输的信道。