CN108459300B - 一种室内无线定位方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种室内无线定位方法及系统，在室内布置多个固定的锚节点，待定位目标上设置移动节点，通过移动节点向锚节点发送射频定位信号；获取每个锚节点接收到的射频信号强度RSSI，并对其进行滤波处理；根据滤波处理后的射频信号强度RSSI计算移动节点与每个锚节点之间距离值，并将其与红外通信距离相比较，剔除超出红外通信距离范围的距离值；根据移动节点与每个锚节点之间距离值和每个锚节点的位置，计算出一定时间内移动节点的位置，并绘制移动节点的运动路径；根据该移动节点的运动路径，计算移动节点的速度δs，并利用δs对RSSI进行修正；利用修正后的RSSI计算移动节点和每个锚节点之间的距离，基于计算出的距离，确定移动节点的位置。

Description

一种室内无线定位方法及系统
技术领域
本发明涉及室内定位领域，具体涉及一种室内无线定位方法及系统。
背景技术
现有的室内定位采用单一射频有源室内定位系统，其是在室内布置网关节点、信标节点,在移动目标中布置移动节点使移动节点随移动目标同步移动；移动节点将接收到已知信标节点的信息，通过近距离无线射频通信网络上传到网关，再由网关交付上位机通过基于TDOA定位的移动自适应定位算法计算该移动节点位置，完成初步定位；实现初步定位的匹配校正并将校正后定位坐标存入空间数据库中；以及通过矢量地图可视化模块将定位坐标信息转换为矢量地图上对应的位置信息并显示。由于用于定位计算的路径损耗系数因环境信道质量而异，该单一射频有源室内定位系统易受到多径干扰、非视距误差以及阴影衰落等因素的影响，误差较大定位不够精确。
综上所述，现有技术中对于用于定位计算的路径损耗系数因环境信道质量而异问题，尚缺乏有效的解决方案。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种室内无线定位方法及系统，在射频定位基础上增加了红外来探测室内空间遮挡状况，评估信道，再加被动人体感知，甄别含有干扰因子的定位数据，通过剔除干扰数据获得精准的定位信息，从而绘制出移动节点的移动路径。
本发明所采用的技术方案是：
一种室内无线定位方法，包括以下步骤：
步骤1：在室内布置多个固定的锚节点，待定位目标上设置移动节点，通过移动节点向锚节点发送射频定位信号；
步骤2：获取每个锚节点接收到的射频信号强度RSSI，并对其进行滤波处理；
步骤3：根据滤波处理后的射频信号强度RSSI计算移动节点与每个锚节点之间距离值，并将其与红外通信距离相比较，剔除超出红外通信距离范围的距离值；
步骤4：根据移动节点与每个锚节点之间距离值和每个锚节点的位置，计算出一定时间内移动节点的位置，并绘制移动节点的运动路径；
步骤5：根据该移动节点的运动路径，计算移动节点的速度δs，并利用δs对RSSI进行修正；
步骤6：利用修正后的RSSI计算移动节点和每个锚节点之间的距离，基于计算出的距离，确定移动节点的位置。
进一步的，所述获取所述各锚节点接收到的射频信号强度RSSI，并对其进行滤波处理，包括：
在无人环境下，获取每个锚节点接收到的射频信号强度RSSI0，并计算射频信号强度RSSI0平均值RSSavg；
在有人环境下，获取每个锚节点接收到的射频信号强度RSSI，将射频信号强度RSSI与RSSavg相比较，若超过RSSavg，则进行滤波处理，滤除超过RSSavg的射频信号强度RSSI。
进一步的，所述根据滤波处理后的射频信号强度RSSI计算移动节点与每个锚节点之间距离值，并将其与红外通信距离相比较，剔除超出红外通信距离范围的距离值，包括：
将滤波处理后的射频信号强度RSSI转化为实际信号强度RSSIdbm；
根据实际信号强度RSSIdbm，利用信号传播空间模块计算移动节点与每个锚节点之间的距离d；
通过移动节点向锚节点发送红外信号，获取每个锚节点接收到的红外信号，根据接收到的红外信号计算红外通信距离，得到一红外通信距离范围；
将移动节点与每个锚节点之间距离值d与红外通信距离范围相比较，若该距离值d在红外发射距离范围内时，则保留该距离值d；若该距离值d不在红外发射距离范围内时，则剔除该距离值d。
进一步的，所述根据移动节点与锚节点之间距离值和各锚节点的位置，计算出一定时间内移动节点的位置，并绘制移动节点的运动路径，包括：
在一定时间段内，重复步骤1-3，得到该时间段内移动节点与每个锚节点之间距离值；
根据该时间段内移动节点与每个锚节点之间距离值以及每个锚节点的位置，计算出该时间段内移动节点的位置；
基于该时间段内移动节点的位置，绘制移动节点的运动路径。
进一步的，所述根据该移动节点的运动路径，计算移动节点的速度δs，并利用δs对RSSI进行修正，包括：
根据该移动节点的运动路径和运动时间，计算该移动节点的速度δs；
基于移动节点的速度δs，找出偏移出移动节点运动路径的移动节点位置；
根据剔除的移动节点位置，得到移动节点与每个锚节点之间距离值；
根据移动节点与每个锚节点之间距离值，得到该距离之所对应的射频信号强度RSSI；
剔除该射频信号强度RSSI，修正射频信号强度RSSI。
进一步的，所述利用修正后的RSSI计算移动节点和每个锚节点之间的距离，基于计算出的距离，确定移动节点的位置，包括：
利用修正后的射频信号强度RSSI计算移动节点和每个锚节点之间的距离值；
基于计算出的移动节点和每个锚节点之间的距离值，确定移动节点的位置。
一种实现上述的室内无线定位方法的定位系统，其特征是，包括多个固定的锚节点、移动节点、协调器和上位机；
其中，所述移动节点设置在待定位目标上，用于向锚节点发送射频定位信号；
所述锚节点布置在室内，用于接收移动节点发送的射频定位信号，并同时向移动节点发送和接收红外信号，将接收到的射频定位信号和红外信号发送至协调器；
所述协调器与所述锚节点无线通信，用于将所述锚节点发送的射频定位信号和红外信号转发至上位机，以及将所述上位机计算得到的定位信息发送至锚节点；
所述上位机通过以太网与协调器通信连接，用于根据接收到的射频定位信号，计算移动节点与每个锚节点之间的距离，根据接收到的红外信号计算红外通信距离，得到一红外通信距离范围，将移动节点与锚节点之间的距离与红外通信距离范围相比较，剔除不在红外通信距离范围内的距离，基于计算出的距离，确定移动节点的位置。
进一步的，所述移动节点和锚节点的分别包括微控制器、射频模块、电源模块和红外通信模块，所述电源模块分别为所述微控制器、射频模块提供电源，所述微控制器分别通过射频模块、红外通信模块与其他设备通信连接。
进一步的，所述红外通信模块包括单片机、红外发射头和红外接收头，所述红外发射头和红外接收头分别与单片机连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明在射频定位基础上增加了红外探测室内空间遮挡状况和被动人体感知两种方法用于甄别含有干扰因子的定位数据，通过信道评估发现并剔除一组定位数据中路径损耗系数较离散者，可以得到比较准确的定位信息，从而提高了定位精度；
(2)本发明利用红外通信进行信道评估，因为光线沿直线传播，障碍物可以轻易阻碍红外通信，所以与锚节点可以正常进行红外通信的待定位节点，其与锚节点之间一定存在着一条无障碍直线通路，从而可以轻易从中区分出未被多径干扰、非视距误差所影响的有效射频信号。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明实施例公开的室内无线定位系统流程图一；
图2是本发明实施例公开的室内无线定位系统流程图二；
图3是含干扰数据所作定位圆；
图4是剔除干扰数据后所作定位圆；
图5是被动人体感知测的的未经滤波的RSSI值；
图6是经过两次递推平均滤波后的RSSI值；
图7是本发明实施例公开的室内无线定位系统结构框图；
图8是本发明实施例公开的锚节点结构框图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在由于不可避免的遮挡问题，锚节点收到的功率值信号存在误差，从而导致定位距离产生误差的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种室内无线定位方法及方法。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种室内无线定位方法，包括以下步骤：
步骤101：在室内布置多个固定的锚节点，待定位目标上设置移动节点，通过移动节点向锚节点发送射频定位信号；
步骤102：获取每个锚节点接收到的射频信号强度RSSI，并对其进行滤波处理；
步骤103：根据滤波处理后的射频信号强度RSSI计算移动节点与每个锚节点之间距离值，并将其与红外通信距离相比较，剔除超出红外通信距离范围的距离值；
步骤104：根据移动节点与每个锚节点之间距离值和每个锚节点的位置，计算出一定时间内移动节点的位置，并绘制移动节点的运动路径；
步骤105：根据该移动节点的运动路径，计算移动节点的速度δs，并利用δs对RSSI进行修正；
步骤106：利用修正后的RSSI计算移动节点和每个锚节点之间的距离，基于计算出的距离，确定移动节点的位置。
本发明实施例提出的室内无线定位方法，通过在射频定位基础上增加了红外来探测室内空间遮挡状况，评估信道，再加被动人体感知，甄别含有干扰因子的定位数据，通过剔除干扰数据获得精准的定位信息，从而也可以绘制出移动节点的移动轨迹。
为了使本领域的技术人员更好的了解本发明，下面列举一个更为详细的实施例，如图2所示，本发明实施例提出了一种室内无线定位方法，包括以下步骤：
步骤201：在室内布置5个固定的锚节点，待定位目标上设置移动节点，通过移动节点向锚节点发送射频定位信号。
首先在室内布置5个固定的锚节点，每个锚节点的位置已知，将移动节点设置在待定位目标上，通过移动节点向每个锚节点发送射频定位信号。
步骤202：获取每个锚节点接收到的射频信号强度RSSI，并对其进行滤波处理。
此处，步骤202采用如下方式实现，包括：
步骤2011：在无人环境下，获取每个锚节点接收到的射频信号强度RSSI0；
步骤2022：基于各个射频信号强度RSSI0，计算射频信号强度平均值RSSavg，将该射频信号强度平均值RSSavg设定为门限值；
步骤2023：在有人环境下，获取每个锚节点接收到的射频信号强度RSSI；
步骤2023：将射频信号强度RSSI与RSSavg相比较，若超过RSSavg，则进行滤波处理，滤除超过RSSavg的射频信号强度RSSI。
步骤203：根据滤波处理后的射频信号强度RSSI计算移动节点与每个锚节点之间距离值，并将其与红外通信距离相比较，剔除超出红外通信距离范围的距离值。
通过红外信号探测室内空间遮挡状况和被动人体感知两种方法用于甄别含有干扰因子的定位数据，通过信道评估发现并剔除一组定位数据中路径损耗系数较离散者则可以得到比较准确的定位信息，从而提高了定位精度。如图3所示为含干扰数据所作定位圆，如图4所示为剔除干扰数据后所作定位圆。
所述步骤203采用如下方式实现，包括：
步骤2031：将滤波处理后的射频信号强度RSSI转化为以dbm表示的实际信号强度RSSI_dbm。
本发明采用接收射频信号强度RSSI，计算移动节点到每个锚节点之间的距离。
根据规范将射频通信所得的射频信号强度RSSI转化为以dbm表示的实际信号强度RSSIdbm。其中，实际信号强度RSSI_dbm的表达式为：
Figure BDA0001518443240000061
其中，RSSIdec为射频信号强度RSSI的十进制值，若射频信号强度RSSI的十进制值小于128，则不减256；RSSIoffset为增益偏移量，其取决于射频芯片的通信速率，为保证通信准确率，本发明采用的通讯频率为2.4kpbs，增益偏移量RSSIoffset采用经验值71。
步骤2032：根据实际信号强度RSSIdbm，利用信号传播空间模型计算移动节点与每个锚节点之间的距离。
其中，本发明选择的合适的信号传播空间模型为：
Figure BDA0001518443240000062
其中，P(d)表示锚节点接收到的移动节点的信号强度，P(d0)表示锚节点在传输距离为d0的信号强度，n是路径损耗比例因子，其取值范围在2～4：Xσ是均值为0，标准差为σ正态分布的随机变量，σ取值范围为4～10。
步骤2034：通过移动节点向锚节点发送红外信号，获取每个锚节点接收到的红外信号，根据接收到的红外信号计算红外通信距离，得到一红外通信距离范围。其中，红外通信距离范围为[d一,d十]。
步骤2035：将移动节点与每个锚节点之间距离值d与红外通信距离范围相比较，若该距离值d在红外发射距离范围内时，则保留该距离值d；若该距离值d不在红外发射距离范围内时，则剔除该距离值d。
步骤204：根据移动节点与每个锚节点之间距离值和每个锚节点的位置，计算出一定时间内移动节点的位置，并绘制移动节点的运动路径。
此处，步骤204采用如下方式实现，包括：
步骤2041：在一定时间段内，重复步201-203，得到该时间段内移动节点与每个锚节点之间距离值；
步骤2042：根据该时间段内移动节点与每个锚节点之间距离值以及每个锚节点的位置，计算出该时间段内移动节点的位置；
步骤2043：基于该时间段内移动节点的位置，绘制移动节点的运动路径。
步骤205：根据该移动节点的运动路径，计算移动节点的速度δs，并利用δs对RSSI进行修正。
此处，步骤205采用如下方式实现，包括：
步骤2051：根据该移动节点的运动路径和运动时间，计算该移动节点的速度δs；
步骤2052：基于移动节点的速度δs，找出偏移出移动节点运动路径的移动节点位置；
步骤2053：根据剔除的移动节点位置，得到移动节点与每个锚节点之间距离值；
步骤2054：根据移动节点与每个锚节点之间距离值，得到该距离之所对应的射频信号强度RSSI；
步骤2055：剔除该射频信号强度RSSI，修正射频信号强度RSSI。
本发明采用“递归修正”方法对射频信号强度RSSI进行修正。即根据移动节点运动路径计算出速度后，又反过来根据速度计算出偏移出路径的点所对应的射频信号强度RSSI，并提出该射频信号强度RSSI，实现对射频信号强度RSSI修正，然后再利用无误差的RSSI进行较为准确的定位。如图5所示为被动人体感知测的的未经滤波的RSSI值，如图6为经过两次递推平均滤波后的RSSI值。
步骤206：利用修正后的RSSI计算移动节点和每个锚节点之间的距离，基于计算出的移动节点和每个锚节点之间的距离，确定移动节点的位置。
本发明实施例提出的室内无线定位方法，利用红外通信进行信道评估，因为光线沿直线传播，障碍物可以轻易阻碍红外通信，所以与锚节点可以正常进行红外通信的待定位节点，其与锚节点之间一定存在着一条无障碍直线通路，从而可以轻易从中区分出未被多径干扰、非视距误差所影响的有效射频信号。在红外通信被遮挡的情况下，还可以采用被动人体检测也可作为定位的补充手段，射频通信过程中存在菲涅尔现象，人体或其他物体在射频收发节点间时接收方的RSSI值会发生剧烈变化，上位机便可根据这一指标筛选有效的数据进行定位，实现比较精确的定位。
本发明的另一种典型实施方式，如图7所示，提供了一种室内无线定位系统，该系统包括多个固定的锚节点、移动节点、协调器和上位机，移动节点和锚节点之间可以进行双向的无线通信和红外通信，协调器和节点设备可以进行双向的无线通信，协调器还可以与上位机服务器进行以太网通信，方便上位机对数据进行进一步的处理。
所述移动节点和所述锚节点的结构相同，如图8所示。所述移动节点设置在待定位目标上，用于向锚节点发送射频定位信号；该所述移动节点包括第一微控制器、第一射频模块、第一电源模块和第一红外通信模块，所述第一电源模块分别为所述括第一控制器、第一射频模块和第一红外通信模块提供电源，所述第一控制器通过第一射频模块与锚节点通信连接。
所述锚节点布置在室内，用于接收移动节点发送的射频定位信号，并同时向移动节点发送和接收红外信号，将接收到的射频定位信号和红外信号发送至协调器。所述锚节点包括所述锚节点包括第二微控制器、第二射频模块、第二电源模块和第二红外通信模块，所述第二电源模块分别为所述第二控制器、第二射频模块提供电源，所述第二微控制器通过第二射频模块与移动节点通信连接；所述第一红外通信模块和第二红外通信模块分别包括单片机、红外发射头和红外接收头，所述红外发射头和红外接收头分别与单片机连接。
在本实施例中，所述的锚节点具有可扩展性，可以通过连接其他的传感器模块扩展为通用控制器或采集器，如采集温度、湿度、光照，如输出开关量控制继电器。
所述协调器与所述锚节点无线通信，用于将所述锚节点发送的射频定位信号和红外信号转发至上位机，以及将所述上位机计算得到的定位信息发送至锚节点。
在本实施例中，所述协调器可以通过无线给节点下发指令，接收数据，并通过以太网把数据上传给上位机服务器。每个协调器可以单独组网，移动节点和锚节点可以加入子网内进行网内通信，从而不影响其他区域内的通信。
所述上位机通过以太网与协调器通信连接，用于根据接收到的射频定位信号，计算移动节点与每个锚节点之间的距离，根据接收到的红外信号计算红外通信距离，得到一红外通信距离范围，将移动节点与锚节点之间的距离与红外通信距离范围相比较，剔除不在红外通信距离范围内的距离，基于计算出的距离，确定移动节点的位置。
在本实施例中，各设备之间的通信速率可配置，从而可以改变锚节点的覆盖面积改变定位范围。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种室内无线定位方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤1：在室内布置多个固定的锚节点，待定位目标上设置移动节点，通过移动节点向锚节点发送射频定位信号；
步骤2：获取每个锚节点接收到的射频信号强度RSSI，并对其进行滤波处理；
步骤3:根据滤波处理后的射频信号强度RSSI计算移动节点与每个锚节点之间距离值，并将其与红外通信距离相比较，剔除超出红外通信距离范围的距离值；其中，将滤波处理后的射频信号强度RSSI转化为实际信号强度RSSIdbm，利用信号传播空间模型计算移动节点与每个锚节点之间的距离d；
步骤4：根据移动节点与每个锚节点之间距离值和每个锚节点的位置，计算出一定时间内移动节点的位置，并绘制移动节点的运动路径；
步骤5：根据该移动节点的运动路径，计算移动节点的速度δs，并利用δs对RSSI进行修正；
步骤6：利用修正后的RSSI计算移动节点和每个锚节点之间的距离，基于计算出的距离，确定移动节点的位置；
所述步骤5包括：
根据该移动节点的运动路径和运动时间，计算该移动节点的速度δs；
基于移动节点的速度δs，找出偏移出移动节点运动路径的移动节点位置；
根据剔除的移动节点位置，得到移动节点与每个锚节点之间距离值；
根据移动节点与每个锚节点之间距离值，得到该距离之所对应的射频信号强度RSSI；
剔除该射频信号强度RSSI，修正射频信号强度RSSI。
2.根据权利要求1所述的室内无线定位方法，其特征是，所述获取所述各锚节点接收到的射频信号强度RSSI，并对其进行滤波处理，包括：
在无人环境下，获取每个锚节点接收到的射频信号强度RSSI0，并计算射频信号强度RSSI0平均值RSSavg；
在有人环境下，获取每个锚节点接收到的射频信号强度RSSI，将射频信号强度RSSI与RSSavg相比较，若超过RSSavg，则进行滤波处理，滤除超过RSSavg的射频信号强度RSSI。
3.根据权利要求1所述的室内无线定位方法，其特征是，所述根据滤波处理后的射频信号强度RSSI计算移动节点与每个锚节点之间距离值，并将其与红外通信距离相比较，剔除超出红外通信距离范围的距离值，包括：
将滤波处理后的射频信号强度RSSI转化为实际信号强度RSSIdbm；
根据实际信号强度RSSIdbm，利用信号传播空间模型计算移动节点与每个锚节点之间的距离d；
通过移动节点向锚节点发送红外信号，获取每个锚节点接收到的红外信号，根据接收到的红外信号计算红外通信距离，得到一红外通信距离范围；
将移动节点与每个锚节点之间距离值d与红外通信距离范围相比较，若该距离值d在红外发射距离范围内时，则保留该距离值d；若该距离值d不在红外发射距离范围内时，则剔除该距离值d。
4.根据权利要求1所述的室内无线定位方法，其特征是，所述根据移动节点与锚节点之间距离值和各锚节点的位置，计算出一定时间内移动节点的位置，并绘制移动节点的运动路径，包括：
在一定时间段内，重复步骤1-3，得到该时间段内移动节点与每个锚节点之间距离值；
根据该时间段内移动节点与每个锚节点之间距离值以及每个锚节点的位置，计算出该时间段内移动节点的位置；
基于该时间段内移动节点的位置，绘制移动节点的运动路径。
5.根据权利要求1所述的室内无线定位方法，其特征是，所述利用修正后的RSSI计算移动节点和每个锚节点之间的距离，基于计算出的距离，确定移动节点的位置，包括：
利用修正后的射频信号强度RSSI计算移动节点和每个锚节点之间的距离值；
基于计算出的移动节点和每个锚节点之间的距离值，确定移动节点的位置。
6.一种实现权利要求1-5中任一项所述的室内无线定位方法的定位系统，其特征是，包括多个固定的锚节点、移动节点、协调器和上位机；
其中，所述移动节点设置在待定位目标上，用于向锚节点发送射频定位信号；
所述锚节点布置在室内，用于接收移动节点发送的射频定位信号，并同时向移动节点发送和接收红外信号，将接收到的射频定位信号和红外信号发送至协调器；
所述协调器与所述锚节点无线通信，用于将所述锚节点发送的射频定位信号和红外信号转发至上位机，以及将所述上位机计算得到的定位信息发送至锚节点；
所述上位机通过以太网与协调器通信连接，用于根据接收到的射频定位信号，计算移动节点与每个锚节点之间的距离，根据接收到的红外信号计算红外通信距离，得到一红外通信距离范围，将移动节点与锚节点之间的距离与红外通信距离范围相比较，剔除不在红外通信距离范围内的距离，基于计算出的距离，确定移动节点的位置。
7.根据权利要求6 所述的实现室内无线定位方法的定位系统，其特征是，所述移动节点和锚节点的分别包括微控制器、射频模块、电源模块和红外通信模块，所述电源模块分别为所述微控制器、射频模块提供电源，所述微控制器分别通过射频模块、红外通信模块与其他设备通信连接。
8.根据权利要求7所述的实现室内无线定位方法的定位系统，其特征是，所述红外通信模块包括单片机、红外发射头和红外接收头，所述红外发射头和红外接收头分别与单片机连接。
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