CN108769914A - 一种基于城市照明智能管理系统的灯具定位方法 - Google Patents

一种基于城市照明智能管理系统的灯具定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于城市照明智能管理系统的灯具定位方法，所述系统包括远程云端服务器、安装在灯具上的LORA终端以及用于将LORA网络转为NB_IOT网络实现网络通讯的LORA转NB_IOT网关，所述灯具定位方法包括以下定位步骤：S1：以所需定位的灯具作为定位中心，选取3个定位中心周围的LORA转NB_IOT网关，获取所选取的3个LORA转NB_IOT网关的经纬度信息；S2：计算定位中心分别与3个LORA转NB_IOT网关之间的距离；S3：根据3个LORA转NB_IOT网关的经纬度信息以及步骤S2中计算得到的3个距离信息计算出定位中心的经纬度。与现有技术相比，本发明有效解决了在偏远位置或室内地下停车场等信号较差时，无法通过GPRS确定出灯具位置的情况，具有定位准确度高、通用性强且成本低的有益效果。

Description

一种基于城市照明智能管理系统的灯具定位方法
技术领域
本发明涉及智慧城市照明与物联网领域，更具体地，涉及一种基于城市照明智能管理系统的灯具定位方法，进一步具体地说主要用于解决偏远地区或地下停车场等GPRS信号差的场所的定位方法。
背景技术
随着国家逐步大力推动智慧城市的建设，传统的城市照明管理日益跟不上时代的发展。它们普遍存在如下问题：
A）大部分城市照明灯具是不具备智能管理的，既实现不了单点控制，而且维护非常麻烦，需要大量人员不断地巡查，非常耗费人工。
B）小部分城市照明具备半智能化，表现为只能群控，但不能远程知道异常灯具位置，同样不便于维护。
C）另外，还有小部分城市照明灯具具备智能化。但它的灯与灯之间通信是基于短距离局域网技术。例如：zigbee技术等。其致命缺点是：只有满足特定要求的灯具才能接入其系统。例如：灯具需要特定电气接口、天线要安装于灯杆高位等。而对于常见的传统城市照明产品的智能化升级来说，它存在非常大的技术风险以及非常高的改造成本。总之，不具备大规模推广的通用性。
发明内容
为克服现有的技术缺陷，本发明提供了一种适用于网络信号较弱的地区、通用性高且成本低的基于城市照明智能管理系统的灯具定位方法。
为实现本发明的目的，采用以下技术方案予以实现：
一种基于城市照明智能管理系统的灯具定位方法，所述系统包括远程云端服务器、安装在灯具上的LORA终端以及用于将LORA网络转为NB_IOT网络实现网络通讯的LORA 转 NB_IOT网关，所述灯具定位方法包括以下定位步骤：
S1：以所需定位的灯具作为定位中心，选取3个定位中心周围的LORA 转 NB_IOT网关，获取所选取的3个LORA 转 NB_IOT网关的经纬度信息；
S2：计算定位中心分别与3个LORA 转 NB_IOT网关之间的距离；
S3：根据3个LORA 转 NB_IOT网关的经纬度信息以及步骤S2中计算得到的3个距离信息计算出定位中心的经纬度，从而确定所需定位灯具的位置；
其中，步骤S1中，LORA 转 NB_IOT网关的经纬度信息的获取方式为：
S1-1： LORA 转 NB_IOT网关分别向附近基站多次发出请求信号，LORA 转 NB_IOT网关根据接收到的基站应答信号选取其中的 3个基站，获取所选取的基站的经纬度信息以及每个基站向该LORA 转 NB_IOT网关发出应答信号的时间；
S1-2：计算LORA 转 NB_IOT网关分别与3个基站的距离；
S1-3：根据步骤S1-2中计算得到的LORA 转 NB_IOT网关分别与3个基站的距离以及3个基站的经纬度信息，计算出LORA 转 NB_IOT网关的经纬度。
进一步地，步骤S1-1中，LORA 转 NB_IOT网关接收应答信号的时间是指LORA 转NB_IOT网关分别接收到3个基站多次应答信号的平均时间。
进一步地，步骤S2中，定位中心分别向3个LORA 转 NB_IOT网关发出LORATM数据包，计算LORATM数据包的传输时间T，通过LORATM数据包的传输时间T与距离R的关系公式R=T×C，分别计算出定位中心与3个LORA 转 NB_IOT网关之间的距离，其中， C表示电磁波传输速度，为已知常数。
进一步地，LORATM数据包的传输时间T等于前导码时间与有效负载时间之和；其中，前导码时间Tpreamble通过关系公式Tpreamble=（Npreamble+4.25）×Ts计算得出，有效负载时间Tpayload通过关系公式Tpayload=payloadSymNb×Ts计算得出。
进一步地，Npreamble 表示已设定的前导码长度，其值来自寄存器上的RegPreambleMsb和RegPreambleLsb位，Ts表示符号周期，根据符号速率Rs与符号周期Ts的关系计算得出，其中，已知扩频因子SF、编码率CR及信号带宽BW，符号速率Rs通过与信号带宽的关系BW=Rs×(1+α)计算得出，其中α是低通滤波器的滚降系数；有效负载符号数payloadSymNb通过公式计算得出，其中PL表示有效负载的字节数，使用报头时，H=0；没有报头时，H=1，当LowDataRateOptimize位设置为1时，DE=1；否则DE=0，CR表示编码率，取值范围为1~4。
进一步地，步骤S3中，分别以3个LORA 转 NB_IOT网关的经纬度为圆心，以定位中心与3个LORA 转 NB_IOT网关之间的距离为半径作圆，得到3个圆，所述3个圆的交汇点即为定位中心的位置；通过定位中心与3个LORA 转 NB_IOT网关之间的位置关系、、，计算出所需定位的灯具的经纬度（x，y），其中，（xi，yi）、（xj，yj）、（xk，yk）分别为3个LORA 转NB_IOT网关的经纬度信息，Ri、Rj和Rk分别为定位中心与3个LORA 转 NB_IOT网关之间的距离。
进一步地，步骤S1-2中，LORA 转 NB_IOT网关分别与3个基站的距离通过关系公式R=T×C计算得出，其中，R表示LORA 转 NB_IOT网关与基站的距离，T表示LORA 转 NB_IOT网关接收到同一基站多次应答信号的平均时间，C表示电磁波传输速度，为已知常数。
进一步地，步骤S1-3中，分别以3个基站的经纬度为圆心，以R1、R2和R3为半径作圆，得到圆1、圆2和圆3，所述圆1、圆2和圆3的交汇点即为LORA 转 NB_IOT网关的位置；通过LORA 转 NB_IOT网关与3个基站的位置关系、、，计算出LORA转NB_IOT网关的经纬度（X，Y）；其中（X1，Y1）、（X2，Y2）、（X3，Y3）分别为3个基站的经纬度信息，R1、R2、R3分别为3个基站与LORA 转 NB_IOT网关的距离。
进一步地，所述远程云端服务器通过NB_IOT广域网与灯具附近的基站实现网络通讯，进而与灯具上的LORA终端实现网络通讯，从而远程收集与管理灯具，并提供灯具的地理信息；所述LORA终端通过LORA 转 NB_IOT网关与其所在的基站实现信息互传。
在本发明中，远程云端服务器主要用于远程收集与管理灯具，并提供灯具的地理信息，将NB_IOT终端或PLC电缆防盗终端或LORA终端与灯具的火线、零线接通，从而控制灯具的开关、查询灯具的工作状态以及防盗。其中，所述LORA终端通过LORA转NB_IOT网关实现LORA网络转为NB_IOT网络，实现网络通讯。NB_IOT广域网又名为窄带物联网，是万物互联网的一个重要分支，NB_IOT广域网构建于蜂窝网络，能对网络进行高效连接，具有覆盖广、连接多、速率快、部署成本低、低功耗和架构优的有益效果。
进一步地，所述远程云端服务器包括总服务器和至少一个城市区域控制器，所述总服务器通过以太网与城市区域控制器实现信号互传，所述城市区域控制器通过NB_IOT广域网与其所在区域内的NB_IOT终端或电力载波转NB_IOT网关或LORA转NB_IOT网关或基站实现信号互传，或由基站与其所在区域内的NB_IOT终端或电力载波转NB_IOT网关或LORA转NB_IOT网关实现信号互传，或由电力载波转NB_IOT网关与PLC电缆防盗终端实现信号互传，或由LORA转NB_IOT网关与LORA终端实现信号互传，进而监控灯具以及电缆的运行。
进一步地，所述城市区域控制器包括MCU控制模块、无线收发模块、Flash数据存储模块电路和网络数据转换模块电路，所述MCU控制模块分别与无线收发模块、Flash数据存储模块电路和网络数据转换模块电路连接，用于负责网络数据的处理和电路控制，所述无线收发模块主要负责对MCU控制模块的网络数据进行无线接收或发送；所述网络数据转换模块电路主要负责对以太网数据的接收和发送，并将以太网数据传输给MCU控制模块或将MCU控制模块的数据通过以太网发送；所述Flash数据存储模块电路主要负责存储城市区域控制器查询到的灯具相关信息以及相关维护日志。
进一步地，所述城市区域控制器还包括交流开关电源、滤波电路、电压转换模块、输入隔离变压器和输出隔离变压器，所述交流开关电源、滤波电路和电压转换模块依次连接，所述电压转换模块分别连接无线收发模块、MCU控制模块以及Flash数据存储模块电路，所述交流开关电源与外部电路连接，用于将100~240V高压转换成5V低压，作为城市区域控制器的第一级供电来源，分别供给滤波电路和电压转换模块使用，所述电压转换模块将5V电压转换成3.3V电压，作为城市区域控制器的第二级供电来源，分别供给无线收发模块、MCU控制模块以及Flash数据存储模块电路使用；所述输入隔离变压器和输出隔离变压器分别与网络数据转换模块电路连接，主要负责对以太网通信电气隔离。
与现有技术比较，本发明具有以下有益效果：
（1）能对户外常见的灯具进行快速智能化升级，对灯具不需特定要求，例如不需要特定接口，本发明的智能灯盖可安装于低位，且信号不会受到影响，通用性高。
（2）本发明对灯具的定位采用了用于确定LORA 转 NB_IOT网关位置的NB_IOT蜂窝网络基站定位法以及用于确定灯具位置的LORA无线定位法，通过分级定位确定灯具的位置，相对于传统的GPRS定位方法，本发明有效解决了在偏远位置或地下停车场等信号较差时，无法通过GPRS确定出灯具位置的情况。
（3）本发明提供的城市照明智能管理系统及方法能有效对灯具进行智能化升级，智能化升级后的灯具包括但不限于以下功能：远程灯具开关控制、远程灯具状态查询、防盗监控、灯具图形化界面管理、多种灯具控制模式以及路灯环境信息采集。
附图说明
图1为本申请定位算法流程图。
图2为本申请定位LORA 转 NB_IOT网关的示意图。
图3为本申请三点定位示意图。
图4为本申请定位灯具的示意图。
图5为本发明的系统组成原理框图。
图6为本发明远程云端服务器的组成原理框图。
图7为本申请城市区域控制器的组成原理框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明实施方式作进一步详细地说明。
实施例
如图1和图5所示，一种基于城市照明智能管理系统的灯具定位方法，所述系统包括远程云端服务器、安装在灯具上的LORA终端以及用于将LORA网络转为NB_IOT网络实现网络通讯的LORA 转 NB_IOT网关，所述灯具定位方法包括以下定位步骤：
S1：以所需定位的灯具作为定位中心，选取3个定位中心周围的LORA 转 NB_IOT网关，获取所选取的3个LORA 转 NB_IOT网关的经纬度信息；
S2：计算定位中心分别与3个LORA 转 NB_IOT网关之间的距离；
S3：根据3个LORA 转 NB_IOT网关的经纬度信息以及步骤S2中计算得到的3个距离信息计算出定位中心的经纬度，从而确定所需定位灯具的位置；
其中，步骤S1中，LORA 转 NB_IOT网关的经纬度信息的获取方式为：
S1-1：网关初始化， LORA 转 NB_IOT网关通过广播方式搜索附近的基站信息并分别向附近基站多次发出请求信号，若接收到基站的应答信号则继续向下一基站发送请求信息，若没有接收到基站的应答信号则继续发送请求信息。LORA 转 NB_IOT网关根据接收到的基站应答信号选取其中的 3个基站，获取所选取的基站的经纬度信息以及每个基站向该LORA转 NB_IOT网关发出应答信号的时间；
S1-2：计算LORA 转 NB_IOT网关分别与3个基站的距离；
S1-3：根据步骤S1-2中计算得到的LORA 转 NB_IOT网关分别与3个基站的距离以及3个基站的经纬度信息，计算出LORA 转 NB_IOT网关的经纬度，并校正误差。
步骤S1-1中，LORA 转 NB_IOT网关接收应答信号的时间是指LORA 转 NB_IOT网关分别接收到3个基站多次应答信号的平均时间。
步骤S1-2中，LORA 转 NB_IOT网关分别与3个基站的距离通过关系公式R=T×C计算得出，其中，R表示LORA 转 NB_IOT网关与基站的距离，T表示LORA 转 NB_IOT网关接收到同一基站多次应答信号的平均时间，C表示电磁波传输速度，为已知常数。
如图2和图3所示，步骤S1-3中，分别以3个基站的经纬度为圆心，以R1、R2和R3为半径作圆，得到圆1、圆2和圆3，所述圆1、圆2和圆3的交汇点即为LORA 转 NB_IOT网关的位置；通过LORA 转 NB_IOT网关与3个基站的位置关系、、，计算出LORA转NB_IOT网关的经纬度（X，Y）；其中（X1，Y1）、（X2，Y2）、（X3，Y3）分别为3个基站的经纬度信息，R1、R2、R3分别为3个基站与LORA 转 NB_IOT网关的距离。
步骤S2中，定位中心分别向3个LORA 转 NB_IOT网关发出LORATM数据包，计算LORATM数据包的传输时间T，通过LORATM数据包的传输时间T与距离R的关系公式R=T×C，分别计算出定位中心与3个LORA 转 NB_IOT网关之间的距离，其中， C表示电磁波传输速度，为已知常数。
LORATM数据包的传输时间T等于前导码时间与有效负载时间之和；其中，前导码时间Tpreamble通过关系公式Tpreamble=（Npreamble+4.25）×Ts计算得出，有效负载时间Tpayload通过关系公式Tpayload=payloadSymNb×Ts计算得出。
Npreamble 表示已设定的前导码长度，其值来自寄存器上的RegPreambleMsb和RegPreambleLsb位，Ts表示符号周期，根据符号速率Rs与符号周期Ts的关系 计算得出，其中，已知扩频因子SF、编码率CR及信号带宽BW，符号速率Rs通过与信号带宽的关系BW=Rs×(1+α)计算得出，其中α是低通滤波器的滚降系数；有效负载符号数payloadSymNb通过公式计算得出，其中PL表示有效负载的字节数，使用报头时，H=0；没有报头时，H=1，当LowDataRateOptimize位设置为1时，DE=1；否则DE=0，CR表示编码率，取值范围为1~4。
如图4所示，步骤S3中，分别以3个LORA 转 NB_IOT网关的经纬度为圆心，以定位中心与3个LORA 转 NB_IOT网关之间的距离为半径作圆，得到3个圆，所述3个圆的交汇点即为定位中心的位置；通过定位中心与3个LORA 转 NB_IOT网关之间的位置关系 、 、，计算出所需定位的灯具的经纬度（x，y），其中，（xi，yi）、（xj，yj）、（xk，yk）分别为3个LORA 转NB_IOT网关的经纬度信息，Ri、Rj和Rk分别为定位中心与3个LORA 转 NB_IOT网关之间的距离。
如图5所示，所述远程云端服务器通过NB_IOT广域网与灯具附近的基站实现网络通讯，进而与灯具上的LORA终端实现网络通讯，从而远程收集与管理灯具，并提供灯具的地理信息；所述LORA终端通过LORA 转 NB_IOT网关与其所在的基站实现信息互传。
在本发明中，远程云端服务器主要用于远程收集与管理灯具，并提供灯具的地理信息，将NB_IOT终端或PLC电缆防盗终端或LORA终端与灯具的火线、零线接通，从而控制灯具的开关、查询灯具的工作状态以及防盗。其中，所述LORA终端通过LORA转NB_IOT网关实现LORA网络转为NB_IOT网络，实现网络通讯。NB_IOT广域网又名为窄带物联网，是万物互联网的一个重要分支，NB_IOT广域网构建于蜂窝网络，能对网络进行高效连接，具有覆盖广、连接多、速率快、部署成本低、低功耗和架构优的有益效果。
如图6所示，所述远程云端服务器包括总服务器和至少一个城市区域控制器，所述总服务器通过以太网与城市区域控制器实现信号互传，所述城市区域控制器通过NB_IOT广域网与其所在区域内的NB_IOT终端或电力载波转NB_IOT网关或LORA转NB_IOT网关或基站实现信号互传，或由基站与其所在区域内的NB_IOT终端或电力载波转NB_IOT网关或LORA转NB_IOT网关实现信号互传，或由电力载波转NB_IOT网关与PLC电缆防盗终端实现信号互传，或由LORA转NB_IOT网关与LORA终端实现信号互传，进而监控灯具以及电缆的运行。
如图7所示，所述城市区域控制器包括MCU控制模块、无线收发模块、Flash数据存储模块电路和网络数据转换模块电路，所述MCU控制模块分别与无线收发模块、Flash数据存储模块电路和网络数据转换模块电路连接，用于负责网络数据的处理和电路控制，所述无线收发模块主要负责对MCU控制模块的网络数据进行无线接收或发送；所述网络数据转换模块电路主要负责对以太网数据的接收和发送，并将以太网数据传输给MCU控制模块或将MCU控制模块的数据通过以太网发送；所述Flash数据存储模块电路主要负责存储城市区域控制器查询到的灯具相关信息以及相关维护日志。
进一步地，所述城市区域控制器还包括交流开关电源、滤波电路、电压转换模块、输入隔离变压器和输出隔离变压器，所述交流开关电源、滤波电路和电压转换模块依次连接，所述电压转换模块分别连接无线收发模块、MCU控制模块以及Flash数据存储模块电路，所述交流开关电源与外部电路连接，用于将100~240V高压转换成5V低压，作为城市区域控制器的第一级供电来源，分别供给滤波电路和电压转换模块使用，所述电压转换模块将5V电压转换成3.3V电压，作为城市区域控制器的第二级供电来源，分别供给无线收发模块、MCU控制模块以及Flash数据存储模块电路使用；所述输入隔离变压器和输出隔离变压器分别与网络数据转换模块电路连接，主要负责对以太网通信电气隔离。

Claims (6)

1.一种基于城市照明智能管理系统的灯具定位方法，其特征在于，所述系统包括远程云端服务器、安装在灯具上的LORA终端以及用于将LORA网络转为NB_IOT网络实现网络通讯的LORA 转 NB_IOT网关，所述灯具定位方法包括以下定位步骤：
S1：以所需定位的灯具作为定位中心，选取3个定位中心周围的LORA 转 NB_IOT网关，获取所选取的3个LORA 转 NB_IOT网关的经纬度信息；
S2：计算定位中心分别与3个LORA 转 NB_IOT网关之间的距离；
S3：根据3个LORA 转 NB_IOT网关的经纬度信息以及步骤S2中计算得到的3个距离信息计算出定位中心的经纬度，从而确定所需定位灯具的位置；
其中，步骤S1中，LORA 转 NB_IOT网关的经纬度信息的获取方式为：
S1-1： LORA 转 NB_IOT网关分别向附近基站多次发出请求信号，LORA 转 NB_IOT网关根据接收到的基站应答信号选取其中的 3个基站，获取所选取的基站的经纬度信息以及LORA 转 NB_IOT网关接收应答信号的时间；
S1-2：计算LORA 转 NB_IOT网关分别与3个基站的距离；
S1-3：根据步骤S1-2中计算得到的LORA 转 NB_IOT网关分别与3个基站的距离以及3个基站的经纬度信息，计算出LORA 转 NB_IOT网关的经纬度。
2.根据权利要求1所述的一种基于城市照明智能管理系统的灯具定位方法，其特征在于，步骤S2中，定位中心分别向3个LORA 转 NB_IOT网关发出LORATM数据包，计算LORATM数据包的传输时间T，通过LORATM数据包的传输时间T与距离R的关系公式R=T×C，分别计算出定位中心与3个LORA 转 NB_IOT网关之间的距离，其中， C表示电磁波传输速度，为已知常数。
3.根据权利要求2所述的一种基于城市照明智能管理系统的灯具定位方法，其特征在于，LORATM数据包的传输时间T等于前导码时间与有效负载时间之和；其中，前导码时间Tpreamble通过关系公式Tpreamble=（Npreamble+4.25）×Ts计算得出，有效负载时间Tpayload通过关系公式Tpayload=payloadSymNb×Ts计算得出。
4.根据权利要求1所述的一种基于城市照明智能管理系统的灯具定位方法，其特征在于，步骤S3中，分别以3个LORA 转 NB_IOT网关的经纬度为圆心，以定位中心与3个LORA 转NB_IOT网关之间的距离为半径作圆，得到3个圆，所述3个圆的交汇点即为定位中心的位置；通过定位中心与3个LORA 转 NB_IOT网关之间的位置关系、、，计算出所需定位的灯具的经纬度（x，y），其中，（xi，yi）、（xj，yj）、（xk，yk）分别为3个LORA 转 NB_IOT网关的经纬度信息，Ri、Rj和Rk分别为定位中心与3个LORA 转 NB_IOT网关之间的距离。
5.根据权利要求1所述的一种基于城市照明智能管理系统的灯具定位方法，其特征在于，步骤S1-2中，LORA 转 NB_IOT网关分别与3个基站的距离通过关系公式R=T×C计算得出，其中，R表示LORA 转 NB_IOT网关与基站的距离，T表示LORA 转 NB_IOT网关接收到同一基站多次应答信号的平均时间，C表示电磁波传输速度，为已知常数。
6.根据权利要求5所述的一种基于城市照明智能管理系统的灯具定位方法，其特征在于，步骤S1-3中，分别以3个基站的经纬度为圆心，以R1、R2和R3为半径作圆，得到圆1、圆2和圆3，所述圆1、圆2和圆3的交汇点即为LORA 转 NB_IOT网关的位置；通过LORA 转 NB_IOT网关与3个基站的位置关系、 、，计算出LORA 转 NB_IOT网关的经纬度（X，Y）；其中（X1，Y1）、（X2，Y2）、（X3，Y3）分别为3个基站的经纬度信息，R1、R2、R3分别为3个基站与LORA 转NB_IOT网关的距离。
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