CN108872936B - 一种基于LoRa的终端设备三维空间定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LoRa的终端设备三维空间定位方法，首先布置LoRa网关、计算服务器有唯一识别ID编号的LoRa终端设备，LoRa网关个数N≥4，N个LoRa网关中至少包括4个LoRa网关满足三个不共线，四个不共面，N个LoRa网关的空间位置坐标已知且N个LoRa网关的时间同步。LoRa网关接收LoRa终端设备以广播形式发送的带有自身ID编号的数据以及接收此数据时的RSSI值；LoRa网关将接收到的数据、LoRa网关将接收到的带有LoRa终端设备识别ID编号的数据、RSSI值数据、LoRa网关本身坐标数据以及当前时间戳组成的计算数据发送给计算服务器；LoRa网关接收计算服务器根据计算数据计算得到LoRa终端设备在空间中的位置信息。本发明能够获取终端设备在空间中的位置，从而满足三维立体环境下的定位任务。

Description

一种基于LoRa的终端设备三维空间定位方法

技术领域

本发明无线通信定位方法领域，尤其涉及一种基于LoRa的终端设备三维空间定位方法。

背景技术

近年来，随着通信技术以及物联网的发展，物联网应用对定位的要求越来越多，目前，采用的GPS定位，用户一般只能获取到二维平面上的地理位置，且只能适用于信号好的户外环境中，当GPS定位终端位于信号差的隧道、地下室时，定位准确度较差；即便在位于信号良好环境的楼层中，一般只能获取到平面上的二维位置，不能获取与高度相关的空间位置，且室内依旧出现定位不准的情况，带来了极大的不便。

在目前多种定位终端中，大多数采用GPS芯片进行定位，能耗较高，终端耗电量较大，给用户的长时间定位带来不便。

发明内容

本发明目的在提供于一种基于LoRa的终端设备三维空间定位方法，以解决现有技术中存在的技术缺陷。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于LoRa的终端设备三维空间定位方法，布置LoRa网关和计算服务器，LoRa网关个数N≥4，N个LoRa网关中至少包括4个LoRa网关满足三个不共线，四个不共面，N个LoRa网关的空间位置坐标已知且N个LoRa网关的时间同步。

优选地，一种基于LoRa的终端设备三维空间定位方法包括以下步骤：

S1：LoRa网关接收LoRa终端设备以广播形式发送的带有自身ID编号的数据并计算接收此数据时的RSSI值数据；

S2：LoRa网关将接收到的带有LoRa终端设备识别ID编号的数据、RSSI值数据、LoRa网关本身坐标数据以及当前时间戳组成计算数据发送给计算服务器；

S3：LoRa网关接收计算服务器根据计算数据计算得到LoRa终端设备在空间中的位置信息。

优选地，S3中计算服务器计算LoRa终端设备在空间中的位置前，先计算LoRa网关与LoRa终端设备之间的距离d，包括以下步骤：

S301：分别通过RSSI算法和TDOA算法计算所述LoRa网关与所述LoRa终端设备之间的距离d_i和

S302：计算所述LoRa网关与所述LoRa终端设备之间的距离

其中α为权值。

优选地，计算距离d_i的公式为：d＝10^((abs(RSSI)-A)/(10*n))，其中，A为LoRa终端设备与LoRa网关相隔1米时收发信号强度的绝对值，n为环境衰减因子，在布置LoRa网关位置之前需要进行测量给出。

优选地，S3中计算服务器计算LoRa终端设备在空间中的位置的方式为：

λ_n-1＝d_n ²-d₁ ²-x_n ²+x₁ ²-y_n ²+y₁ ²-z_n ²+z₁ ²

其中，(x_n,y_n,z_n)为第n个LoRa网关的坐标，(x，y，z)为LoRa终端设备的坐标，d_n为LoRa终端设备到第n个LoRa网关的距离。

优选地，若

为AB＝C,则矩阵A的秩r(A)和增广矩阵的秩r(A|C)满足r(A)＝r(A|C)＝3。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过基于LoRa技术的三维空间定位与控制方法，能够计算出室内外三维立体空间定位终端的位置，从而满足三维立体环境下的定位任务。

2、本发明通过采用LoRa技术，能够达到终端设备的低功耗，以及免费频段带来的经济上的实惠，且传播距离远，定位面积广。

3、本发明采用RSSI算法和TDOA算法结合的方式，保证了终端设备与网关之间距离计算的准确性，保证最终的定位精度。

下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的一种基于LoRa技术的三维空间定位方法的系统机构示意图；

图2是本发明优选实施例的一种基于LoRa技术的三维空间定位方法空间的坐标计算示意图；

图3是本发明优选实施例的一种基于LoRa技术的三维空间定位方法的标定A值时节点放置图；

图4是本发明优选实施例的一种基于LoRa技术的三维空间定位方法的室内商场导购中的运用图；

图5是本发明优选实施例的一种基于LoRa技术的三维空间定位方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于LoRa的终端设备三维空间定位方法，参见图1，布置LoRa网关、计算服务器和有唯一识别ID编号的LoRa终端设备，LoRa网关个数N≥4，N个LoRa网关中至少包括4个LoRa网关满足三个不共线，四个不共面，N个LoRa网关的空间位置坐标已知且N个LoRa网关的时间同步。

首先需要布置LoRa网关和计算服务器，LoRa网关与LoRa终端设备能够通过LoRa无线网络进行通信，LoRa网关和计算服务器之间可以通过有线或者无线网络通信。多个LoRa终端设备均具有唯一识别的ID编号，以保证能够通过ID编号准确的识别LoRa终端设备。LoRa网关的个数至少为四个，当LoRa网关的个数为4个的情况下，在进行布置时需要做到每三个不共线，且四个不共面，所有LoRa网关的空间坐标都为已知状态。当LoRa网关的个数大于4个时，只要保证有任意三个不共线，且四个不共面的LoRa网关。在此基础上再任意布置LoRa网关进行拓扑保证信号的稳定性和准确性。LoRa终端设备可以为便携式可移动LoRa终端设备或其他终端设备。

优选地，参见图5，一种基于LoRa的终端设备三维空间定位方法包括以下步骤：

S1：LoRa网关接收LoRa终端设备以广播形式发送的带有自身ID编号的数据并计算接收此数据时的RSSI值数据。

LoRa终端设备会实时进行广播，在广播时会将自身的ID编号数据发送至LoRa网关，LoRa网关接收LoRa终端设备的ID编号数据时会根据接收信号的强度生成对应RSSI值数据，通过RSSI值数据和ID编号数据可以大致判断LoRa网关与LoRa终端设备之间的距离。

S2：LoRa网关将接收到的带有LoRa终端设备识别ID编号的数据、RSSI值数据、并添加LoRa网关本身坐标数据以及当前时间戳组成计算数据发送给所述计算服务器。

一个LoRa终端设备由于与各个不同LoRa网关之间距离不一样，发送的信号到达不同的网关时间也就不一样，因此，利用TDOA算法也能够计算出这个网关与定位终端间的距离。TDOA定位是一种利用时间差进行定位的方法。通过测量信号到达监测站的时间，可以确定信号源的距离。因此，通过标记时间戳即能够计算出网关与定位终端间的距离。

S3：LoRa网关接收计算服务器根据计算数据计算得到LoRa终端设备在空间中的位置信息。

计算服务器根据内置的预设的处理工具对接收到的数据包进行分析计算，得到LoRa终端设备在三维空间中的位置。计算服务器可以为手机、计算机等带有数据处理功能的设备，内置的预设的处理工具即为手机APP、计算机软件等。计算得到的LoRa终端设备在三维空间中的位置可以通过各种方式进行呈现，如在三维立体地图中通过光标闪烁等方式呈现。

优选地，S3中计算服务器计算LoRa终端设备在空间中的位置前，先计算LoRa网关与LoRa终端设备之间的距离d，包括以下步骤：

S301：分别通过RSSI算法和TDOA算法计算LoRa网关与LoRa终端设备之间的距离d_i和

定位终端距离网关比较近的时候，用RSSI信号强度算法的时候较为准确。但是距离较远的时候，由于接收信号强度随距离的变化不再明显，采用RSSI算法便会导致算出的距离不准确。TDOA算法是基于到达时间差的算法，在距离较近的时候，定位终端的信号到达不同网关时的时间差不明显，即便能计算准确，也需要提高硬件的时间计算性能，才能使时间精度较高。当距离较大时，时间差会较为明显，此时TDOA算法比RSSI算法精度更高。因此，将两种方法进行组合，能够保证距离计算的精准度。

S302：计算所述LoRa网关与所述LoRa终端设备之间的距离

其中α为权值。

权值根据RSSI信号强度以及信号到达时间差综合确定。到达此网关的信号强度弱且同一个ID终端的数据到达多个已知坐标的网关(网关之间距离也已知)，时间差偏差比较大时，权值使得最终计算得到的距离d靠近以TDOA算法计算的值；反之，使距离d靠近以RSSI算法计算的值。

优选地，计算距离d_i的公式为：d＝10^((abs(RSSI)-A)/(10*n))，其中，A为LoRa终端设备与LoRa网关相隔1米时收发信号强度的绝对值，n为环境衰减因子，在布置LoRa网关位置之前需要进行测量给出。

根据LoRa终端设备与LoRa网关进行数据收发时的RSSI值强度、LoRa网关周围的环境衰减因子以及LoRa终端设备与LoRa网关相隔1米时收发信号强度的绝对值能够通过RSSI计算得到LoRa终端设备与LoRa网关之间的距离，从而为确定LoRa终端设备的坐标提供必要条件。如图3所示为标定A值时节点的放置图，利用RSSI测距必须知道A值和n值，这两个值都是经验值，和具体使用的硬件节点和无线信号传播的环境密切相关，所以测距前必须在应用环境中把两个经验值标定好，标定的准确与否，直接关系到测距定位的精度。LoRa定位终端和LoRa网关采用全向的LoRa天线进行通信，在实际应用中全向天线是一个比较理想的情况，能够避免天线的非全向性带来的测量误差。本实施例图3中P0、P1、P2和P3为LoRa定位终端发射节点，1米的圆心处为用做于接收节点的LoRa网关，每个发送节点依次或者通过竞争机制获取信道，发送50个数据帧，接收节点将记录信息包对应的RSSI值，通过对接收节点记录的来自四个等距离1米方向上发送节点的RSSI值计算出平均值，从而得到发射端与接收端相隔1米的接收端接收无线信号强度A的值。传播因子n可以通过RSSI与距离的拟合曲线得到。在本实施例中，A值一般取45-49之间，n取值一般在3.25-4.5之间，具体实施例中根据具体测量给出A和n的值；根据RSSI值与距离变化之间的关系：距离较近时，RSSI值随距离增加变化比较明显；距离较远时，RSSI值随距离增加变化不明显，为了提高本发明测试方法的准确度，可以通过合理的增加LoRa网关的数量达到定位的准确度。

优选地，参见图2，S3中计算服务器计算LoRa终端设备在空间中的位置的方式为：

λ_n-1＝d_n ²-d₁ ²-x_n ²+x₁ ²-y_n ²+y₁ ²-z_n ²+z₁ ²

其中，(x_n,y_n,z_n)为第n个LoRa网关的坐标，(x，y，z)为LoRa终端设备的坐标，d_n为LoRa终端设备到第n个LoRa网关的距离。

优选地，若

为AB＝C,则矩阵A的秩r(A)和增广矩阵的秩r(A|C)满足r(A)＝r(A|C)＝3。

当计算服务器得到同一个ID编号的LoRa定位终端与至少四个所述的LoRa网关之间的距离时，就可建立多组方程组。如图2所示，假如LoRa网关1坐标为(x₁,y₁,z₁)、LoRa网关2坐标为(x₂,y₂,z₂)、LoRa网关3坐标为(x₃,y₃,z₃)、LoRa网关4坐标为(x₄,y₄,z₄)……LoRa网关N坐标为(x_n,y_n,z_n)，未知LoRa定位终端的坐标为M(x,y,z)，M到已知网关之间的距离分别为d₁、d₂、d₃、d₄、……d_n，则可以建立以下方程组：

方程组(1)中的每个方程通过展开，并用第一个方程分别减去其他各个方程，得到：

其中：

λ₁＝d₂ ²-d₁ ²-x₂ ²+x₁ ²-y₂ ²+y₁ ²-z₂ ²+z₁ ²

λ₂＝d₃ ²-d₁ ²-x₃ ²+x₁ ²-y₃ ²+y₁ ²-z₃ ²+z₁ ²

λ₃＝d₄ ²-d₁ ²-x₄ ²+x₁ ²-y₄ ²+y₁ ²-z₄ ²+z₁ ²

λ_n-1＝d_n ²-d₁ ²-x_n ²+x₁ ²-y_n ²+y₁ ²-z_n ²+z₁ ²

根据方程组(2)转化为矩阵相乘得到目标矩阵，若上面的矩阵方程为AB＝C,则通过解非齐次线性方程组，从而算出LoRa定位终端的坐标M(x,y,z)。为保证方程组有解且有唯一解，在布置至少四个以上的LoRa网关的位置坐标时，需要保证矩阵A的秩r(A)和增广矩阵的秩r(A|C)满足r(A)＝r(A|C)＝3。在实际运用当中，为了计算的便捷与准确性，至少四个LoRa网关的空间位置点坐标建立成x轴、y轴和z轴的形式，并且为了计算的准确度，除了四个LoRa网关按上述的要求布置之外，尽量合适的增加LoRa网关的数量，数量越多，能准确定位计算的空间面积越广，同时使得RSSI算法能更准确计算出每个LoRa网关与每个LoRa定位终端之间的距离。

如图4所示的基于LoRa技术的三维空间定位与控制方法在室内商场导购中的运用图。在一个大型室内商场中，每一层楼都按本发明方法规则布置LoRa网关，并把LoRa网关所在空间点的位置坐标确定下来，同时在计算服务器中建立空间模型；对每一个LoRa定位终端都标识唯一ID编码号，比如M1，M2……Mn。使用步骤如下：

用户进入商场时获取某一个LoRa终端设备，通过手机商场导购APP输入此LoRa终端设备的ID编码号，并携带此LoRa终端设备和自身手机前去购物。

计算服务器得到此用户所携带的LoRa终端设备所在的准确位置，通过商场的LoRa网关或WiFi路由等网络方式发送到此用户手机内与LoRa终端设备ID编号码关联的商场导购APP中。

用户手机商场导购APP呈现位置与商铺的导购信息，或者以三维立体室内导购指引图呈现出来给用户。

作为本发明的优选实施例，在商场导购过程中，能为用户提供更方便准确的导购信息；同时，在某些携带小孩的用户中，为避免小孩在商场走丢，也可以让小孩携带LoRa终端设备，对小孩进行安全定位，保证了人身财产安全。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于LoRa的终端设备三维空间定位方法，其特征在于，布置LoRa网关、计算服务器有唯一识别ID编号的LoRa终端设备，所述LoRa网关个数N≥4，N个所述LoRa网关中至少包括4个所述LoRa网关满足三个不共线，四个不共面，N个所述LoRa网关的空间位置坐标已知且N个所述LoRa网关的时间同步；

包括以下步骤：

S1：所述LoRa网关接收所述LoRa终端设备以广播形式发送的带有自身ID编号的数据并计算接收此数据时的RSSI值数据；

S2：所述LoRa网关将接收到的带有所述LoRa终端设备识别ID编号的数据、所述RSSI值数据、所述LoRa网关本身坐标数据以及当前时间戳组成计算数据发送给所述计算服务器；

S3：所述LoRa网关接收所述计算服务器根据所述计算数据计算得到LoRa终端设备在空间中的位置信息；

所述S3中计算服务器计算所述LoRa终端设备在空间中的位置前，先计算所述LoRa网关与所述LoRa终端设备之间的距离d，包括以下步骤：

S301：分别通过RSSI算法和TDOA算法计算所述LoRa网关与所述LoRa终端设备之间的距离d_i和

S302：计算所述LoRa网关与所述LoRa终端设备之间的距离

其中α为权值。

2.根据权利要求1所述的一种基于LoRa的终端设备三维空间定位方法，其特征在于，计算距离d_i的公式为：d_i＝10^((abs(RSSI)-A)/(10*n))，其中，A为LoRa终端设备与LoRa网关相隔1米时收发信号强度的绝对值，n为环境衰减因子，在布置LoRa网关位置之前需要进行测量给出。

3.根据权利要求1所述的一种基于LoRa的终端设备三维空间定位方法，其特征在于，S3中计算服务器计算LoRa终端设备在空间中的位置的方式为：

λ_n-1＝d_n ²-d₁ ²-x_n ²+x₁ ²-y_n ²+y₁ ²-z_n ²+z₁ ²

其中，(x_n,y_n,z_n)为第n个LoRa网关的坐标，(x，y，z)为LoRa终端设备的坐标，d_n为LoRa终端设备到第n个LoRa网关的距离。

4.根据权利要求3所述的一种基于LoRa的终端设备三维空间定位方法，其特征在于，若

为AB＝C,则矩阵A的秩r(A)和增广矩阵的秩r(A|C)满足r(A)＝r(A|C)＝3。

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