CN109257701A - 一种基于sx1280的广域物联网节点定位方法及其系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于SX1280的广域物联网节点定位方法及其系统；其中，基于SX1280的广域物联网节点定位方法，包括以下步骤：S1，节点分别向周围网关发送测距广播请求信息，得到网关的响应之后，记录响应的网关id；S2，节点对其中一个网关发送测距请求，打开网关天线，向节点发送测距请求确认响应；S3，节点对该网关发起测距，网关收到数据后，根据空中飞行时间，得到天线测得的与该节点距离，并记录该天线接收时的RSSI值；S4，对其他网关进行相应的测距操作；S5，对所有网关进行相应测距完成后，得到该节点与其周围网关的距离，选取最近的两个网关作为该节点的定位基准。本发明降低了节点复杂程度，节点定位的成本和功耗。

Description

一种基于SX1280的广域物联网节点定位方法及其系统
技术领域
本发明涉及广域物联网节点定位技术领域，更具体地说是指一种基于SX1280的广域物联网节点定位方法及其系统。
背景技术
传统的定位方法有wifi定位、蓝牙定位、ZigBee定位、UWB定位、基站定位和GPS定位。对于WiFi、蓝牙、ZigBee和UWB定位主要应用在短距离传输的应用场景，定位范围在几百米范围之内，对于广域物联网的应用场景不适用；而对于基站定位距离虽然满足要求，但是对于偏远山区等无基站信号覆盖区域内，无法实现定位；而对于GPS定位距离和应用场景都符合，也是在传统广域物联网中常用的定位解决方案，做法就是在节点上安装GPS定位模块，对节点进行定位，但这样不仅增加了节点的复杂程度，更增加了节点的功耗和成本，无法满足需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种基于SX1280的广域物联网节点定位方法及其系统。
为实现上述目的，本发明采用于下技术方案：
一种基于SX1280的广域物联网节点定位方法，包括以下步骤：
S1，节点分别向周围网关发送测距广播请求信息，得到网关的响应之后，记录响应的网关id；
S2，节点对其中一个网关发送测距请求，该网关得到测距请求后，打开网关天线，向节点发送测距请求确认响应；
S3，节点对该网关发起测距，网关收到数据后，根据空中飞行时间，得到天线测得的与该节点距离，并记录该天线接收时的RSSI值；
S4，对其他网关进行相应的测距操作；
S5，对所有网关进行相应测距完成后，得到该节点与其周围网关的距离，选取最近的两个网关作为该节点的定位基准。
其进一步技术方案为：所述S2中，测距请求中包含节点id信息。
其进一步技术方案为：所述网关天线包括四根定向天线，分别为1、2、3、及4号天线，且指向正东、正南、正西、及正北方向。
其进一步技术方案为：所述S2中，打开网关天线为打开1号天线，关闭2、3、4号天线。
其进一步技术方案为：所述S3中，首先得到1号天线测得的与该节点距离，并记录1号天线接收时的RSSI值；网关将1、3、4号天线关闭，采用同样的操作，得到2号天线测得的与该节点距离，并记录2号天线接收时的RSSI值；网关将1、2、4号天线关闭，采用同样的操作，得到3号天线测得的与该节点距离，并记录3号天线接收时的RSSI值；网关将1、2、3号天线关闭，采用同样的操作，得到4号天线测得的与该节点距离，并记录4号天线接收时的RSSI值。
其进一步技术方案为：所述S3之后，还包括：该网关得到四根天线测得的距离及RSSI值，选取RSSI值最大的天线测出的距离作为最终距离，并将该天线号、距离、网关id和节点id发送至服务器，然后该网关向该节点发送测距完成响应。
其进一步技术方案为：所述S4中，节点收到测距完成响应后，然后采用同样的方法依次与其他网关进行相应的测距操作。
其进一步技术方案为：所述S5之后，还包括：对被测节点进行位置计算，得到该节点的位置信息，最终在web端显示。
一种基于SX1280的广域物联网节点定位系统，包括发送响应单元，请求响应单元，发起记录单元，操作单元，及选取单元；
所述发送响应单元，用于节点分别向周围网关发送测距广播请求信息，得到网关的响应之后，记录响应的网关id；
所述请求响应单元，用于节点对其中一个网关发送测距请求，该网关得到测距请求后，打开网关天线，向节点发送测距请求确认响应；
所述发起记录单元，用于节点对该网关发起测距，网关收到数据后，根据空中飞行时间，得到天线测得的与该节点距离，并记录该天线接收时的RSSI值；
所述操作单元，用于对其他网关进行相应的测距操作；
所述选取单元，用于对所有网关进行相应测距完成后，得到该节点与其周围网关的距离之后，选取最近的两个网关作为该节点的定位基准。
其进一步技术方案为：所述网关天线包括四根定向天线，分别为1、2、3、及4号天线，且指向正东、正南、正西、及正北方向；所述请求响应单元中打开网关天线为打开1号天线，关闭2、3、4号天线；所述发起记录单元中，首先得到1号天线测得的与该节点距离，并记录1号天线接收时的RSSI值；网关将1、3、4号天线关闭，采用同样的操作，得到2号天线测得的与该节点距离，并记录2号天线接收时的RSSI值；网关将1、2、4号天线关闭，采用同样的操作，得到3号天线测得的与该节点距离，并记录3号天线接收时的RSSI值；网关将1、2、3号天线关闭，采用同样的操作，得到4号天线测得的与该节点距离，并记录4号天线接收时的RSSI值；该网关得到四根天线测得的距离及RSSI值，选取RSSI值最大的天线测出的距离作为最终距离，并将该天线号、距离、网关id和节点id发送至服务器，然后该网关向该节点发送测距完成响应。
本发明与现有技术相比的有益效果是：通过SX1280的测距功能得到网关与各个节点之间、节点与节点之间以及两个相邻网关之间的距离，节点通过网关向服务器上报与周边节点距离，网关也将与各个节点、与周边网关距离信息上报至服务器，服务器得到节点与网关、节点与其周围节点以及相邻网关之间的距离信息，通过使用两个网关的位置和部分距离信息得到节点位置信息，进而实现每个节点部署的位置信息，为网络节点提供实时的位置管理，为网络部署提供高效便捷的参考，大大降低了节点复杂程度，大大降低了节点定位的成本和节点功耗，能够更好地满足需求。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
附图说明
图1为本发明一种基于SX1280的广域物联网节点定位方法的流程图；
图2为SX1280广域物联网的结构示意图；
图3为网关与节点部署的示意图；
图4为定位场景简易模型示意图；
图5为定位场景数学模型示意图；
图6为节点测距流程示意图；
图7为一种基于SX1280的广域物联网节点定位系统的方框图。
10 发送响应单元 20 请求响应单元
30 发起记录单元 40 操作单元
50 选取单元
具体实施方式
为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步介绍和说明，但不局限于此。
如图1到图7所示的具体实施例，其中，如图1至图6所示，本发明公开了一种基于SX1280的广域物联网节点定位方法，包括以下步骤：
S1，节点分别向周围网关发送测距广播请求信息，得到网关的响应之后，记录响应的网关id；
S2，节点对其中一个网关发送测距请求，该网关得到测距请求后，打开网关天线，向节点发送测距请求确认响应；
S3，节点对该网关发起测距，网关收到数据后，根据空中飞行时间，得到天线测得的与该节点距离，并记录该天线接收时的RSSI值；
S4，对其他网关进行相应的测距操作；
S5，对所有网关进行相应测距完成后，得到该节点与其周围网关的距离，选取最近的两个网关作为该节点的定位基准。
其中，RSSI为Received Signal Strength Indication的缩写，表示信号强度。
其中，如图2所示，对于SX1280广域物联网，主要有节点、网关和服务器三部分组成，节点通过LoRa扩频技术将节点采集的信息传给网关，网关再将节点信息传给服务器，其中网关位置信息已知。
其中，在S2中，测距请求中包含节点id信息，且此时网关已经得到节点id信息。
其中，网关天线包括四根定向天线，分别为1、2、3、及4号天线，且指向正东、正南、正西、及正北方向。
其中，在S2中，打开网关天线为打开1号天线，关闭2、3、4号天线。
其中，在S3中，首先得到1号天线测得的与该节点距离，并记录1号天线接收时的RSSI值；网关将1、3、4号天线关闭，采用同样的操作，得到2号天线测得的与该节点距离，并记录2号天线接收时的RSSI值；网关将1、2、4号天线关闭，采用同样的操作，得到3号天线测得的与该节点距离，并记录3号天线接收时的RSSI值；网关将1、2、3号天线关闭，采用同样的操作，得到4号天线测得的与该节点距离，并记录4号天线接收时的RSSI值。
其在，在S3之后，还包括：该网关得到四根天线测得的距离及RSSI值，选取RSSI值最大的天线测出的距离作为最终距离，并将该天线号、距离、网关id和节点id发送至服务器，然后该网关向该节点发送测距完成响应。
其中，在S4中，节点收到测距完成响应后，然后采用同样的方法依次与其他网关进行相应的测距操作。
其中，在S5之后，还包括：对被测节点进行位置计算，得到该节点的位置信息，最终在web端显示，为可视化操作和节点位置统一管理提供帮助。
具体地，如图3至图5所示，网关1分别使用1、2、3、4号天线分别对待测节点进行测距操作，并将每个天线的测距的的RSSI的值记录下来，取出RSSI最大的值以及对应的测距信息作为最终的距离信息，最终将节点id、网关id、距离信息和对应天线号发送至服务器，网关2也使用同样的方法得到与该节点的距离信息和对应的天下线号，并将节点id、网关id、距离信息和对应天线号发送至服务器；最终服务器得到该被测节点与临近的的两个网关1和网关2的距离信息和其对应的天线号，然后对该节点进行定位。
具体地，图4至图5所示，为说明本发明的方法，将模型简化如下：由抽象出数学模型所示，其中B、C为网关，位置坐标已知，假设B(XB,YB)、C(XC,YC)，AC、AB相互之间的距离也为已知，分别为b、c，其中B、C的天线分别使用的是3和4号天线；求A点坐标(X,Y)。
由方程组：
有此解得【d是AA’的距离，原来的a是BC的距离】
或
其中，
由于，使用的的是B网关的4号天线，C网关的3号天线，故A节点应该在BC线的左下方，即应满足
XB＜x0，故排除②；
因此最终得到A节点位置坐标
对于整个网络中的其他节点使用同样方法进行定位，最终实现整个广域物联网的节点定位。
其中，如图6所示，节点测距流程为：
a.节点向网关发送测距请求(包含该节点的id信息)；
b.网关开启1号定向天线，关闭2、3、4号天线，并向该节点发送测距请求确认响应；
c.节点向网关发送测距数据；
d.网关收到数据，根据空中飞行时间，计算得出距离信息，读取RSSI值并存储，关闭1号天线，开启2号天线，向节点发送继续测距指令；
e.节点向网关发送测距数据；
f.网关收到数据，根据空中飞行时间，计算得出距离信息，读取RSSI值并存储，关闭2号天线，开启3号天线，向节点发送继续测距指令；
g.节点向网关发送测距数据；
h.网关收到数据，根据空中飞行时间，计算得出距离信息，读取RSSI值并存储，关闭3号天线，开启4号天线，向节点发送继续测距指令；
i.节点向网关发送测距数据，网关收到数据，根据空中飞行时间，计算得出距离信息，读取RSSI并存储；
j.网关选取RSSI值最大的天线测出的距离作为最终距离，并将该天线号、距离、网关id和节点id发送至服务器；
k.网关向该节点发送测距完成响应。
本发明的定位方法采用的是基于SX1280的无线射频芯片，在实现节点功能的同时还支持测距功能，为物联网的定位提供了可能，同时SX1280支持LoRa扩频技术，大大提高了传输距离，完全满足广域物联网的需要，本发明定位方法大大降低了节点成本，减少额外定外模块的电能消耗，降低了节点的复杂程度。
如图7所示，本发明公开了一种基于SX1280的广域物联网节点定位系统，包括发送响应单元10，请求响应单元20，发起记录单元30，操作单元40，及选取单元50；
发送响应单元10，用于节点分别向周围网关发送测距广播请求信息，得到网关的响应之后，记录响应的网关id；
请求响应单元20，用于节点对其中一个网关发送测距请求，该网关得到测距请求后，打开网关天线，向节点发送测距请求确认响应；
发起记录单元30，用于节点对该网关发起测距，网关收到数据后，根据空中飞行时间，得到天线测得的与该节点距离，并记录该天线接收时的RSSI值；
操作单元40，用于对其他网关进行相应的测距操作；
选取单元50，用于对所有网关进行相应测距完成后，得到该节点与其周围网关的距离之后，选取最近的两个网关作为该节点的定位基准。
其中，网关天线包括四根定向天线，分别为1、2、3、及4号天线，且指向正东、正南、正西、及正北方向；所述请求响应单元中打开网关天线为打开1号天线，关闭2、3、4号天线；所述发起记录单元中，首先得到1号天线测得的与该节点距离，并记录1号天线接收时的RSSI值；网关将1、3、4号天线关闭，采用同样的操作，得到2号天线测得的与该节点距离，并记录2号天线接收时的RSSI值；网关将1、2、4号天线关闭，采用同样的操作，得到3号天线测得的与该节点距离，并记录3号天线接收时的RSSI值；网关将1、2、3号天线关闭，采用同样的操作，得到4号天线测得的与该节点距离，并记录4号天线接收时的RSSI值；该网关得到四根天线测得的距离及RSSI值，选取RSSI值最大的天线测出的距离作为最终距离，并将该天线号、距离、网关id和节点id发送至服务器，然后该网关向该节点发送测距完成响应。
本发明通过SX1280的测距功能得到网关与各个节点之间、节点与节点之间以及两个相邻网关之间的距离，节点通过网关向服务器上报与周边节点距离，网关也将与各个节点、与周边网关距离信息上报至服务器，服务器得到节点与网关、节点与其周围节点以及相邻网关之间的距离信息，通过使用两个网关的位置和部分距离信息得到节点位置信息，进而实现每个节点部署的位置信息，为网络节点提供实时的位置管理，为网络部署提供高效便捷的参考，大大降低了节点复杂程度，大大降低了节点定位的成本和节点功耗，能够更好地满足需求，为系统网络可视化管理、监测提供帮助。
上述仅以实施例来进一步说明本发明的技术内容，以便于读者更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种基于SX1280的广域物联网节点定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，节点分别向周围网关发送测距广播请求信息，得到网关的响应之后，记录响应的网关id；
S2，节点对其中一个网关发送测距请求，该网关得到测距请求后，打开网关天线，向节点发送测距请求确认响应；
S3，节点对该网关发起测距，网关收到数据后，根据空中飞行时间，得到天线测得的与该节点距离，并记录该天线接收时的RSSI值；
S4，对其他网关进行相应的测距操作；
S5，对所有网关进行相应测距完成后，得到该节点与其周围网关的距离，选取最近的两个网关作为该节点的定位基准。
2.根据权利要求1所述的一种基于SX1280的广域物联网节点定位方法，其特征在于，所述S2中，测距请求中包含节点id信息。
3.根据权利要求2所述的一种基于SX1280的广域物联网节点定位方法，其特征在于，所述网关天线包括四根定向天线，分别为1、2、3、及4号天线，且指向正东、正南、正西、及正北方向。
4.根据权利要求3所述的一种基于SX1280的广域物联网节点定位方法，其特征在于，所述S2中，打开网关天线为打开1号天线，关闭2、3、4号天线。
5.根据权利要求4所述的一种基于SX1280的广域物联网节点定位方法，其特征在于，所述S3中，首先得到1号天线测得的与该节点距离，并记录1号天线接收时的RSSI值；网关将1、3、4号天线关闭，采用同样的操作，得到2号天线测得的与该节点距离，并记录2号天线接收时的RSSI值；网关将1、2、4号天线关闭，采用同样的操作，得到3号天线测得的与该节点距离，并记录3号天线接收时的RSSI值；网关将1、2、3号天线关闭，采用同样的操作，得到4号天线测得的与该节点距离，并记录4号天线接收时的RSSI值。
6.根据权利要求5所述的一种基于SX1280的广域物联网节点定位方法，其特征在于，所述S3之后，还包括：该网关得到四根天线测得的距离及RSSI值，选取RSSI值最大的天线测出的距离作为最终距离，并将该天线号、距离、网关id和节点id发送至服务器，然后该网关向该节点发送测距完成响应。
7.根据权利要求6所述的一种基于SX1280的广域物联网节点定位方法，其特征在于，所述S4中，节点收到测距完成响应后，然后采用同样的方法依次与其他网关进行相应的测距操作。
8.根据权利要求1所述的一种基于SX1280的广域物联网节点定位方法，其特征在于，所述S5之后，还包括：对被测节点进行位置计算，得到该节点的位置信息，最终在web端显示。
9.一种基于SX1280的广域物联网节点定位系统，其特征在于，包括发送响应单元，请求响应单元，发起记录单元，操作单元，及选取单元；
所述发送响应单元，用于节点分别向周围网关发送测距广播请求信息，得到网关的响应之后，记录响应的网关id；
所述请求响应单元，用于节点对其中一个网关发送测距请求，该网关得到测距请求后，打开网关天线，向节点发送测距请求确认响应；
所述发起记录单元，用于节点对该网关发起测距，网关收到数据后，根据空中飞行时间，得到天线测得的与该节点距离，并记录该天线接收时的RSSI值；
所述操作单元，用于对其他网关进行相应的测距操作；
所述选取单元，用于对所有网关进行相应测距完成后，得到该节点与其周围网关的距离之后，选取最近的两个网关作为该节点的定位基准。
10.根据权利要求9所述的一种基于SX1280的广域物联网节点定位系统，其特征在于，所述网关天线包括四根定向天线，分别为1、2、3、及4号天线，且指向正东、正南、正西、及正北方向；所述请求响应单元中打开网关天线为打开1号天线，关闭2、3、4号天线；所述发起记录单元中，首先得到1号天线测得的与该节点距离，并记录1号天线接收时的RSSI值；网关将1、3、4号天线关闭，采用同样的操作，得到2号天线测得的与该节点距离，并记录2号天线接收时的RSSI值；网关将1、2、4号天线关闭，采用同样的操作，得到3号天线测得的与该节点距离，并记录3号天线接收时的RSSI值；网关将1、2、3号天线关闭，采用同样的操作，得到4号天线测得的与该节点距离，并记录4号天线接收时的RSSI值；该网关得到四根天线测得的距离及RSSI值，选取RSSI值最大的天线测出的距离作为最终距离，并将该天线号、距离、网关id和节点id发送至服务器，然后该网关向该节点发送测距完成响应。
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