CN113194407A - 一种具备精准定位功能的智能远传燃气表 - Google Patents
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Abstract
一种具备准确定位功能的智能远传燃气表，包括控制单元、电源管理、按键管理单元、阀门控制单元、存储单元、LCD显示单元、NB‑IoT通信单元、蜂鸣单元、实时时钟单元、计数采样单元、WiFi模块和BLE模块。通过WIFI定位和BLE定位完美解决了GPS室内不能定位的问题，通过WIFI和BLE综合定位，可使定位位置精确到1米以内，本发明具有定位精度高的有益技术效果。在燃气公司的售后维修人员上门服务时，可根据具备精准定位功能的智能远传燃气表回传的精确位置快速锁定位置，使售后找表更具靶向性。对于建筑情况复杂、门牌号码不规则，甚至是缺少有效门牌号码的老旧居住区的燃气表的准确定位具有非常实用的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于机电领域，特别涉及一种具备精准定位功能的智能远传燃气表。
背景技术
当前市场上，大部分燃气表不具备高精度定位功能，给安装和后期维护服务带来很多不便，燃气表通常处于室内，大部分GPS和GSM定位均无法准确定位，尤其是位于建筑情况复杂、门牌号码不规则，甚至是缺少有效门牌号码的老旧居住区的燃气表很难准确定位以保证及时提供维护服务，给燃气公司运行带来很多额外的成本费用和管理费用。
目前市场上的NB-IoT无线远传燃气表实现定位功能只能依靠基站定位或GPS定位信息，基站定位误差较大，从数百米至数公里不等；而GPS定位最大的弊端是无法进行室内精确定位。
发明内容
为了解决上述现有燃气表定位不准确的问题，本发明提供一种通过近场通信方式精准定位智能远传燃气表，为燃气公司快速定位设备提供解决方案。
一种具备准确定位功能的智能远传燃气表，包括控制单元、电源管理、按键管理单元、阀门控制单元、存储单元、LCD显示单元、NB-IoT通信单元、蜂鸣单元、实时时钟单元、计数采样单元、WiFi模块和BLE模块。
所述控制单元是燃气表的核心部件，用于管理和运行所有燃气表相关的应用程序；
所述电源管理单元，与所述控制单元连接，为燃气表各部件提供电源供应。
所述按键管理单元，与所述控制单元连接，用于触发通信和显示切换、选择与确认。
所述阀门控制单元，与所述控制单元连接，用于燃气管道阀门控制和开关状态的监控。
所述存储单元采用可擦除记忆体，与所述控制单元连接，用于核心参数和日志的存储，进一步地，还包括不可擦除记忆体，以永久存储关键信息避免断电和信息篡改。
所述LCD显示单元采用单色液晶显示模组，与所述控制单元连接，用于各应用部件功能信息的显示以及人机交互相关信息的显示。
所述蜂鸣器报警单元包括蜂鸣器和燃气传感器，与所述控制单元连接，用于缴费提醒和燃气泄漏警告报警。
所述实时时钟单元，与所述控制单元连接，用于提供本地实时时钟。
所述计数采样单元，与所述控制单元连接，用于对用气量进行采集，完成计量。
所述WiFi模块，与所述控制单元连接，用于提供WiFi连接以实现大带宽的数据通信以及定位。
所述NB-IoT模块，与所述控制单元连接，窄带物联网(Narrow Band Internet ofThings,NB-IoT)成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWAN)。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。
所述BLE模块也称为低功耗蓝牙模块，与所述控制单元连接，用于近场通信和定位，其可以通过扫描周边蓝牙设备的广播信号从而获得蓝牙热点的信号强度，通过信号的强弱结合相关算法即可获取二者之间的距离。通常最常见的移动蓝牙热点就是手机，以及智能手表、手环和耳机等智能穿戴设备，像音响等固定的蓝牙设备数量相对较少。主控单元通过BLE模块获得的热点的数量、距离信息以及蓝牙热点的位置变化信息，就可以计算出周围环境是否有人员活动以及人员的数量。
BLE4.0和BLE5.0技术，使得任意带有广播功能的电子设备均可成为可用的信号源，相对于GPS定位，该定位技术不受室内范围限制，功耗更低，精度更高，该技术基于RSSI算法，通过扫描周边蓝牙设备的广播信号从而获得对方的信号强度，通过信号的强弱结合相关算法即可获取二者之间的距离，当周边环境中可供扫描的蓝牙设备越多时，该算法的精度越高，当周边环境不小于3个可供扫描的蓝牙设备时，即可成功获取定位信息。
通过上述蓝牙定位方法，无需配对，也无需两个节点之间的数据交互，仅通过对方的广播信号中的信号强度值即可实施计算，方便、快捷，精度高，具备精准定位功能的智能远传燃气表中所带蓝牙为扫描态作为主设备，其他外部节点为广播态作为从设备，扫描的范围最大几百平米，可实现具备精准定位功能的智能远传燃气表的定位精度为亚米级。填补了具备精准定位功能的智能远传燃气表室内无法高精度定位的空白。确定具备精准定位功能的智能远传燃气表的精确位置，通过NB-IOT远传给后台，给燃气公司提供精准位置信息，对燃气设备维修维护以及燃气资源有效利用的大数据智能分析有重要意义。
所述Wifi模块，与所述控制单元连接，具备精准定位功能的智能远传燃气表上的wifi模块通过获取周边wifi的热点，因为每一个无线AP都有一个全球唯一的MAC地址，并且一般来说无线的AP在一段时间内是不会移动的，具备精准定位功能的智能远传燃气表在开机状态下，即可扫描并收集周边AP信号，且无论是否加密，是否已连接，甚至信号强度不足，具备精准定位功能的智能远传燃气表均可以获取到AP广播出来的MAC地址，具备精准定位功能的智能远传燃气表将这些能够标识AP的数据通过NB-IOT发送到位置服务器，位置服务器通过每一个AP的地址位置并结合信号的强弱程度计算出设备的地址位置后将具备精准定位功能的智能远传燃气表的精度位置回传，具备精准定位功能的智能远传燃气表通过NB模块的基站信息、BLE模块计算出的位置信息，再结合位置服务器回传的位置信息，即可轻松获得入户具备精准定位功能的智能远传燃气表精确的位置信息。位置服务器通过不断的更新、补充自身的数据库以保证定位数据的准确性。装有wifi模块的设备不像GPS那样接收空中的信号，它是搜索地面上、建筑里等各个犄角旮旯GPS搜不到信号的地方，不管是户内还是户外，Wifi都大有用武之地，特别是当今的城市环境，wifi热点可谓是到处都有，对基于wifi定位的技术应用提供了广阔的应用空间。
通过所述BLE模块和WiFi模块同时或者任一模块进行定位获得位置信息，所述BLE模块和WiFi模块获得的位置信息根据信号强度进行权重排序，根据权重排序和相应热点的位置信息计算出最终位置信息。
进一步地，在所述BLE模块和WiFi模块同时能够扫描到蓝牙或WiFi热点时，可以统一将蓝牙或WiFi热点按照权重排序和相应热点的位置信息计算出最终位置信息。
在室外定位中，GPS定位是目前比较常用的定位方式之一，应用广泛、精度较高。但是在室内定位时，GPS无法接受信号，无法定位或者定位误差很大，即使室内GPS能够定位，误差通常在几十米的误差范围，对于安装隐蔽的具备精准定位功能的智能远传燃气表，GPS则根本无法定位。
综上所述，通过WIFI定位和BLE定位完美解决了GPS室内不能定位的问题，通过WIFI和BLE综合定位，可使定位位置精确到1米以内，本发明具有定位精度高的有益技术效果。在燃气公司的售后维修人员上门服务时，可根据智能具备精准定位功能的智能远传燃气表回传的精确位置快速锁定位置，使售后找表更具靶向性。对于建筑情况复杂、门牌号码不规则，甚至是缺少有效门牌号码的老旧居住区的燃气表的准确定位具有非常实用的应用价值。
附图说明
图1为本发明组成结构示意图。
图2为本发明工作过程示意图。
图3为本发明BLE定位示意图。
图4为本发明WiFi定位示意图。
具体实施方式
下面结合附图1-4和具体实施例对技术方案做进一步说明，以助于理解本发明的内容。
如图1所示，一种具备准确定位功能的智能远传燃气表，包括控制单元、电源管理、按键管理单元、阀门控制单元、存储单元、LCD显示单元、NB-IoT通信单元、蜂鸣单元、实时时钟单元、计数采样单元、WiFi模块和BLE模块。
所述控制单元是燃气表的核心部件，用于管理和运行所有燃气表相关的应用程序；
所述电源管理单元，与所述控制单元连接，为燃气表各部件提供电源供应。
所述按键管理单元，与所述控制单元连接，用于触发通信和显示切换、选择与确认。
所述阀门控制单元，与所述控制单元连接，用于燃气管道阀门控制和开关状态的监控。
所述存储单元采用可擦除记忆体，与所述控制单元连接，用于核心参数和日志的存储，进一步地，还包括不可擦除记忆体，以永久存储关键信息避免断电和信息篡改。
所述LCD显示单元采用单色液晶显示模组，与所述控制单元连接，用于各应用部件功能信息的显示以及人机交互相关信息的显示。
所述蜂鸣器报警单元包括蜂鸣器和燃气传感器，与所述控制单元连接，用于缴费提醒和燃气泄漏警告报警。
所述实时时钟单元，与所述控制单元连接，用于提供本地实时时钟。
所述计数采样单元，与所述控制单元连接，用于对用气量进行采集，完成计量。
所述WiFi模块，与所述控制单元连接，用于提供WiFi连接以实现大带宽的数据通信以及定位。
所述NB-IoT模块，与所述控制单元连接，窄带物联网(Narrow Band Internet ofThings,NB-IoT)成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWAN)。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。
所述BLE模块也称为低功耗蓝牙模块，与所述控制单元连接，用于近场通信和定位，其可以通过扫描周边蓝牙设备的广播信号从而获得蓝牙热点的信号强度，通过信号的强弱结合相关算法即可获取二者之间的距离。通常最常见的移动蓝牙热点就是手机，以及智能手表、手环和耳机等智能穿戴设备，像音响等固定的蓝牙设备数量相对较少。主控单元通过BLE模块获得的热点的数量、距离信息以及蓝牙热点的位置变化信息，就可以计算出周围环境是否有人员活动以及人员的数量。
如图2所示，当燃气表开机后，主控MCU通过wifi和ble的热点信息，确定燃气表的精确位置，通过NB-IOT远传给后台，给燃气公司提供精准位置信息，对大数据智能分析有重要意义。
如图3所示，BLE4.0和BLE5.0技术，使得任意带有广播功能的电子设备均可成为可用的信号源，相对于GPS定位，该定位技术不受室内范围限制，功耗更低，精度更高，该技术基于RSSI算法，通过扫描周边蓝牙设备的广播信号从而获得对方的信号强度，通过信号的强弱结合相关算法即可获取二者之间的距离，当周边环境中可供扫描的蓝牙设备越多时，该算法的精度越高，当周边环境不小于3个可供扫描的蓝牙设备时，即可成功获取定位信息。
通过上述蓝牙定位方法，无需配对，也无需两个节点之间的数据交互，仅通过对方的广播信号中的信号强度值即可实施计算，方便、快捷，精度高，具备精准定位功能的智能远传燃气表中所带蓝牙为扫描态作为主设备，其他外部节点为广播态作为从设备，扫描的范围最大几百平米，可实现具备精准定位功能的智能远传燃气表的定位精度为亚米级。填补了具备精准定位功能的智能远传燃气表室内无法高精度定位的空白。确定具备精准定位功能的智能远传燃气表的精确位置，通过NB-IOT远传给后台，给燃气公司提供精准位置信息，对燃气设备维修维护以及燃气资源有效利用的大数据智能分析有重要意义。
如图4所示，具备精准定位功能的智能远传燃气表上的wifi模块通过获取周边wifi的热点，因为每一个无线AP都有一个全球唯一的MAC地址，并且一般来说无线的AP在一段时间内是不会移动的，具备精准定位功能的智能远传燃气表在开机状态下，即可扫描并收集周边AP信号，且无论是否加密，是否已连接，甚至信号强度不足，具备精准定位功能的智能远传燃气表均可以获取到AP广播出来的MAC地址，具备精准定位功能的智能远传燃气表将这些能够标识AP的数据通过NB-IOT发送到位置服务器，位置服务器通过每一个AP的地址位置并结合信号的强弱程度计算出设备的地址位置后将具备精准定位功能的智能远传燃气表的精度位置回传，具备精准定位功能的智能远传燃气表通过NB模块的基站信息、BLE模块计算出的位置信息，再结合位置服务器回传的位置信息，即可轻松获得入户具备精准定位功能的智能远传燃气表精确的位置信息。位置服务器通过不断的更新、补充自身的数据库以保证定位数据的准确性。装有wifi模块的设备不像GPS那样接收空中的信号，它是搜索地面上、建筑里等各个犄角旮旯GPS搜不到信号的地方，不管是户内还是户外，Wifi都大有用武之地，特别是当今的城市环境，wifi热点可谓是到处都有，对基于wifi定位的技术应用提供了广阔的应用空间。
目前主流的Wifi协议包括802.11a/b/g/n/ac，几种协议的主要区别在于物理层的工作频段、调制技术、调整方式，其在链路层的协议和通信流程是一致的，所以主要设备端和wifi热点(AP)之间兼容wifi协议，就可以使用同样的wifi定位技术。802.11Mac层负责客户端和wifi信号接入点(AP)之间的通信，主要功能有扫描、认证、接入、加密、漫游等，AP会周期性地广播Beacon帧，表明wifi信号的存在，客户端不需要跟AP完成认证、接入的过程就可以从AP的广播帧的Mac头字段里面读取AP的Mac地址，从Mac帧数据体里面读取到AP的名称并从信号中测量得到RSSI值(设备端接收到的wifi信号强度)。
Wifi定位的主要算法。
1>中心点算法。
中心点算法就是根据定位终端能探测到所有接入点位置的算术平均值作为定位结果。算法举例：
【设备端上报的测量信息】
AP1的Mac地址：-79dBm
AP2的Mac地址：-51dBm
AP3的Mac地址：-85dBm
AP4的Mac地址：-66dBm
定位结果为(AP1位置+AP2位置+AP3位置+AP1位置4)/4
2>加权中心点算法
加权中心点算法将被定位终端探测到的所有接入点位置的加权中心作为定位结果，这个权值跟接收到的AP点信号强度RSSI参数有关。
【设备端上报的测量信息】
AP1的Mac地址：-79dBm
AP2的Mac地址：-51dBm
AP3的Mac地址：-85dBm
AP4的Mac地址：-66dBm
定位结果为(AP1位置*权值1+AP2位置*权值2+AP3位置*权值3+AP4位置*权值4)/4。其中权值n＝APn的信号强度/平均信号强度。
3>AP-ID算法
该方法可以看做是只有一个wifi接入点的中心点算法，即把这个接入点位置作为最终定位结果。当被定位终端收集到多个接入点信息时，只取信号强度最强的接入点信息。
【设备端上报的测量信息】
AP1的Mac地址：-79dBm
AP2的Mac地址：-51dBm
AP3的Mac地址：-85dBm
AP4的Mac地址：-66dBm
AP-ID算法是使用信号强度最强的AP信息，返回AP1的位置作为定位结果。
上述三种Wifi定位算法也同样适用于BLE模块的蓝牙定位。
进一步地，在所述BLE模块和WiFi模块同时能够扫描到蓝牙或WiFi热点时，根据上述三种算法统一将蓝牙或WiFi热点按照权重排序和相应热点的位置信息计算出最终位置信息。
实际使用时，智能燃气表的主控单元会综合上述几种算法以及基站信息、BLE定位信息等综合信息来得出最终的定位结果。
以上所述，只是本发明的一个实例，不能以此限定本发明的范围，凡依此发明专利申请范围及说明内容所做的简单的等效变化与修饰，皆属于本发明专利涵盖的范围。
Claims (9)
1.一种具备精准定位功能的智能远传燃气表，其特征在于：包括控制单元、电源管理、按键管理单元、阀门控制单元、存储单元、LCD显示单元、NB-IoT通信单元、蜂鸣单元、实时时钟单元、计数采样单元、WiFi模块和BLE模块；
所述电源管理、按键管理单元、阀门控制单元、存储单元、LCD显示单元、NB-IoT通信单元、蜂鸣单元、实时时钟单元、计数采样单元、WiFi模块和BLE模块均与所述控制单元连接；
通过所述BLE模块和WiFi模块同时或者任一模块进行定位获得位置信息。
2.如权利要求1所述的一种具备精准定位功能的智能远传燃气表，其特征在于：所述存储单元采用可擦除记忆体，与所述控制单元连接，用于核心参数和日志的存储。
3.如权利要求1所述的一种具备精准定位功能的智能远传燃气表，其特征在于：所述存储单元包括不可擦除记忆体，以永久存储关键信息避免断电和信息篡改。
4.如权利要求1所述的一种具备精准定位功能的智能远传燃气表，其特征在于：所述BLE模块通过扫描周边蓝牙设备的广播信号从而获得蓝牙热点的信号强度，通过信号的强弱结合相关算法即可获取二者之间的距离。
5.如权利要求1所述的一种具备精准定位功能的智能远传燃气表，其特征在于：所述WiFi模块采用中心点算法计算定位结果；
所述定位结果为(AP1位置+AP2位置+AP3位置+AP1位置4)/4。
6.如权利要求1所述的一种具备精准定位功能的智能远传燃气表，其特征在于：所述WiFi模块采用加权中心点算法计算定位结果；
所述定位结果为(AP1位置*权值1+AP2位置*权值2+AP3位置*权值3+AP4位置*权值4)/4。其中权值n＝APn的信号强度/平均信号强度。
7.如权利要求1所述的一种具备精准定位功能的智能远传燃气表，其特征在于：所述WiFi模块采用AP-ID算法计算定位结果；
所述AP-ID法是只有一个wifi接入点的中心点法，即把这个接入点位置作为最终定位结果，当被定位终端收集到多个接入点信息时，只取信号强度最强的接入点信息。
8.如权利要求1所述的一种具备精准定位功能的智能远传燃气表，其特征在于：如权利要求5-7任一所述的定位算法也同样适用于BLE模块的蓝牙定位。
9.如权利要求1所述的一种具备精准定位功能的智能远传燃气表，其特征在于：在所述BLE模块和WiFi模块同时能够扫描到蓝牙或WiFi热点时，根据如权利要求5-7任一所述算法统一将蓝牙或WiFi热点按照权重排序和相应热点的位置信息计算出最终位置信息。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210730 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |