一種基於區域的室內定位系統的製作方法

2023-04-26 12:18:51 1

專利名稱：：一種基於區域的室內定位系統的製作方法
技術領域：
：本實用新型涉及定位技術，尤其涉及一種基於區域的室內定位系統。
背景技術：
：定位技術是一直是人們最希望掌握的科學技術之一，它對人們社會有著特殊的意義和用途，被廣泛使用在軍事、治安、醫學、航空航天、環境檢測等各種領域。隨著人們生存環境越來越複雜，人們需要管理和監控的對象也日益增多，包括士兵、特工、嬰兒、病人、疑犯、礦工、貴重物品、大型機械等等。這些對象的活動範圍越來越廣，戶外、室內、地下、礦井、空中都有可能是他們的活動範圍；並且對象移動的不確定性也不斷增加，各種移動形態都會出現。如何對這些對象其進行實時準確的定位，成為人們非常關心的研究方向。[0003]目前，已經有很多定位技術被提出並廣泛使用。最常見也最實用的方法就是著名的全球定位系統(GPS)。它是由美國建立的一個衛星導航定位系統，利用該系統，用戶可以在全球範圍內實現全天候、連續、實時的三維導航定位和測速；另外，利用該系統，用戶還能夠進行高精度的時間傳遞和高精度的精密定位。GPS計劃始於1973年，已於1994年進入完全運行狀態。根據定位所採用的觀測值的不同，可分為偽距定位和載波相位定位。偽距定位所採用的觀測值為GPS偽距觀測值，所採用的偽距觀測值既可以是C/A碼偽距，也可以是P碼偽距。偽距定位的優點是數據處理簡單，對定位條件的要求低，不存在整周模糊度的問題，可以非常容易地實現實時定位；其缺點是觀測值精度低，C/A碼偽距觀測值的精度一般為3米，而P碼偽距觀測值的精度一般也在30個釐米左右，從而導致定位成果精度低。載波相位定位所採用的觀測值為GPS的載波相位觀測值，即Ll、L2或它們的某種線性組合。載波相位定位的優點是觀測值的精度高，一般優於2個毫米。但是，在室內、地下等衛星信號接收情況糟糕的環境裡，GPS定位將失去作用。針對室內環境裡的定位，隨著射頻識別(RFID，RadioFrequencyIdentification)技術和無線傳感器網絡的發展，不少學者提出了基於這兩種技術的室內定位方法。有一種RFID定位技術非常簡單，將讀卡器安裝分布在需要定位的環境裡不同位置，而且讀卡器讀卡距離也設置得很短，大約50100釐米，當攜帶RFID卡片的對象出現在其中某個讀卡器附近時，讀卡器將會把卡片裡攜帶的信息讀取，並報告該卡片的位置就在相應的讀卡器附近。另一種RFID定位技術利用了信號強度的概念，這時讀卡器將會被設置成遠距離讀卡，讀卡距離為150米，並且讀卡器能夠檢測到所採集信號的信號強度。與上一種RFID定位不同，這裡定位對象攜帶的不是卡片，而是讀卡器，卡片被預先放置在定位環境中，並配置有參考坐標。讀卡器讀到三個以上卡片的參考坐標以及它們通信的信號強度時，將會利用信號強度與距離的關係，運用最小二乘法計算出自己相對與參考位置的坐標，從而達到自身定位的目的。還有一些基於無線傳感器網絡的定位方法。無線傳感器網絡中，每個網絡節點都可以利用網絡環境中的路由信息、傳輸事件、傳輸時間、鄰居節點、信號強度等信息進行定位。但這些定位方法的前提是，必須在定位環境內建立起無線傳感器網絡。[0006]因此，目前的定位技術實現困難、可行性低、定位不準確，因此，如何提高定位的可行性和準確性，成為急待解決的問題。
實用新型內容本實用新型的目的在於提供一種基於區域的室內定位系統，使得定位實現容易、可行性高、定位準確。為解決本實用新型的技術問題，本實用新型公開一種基於區域的室內定位系統，其中，包括定位對象攜帶的並存儲有定位對象特徵信息的移動點；接收移動點發出的包括定位對象ID的信號，測量信號強度，並轉發給中心伺服器的參考點；利用區域定位算法，結合所述定位對象ID、信號強度，以及所述參考點的區域代碼，計算出每個定位對象所處的區域定位信息的中心伺服器；實現參考點與伺服器通信連接的網絡基礎設備；所述移動點按照IEEE802.15.4標準與參考點通信；所述參考點通過所述網絡基礎設備與所述中心伺服器通信連接；所述參考點具有固定的坐標以及區域代碼。較優的，還包括接收中心伺服器處理後輸出的定位信息的定位結果顯示裝置，所述定位結果顯示裝置與所述中心伺服器通信連接。較優的，所述定位結果顯示裝置為臺式計算機，手機或筆記本電腦。較優的，所述移動點通過符合802.15.4標準的無線信號與所述參考點通信。較優的，所述參考點通過LAN或WLAN所述網絡基礎設備與所述中心伺服器連接。較優的，所述網絡基礎設備為構成區域網或網際網路的硬體設備。較優的，所述硬體設備為路由器、交換機、網線。較優的，所述定位對象攜帶的移動點是一種定時向周圍環境廣播信號的信號發生器，所述信號中載有該信號發生器唯一的所述定位對象ID信息。與現有技術相比，本實用新型具有如下有益效果本實用新型所公開的基於區域的室內定位系統，充分利用建築物內現有的網絡基礎設置，對被定位對象進行信號採樣，然後使用區域定位算法對採樣數據進行分析計算，從而獲得對象的位置信息。能夠準確地實時地計算出對象所處的區域，並在需要的情況下在地圖中顯示給用戶。圖1為本實用新型實施例的一種基於區域的室內定位系統的結構示意圖；圖2為本實用新型實施例的移動點的位置存在於各個區域的概率的示意圖；圖3為本實用新型實施例的區域預測分布矩陣示意圖；圖4為本實用新型實施例的室內空曠區域示意圖；圖5為本實用新型實施例的多點應用場景示意圖；圖6為本實用新型實施例的室內多個房間的應用場景示意圖；[0031]圖7為本實用新型實施例的另一種應用場景的示意圖。具體實施方式本實用新型公開一種基於區域的室內定位系統，使得實現容易、可行性高、定位準確。本實用新型公開的基於區域的室內定位系統是一種實現容易、可行性高、定位準確的室內定位系統。它充分利用建築物內現有的網絡基礎設置，例如通過LAN或WLAN，再結合基於IEEE802.15.4標準的低速率個人區域網，對被定位對象進行信號採樣，然後使用區域定位算法對採樣數據進行分析計算，從而獲得對象的位置信息。所謂區域定位算法，計算結果並不是定位環境中的某點坐標，而是定位環境中的某片區域代碼。因為在室內環境下，無線電磁波傳輸信道受到的幹擾較大，信號的不確定因素很多，實現準確的坐標定位不太現實。而且人們對定位結果的需求，也不需要精確到坐標，只需要知道對象處於該環境中的哪個區域，例如哪個房間或者哪個工作區。所以本實用新型公開一種基於區域的室內定位系統，能夠準確地實時地計算出對象所處的區域，並在需要的情況下在地圖中顯示給用戶。如圖l所示，為本實用新型實施例的一種基於區域的室內定位系統的結構示意圖，該系統可以包括中心伺服器IO，需要定位的移動點ll，至少一個參考點(例如參考點12a，12b，12c)，至少一個定位結果顯示裝置(例如，臺式計算機13a，手機13b，筆記本電腦13c)，至少一個路由器14。本實用新型實施例的基於區域的室內定位系統在應用前，需要將定位環境劃分為若干個區域，區域形狀或大小沒有限制，然後在每個區域中放置若干個參考點，這種參考點(例如參考點12a)可以接收定位對象發出的信號，並通過建築物內某種網絡基礎設備(例如路由器14)發送給中心伺服器10。每個參考點在部署後，將獲得唯一的ID和固定的坐標以及區域代碼。每個定位對象(即移動點11)需攜帶一個信號發生器，它會定時通過符合IEEE802.15.4標準的低速率個人區域網向周圍環境廣播信號，信號中載有該信號發生器唯一的ID信息。附近的參考點接收到移動點(定位對象攜帶的信號發生器)發出的信號後，檢測其信號強度，然後傳輸給中心伺服器10。中心伺服器10將會利用區域定位算法，結合移動點ID、信號強度，以及參考點的區域代碼，計算出每個定位對象所處的區域。下面詳細介紹區域定位算法的原理及其實現，以及在這個系統下進行的應用場景和應用場景結果分析。本實用新型實施例的基於區域的室內定位系統具有可行性高、精度準確、抗幹擾能力強的優點。它可以直接利用建築物內現有的網絡基礎設備(例如路由器14)，例如LAN或WLAN，不需要再單獨施工建立起一個網絡。在需要對對象進行定位的室內環境中，大多數情況下人們只需要知道該對象處於哪個房間或區域，那麼首先將這個定位環境進行區域劃分，每個區域有一個唯一的固定的代碼。在每個區域中部署若干個參考點(例如12a，12b)，參考點是一種同時具有兩類通信功能的節點，一方面能夠接收定位對象發出的符合IEEE802.15.4標準的信號，另一方面能夠通過建築物內的網絡基礎設備(例如路由器14)跟中心伺服器通信。這些參考點還具有檢測信號強度的功能，它能夠檢測出它在低速率個人區域網中收到的每個信號的信號強度。每個參考點在被部署以後，會被賦予一個唯一的ID(例如IP位址)，以及它所處區域的代碼。在這個環境中的每個定位對象需要攜帶一個移動點(例如移動點ll)，移動點是一種信號發生器，能夠定時向其周圍廣播符合IEEE802.15.4標準的信號，信號中包含每個移動點特有的信息(例如ID、電量等)。它周圍的參考點接收到信號後，檢測該信號的強度，然後把每個移動點的信息，協同其信號強度，一起發送給中心伺服器10。中心伺服器10是該定位環境中特有的計算中心，它通過建築物內的網絡基礎設備(例如路由器14)與每一個參考點通信。它的主要作用是收集移動點信號，然後運行區域定位算法，利用移動點的ID和信號強度，以及每個參考點的區域代碼，計算出每個移動點所處的區域。在必要的情況下，它還能夠對每個參考點進行配置，保存定位結果，發送相關數據給定位結果顯示裝置(例如，臺式計算機13a，手機13b，筆記本電腦13c)。區域定位算法正是在以上這種環境下運行的算法，它利用貝葉斯過濾，能夠很大程度地降低室內環境對信號強度帶來的幹擾，從而保證定位結果的準確性。本實用新型實施例的基於區域的室內定位系統有以下特點1)可行性高，不需要在定位環境中重新施工搭建網絡，網絡構成簡單有效。2)成本低，各種設備沒有特殊要求，僅僅具有一些典型的通信功能即可實現這種技術，至多在某些設備中具有信號強度檢測的功能，這也是一個要求很低的成熟技術。3)定位精度高，能夠準確了解定位對象所處的區域，當區域大小在5m*5m以上時，定位準確性可達99%。4)抗幹擾能力強，室內環境對無線信號的信號強度影響較為嚴重，但該技術使用的區域定位算法具有較高的容錯性，能夠過濾掉幹擾信息。5)系統穩定性高，沒有複雜的路由，沒有高強度的傳輸，網絡通信都是使用經過長期驗證的成熟網絡技術。6)對人類幹擾小，不需要對人們的正常生活工作環境做太大改變，定位對象只需攜帶一個小小的信號發生器即可，可以小到2cn^3cm左右。下面將詳細介紹該技術的核心部分——區域定位算法。該技術的實現方法多種多樣，但核心算法不會變，正是它保證了該技術的有效性。在無線通信過程中，信號強度將會隨著距離的增加而減弱，這將作為一個公理成為該算法的基礎。在上面描述的基於區域的室內定位系統中，每個參考點在收到移動點信號的同時，將會檢測該信號的信號強度，而每個參考點都具有一個固定的區域代碼，那麼理論上講，在參考點均勻部署的前提下，哪個區域的參考點收到的某移動點的信號強度最強，那麼該移動點就位於這個區域內。但是在實際情況下並非如此，參考點檢測到的信號強度實際上會受到外界環境的影響，例如突然有一個人經過移動點與參考點之間，將會使信號強度大大減弱。為了減少個別次數的突然噪聲影響，引入概率統計方法與必要的噪聲過濾器。在這個算法中，將使用貝葉斯過濾算法。在任意時刻下，信號的強弱狀態由本次的採樣統計結果，上一時刻的狀態分布，以及根據上次結果對本次的預測分布，三者共同決定，數學描述公式如下P(st|z1:t)=aP(Zt|St)P(st|St—》P(st—Jzw—卩(1)其中，P(st|z1:t)指t時刻的採樣狀態分布，P(st—」Zw—》是指t-l時刻的狀態分布，P(st|st—》是指按照某種移動模型由t-l時刻的狀態分布推測出的t時刻的狀態分布，—40%io%-—20%10%—20%30%—30%40%_—8%1%_6%12%—P(zt|st)是指在t時刻測量取樣的狀態分布，a是歸一化參數。狀態分布矩陣，用來描述某個移動點的位置存在於各個區域的概率，例如如圖2所示，為本實用新型實施例的移動點的位置存在於各個區域的概率的示意圖。基於速度的區域預測模型，假設移動點的運動方向符合平均分布，並對移動點的移動速度進行概率評估。然後根據區域劃分的大小和上次移動點的位置，設置區域預測分布矩陣。假設上次移動點的位置在13區，可假設有如圖3所示的區域預測分布矩陣，為本實用新型實施例的區域預測分布矩陣示意圖。狀態分布轉換，是指舊的狀態向新的狀態的過渡，表現為兩個概率分布的疊加，忽略噪聲的影響，轉換過程為一種修改過的矩陣乘法。公式如下———一40%*20%10%*10%20%*30%30%*40%」j_o7。"7。」(2)最低概率限度m，每個區域的概率不能為0，因為一旦為0將永遠為O，所以假設一個概率值作為0概率。例如m=0.5%基於信號強度的狀態統計分布。根據RSSI，計算出的移動點在各個區域出現的概率。例如收到以下幾個數據包(區域號，RSSI):(13,40)(13,10)(12,20)(18,30)。那麼在這個狀態分布矩陣中，區域13的概率為(40+10)/(40+10+20+30)，區域12的概率為20/(40+10+20+30)，區域18的概率為30/(40+10+20+30)。其他區域均為m。信號強度依賴度，本次取樣的狀態分布對RSSI的依賴程度p。基於參考數量的狀態分布，根據各個區域的收到某移動點廣播的參考點的數量，計算該移動點在各個區域出現的概率。例如收到[0023]中定義的幾個數據包，那麼在這個狀態分布矩陣中，區域13的概率為2/4，區域12的概率為1/4，區域18的概率為1/4，其他區域均為m。參考數量依賴度，本次取樣的狀態分布對參考點數量的依賴程度q。由於對採樣過程只關注信號強度和參考點數量兩個因素，所以P+q=1。狀態分布矩陣歸一化，由於在狀態分布轉換過程中忽略了噪聲，導致轉換結果所有狀態的和有可能不等於1。歸一化是指把狀態分布矩陣變換成為所有狀態和為1的矩陣。公式如下>/02%—歸一化>-腦20%—3%4%—30%40%-下面介紹算法，本實用新型實施例中只描述對一個移動點的定位，每個移動點都按照此方法計算。步驟l，根據區域劃分狀況，初始化歷史狀態分布矩陣Eh。每個區域都賦值為1;步驟2，根據區域劃分狀況，初始化區域預測分布矩陣Ep。每個區域都賦值為1;步驟3，初始化定值m，p，q;步驟4，本次定位開始，首先把每個參考點三個相同ID、相同序號的數據包的RSSI做平均，作為此參考點收到該ID的移動點信號的信號強度；步驟5，取出來自不同參考點的相同ID、相同序號的數據，進行分析，得到基於信號強度的狀態分布矩陣Es;步驟6，用第4步中的數據，進行參考點數量分析，得到基於參考數量的狀態分布矩陣Er;步驟7，根據上次定位結果，以及區域實際劃分和移動速度，得到區域預測分布矩陣Ep步驟8，按照如下公式計算狀態分布E0=(pEs+qEr)XEpXEh(4)步驟9，找出矩陣E。中，概率值最大的區域。該區域即為此次定位結果。步驟10，令Eh=E。，並將Eh歸一化，跳轉到第4步。下面將介紹本實用新型實施例的基於區域的室內定位系統的工作過程。參考點12a通過Ethernet與中心伺服器10通信，中心伺服器10會收集所有參考點(例如12a，12b，12c)覆蓋範圍內的移動點信息，並利用區域定位算法進行計算，把計算結果實時發送給各種定位結果顯示裝置(例如，臺式計算機13a，手機13b，筆記本電腦13c)。這個顯示界面程序可以是運行在任意平臺下面的，能夠與中心伺服器10通信的軟體。因此，整個系統的靈活性和穩定性相當高。為了實現這種系統架構，需要一種超低功耗射頻電路板，作為該系統的移動點。每塊電路板具有一個唯一的IEEE地址，作為它的唯一ID。移動點11能夠定時向它周圍的環境廣播符合IEEE802.15.4標準的信號，信號中包含的數據有IEEE地址、該移動點剩餘電量、以及其它一些協議數據。參考點12a，是一個基於CC2430晶片射頻電路板和一個基於ARM7晶片的具有Ethernet接口的電路板有機結合而成，它能夠接收符合IEEE802.15.4標準的無線信號，並能夠把這些數據通過Ethernet發送給中心伺服器10。中心伺服器10就是一臺功能完備的中小型計算機，上面運行著以區域定位算法為核心的伺服器程序。本實用新型實施例還公開了兩個室內定位應用場景，第一個應用場景是在某一大片辦公區進行，第二個應用場景是在大小不同的幾個相鄰的房間裡進行，下面將分別描述這兩個應用場景及其應用場景結果。應用場景一室內空曠區域首先測量該空曠區域，繪製出大致地圖。然後將該辦公區均勻劃分成四個小區域，將參考點(又叫定點)均勻分布在每個區域中，每個區域四個，放置位置在區域邊界等距離的地方，具體情況如下圖4所示，為本實用新型實施例的室內空曠區域示意圖。在這種環境下，應用場景又分為單點應用場景和多點應用場景。單點應用場景中，只有一個移動點在定位範圍內活動，其活動方式也多種多樣。移動點每8秒廣播一次信號，應用場景步驟與每步結果可以如下各個表所述(其中8s丟失率指中心伺服器應該收到移動點信號的次數中，沒有收到的次數的比例。同理，24s丟失率是指中心伺服器連續24s沒有收到移動點數據的次數，佔總廣播次數的比例；定位正確延遲是指移動點在移動前最後一次定位正確與移動後第一次定位正確之間的時間間隔)。1.在每個區的中心處放置移動點表1tableseeoriginaldocumentpage9tableseeoriginaldocumentpage105.在區域內部隨機移動表5tableseeoriginaldocumentpage106.從兩個區的分界處的一邊到另一邊表6tableseeoriginaldocumentpage10tableseeoriginaldocumentpage11多點應用場景是對多個移動點進行同時定位的應用場景，應用場景步驟與每步結果如下。1.多個特殊位置的同時定位測試，在地圖中選定多個特殊位置，如區域中心、區域邊緣、相鄰邊界、對角邊界等特殊位置，將多個移動點同時放置在這些位置，並進行定位應用場景，如下圖5所示，為本實用新型實施例的多點應用場景示意圖，結果可以如各個表所述。表7tableseeoriginaldocumentpage11[0105]2.100個點放置在一個區的中心表8tableseeoriginaldocumentpage123.100個點在兩個區的分界處表9tableseeoriginaldocumentpage124.100個在四個區的臨界處放置移動點表10tableseeoriginaldocumentpage125.100個點分布在四個區域中心，每個區25個表lltableseeoriginaldocumentpage13[0117]6.IOO個點從一個區中心移動到另一個區中心表12tableseeoriginaldocumentpage13[0120]7.IOO個從兩個區的分界處的一邊到另一邊表13tableseeoriginaldocumentpage14[0130]2.107個點分布在各個區域，每個區域大約25個表15tableseeoriginaldocumentpage15[0133]3.106個點在1號區域，1個點從一個區中心移動到另一個區中心表16tableseeoriginaldocumentpage154.107個點從一個區中心移動到另一個區中心表17tableseeoriginaldocumentpage155.103個點在1號區域，4個人各帶一個點在某個區域隨機移動表18tableseeoriginaldocumentpage16權利要求一種基於區域的室內定位系統，其特徵在於，包括定位對象攜帶的並存儲有定位對象特徵信息的移動點；接收移動點發出的包括定位對象ID的信號，測量信號強度，並轉發給中心伺服器的參考點；利用區域定位算法，結合所述定位對象ID、信號強度，以及所述參考點的區域代碼，計算出每個定位對象所處的區域定位信息的中心伺服器；實現參考點與伺服器通信連接的網絡基礎設備；所述移動點按照IEEE802.15.4標準與參考點通信；所述參考點通過所述網絡基礎設備與所述中心伺服器通信連接；所述參考點具有固定的坐標以及區域代碼。2.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，還包括接收中心伺服器處理後輸出的定位信息的定位結果顯示裝置，所述定位結果顯示裝置與所述中心伺服器通信連接。3.如權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述定位結果顯示裝置為臺式計算機，手機或筆記本電腦。4.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述移動點通過符合802.15.4標準的無線信號與所述參考點通信。5.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述參考點通過LAN或WLAN所述網絡基礎設備與所述中心伺服器連接。6.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述網絡基礎設備為構成區域網或網際網路的硬體設備。7.如權利要求6所述的系統，其特徵在於，所述硬體設備為路由器、交換機、網線。8.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述定位對象攜帶的移動點是一種定時向周圍環境廣播信號的信號發生器，所述信號中載有該信號發生器唯一的所述定位對象ID信息。專利摘要本實用新型公開一種基於區域的室內定位系統，包括定位對象攜帶的並存儲有定位對象特徵信息的移動點；接收移動點發出的包括定位對象ID的信號，測量信號強度，並轉發給中心伺服器的參考點；利用區域定位算法，結合所述定位對象ID、信號強度，以及所述參考點的區域代碼，計算出每個定位對象所處的區域定位信息的中心伺服器；實現參考點與伺服器通信連接的網絡基礎設備；所述移動點按照IEEE802.15.4標準與參考點通信；所述參考點通過所述網絡基礎設備與所述中心伺服器通信連接；所述參考點具有固定的坐標以及區域代碼。通過本實用新型，使得定位實現容易、可行性高、定位準確。文檔編號G01S5/02GK201535817SQ200920205388公開日2010年7月28日申請日期2009年9月30日優先權日2009年9月30日發明者廖湘慶申請人:深圳市新元素醫療技術開發有限公司