專利名稱：一種反射式室內(nèi)定位的方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和定位導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及了ー種反射式室內(nèi)定位的方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
關(guān)于定位系統(tǒng)，在生活中應(yīng)用廣泛的是GPS全球定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)能在全球范圍內(nèi)提供精度為數(shù)米的定位服務(wù)，然而在室內(nèi)環(huán)境下GPS信號受到建筑物的影響，信號嚴(yán)重衰減，定位精度變差，甚至不能進(jìn)行定位服務(wù)，并且室內(nèi)環(huán)境中的人、物體等目標(biāo)一般為米級大小，顯然GPS的定位精度不能滿足要求，為了能夠更好的區(qū)分物體，估計(jì)位置，需要定位系統(tǒng)提供更高的定位精度，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)恰好能滿足高精度的定位需求。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，位置信息對傳感器網(wǎng)絡(luò)的檢測活動至關(guān)重要，事件發(fā)生的位置或獲取信息的節(jié)點(diǎn)位置是傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測消息中所包含的重要信息，這是進(jìn)一步采取措施和做出決策的基礎(chǔ)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測、機(jī)器人導(dǎo)航、火災(zāi)救援、跟蹤系統(tǒng)等領(lǐng)域都有非常重要的地位，尤其是家庭服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域，人們需要ー種應(yīng)用于室內(nèi)的、能夠?qū)ψ陨砦锢砦恢眠M(jìn)行精確定位的系統(tǒng)。在室內(nèi)定位系統(tǒng)中，人們常常使用超聲波信號，利用超聲波信號的到達(dá)時(shí)間來估算位置的原理在麻省理工大學(xué)的Cricket系統(tǒng)和中國發(fā)明專利一種跟蹤多移動目標(biāo)的室內(nèi)精確定位方法和自治超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)、裝置和方法中均有類似應(yīng)用。麻省理工大學(xué)的Cricket系統(tǒng)中，包含若干不相連接的超聲波定位信標(biāo)發(fā)射機(jī)，每個(gè)超聲波定位信標(biāo)發(fā)射機(jī)都包含射頻和超聲波發(fā)射器。其工作方式采用了被動檢測方式，在工作期間，各個(gè)射頻發(fā)射器如果偵聽到清楚的射頻頻道就同時(shí)發(fā)射射頻和超聲波信號，被動檢測接收機(jī)首先將接收到的射頻信號用干與各個(gè)超聲波定位信標(biāo)發(fā)射機(jī)建立同步，然后接收超聲波信號，從而使用TDOA(到達(dá)時(shí)間差)方式來測量其自身與發(fā)射機(jī)之間的距離，當(dāng)接收到多于3個(gè)TDOA樣本時(shí)接收機(jī)就可以估算其自身位置。但是，其各個(gè)信標(biāo)發(fā)射機(jī)要根據(jù)其協(xié)調(diào)機(jī)制不斷發(fā)射超聲波射頻信號，増加了系統(tǒng)功耗；被動檢測接收機(jī)一次只能與ー個(gè)信標(biāo)進(jìn)行TDOA測距，完成定位至少需要三次TDOA測距，増加了系統(tǒng)完成一次定位的時(shí)間，減小了系統(tǒng)定位頻率；對于放在移動物體上的接收機(jī)，與不同信標(biāo)發(fā)射機(jī)進(jìn)行TDOA測距，其位置可能發(fā)生移動，導(dǎo)致移動目標(biāo)距離樣本不同歩，從而導(dǎo)致對動態(tài)目標(biāo)的定位精度變差。在一種跟蹤多移動目標(biāo)的室內(nèi)精確定位方法中，同樣利用射頻和超聲波的TDOA測距原理，采用徽章主動發(fā)射方式，通過位置計(jì)算單元實(shí)現(xiàn)了對多個(gè)移動徽章的跟蹤，但其中描述徽章不能獲得自身的位置信息，不能實(shí)現(xiàn)自定位功能，其結(jié)構(gòu)圖見圖I。自治超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)、裝置和方法描述了ー種自治超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)，與Cricket系統(tǒng)相似，采用了被動接收同步信號和超聲波信號的方法，其中定位信標(biāo)發(fā)射裝置被配置為在發(fā)射包括同步信息的信號之后按照預(yù)定順序以預(yù)定時(shí)間間隔輪發(fā)多個(gè)超聲波信號，其中發(fā)射超聲波信號的裝置為信標(biāo)發(fā)射裝置上的多個(gè)不同位置的超聲波發(fā)射器；定位信標(biāo)接收裝置被配置為在檢測到同步信息之后執(zhí)行與定位信標(biāo)發(fā)射裝置的時(shí)間同步，基于所獲得的同步時(shí)間來確定接收到的各個(gè)超聲波信號的發(fā)射順，根據(jù)發(fā)射順序來推斷所接收的各個(gè)超聲波信號的發(fā)射時(shí)間，使用所接收到的各個(gè)超聲波信號的發(fā)射時(shí)間和接收時(shí)間來計(jì)算其相對應(yīng)的TDOA信息，基于定位信標(biāo)發(fā)射裝置中的各個(gè)超聲波發(fā)射器的位置和所計(jì)算得到的TDOA信息序列來確定定位信標(biāo)接收裝置自己的位置，但其信標(biāo)定位發(fā)射裝置包括多個(gè)在不同位置部署的超聲波發(fā)射器，増加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和部署難度；與Cricket系統(tǒng)類似，在對移動目標(biāo)定位時(shí)會増大定位誤差，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖2。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供ー種反射式室內(nèi)定位的方法及系統(tǒng)，以達(dá)到結(jié)構(gòu)簡單、信標(biāo)裝置部署密度低、方便實(shí)現(xiàn)信標(biāo)裝置自部署、計(jì)算量小、精度高等目的。一種反射式室內(nèi)定位的方法，該方法包括以下步驟
步驟I :啟動放置在室內(nèi)地面的信標(biāo)裝置，各個(gè)信標(biāo)裝置內(nèi)部的溫度傳感器模塊進(jìn)行溫度測量，并立即進(jìn)入射頻信號接收狀態(tài)；步驟2 :待定位目標(biāo)裝置的通信模塊接收到其宿主裝置的定位請求后，向信標(biāo)裝置發(fā)送射頻信號和超聲波信號，其中的射頻信號攜帯待定位目標(biāo)裝置的身份標(biāo)識號碼信息；步驟3 :信標(biāo)裝置初始化，令定時(shí)器記錄值為零，并進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)測射頻信號狀態(tài)當(dāng)信標(biāo)裝置接收到射頻信號后，立即檢測接收到射頻信號攜帯的身份標(biāo)識號碼信息與待定位目標(biāo)裝置的身份標(biāo)識號碼信息是否相同，若不相同則放棄，返回等待射頻接收狀態(tài)；若相同則進(jìn)行一次測距；步驟4 :所有信標(biāo)裝置在檢測到從待定位目標(biāo)裝置發(fā)送經(jīng)過屋頂反射的超聲波信號后，記錄超聲波到達(dá)時(shí)間，并將信標(biāo)裝置編號、時(shí)間信息和溫度信息打包成數(shù)據(jù)包，根據(jù)信標(biāo)裝置編號順序依次將數(shù)據(jù)包通過無線通訊的形式發(fā)送給數(shù)據(jù)收集器，其中的溫度信息為信標(biāo)裝置在啟動時(shí)通過信標(biāo)裝置內(nèi)部溫度傳感器模塊測量得到；步驟5 :數(shù)據(jù)收集器將收到的數(shù)據(jù)信息傳送給位置計(jì)算裝置，位置計(jì)算裝置首先根據(jù)各個(gè)信標(biāo)裝置的溫度信息計(jì)算出室內(nèi)的平均溫度，然后計(jì)算出超聲波在空氣中的傳播速度；根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度和各信標(biāo)裝置的時(shí)間信息，計(jì)算出待定位裝置的屋頂平面鏡像與各個(gè)信標(biāo)裝置的距離；步驟6 :位置計(jì)算裝置根據(jù)事先建立的室內(nèi)坐標(biāo)系、信標(biāo)裝置坐標(biāo)和信標(biāo)裝置的屋頂平面鏡像與待定位目標(biāo)裝置的距離，計(jì)算出待定位目標(biāo)裝置的屋頂平面鏡像點(diǎn)的平面坐標(biāo)，其與待定位目標(biāo)裝置具有相同的平面坐標(biāo)，至此完成一次定位。上述方法中步驟5所述的計(jì)算出超聲波在空氣中的傳播速度，其計(jì)算公式如下V = 331. 5+0. 607T式中V為超聲波在空氣中的傳播速度；
T為室內(nèi)平均溫度；所述的根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度和各信標(biāo)裝置測得的時(shí)間，計(jì)算出待定位裝置的屋頂平面鏡像與各信標(biāo)裝置的距離，其計(jì)算公式如下Di = VXTimi+ ε
式中=Di為各信標(biāo)裝置的屋頂平面鏡像與待定位目標(biāo)裝置的距離；Timi為超聲波信號從待定位目標(biāo)裝置傳播到達(dá)各個(gè)信標(biāo)裝置的時(shí)間；ε為距離補(bǔ)償因子。本發(fā)明的反射式室 內(nèi)定位方法的系統(tǒng)，包括宿主裝置、位置計(jì)算裝置和移動裝置，還包括信標(biāo)裝置、待定位目標(biāo)裝置和數(shù)據(jù)收集器，其中信標(biāo)裝置用于接收射頻信號和經(jīng)屋頂平面發(fā)射的超聲波信號，通過信標(biāo)裝置內(nèi)部的處理器測量超聲波信號從待定位目標(biāo)裝置傳播到信標(biāo)裝置的到達(dá)時(shí)間，并將上述時(shí)間信息、信標(biāo)裝置內(nèi)部溫度傳感器模塊測量的溫度信息和信標(biāo)裝置編號信息打包成數(shù)據(jù)包發(fā)送給數(shù)據(jù)收集器；待定位目標(biāo)裝置用于接收宿主裝置發(fā)出的定位命令，井向信標(biāo)裝置發(fā)送射頻信號和超聲波信號；數(shù)據(jù)收集器用于接收從信標(biāo)裝置發(fā)出的射頻信號，并將上述射頻信號發(fā)送給位
置計(jì)算裝置。所述的信標(biāo)裝置包括溫度傳感器模塊、超聲波接收模塊、信標(biāo)裝置的處理器模塊和信標(biāo)裝置的射頻模塊，其中溫度傳感器模塊用于測量環(huán)境溫度，并將溫度信息傳遞給信標(biāo)裝置內(nèi)部的處理器模塊；超聲波接收模塊用于接收從待定位目標(biāo)裝置發(fā)送的經(jīng)屋頂平面發(fā)射超聲波信號，并將超聲波信號傳遞給信標(biāo)裝置內(nèi)部的處理器模塊；信標(biāo)裝置的處理器模塊用于測量從待定位目標(biāo)裝置發(fā)送的超聲波傳播到達(dá)信標(biāo)裝置的時(shí)間，并將上述時(shí)間信息、溫度傳感器模塊測量的溫度信息和信標(biāo)裝置的節(jié)點(diǎn)編號信息打包成數(shù)據(jù)包傳遞給射頻模塊；信標(biāo)裝置的射頻模塊用于接收和發(fā)送射頻信號，接收從待定位目標(biāo)裝置發(fā)送的射頻信號，并將射頻信號傳遞給信標(biāo)裝置內(nèi)部的處理器模塊；將包含時(shí)間信息、溫度傳感器模塊測量的溫度信息和信標(biāo)裝置編號信息的數(shù)據(jù)包發(fā)送給數(shù)據(jù)收集器。所述的待定位目標(biāo)裝置包括待定位目標(biāo)裝置的射頻模塊、超聲波發(fā)射模塊、待定位目標(biāo)裝置的通信模塊和待定位目標(biāo)裝置的處理器模塊，其中待定位目標(biāo)裝置的射頻模塊用于發(fā)送射頻信號，將包含有身份標(biāo)識號碼信息的射頻信號發(fā)送給信標(biāo)裝置；超聲波發(fā)射模塊用于發(fā)送超聲波信號至信標(biāo)裝置；待定位目標(biāo)裝置的通信模塊用于實(shí)現(xiàn)待定位目標(biāo)裝置的處理器模塊與宿主裝置的通信；待定位目標(biāo)裝置的處理器模塊用于接收宿主裝置定位命令；控制射頻模塊發(fā)送射頻信號；控制超聲波模塊發(fā)送超聲波信號。所述的數(shù)據(jù)收集器包括數(shù)據(jù)收集器的射頻模塊、數(shù)據(jù)收集器的通信模塊和數(shù)據(jù)收集器的處理器模塊，其中數(shù)據(jù)收集器的射頻模塊用于接收從信標(biāo)裝置發(fā)送的包含數(shù)據(jù)包的射頻信號，并將射頻信號傳遞給數(shù)據(jù)收集器內(nèi)部處理器模塊；數(shù)據(jù)收集器的通信模塊用于實(shí)現(xiàn)處理器模塊與位置計(jì)算裝置的通信；
數(shù)據(jù)收集器的處理器模塊接收信標(biāo)裝置數(shù)據(jù)包，將時(shí)間信息、溫度信息和信標(biāo)裝置的節(jié)點(diǎn)編號信息發(fā)送給位置計(jì)算裝置。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明ー種反射式室內(nèi)定位的方法及系統(tǒng)，其中，信標(biāo)裝置放置在地面位置，便于實(shí)現(xiàn)信標(biāo)裝置部署，可通過移動機(jī)器人等裝置實(shí)現(xiàn)自部署；超聲波信號經(jīng)過平面屋頂?shù)姆瓷浜蟮竭_(dá)信標(biāo)裝置，超聲波信號在地面的作用范圍擴(kuò)大一倍，減小了信標(biāo)裝置的部署密度；數(shù)據(jù)傳輸均通過無線形式，信標(biāo)裝置可以獨(dú)立工作，系統(tǒng)耦合性弱，便于部署；通過對信號的身份標(biāo)識號碼(ID)進(jìn)行識別，増加了系統(tǒng)的抗干擾能力；該系統(tǒng)定位精度高，平均定位誤差小于5cm ;該系統(tǒng)定位速度快，具有較高的定位頻率；信標(biāo)裝置和待定位目標(biāo)裝置結(jié)構(gòu)簡單，體積小，方便安裝和攜帯。


圖I為ー種跟蹤多移動目標(biāo)的室內(nèi)精確定位方法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2為自治超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)、裝置和方法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明一種實(shí)施例的系統(tǒng)組成和工作原理不意圖；圖4為本發(fā)明一種實(shí)施例的信標(biāo)裝置感知范圍原理圖；圖5為本發(fā)明一種實(shí)施例的信標(biāo)裝置結(jié)構(gòu)框圖；圖6為本發(fā)明一種實(shí)施例的信標(biāo)裝置電源模塊電路原理圖；圖7為本發(fā)明一種實(shí)施例的信標(biāo)裝置溫度傳感器模塊電路原理圖；圖8為本發(fā)明一種實(shí)施例的信標(biāo)裝置處理器模塊電路原理圖；圖9為本發(fā)明一種實(shí)施例的信標(biāo)裝置超聲波接收模塊電路原理圖；圖10為本發(fā)明一種實(shí)施例的待定位目標(biāo)裝置結(jié)構(gòu)框圖；圖11為本發(fā)明一種實(shí)施例的待定位目標(biāo)裝置超聲波發(fā)射模塊電路原理圖；圖12為本發(fā)明一種實(shí)施例的待定位目標(biāo)裝置、數(shù)據(jù)收集器電源模塊電路原理圖；圖13為本發(fā)明一種實(shí)施例的數(shù)據(jù)收集器結(jié)構(gòu)框圖；圖14為本發(fā)明一種實(shí)施例反射式室內(nèi)定位的方法的流程圖；圖15為本發(fā)明一種實(shí)施例的待定位目標(biāo)裝置的平面屋頂鏡像與各信標(biāo)裝置的距離示意圖；圖16為本發(fā)明一種實(shí)施例的信標(biāo)裝置工作流程圖；圖17為本發(fā)明一種實(shí)施例的待定位目標(biāo)裝置工作流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作進(jìn)ー步描述。如圖3為本發(fā)明一種實(shí)施例的系統(tǒng)組成和工作原理示意圖，該系統(tǒng)包括信標(biāo)裝置、待定位目標(biāo)裝置、宿主裝置、移動裝置、數(shù)據(jù)收集器和位置計(jì)算裝置。其中，宿主裝置(可以是手持個(gè)人計(jì)算機(jī)機(jī)、嵌入式設(shè)備或者移動機(jī)器人上的處理器，本實(shí)施例中采用的是移動機(jī)器人上的處理器)通過數(shù)據(jù)輸出端將定位命令傳遞給的待定位目標(biāo)裝置數(shù)據(jù)輸入 端，所述的宿主裝置安裝在移動裝置的一端，待定位目標(biāo)裝置安裝在移動裝置的另一端。待定位目標(biāo)裝置向信標(biāo)裝置發(fā)送射頻信號和超聲波信號，所述的超聲波信號由室內(nèi)屋頂平面反射后，傳遞給信標(biāo)裝置，信標(biāo)裝置放置在室內(nèi)地面(放置位置沒有具體要求)，其位置已事先測量獲得，并將信標(biāo)裝置的坐標(biāo)數(shù)據(jù)保存在位置計(jì)算裝置(可以是手持個(gè)人計(jì)算機(jī)或者嵌入式計(jì)算機(jī)，本實(shí)施例中計(jì)算裝置采用嵌入式計(jì)算機(jī))建立的坐標(biāo)系中。數(shù)據(jù)收集器通過數(shù)據(jù)輸出端將收集到的信標(biāo)裝置的信息傳遞給位置計(jì)算裝置的數(shù)據(jù)輸入端。在本發(fā)明實(shí)施例中，為了使待定位目標(biāo)裝置獲得準(zhǔn)確的位置信息，待定位目標(biāo)裝置需要至少在三個(gè)信標(biāo)裝置的感知范圍內(nèi)。射頻信號的感知范圍一般可以充滿整個(gè)房間，故其感知范圍可忽略不計(jì)，而超聲波信號一般具有一定的作用角度，超聲波信號經(jīng)過屋頂反射后其作用半徑擴(kuò)大一倍，具體部署方法隨信標(biāo)裝置的位置不同而不同。圖4為本發(fā)明實(shí)施例的信標(biāo)裝置感知范圍原理圖，相對信標(biāo)裝置放置在天花板的情況而言，超聲波傳感器的感知半徑擴(kuò)大一倍，部署密度大大降低。例如對于同一塊待定位面積，如果信標(biāo)裝置在天花板上，定位系統(tǒng)需要100個(gè)信標(biāo)裝置，則本實(shí)施例的信標(biāo)裝置放置在地面只需要25個(gè)即可滿足要求。由于待定位目標(biāo)裝置放置在地面，部署方便，且容易實(shí)現(xiàn)信標(biāo)裝置的動態(tài)部署，尤其適合移動機(jī)器人在未知區(qū)域動態(tài)部署定位網(wǎng)絡(luò)。圖5為本發(fā)明一種實(shí)施例的信標(biāo)裝置結(jié)構(gòu)框圖，本實(shí)施例中信標(biāo)裝置處理器模 塊503中的處理器采用了 TI公司的CC2430型芯片。由于CC2430芯片內(nèi)嵌ー個(gè)高性能的2. 4GHz直接序列擴(kuò)頻(DSSS)射頻收發(fā)器核心，故在本實(shí)施例中不再需要単獨(dú)的射頻模塊504 ;本實(shí)施例超聲波接收模塊505的超聲波接收電路采用了 SONY公司的CX20106A型紅外線接收電路專用集成芯片，處理器Pl_5引腳連接超聲波接收電路的輸出端；本實(shí)施例溫度傳感器模塊502采用DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20型ー線制數(shù)字溫度傳感器，處理器Pl_4引腳連接溫度傳感器模塊502的輸出端；電源模塊501采用美國國家半導(dǎo)體公司的LM7805電源穩(wěn)壓芯片、美國國家半導(dǎo)體公司的LM1117電源穩(wěn)壓芯片，并采用7. 2V鋰電池或5節(jié)I. 5V電池，通過3. 3V電壓輸出端為信標(biāo)裝置的處理器模塊503、溫度傳感器模塊502提供工作電壓，通過5V電壓輸出端為超聲波接收模塊505提供工作電壓。圖6為本發(fā)明一種實(shí)施例的信標(biāo)裝置電源模塊501電路原理圖，本實(shí)施例采用
7.2V鋰電池輸入電源，首先通過電容進(jìn)行濾波，再通過LM7805電源穩(wěn)壓芯片輸出穩(wěn)定的5V電壓。5V電源其中一路輸出給超聲波接收模塊505中的CX20106A芯片，另一路通過LMl 117電源穩(wěn)壓芯片輸出穩(wěn)定的3. 3V電壓,為信標(biāo)裝置的處理器模塊503和溫度傳感器模塊502提供工作電壓。圖7為本實(shí)施例信標(biāo)裝置溫度傳感器模塊502電路原理圖。該溫度傳感器通過低溫度系數(shù)晶振和高溫度系數(shù)晶振的計(jì)數(shù)比較獲得測量溫度，并通過斜率累加器補(bǔ)償和修正測溫過程中的非線性，最終通過簡單的一線制數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議輸出測量溫度，將上述測量溫度通過溫度傳感器模塊502的輸出端輸出給處理器CC2430芯片的Pl_4引腳。圖8本發(fā)明一種實(shí)施例的信標(biāo)裝置處理器模塊503電路原理圖,本實(shí)施例中處理器采用了 TI公司的CC2430芯片；通過處理器內(nèi)部的16位定時(shí)器測量超聲波信號的到達(dá)時(shí)間，并將上述時(shí)間信息、DS18B20測量的溫度信息和信標(biāo)裝置的編號信息(例三個(gè)信標(biāo)裝置編號信息則分別為I號、2號、3號)打包成數(shù)據(jù)包，并傳遞給射頻模塊。所述射頻模塊接收信號的工作原理為接收到射頻信號后，經(jīng)過處理器內(nèi)部的低噪聲放大器放大，并且將收到的同相信號和正交相位信號降頻轉(zhuǎn)換為中頻信號，過濾掉殘余在中頻信號中的I/Q(同相正交)信號后，放大中頻信號，然后通過ADC(模數(shù)變換器)數(shù)字化、自動增益控制、信道的過濾、解擴(kuò)頻、符號相關(guān)和字節(jié)同步處理，并且置位幀開始界定符，處理器可以通過幀開始界定符判斷是否接收到射頻信號。處理器模塊503內(nèi)部CC2430芯片將收到的數(shù)據(jù)緩沖存入128字節(jié)的RX FIFO(接收先入先出)隊(duì)列，用戶通過處理器內(nèi)部的特殊功能寄存器來讀取RX FIFO隊(duì)列中的數(shù)據(jù)，完成射頻信號檢測及數(shù)據(jù)的接收。射頻信號同樣由處理器模塊503內(nèi)部的CC2430芯片內(nèi)的射頻模塊發(fā)出，其工作原理為將數(shù)據(jù)存放在128字節(jié)的TX FIFO(發(fā)送先入先出)之中，要發(fā)送的幀引導(dǎo)序列和幀開始界定符由處理器模塊503內(nèi)部CC2430芯片內(nèi)的射頻模塊自動產(chǎn)生，每個(gè)符號使用IEEE (電氣和電子工程師協(xié)會)802. 15. 4擴(kuò)展序列擴(kuò)展為32位碼片序列，輸出到處理器內(nèi)部DAC中，經(jīng)過DAC轉(zhuǎn)換的信號，通過射頻模塊內(nèi)部模擬低通濾波器送到射頻模塊內(nèi)部90° I/Q相移升頻轉(zhuǎn)換混頻器，最后射頻信號通過射頻模塊內(nèi)部功率放大器饋送到天線將其發(fā)送出去。圖9為本發(fā)明一種實(shí)施例的信標(biāo)裝置超聲波接收模塊505電路原理圖，處理器通過Pl_5引腳接收來自超聲波接收模塊505的信號。超聲波接收模塊505中的超聲波接收探頭采用了訂制的大角度超聲波接收探頭，其中心諧振頻率為40±2. OKHz，發(fā)射聲壓大 于105dB，接收靈敏度大于-74dB，發(fā)射波束角為60°，工作溫度為-40 +80°C，工作電壓為300 500VP-P。為了增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本實(shí)施例超聲波接收電路采用了 SONY公司的CX20106A型紅外線接收電路專用集成芯片，信號通過芯片內(nèi)部的前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器及整形電路后，將信號傳遞給處理器CC2430芯片。圖10為本實(shí)施例的待定位目標(biāo)裝置結(jié)構(gòu)框圖，待定位目標(biāo)裝置的處理器模塊1003中的處理器同樣采用了 TI公司的CC2430型芯片，內(nèi)嵌ー個(gè)高性能的2. 4GHz射頻收發(fā)器核心，使用其內(nèi)嵌射頻模塊取代単獨(dú)的射頻模塊；此外，通過處理器CC2430型芯片內(nèi)部的UART(通用異步接收/發(fā)送裝置)實(shí)現(xiàn)與宿主裝置的命令通信，取代単獨(dú)的通信模塊1005 ;處理器CC2430芯片通過Pl_4引腳向超聲波發(fā)射模塊1001發(fā)送信號；計(jì)算裝置為電源模塊1002提供5V電源，電源模塊1002采用LMl117穩(wěn)壓芯片，3. 3V輸出端給處理器CC2430芯片提供穩(wěn)定的3. 3V工作電壓，計(jì)算裝置為超聲發(fā)射模塊1001提供5V工作電壓。本實(shí)施例的待定位目標(biāo)裝置的處理器模塊1003與信標(biāo)裝置中的處理器模塊503一祥，均采用了 TI公司的CC2430芯片；通過處理器CC2430芯片的Pl_4 ロ控制超聲波發(fā)射模塊1001發(fā)送超聲波信號；通過處理器內(nèi)部的UART (通用異步接收/發(fā)送裝置)實(shí)現(xiàn)與宿主裝置的命令通信，取代単獨(dú)的通信模塊1005 ;通過控制射頻模塊向信標(biāo)裝置發(fā)送射頻信號，其工作原理與信標(biāo)裝置中的處理器模塊503 —致，在此不再復(fù)述。圖11為本發(fā)明一種實(shí)施例的待定位目標(biāo)裝置超聲波發(fā)射模塊1001電路原理圖。處理器CC2430芯片通過Pl_5引腳控制超聲波發(fā)射模塊1001發(fā)射超聲波信號。超聲波發(fā)射模塊1001同樣采用了訂制的大角度超聲波發(fā)射探頭，其中心諧振頻率為40±2. OKHz，發(fā)射聲壓大于105dB，接收靈敏度大于_74dB，發(fā)射波束角為60°，工作溫度為-40 +80°C，工作電壓為300 500VP-P。處理器CC2430芯片產(chǎn)生20個(gè)周期的40KHz方波脈沖，通過Pl_4引腳發(fā)送給超聲波發(fā)射模塊1001，方波脈沖信號送入超聲波發(fā)射模塊1001電路中三極管基板，然后將其脈沖信號加到超聲波發(fā)射模塊1001內(nèi)部的高頻升壓變壓器進(jìn)行電壓信號的放大，使電壓幅值增加到300V，高頻升壓變壓器的次級線圈與發(fā)射器構(gòu)成諧振回路，從而使發(fā)射器發(fā)出超聲波信號。該電路提高了超聲波發(fā)射傳感器的瞬間發(fā)射功率，且有較低的系統(tǒng)功耗。
圖12為本發(fā)明一種實(shí)施例的待定位目標(biāo)裝置、數(shù)據(jù)收集器電源模塊電路原理圖。由于電源模塊1002與宿主裝置配合使用，所以可從宿主裝置獲得5V電源，待定位裝置的電源電路輸入的5V電源首先通過電容濾波，再通過LMl117穩(wěn)壓芯片輸出給處理器CC2430芯片穩(wěn)定的3. 3V工作電壓。宿主裝置為超聲波發(fā)射模塊1001提供5V工作電壓。圖13為本發(fā)明一種實(shí)施例的數(shù)據(jù)收集器結(jié)構(gòu)框圖。數(shù)據(jù)收集器內(nèi)部處理器模塊1302中的處理器同樣采用了 TI公司的CC2430型芯片，此外，通過處理器CC2430型芯片內(nèi)部的UART (通用異步接收/發(fā)送裝置)實(shí)現(xiàn)與位置計(jì)算裝置的數(shù)據(jù)通信，取代単獨(dú)的通信模塊1304 ;處理器CC2430芯片通過Pl_4引腳向超聲波發(fā)射模塊1303發(fā)送信號；位置計(jì)算裝置為電源模塊1301提供5V電源，電源模塊1301采用LMl117穩(wěn)壓芯片，3. 3V輸出端給處理器CC2430芯片提供穩(wěn)定的3. 3V工作電壓。本實(shí)施例的數(shù)據(jù)收集器內(nèi)部的處理器模塊1302與信標(biāo)裝置中的處理器模塊503一祥，均采用了 TI公司的CC2430芯片；通過控制射頻模塊接收從信標(biāo)裝置發(fā)送的射頻信 號，其工作原理與信標(biāo)裝置中的處理器模塊503 —致，在此不再復(fù)述。數(shù)據(jù)收集器內(nèi)部的電源模塊1301工作原理與待定位目標(biāo)裝置內(nèi)部電源模塊1002工作原理相同，在此不再復(fù)述。圖14為本發(fā)明一種實(shí)施例反射式室內(nèi)定位的方法的流程圖，該方法利用超聲波和射頻技術(shù)并基于由信標(biāo)裝置、待定位目標(biāo)裝置、宿主裝置、移動裝置、數(shù)據(jù)收集器和位置計(jì)算裝置所構(gòu)成的系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)移動裝置的自定位，包括以下步驟步驟I :啟動放置在室內(nèi)地面的信標(biāo)裝置，各個(gè)信標(biāo)裝置內(nèi)部的溫度傳感器模塊進(jìn)行溫度測量，并立即進(jìn)入射頻信號接收狀態(tài)；步驟2 :待定位目標(biāo)裝置的通信模塊接收到其宿主裝置的定位請求后，向信標(biāo)裝置發(fā)送射頻信號和超聲波信號，其中的射頻信號攜帯待定位目標(biāo)裝置的身份標(biāo)識號碼信息；步驟3 :信標(biāo)裝置初始化，令定時(shí)器記錄值為零，并進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)測射頻信號狀態(tài)當(dāng)信標(biāo)裝置接收到射頻信號后，立即檢測接收到射頻信號攜帯的身份標(biāo)識號碼信息與待定位目標(biāo)裝置的身份標(biāo)識號碼信息是否相同，若不相同則放棄，返回等待射頻接收狀態(tài)；若相同則進(jìn)行一次測距；步驟4 :所有信標(biāo)裝置在檢測到從待定位目標(biāo)裝置發(fā)送經(jīng)過屋頂反射的超聲波信號后，記錄超聲波到達(dá)時(shí)間，并將信標(biāo)裝置編號、時(shí)間信息和溫度信息打包成數(shù)據(jù)包，根據(jù)信標(biāo)裝置編號順序依次將數(shù)據(jù)包通過無線通訊的形式發(fā)送給數(shù)據(jù)收集器，其中的溫度信息為信標(biāo)裝置在啟動時(shí)通過信標(biāo)裝置內(nèi)部溫度傳感器模塊測量得到；步驟5 :數(shù)據(jù)收集器將收到的數(shù)據(jù)信息傳送給位置計(jì)算裝置，位置計(jì)算裝置首先根據(jù)各個(gè)信標(biāo)裝置的溫度信息計(jì)算出室內(nèi)的平均溫度，然后計(jì)算出超聲波在空氣中的傳播速度；根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度和各信標(biāo)裝置的時(shí)間信息，計(jì)算出待定位裝置的屋頂平面鏡像與各個(gè)信標(biāo)裝置的距離；步驟6 :位置計(jì)算裝置根據(jù)事先建立的室內(nèi)坐標(biāo)系、信標(biāo)裝置坐標(biāo)和信標(biāo)裝置的屋頂平面鏡像與待定位目標(biāo)裝置的距離，計(jì)算出待定位目標(biāo)裝置的屋頂平面鏡像點(diǎn)的平面坐標(biāo)，其與待定位目標(biāo)裝置具有相同的平面坐標(biāo)，至此完成一次定位。在本實(shí)施例中，數(shù)據(jù)收集器將收集到的數(shù)據(jù)包發(fā)送給位置計(jì)算裝置，位置計(jì)算裝置獲得的第i個(gè)信標(biāo)裝置所測量的環(huán)境溫度Ti,通過對各個(gè)信標(biāo)的測量溫度求均值，獲得環(huán)境平均溫度T。具體計(jì)算公式如公式(I)，η為收到的信標(biāo)裝置數(shù)據(jù)的信標(biāo)裝置個(gè)數(shù)，
權(quán)利要求
1.一種反射式室內(nèi)定位的方法，其特征在于該方法包括以下步驟 步驟I :啟動放置在室內(nèi)地面的信標(biāo)裝置，各個(gè)信標(biāo)裝置內(nèi)部的溫度傳感器模塊進(jìn)行溫度測量，并立即進(jìn)入射頻信號接收狀態(tài)； 步驟2 :待定位目標(biāo)裝置的通信模塊接收到其宿主裝置的定位請求后，向信標(biāo)裝置發(fā)送射頻信號和超聲波信號，其中的射頻信號攜帶待定位目標(biāo)裝置的身份標(biāo)識號碼信息；步驟3 :信標(biāo)裝置初始化，令定時(shí)器記錄值為零，并進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)測射頻信號狀態(tài)當(dāng)信標(biāo)裝置接收到射頻信號后，立即檢測接收到射頻信號攜帶的身份標(biāo)識號碼信息與待定位目標(biāo)裝置的身份標(biāo)識號碼信息是否相同，若不相同則放棄，返回等待射頻接收狀態(tài)；若相同則進(jìn)行一次測距； 步驟4 :所有信標(biāo)裝置在檢測到從待定位目標(biāo)裝置發(fā)送經(jīng)過屋頂反射的超聲波信號后，記錄超聲波到達(dá)時(shí)間，并將信標(biāo)裝置編號、時(shí)間信息和溫度信息打包成數(shù)據(jù)包，根據(jù)信標(biāo)裝置編號順序依次將數(shù)據(jù)包通過無線通訊的形式發(fā)送給數(shù)據(jù)收集器，其中的溫度信息為信標(biāo)裝置在啟動時(shí)通過信標(biāo)裝置內(nèi)部溫度傳感器模塊測量得到； 步驟5 :數(shù)據(jù)收集器將收到的數(shù)據(jù)信息傳送給位置計(jì)算裝置，位置計(jì)算裝置首先根據(jù)各個(gè)信標(biāo)裝置的溫度信息計(jì)算出室內(nèi)的平均溫度，然后計(jì)算出超聲波在空氣中的傳播速度；根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度和各信標(biāo)裝置的時(shí)間信息，計(jì)算出待定位裝置的屋頂平面鏡像與各個(gè)信標(biāo)裝置的距離； 步驟6:位置計(jì)算裝置根據(jù)事先建立的室內(nèi)坐標(biāo)系、信標(biāo)裝置坐標(biāo)和信標(biāo)裝置的屋頂平面鏡像與待定位目標(biāo)裝置的距離，計(jì)算出待定位目標(biāo)裝置的屋頂平面鏡像點(diǎn)的平面坐標(biāo)，其與待定位目標(biāo)裝置具有相同的平面坐標(biāo)，至此完成一次定位。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的反射式室內(nèi)定位的方法，其特征在于步驟5所述的計(jì)算出超聲波在空氣中的傳播速度，其計(jì)算公式如下V = 331. 5+0. 607T 式中V為超聲波在空氣中的傳播速度； T為室內(nèi)平均溫度； 所述的根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度和各信標(biāo)裝置測得的時(shí)間，計(jì)算出待定位裝置的屋頂平面鏡像與各信標(biāo)裝置的距離，其計(jì)算公式如下Di = VXTimi+ ε 式中=Di為各信標(biāo)裝置的屋頂平面鏡像與待定位目標(biāo)裝置的距離； Timi為超聲波信號從待定位目標(biāo)裝置傳播到達(dá)各個(gè)信標(biāo)裝置的時(shí)間； ε為距離補(bǔ)償因子。
3.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求I所述的反射式室內(nèi)定位方法的系統(tǒng)，包括宿主裝置、位置計(jì)算裝置和移動裝置，其特征在于還包括信標(biāo)裝置、待定位目標(biāo)裝置和數(shù)據(jù)收集器，其中 信標(biāo)裝置用于接收從待定位目標(biāo)裝置發(fā)送的射頻信號和經(jīng)屋頂平面發(fā)射的超聲波信號，通過信標(biāo)裝置內(nèi)部的處理器測量超聲波信號從待定位目標(biāo)裝置傳播到信標(biāo)裝置的到達(dá)時(shí)間，并將上述時(shí)間信息、信標(biāo)裝置內(nèi)部溫度傳感器模塊測量的溫度信息和信標(biāo)裝置編號信息打包成數(shù)據(jù)包發(fā)送給數(shù)據(jù)收集器； 待定位目標(biāo)裝置用于接收宿主裝置發(fā)出的定位命令，并向信標(biāo)裝置發(fā)送射頻信號和超聲波信號；數(shù)據(jù)收集器用于接收從信標(biāo)裝置發(fā)出的射頻信號，并將上述射頻信號發(fā)送給位置計(jì)算裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的反射式室內(nèi)定位的系統(tǒng)，其特征在于所述的信標(biāo)裝置包括溫度傳感器模塊、超聲波接收模塊、信標(biāo)裝置的處理器模塊和信標(biāo)裝置的射頻模塊，其中 溫度傳感器模塊用于測量環(huán)境溫度，并將溫度信息傳遞給信標(biāo)裝置內(nèi)部的處理器模塊； 超聲波接收模塊用于接收從待定位目標(biāo)裝置發(fā)送的經(jīng)屋頂平面發(fā)射超聲波信號，并將超聲波信號傳遞給信標(biāo)裝置內(nèi)部的處理器模塊； 信標(biāo)裝置的處理器模塊用于測量從待定位目標(biāo)裝置發(fā)送的超聲波傳播到達(dá)信標(biāo)裝置的時(shí)間，并將上述時(shí)間信息、溫度傳感器模塊測量的溫度信息和信標(biāo)裝置編號信息打包成數(shù)據(jù)包傳遞給射頻模塊； 信標(biāo)裝置的射頻模塊用于接收和發(fā)送射頻信號，接收從待定位目標(biāo)裝置發(fā)送的射頻信號，并將射頻信號傳遞給信標(biāo)裝置內(nèi)部的處理器模塊；將包含時(shí)間信息、溫度傳感器模塊測量的溫度信息和信標(biāo)裝置編號信息的數(shù)據(jù)包發(fā)送給數(shù)據(jù)收集器。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的反射式室內(nèi)定位的系統(tǒng)，其特征在于所述的待定位目標(biāo)裝置包括待定位目標(biāo)裝置的射頻模塊、超聲波發(fā)射模塊、待定位目標(biāo)裝置的通信模塊和待定位目標(biāo)裝置的處理器模塊，其中 待定位目標(biāo)裝置的射頻模塊用于發(fā)送射頻信號，將包含有身份標(biāo)識號碼信息的射頻信號發(fā)送給信標(biāo)裝置； 超聲波發(fā)射模塊用于發(fā)送超聲波信號至信標(biāo)裝置； 待定位目標(biāo)裝置的通信模塊用于實(shí)現(xiàn)待定位目標(biāo)裝置的處理器模塊與宿主裝置的通信； 待定位目標(biāo)裝置的處理器模塊用于接收宿主裝置定位命令；控制射頻模塊發(fā)送射頻信號；控制超聲波模塊發(fā)送超聲波信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的反射式室內(nèi)定位的系統(tǒng)，其特征在于所述的數(shù)據(jù)收集器包括數(shù)據(jù)收集器的射頻模塊、數(shù)據(jù)收集器的通信模塊和數(shù)據(jù)收集器的處理器模塊，其中 數(shù)據(jù)收集器的射頻模塊用于接收從信標(biāo)裝置發(fā)送的包含數(shù)據(jù)包的射頻信號，并將射頻信號傳遞給數(shù)據(jù)收集器內(nèi)部處理器模塊； 數(shù)據(jù)收集器的通信模塊用于實(shí)現(xiàn)處理器模塊與位置計(jì)算裝置的通信； 數(shù)據(jù)收集器的處理器模塊接收信標(biāo)裝置數(shù)據(jù)包，將時(shí)間信息、溫度信息和信標(biāo)裝置編號信息發(fā)送給位置計(jì)算裝置。
全文摘要
一種反射式室內(nèi)定位的方法及系統(tǒng)，屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和定位導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域。該系統(tǒng)包括宿主裝置、位置計(jì)算裝置、移動裝置、信標(biāo)裝置、待定位目標(biāo)裝置和數(shù)據(jù)收集器，待定位目標(biāo)裝置發(fā)送射頻信號和超聲波信號，超聲波信號經(jīng)過平面屋頂?shù)姆瓷涞竭_(dá)地面放置的信標(biāo)裝置，多個(gè)信標(biāo)裝置測量出超聲波到達(dá)的時(shí)間和環(huán)境溫度，并傳輸給數(shù)據(jù)收集器，數(shù)據(jù)收集器將收到的數(shù)據(jù)傳輸給位置計(jì)算裝置，位置計(jì)算裝置根據(jù)事先建好的室內(nèi)坐標(biāo)系計(jì)算出待定位目標(biāo)裝置的位置。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、信標(biāo)裝置部署密度低、方便實(shí)現(xiàn)信標(biāo)裝置自部署、計(jì)算量小、精度高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G01S5/18GK102662159SQ20121012476
公開日2012年9月12日 申請日期2012年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月25日
發(fā)明者劉鵬達(dá), 吳成東, 張?jiān)浦? 程龍, 韓泉城 申請人:東北大學(xué)