CN103997781A - 区域定位基站***及其区域定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种区域定位基站***及其区域定位方法，在指定区域内设置天馈***、定位基站、管理平台和均匀分布的多组天线，同时结合天馈***设置遍布指定区域的多个定位标签，通过各个部件配合，即可计算各个定位标签的位置，对人员或物品完成精准定位。本发明实现有无线室内人员及物品定位、无线网络覆盖、RFID覆盖等多种功能，适用于多种应用场景，定位更加准确，同时，采取半有源标签设计，可以延长标签使用寿命；此外，本发明定位基站具有无线网络功能，解决了无线传输问题；同时还完成RFID覆盖，建立了物联网通道，并配备了输出控制端口，可以连接***设备进行联动，有助于拓展应用性和功能性。
Description
技术领域
本发明涉及区域定位基站技术领域，更具体地，涉及一种基于无线定位基站，配合天馈***和半有源定位标签实现区域定位功能的区域定位基站***，以及基于该***的区域定位方法。
背景技术
随着数据业务和多媒体业务的快速增加，以及社会移动性的增强，人们对位置定位与目标地导航的需求也日益增大，尤其是在复杂的室内环境，如展厅、仓库、监狱、图书馆、地下停车场、矿井等环境中，确定移动终端或其持有者，以及设施与物品在特定环境内的位置信息显得尤为重要。但是，受定位时间、定位精度以及室内环境复杂性等条件的限制，目前还没有利用较为良好的比较完善的定位技术。
现有室内定位技术主要有：超声波定位技术、蓝牙技术、红外线技术、射频识别技术（RFID）、超宽带技术（UWB）、无线局域网络等。其中常用于室内人员定位的几种技术为：超宽带技术（UWB）、WI-FI无线技术（802.11）、ZigBee无线技术(802.15)、射频识别技术（RFID）。
超宽带技术（UWB）
超宽带技术是一种全新的、与传统通信技术有极大差异的新通信技术。它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有3.1~10.6GHz量级的带宽。
超宽带技术***与传统的窄带***相比，具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、***复杂度低、能提供精确定位精度等优点；但是，超宽带技术工作在超高频段，其反向散射大，干扰也很大，而且设备的覆盖距离近，导致标签功耗大。
WI-FI无线技术（802.11）
无线局域网络(WLAN)是一种全新的信息获取平台，可以在广泛的应用领域内实现复杂的大范围定位、监测和追踪任务，而网络节点自身定位是大多数应用的基础和前提。当前比较流行的Wi-Fi定位是无线局域网络系列标准之IEEE802.11的一种定位解决方案。此类***采用经验测试和信号传播模型相结合的方式，易于布置，但缺点也是很明显，其中，定位标签相当于一个无线终端，需要接入到Wifi网络才能定位，但每个AP关联的终端数量是很有限的，通常每个AP只能同时接入25个无线终端，进行定位时，一个定位标签需要同时关联到3个AP才能进行位置计算，大量的占用了宝贵的网络资源；同时，AP的布置主要满足网络覆盖，定位只是附加功能，所以也导致了总体精度不高，定位标签功耗很大无法长期使用等问题。
ZigBee无线技术(802.15)
ZigBee无线技术是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它介于射频识别和蓝牙之间，也可以用于室内定位。它有自己的无线电标准，通过在数千个微小的传感器之间相互协调通信以实现定位。这些传感器只需要很少的能量即可驱动，以接力的方式通过无线电波将数据在传感器之间进行传输，所以其通信效率非常高。
ZigBee无线技术最显著的技术特点是低功耗和低成本。但在用于室内定位时，需要计算无线信号的发射和接收时间来判断位置，因此比较适用于狭长的通道环境，而当隔断无序，空间环境复杂时，定位就会变得不准确，所以其应用面有限，目前主要专用于地下矿井的人员定位。
射频识别技术（RFID）
射频识别技术利用射频方式进行非接触式双向通信交换数据，以达到识别和定位的目的，主要可以分为有源和无源两种。其中，无源标签本身不需要耗电，但距离很短，一般距离最远只有几米；有源标签需要消耗一定的电力，但作用距离可以达到几十米。虽然无论是有源还是无源方案成本都比较低，但是RFID本身由于不具有通信能力，所以只能整合到其他***之中，因此功能性不强。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。
无线区域定位需要定位标签具有超低功耗，能自成网络方便部署，又能适应复杂的无线环境，同时还需要成本低，根据这些需求和现有技术的缺陷，本发明提供了具有人员定位、无线网络覆盖、RFID信号覆盖等功能的区域定位基站***。
本发明的另一个目的是提供基于上述***的区域定位方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
区域定位基站***，首先在指定区域内设置天馈***，天馈***包括天线、馈线和无源器件（功分器，耦合器）；在指定区域内设置定位基站、管理平台，并将天馈***的天线均匀分布在指定区域内，同时结合天馈***设置遍布指定区域的多个定位标签；定位基站分别与管理平台、天馈***相连；应用中，定位基站的定位功能和网络覆盖功能需要现成的天馈***的配合，完成对整个区域的覆盖。
其中，定位标签配备在在需要定位的人员或物体上；定位基站和天线之间馈线连接，采用树型结构，配合功无源器件进行功率分配，合理的将定位基站发出的射频信号分配到每一个天线上，完成整个指定区域的无缝覆盖。
其中，实际应用中，单个定位基站连接18个天线为佳，覆盖面积可达到2000平方米左右，如需要增加覆盖面积，则需增加定位基站数量。
管理平台用于管理定位基站，并处理定位基站所采集的数据信息，在管理平台中预先绘制指定区域的地图。
定位标签为半有源定位标签，如腕带、电子工牌等。
其中，定位标签发送固定强度的无线射频信号，由周边的天线进行接收，各个天线将接收到的无线射频信号发送至定位基站进行运算，确定定位标签的位置。
其中，定位标签发出的无线射频信号包含该定位标签的ID号以及RSSI值等。
定位基站主要包括主板、无线板、合路器、电源四部分，四部分协同工作完成整个基站的功能运转。
主板为定位基站的核心部件，包括：主控制单元、物联网信道控制单元、定位运算单元、网络控制单元、联动接口控制单元和协议转换及网络交换单元。主控制单元分别与物联网信道控制单元、定位运算单元、网络控制单元、联动接口控制单元和协议转换及网络交换单元相连。
其中，定位运算单元实时采集定位基站覆盖范围内所有天线发送的无线射频信号，通过无线射频信号得到相应定位标签的RSSI值，再根据三点定位方式计算出各个定位标签的坐标，定位基站通过网络将各个定位标签的坐标信息上传至管理平台，在管理平台的地图上呈现出来。
物联网信道控制单元的主要作用是控制所有接入到定位基站的物联网设备的通信信道；为不同类型的物联网设备分配不同的工作频点，并控制在同一时间内，同一频点只会有一个物联网设备在使用，从而保障传输不发生冲突。
网络控制单元用于完成无线网络的控制，具体的是对工作频点、带宽、信号强度、速率等内容进行控制，以便保证2.4GHZ频段和5.8GHz频段的双频模式能正常工作。
联动接口控制单元用于控制与定位基站相接的外接设备的接口，通过提供RS485协议串口，可以向对应的外接设备发出动作命令。
协议转换及网络交换单元将主板上不同协议的数据都转换成IP包，进行外部通讯，例如可通过TCP/IP协议与其它上位机进行连接，完成功能配合。
主控制单元用于完成主板各个功能单元之间的调度和数据传送，并进行电源管理，利用电源为主板进行供电。
无线板的主要作用是将主板的基带信号转换成无线射频信号，以及将天线送来的无线射频信号转换成适配主板的基带信号。其中，整个基站的工作频段范围为400MHz～5900MHz，无线板设定四个专用频段，分别为：433MHz频段，UHF频段，2.4GHZ频段，5.8GHz频段。
其中，2.4GHZ频段和5.8GHz频段适用于主板的网络控制单元，配合提供无线网络。
UHF频段(即特高频·分米波段，指频率为300~3000MHz的特高频无线电波)适用于主板的定位运算单元，是射频识别技术常用的频段，用于人员及物品定位。
433MHz频段适用于主板的物联网信道控制单元，主要用于接入其它物联网应用设备。
合路器用于将来自无线板的不同频段的无线信号合成一路信号，与天馈***进行交互；主板通过合路器连接天馈***。
电源采用高性能开关电源设计，为整个定位基站提供电力，其具体规格为：220V交流输入，内部5V供电。
实际应用中，定位标签默认为休眠状态，当定位标签被超过3组的天线检测到时，由定位基站发出激活信号激活该定位标签，令该定位标签发送固定强度的无线射频信号，由周边的天线进行接收：具体的，令定位标签先连续发送3次无线射频信号，然后休眠500～2000ms后再连续发送3次无线射频信号。
其中，定位标签的休眠时间可根据实际需要调整。
其中，当接收到定位标签的无线射频信号的天线少于1个时，基站发出休眠命令，使该定位标签进入休眠装袋，直到其再次被激活；当接收到定位标签的无线射频信号的天线不少于1个时，各个天线将接收到的无线射频信号送回至定位基站进行运算，确定定位标签的位置。
其中，定位标签发出的无线射频信号带有该定位标签的ID号，由于有空间损耗，不同的天线接收到这个无线射频信号的RSSI强度是不同的；各个天线将接收到的无线射频信号送回至定位基站进行运算，确定定位标签的位置。
根据上述区域定位基站***实现的区域定位方法，包括如下步骤：
S1、首先在指定区域内设置天馈***，在指定区域内设置定位基站、管理平台，并将天馈***的天线均匀分布在指定区域内，同时结合天馈***设置遍布指定区域的多个定位标签；
S2、将定位基站分别与管理平台和天馈***相连；将定位标签配备在在需要定位的人员或物体上；
S3、定位标签发送固定强度的无线射频信号，定位标签发出的无线射频信号包含该定位标签的ID号以及RSSI值等；无线射频信号由周边的天线进行接收，各个天线将接收到的无线射频信号发送至定位基站进行运算，确定定位标签的位置；
S4、定位运算单元实时采集定位基站覆盖范围内所有天线发送的无线射频信号，通过无线射频信号得到相应定位标签的RSSI值，再根据三点定位方式计算出各个定位标签的坐标，定位基站通过网络将各个定位标签的坐标信息上传至管理平台，在管理平台的地图上呈现出来。
步骤S4中，定位基站的定位运算单元采用三角形质心定位算法进行定位标签的坐标运算，包括如下步骤：
定位算法模型如下：
基于RSSI的定位：RSSI测量，一般利用信号传播的经验模型与理论模型。
对于经验模型，在实际定位前，先选取若干定位标签作为测试点，记录在这些测试点上定位基站所收到的信号强度，接着建立各个测试点上的位置和信号强度关系的离线数据库（x，y，ss1，ss2，ss3），在实际定位时，根据测得的定位标签的信号强度（ss1′，ss2′，ss3′）和离线数据库中记录的信号强度进行比较，信号强度均方差最小的那个点的坐标作为定位标签的节点坐标；
对于理论模型，采用无线电传播路径损耗模型进行分析，包括：自由空间无线电传播路径损耗模型对数一常态分布模型，以及对数距离路径损耗模型、哈它模型等。
自由空间无线电传播路径损耗模型为：
——（一）。
式一中，d为距信源的距离，单位为km；f为频率，单位为MHz；k为路径衰减因子。
对数一常态分布模型，其路径损耗的计算公式为：
——（二）。
式二中，Xσ是平均值为O的高斯分布随机变数，其标准差范围为4～10；k的范围在2～5之间，取d=1，代入式一得Loss，即PL（d0）的值，此时各未知节点的定位标签接收锚节点的定位标签的信号强度为：
RSSI=发射功率+天线增益一路径损耗（PL（d））。
基于RSSI的三角形质心定位算法的数学模型：
选定三个定位标签为锚节点，待计算位置的定位标签为未知节点；将三个锚节点分别设定为A、B、C，未知节点设定为D，根据RSSI模型计算出节点A和D的距离为rA，节点B和D的距离为rB，节点C和D的距离为rC；分别以A、B、C为圆心，rA、rB、rC为半径画圆，得三圆交叠区域。
计算三圆交叠区域的三个特征点的坐标，以这三个特征点为顶点做一三角形，该三角形的质心即为未知点D的坐标；具体的，设定三个特征点分别为E、F、G，特征点E的计算方法为：
——（三）。
特征点F、特征点G的算法同式三；进一步得未知点的坐标为：。
定位算法过程如下：
作为锚节点的定位标签周期性向周围广播信息，信息中包括自身节点ID及坐标，未知节点的定位标签收到该信息后，对同一锚节点的RSSI取均值。
当未知节点的定位标签收集到设定数量（该数量根据实际需求调整）的锚节点信息时，不再接收新信息，根据RSSI从强到弱对锚节点排序，并建立RSSI值与自身到锚节点距离的映射。
建立3个集合：
锚节点集合：；
未知节点到锚节点距离集合：；
锚节点位置集合：。
选取RSSI值大的前几个锚节点进行自身定位计算。
在B_set中优先选择RSSI值大的信标节点组合成下面的锚节点集合T_set：
——（四）。
对锚节点集合，依次根据式三算出三个特征点的坐标，最后由质心算法，得出未知节点坐标。
对求出的未知节点坐标集合取平均，得最终的未知节点坐标。
其中，定义定位误差为ER，假设得到的未知节点的坐标为（xm，ym），其真实位置为（x，y），则定位误差ER为：。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明实现有无线室内人员及物品定位、无线网络覆盖、RFID覆盖等多种功能，适用于多种应用场景，采用了优化的三角形质心定位算法，使定位更加准确，同时，采取半有源标签设计，令标签进入房间时休眠，进入公共区被激活，可以延长标签使用寿命；此外，本发明定位基站具有无线网络功能，解决了无线传输问题；同时还完成RFID覆盖，建立了物联网通道，并配备了输出控制端口，可以连接***设备进行联动，有助于拓展应用性和功能性，具备极其有益的实际使用效果。
附图说明
图1为本发明的定位标签的定位算法示意图；
图2为本发明的定位标签的定位算法示意图；
图3为本发明的拓扑结构图；
图4为本发明定位基站的拓扑结构图；
图5为本发明定位基站中主板的拓扑结构图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面将结合本发明中的说明书附图，对发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图3所示，为本实施例的区域定位基站***，首先在医院就诊区域内设置天馈***，同时设置定位基站、管理平台，并将天馈***的天线均匀分布在指定区域内，同时结合天馈***设置遍布指定区域的多个定位标签；定位基站分别与管理平台和天馈***相连。
定位基站安装在平层的弱电井内。天线均匀的布放在平层，根据楼层隔断等无线网环境的不同，每个天线的覆盖面积有所不同。定位基站和天线之间馈线连接，采用树型结构，配合功分、藕合器等无源器件进行功率分配，合理的将基站***发出的射频信号分配到每一个天线上，完成整个区域的无缝覆盖。
其中，定位标签配备在在需要定位的人员或物体上；定位基站和天线之间馈线连接，采用树型结构，配合功无源器件进行功率分配，合理的将定位基站发出的射频信号分配到每一个天线上，完成整个指定区域的无缝覆盖。
管理平台用于管理定位基站，并处理定位基站所采集的数据信息，在管理平台中预先绘制医院就诊区域的地图。
定位标签为电子工牌。
其中，定位标签发送固定强度的无线射频信号，由周边的天线进行接收，各个天线将接收到的无线射频信号发送至定位基站进行运算，确定定位标签的位置。
其中，定位标签发出的无线射频信号包含该定位标签的ID号以及RSSI值等。
如图4所示，定位基站主要包括主板、无线板、合路器、电源四部分，四部分协同工作完成整个基站的功能运转。
如图5所示，主板为定位基站的核心部件，包括：主控制单元、物联网信道控制单元、定位运算单元、网络控制单元、联动接口控制单元和协议转换及网络交换单元。主控制单元分别与物联网信道控制单元、定位运算单元、网络控制单元、联动接口控制单元和协议转换及网络交换单元相连。
其中，定位运算单元实时采集定位基站覆盖范围内所有天线发送的无线射频信号，通过无线射频信号得到相应定位标签的RSSI值，再根据三点定位方式计算出各个定位标签的坐标，定位基站通过网络将各个定位标签的坐标信息上传至管理平台，在管理平台的地图上呈现出来。
物联网信道控制单元的主要作用是控制所有接入到定位基站的物联网设备的通信信道；为不同类型的物联网设备分配不同的工作频点，并控制在同一时间内，同一频点只会有一个物联网设备在使用，从而保障传输不发生冲突。
网络控制单元用于完成无线网络的控制，保证2.4GHZ频段和5.8GHz频段的双频模式能正常工作。
联动接口控制单元用于控制与定位基站相接的外接设备的接口，通过提供RS485协议串口，可以向对应的外接设备发出动作命令。
协议转换及网络交换单元将主板上不同协议的数据都转换成IP包，进行外部通讯。
主控制单元用于完成主板各个功能单元之间的调度和数据传送，并进行电源管理，利用电源为主板进行供电。
无线板的主要作用是将主板的基带信号转换成无线射频信号，以及将天线送来的无线射频信号转换成适配主板的基带信号。其中，整个基站的工作频段范围为400MHz～5900MHz，无线板设定四个专用频段，分别为：433MHz频段，UHF频段，2.4GHZ频段，5.8GHz频段。
其中，2.4GHZ频段和5.8GHz频段适用于主板的网络控制单元，配合提供无线网络。
UHF频段适用于主板的定位运算单元，是射频识别技术常用的频段，用于人员及物品定位。
433MHz频段适用于主板的物联网信道控制单元，主要用于接入其它物联网应用设备。
合路器将来自无线板的不同频段的无线信号合成一路信号，与天馈***进行交互；主板通过合路器连接天馈***。
电源采用高性能开关电源设计，为整个定位基站提供电力，其具体规格为：220V交流输入，内部5V供电。
定位基站的定位功能采用基于RSSI的三点定位原理来实现。在需要定位的人员或物体上配备电子工牌，定位标签默认为休眠状态，当定位标签被超过3组的天线检测到时，由定位基站发出激活信号激活该定位标签，令该定位标签发送固定强度的无线射频信号，由周边的天线进行接收：具体的，令定位标签先连续发送3次无线射频信号，然后休眠500～2000ms后再连续发送3次无线射频信号。
其中，定位标签的休眠时间可根据实际需要调整。
其中，当接收到定位标签的无线射频信号的天线少于1个时，基站发出休眠命令，使该定位标签进入休眠装袋，直到其再次被激活；当接收到定位标签的无线射频信号的天线不少于1个时，各个天线将接收到的无线射频信号送回至定位基站进行运算，确定定位标签的位置；
其中，由于有空间损耗，不同的天线接收到这个无线射频信号的RSSI强度是不同的；各个天线将接收到的无线射频信号送回至定位基站进行运算，确定定位标签的位置。
根据上述区域定位基站***实现的区域定位方法，包括如下步骤：
S1、首先在指定区域内设置天馈***，在指定区域内设置定位基站、管理平台，并将天馈***的天线均匀分布在指定区域内，同时结合天馈***设置遍布指定区域的多个定位标签；
S2、将定位基站分别与管理平台和天馈***相连；将定位标签配备在在需要定位的人员或物体上；
S3、定位标签发送固定强度的无线射频信号，定位标签发出的无线射频信号包含该定位标签的ID号以及RSSI值等；无线射频信号由周边的天线进行接收，各个天线将接收到的无线射频信号发送至定位基站进行运算，确定定位标签的位置；
S4、定位运算单元实时采集定位基站覆盖范围内所有天线发送的无线射频信号，通过无线射频信号得到相应定位标签的RSSI值，再根据三点定位方式计算出各个定位标签的坐标，定位基站通过网络将各个定位标签的坐标信息上传至管理平台，在管理平台的地图上呈现出来。
步骤S4中，定位基站的定位运算单元采用三角形质心定位算法进行定位标签的定位运算，包括如下步骤。
定位算法模型：
定位基站采用三角形质心定位算法进行定位标签的定位运算。该算法针对大规模随机散布野外应用环境，大都不需要节点即可进行精确定位，只需要知道节点的大概区域就可满足需求，同时要求硬件成本低，定位过程通信开销小、节能省成本，因此有较好的实用性。
基于RSSI的定位：RSSI测量，一般利用信号传播的经验模型与理论模型。
其中，对于经验模型，在实际定位前，先选取若干定位标签作为测试点，记录在这些测试点上定位基站所收到的信号强度，接着建立各个测试点上的位置和信号强度关系的离线数据库（x，y，ss1，ss2，ss3）。在实际定位时，根据测得的定位标签的信号强度（ss1′，ss2′，ss3′）和离线数据库中记录的信号强度进行比较，信号强度均方差最小的那个点的坐标作为定位标签的节点坐标。
其中，对于理论模型，采用无线电传播路径损耗模型进行分析，包括：自由空间无线电传播路径损耗模型对数一常态分布模型，以及对数距离路径损耗模型、哈它模型等。
自由空间无线电传播路径损耗模型为：
——（一）。
式一中，d为距信源的距离，单位为km；f为频率，单位为MHz；k为路径衰减因子。其他的模型模拟现实环境，但与现实环境还是有一定的差距。
对数一常态分布模型，其路径损耗的计算公式为：
——（二）。
式二中，Xσ是平均值为O的高斯分布随机变数，其标准差范围为4～10；k的范围在2～5之间。取d=1，代入式一可得Loss，即PL（d0）的值。此时各未知节点的定位标签接收锚节点的定位标签的信号强度为：
RSSI=发射功率+天线增益一路径损耗（PL（d））。
基于RSSI的三角形质心定位算法的数学模型：
首选，选定三个定位标签为锚节点，待计算位置的定位标签为未知节点；实际当中，不论哪种模型，计算出的接收信号强度总与实际情况下有误差，因为实际环境的复杂性，换算出的锚节点到未知节点的距离d总是大于实际两节点间的距离。如图1所示，锚节点A，B，C，未知节点D，根据RSSI模型计算出的节点A和D的距离为rA，节点B和D的距离为rB，节点C和D的距离为rC；分别以A，B，C为圆心；rA，rB，rC为半径画圆，可得三圆交叠区域。
本发明三角形质心定位算法的基本思想是：计算三圆交叠区域的三个特征点的坐标，以这三个特征点为顶点做三角形，该三角形的质心即为未知点D的坐标，如图2所示，设定三个特征点分别为E、F、G，特征点E点的计算方法为：
——（三）。
同理，特征点F、特征点G的算法同式三；此时未知点的坐标为。由仿真得，在图2中，待计算位置的定位标签的实际坐标为D；三角形质心算法出的估计坐标为M；三边测量法算出的估计坐标为N，可以很明显看出，三角形质心算法的准确度更高。
定位算法过程：
作为锚节点的定位标签周期性向周围广播信息，信息中包括自身节点ID及坐标，未知节点的定位标签收到该信息后，对同一锚节点的RSSI取均值。
当未知节点的定位标签收集到设定数量的锚节点信息时，不再接收新信息，而是根据RSSI从强到弱对锚节点排序，并建立RSSI值与自身到锚节点距离的映射。其中，锚节点信息的收集数量根据实际需求而定。
建立3个集合：
锚节点集合：；
未知节点到锚节点距离集合：；
锚节点位置集合：。
选取RSSI值大的前几个锚节点进行自身定位计算。
在B_set中优先选择RSSI值大的信标节点组合成下面的锚节点集合T_set，这是提高定位精度的关键：
——（四）。
对锚节点集合，依次根据式三算出三个特征点（即交点）的坐标，最后由质心算法，得出未知节点坐标。
对求出的未知节点坐标集合取平均，得最终的未知节点坐标。
定义定位误差为ER，假设得到的未知节点的坐标为（xm，ym），其真实位置为（x，y），则定位误差ER为：。
本发明适用于室内人员及物品的定位，如可以应用于医疗行业：精神病院，养老院、综合性医院；此外还可以扩展应用到监狱、海关、物流等行业，适用性非常广泛，例举如下：
人员定位：被定位的人员佩带腕带或电子工牌等各种形式的定位标签，只要在定位基站的覆盖范围内活动，定位基站即可通过天线采集定位标签的信息，通过计算得出人员的位置坐标，实现人员的定位。
资产定位：将定位标签的定义进行修改，就能成为资产标签。资产标签具有唯一的ID号，通过与资产数据库匹配，就可以在管理平台上定位到所有资产当前的位置和显示资产的相关信息，对资产进行管理。
无线网络覆盖：通过定位基站结合无线网络，可以实现在人员定位的覆盖区内使用如电子病历、移动查房、移动护理等功能性应用。
物联网信号覆盖：除了覆盖人员定位信号、无线网络的同时，定位基站还可以连接物联网应用设备，例如警报设备、紧急呼叫设备、人员离床检测设备等都可以通过定位基站的物联网信道回传数据，而无需重新建网。
设备的联动：定位基站提供了RS485协议的串口，因此可以与门禁***和摄像头等设备进行联动；比如，当定位到未经授权的人员接近设定的非受权区域时，定位基站可以通过控制口发出信道，控制与定位基站联动的门禁***关闭相应的电动门，同时控制与摄像头进行追踪。
综上所述，即为本发明实施例内容，而显然本发明的实施方式并不仅限于此，其可根据不同应用环境，利用本发明的功能性实现相应的需求。
Claims (10)
1.区域定位基站***，首先在指定区域内设置天馈***，天馈***包括天线、馈线和无源器件，其特征在于在指定区域内设置定位基站、管理平台，并将天馈***的天线均匀分布在指定区域内，同时结合天馈***设置遍布指定区域的多个定位标签；定位基站分别与管理平台、天馈***相连；
定位标签配备在在需要定位的人员或物体上；
管理平台管理定位基站，并处理定位基站所采集的数据信息；在管理平台中预先绘制指定区域的地图；
其中，定位标签发送固定强度的无线射频信号，由周边的天线进行接收，各个天线将接收到的无线射频信号发送至定位基站进行运算，确定定位标签的位置；定位标签发出的无线射频信号包含该定位标签的ID号以及RSSI值；
定位基站包括主板、无线板、合路器和电源；其中，电源与主板、无线板、合路器相连，主板与无线板相连，无线板与合路器相连。
2. 根据权利要求1所述的区域定位基站***，其特征在于所述的定位标签为半有源定位标签。
3.根据权利要求1所述的区域定位基站***，其特征在于所述的主板包括主控制单元、物联网信道控制单元、定位运算单元、网络控制单元、联动接口控制单元和协议转换及网络交换单元；主控制单元分别与物联网信道控制单元、定位运算单元、网络控制单元、联动接口控制单元和协议转换及网络交换单元相连；
其中，定位运算单元实时采集定位基站覆盖范围内所有天线发送的无线射频信号，通过无线射频信号得到相应定位标签的RSSI值，再计算出各个定位标签的坐标，定位基站将各个定位标签的坐标信息上传至管理平台，在管理平台的地图上呈现；
物联网信道控制单元控制接入到定位基站的物联网设备的通信信道，为不同类型的物联网设备分配不同的工作频点，并保证在同一时间内，同一频点只有一个物联网设备在使用；
网络控制单元完成无线网络的控制，对工作频点、带宽、信号强度、速率进行控制；
联动接口控制单元用于控制与定位基站相接的外接设备的接口，通过提供RS485协议串口，向对应的外接设备发出动作命令；
协议转换及网络交换单元将主板上不同协议的数据转换成IP包，进行外部通讯；
主控制单元完成主板各个功能单元之间的调度和数据传送，并进行电源管理，利用电源为主板进行供电。
4.根据权利要求1所述的区域定位基站***，其特征在于所述的无线板将主板的基带信号转换成无线射频信号，以及将天线送来的无线射频信号转换成适配主板的基带信号。
5.根据权利要求4所述的区域定位基站***，其特征在于所述的无线板设定四个专用频段，分别为：433MHz频段，UHF频段，2.4GHZ频段，5.8GHz频段；
其中，2.4GHZ频段和5.8GHz频段适用于主板的网络控制单元，配合提供无线网络；
UHF频段适用于主板的定位运算单元，配合进行人员及物品定位；
433MHz频段适用于主板的物联网信道控制单元，配合接入其它物联网应用设备。
6.根据权利要求1所述的区域定位基站***，其特征在于所述的合路器将来自无线板的不同频段的无线信号合成一路信号，与天馈***进行交互；主板通过合路器连接天馈***。
7.根据权利要求1所述的区域定位基站***，其特征在于所述的电源为整个定位基站提供电力，电源规格为：220V交流输入，内部5V供电。
8.根据权利要求1所述的区域定位基站***，其特征在于所述的定位标签默认为休眠状态，当定位标签被超过3组的天线检测到时，由定位基站发出激活信号激活该定位标签，令该定位标签发送固定强度的无线射频信号，由周边的天线进行接收：具体的，令定位标签先连续发送3次无线射频信号，然后休眠500～2000ms后再连续发送3次无线射频信号；
其中，当接收到定位标签的无线射频信号的天线少于1个时，基站发出休眠命令，使该定位标签进入休眠装袋，直到其再次被激活；当接收到定位标签的无线射频信号的天线不少于1个时，各个天线将接收到的无线射频信号送回至定位基站进行运算，确定定位标签的位置。
9.根据权利要求1~8任一所述的区域定位基站***实现的区域定位方法，其特征在于包括如下步骤：
S1、首先在指定区域内设置天馈***，在指定区域内设置定位基站、管理平台，并将天馈***的天线均匀分布在指定区域内，同时结合天馈***设置遍布指定区域的多个定位标签；
S2、将定位基站分别与管理平台、天馈***相连；将定位标签配备在在需要定位的人员或物体上；
S3、定位标签发送固定强度的无线射频信号，定位标签发出的无线射频信号包含该定位标签的ID号以及RSSI值等；无线射频信号由周边的天线进行接收，各个天线将接收到的无线射频信号发送至定位基站进行运算，确定定位标签的位置；
S4、定位运算单元实时采集定位基站覆盖范围内所有天线发送的无线射频信号，通过无线射频信号得到相应定位标签的RSSI值，再根据三点定位方式计算出各个定位标签的坐标，定位基站将各个定位标签的坐标信息上传至管理平台，在管理平台的地图上呈现出来。
10.根据权利要求9所述的区域定位方法，其特征在于所述的步骤S4中，定位基站的定位运算单元采用三角形质心定位算法进行定位标签的坐标运算，包括如下过程：
定位算法模型如下：
基于RSSI的定位：RSSI测量，利用信号传播的经验模型与理论模型；
对于经验模型，在实际定位前，先选取多个定位标签作为测试点，记录在这些测试点上定位基站所收到的信号强度，接着建立各个测试点上的位置和信号强度关系的离线数据库（x，y，ss1，ss2，ss3），在实际定位时，根据测得的定位标签的信号强度（ss1′，ss2′，ss3′）和离线数据库中记录的信号强度进行比较，信号强度均方差最小的那个点的坐标作为定位标签的节点坐标；
对于理论模型，采用无线电传播路径损耗模型进行分析，包括：自由空间无线电传播路径损耗模型；对数一常态分布模型；
自由空间无线电传播路径损耗模型为：
——（一）；
式一中，d为距信源的距离，单位为km；f为频率，单位为MHz；k为路径衰减因子；
对数一常态分布模型，其路径损耗的计算公式为：
——（二）；
式二中，Xσ是平均值为O的高斯分布随机变数，其标准差范围为4～10；k的范围在2～5之间，取d=1，代入式一得Loss，即PL（d0）的值，此时各未知节点的定位标签接收锚节点的定位标签的信号强度为：
RSSI=发射功率+天线增益一路径损耗（PL（d））；
基于RSSI的三角形质心定位算法的数学模型：
选定三个定位标签为锚节点，待计算位置的定位标签为未知节点；将三个锚节点分别设定为A、B、C，未知节点设定为D，根据RSSI模型计算出节点A和D的距离为rA，节点B和D的距离为rB，节点C和D的距离为rC；分别以A、B、C为圆心，rA、rB、rC为半径画圆，得三圆交叠区域；
计算三圆交叠区域的三个特征点的坐标，以这三个特征点为顶点做三角形，该三角形的质心即为未知点D的坐标；具体的，设定三个特征点分别为E、F、G，特征点E的计算方法为：
——（三）；
特征点F、特征点G的算法同式三；进一步得未知点的坐标为：；
定位算法过程如下：
作为锚节点的定位标签周期性向周围广播信息，信息中包括自身节点ID及坐标，未知节点的定位标签收到该信息后，对同一锚节点的RSSI取均值；
当未知节点的定位标签收集到设定数量的锚节点信息时，不再接收新信息，根据RSSI从强到弱对锚节点排序，并建立RSSI值与自身到锚节点距离的映射；
建立3个集合：
锚节点集合：；
未知节点到锚节点距离集合：；
锚节点位置集合：；
选取RSSI值大的前几个锚节点进行自身定位计算；
在B_set中优先选择RSSI值大的信标节点组合成下面的锚节点集合T_set：
——（四）；
对锚节点集合，依次根据式三算出三个特征点的坐标，最后由质心算法，得出未知节点坐标；
对求出的未知节点坐标集合取平均，得最终的未知节点坐标；
其中，定义定位误差为ER，假设得到的未知节点的坐标为（xm，ym），其真实位置为（x，y），则定位误差ER为：。
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