CN106657419B - 一种物联网室内三维无线信号测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种物联网室内三维无线信号测量方法，利用GPS读取初始时间和坐标，CPU的温补TCXO实时校准GPS的时间；将GPS产生初始坐标与手持设备(物联网)的惯性导航单元产生的相对坐标校准，产生室内的三维绝对坐标；无线接收单元读取当前信号RSSI(接收机信号强度指示)，文件存储单元存储坐标；存储上述文件与服务器同步，服务器将多个文件合并与融合后，并生成三维网格，将所得信号强度数据进行线性三维插值，生产本区域完整的信号强度覆盖数据。本发明提供的物联网室内三维无线信号测量方法设计简单科学，成本低，测量简单，且能生产室内三维信号覆盖，便于评估组网与干扰性能。

Description

一种物联网室内三维无线信号测量方法
技术领域
本发明涉及物联网无线组网领域，特别是一种物联网室内三维无线信号覆盖的性能测量方法。
背景技术
物联网飞速发展，在很多领域需要无线密集组网，良好的组网信号覆盖(特别是室内组网覆盖)是***性能的基本保证。物联网的无线信号覆盖是一个公共基础问题，在覆盖不良的情况下，会出现通信断续或中断，影响物联网***的正常运行。
在无线***部网实施过程中，物联网无线***往往具有组网密度高、单节点成本低等苛刻要求，而室内无线传播因素众多、传播规律复杂，在室内几乎不可能使用解析方法来计算，也不能照搬使用2/3/4G移动通信***的网络规划和网络优化等高成本手段，比如信号覆盖软件建模与预测，高成本仪器路测等。在行业应用中，迫切需要一种便携的高性价比的无线信号覆盖测量***，来对无线组网的信号覆盖性能进行快速和有效的测量。
注：NEO-8M为北斗***中的模块；TCXO为温补晶体振荡器；UTC时间为世界标准时间；RSSI为接收信号强度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于手持设备的物联网室内三维无线信号测量方法。
为了克服上述现有技术中的缺陷本发明采用如下技术方案：
一种物联网室内三维无线信号测量方法，其特征在于：
A.利用GPS读取初始时间和坐标，CPU的温补TCXO实时校准GPS的时间；
B.将GPS产生初始坐标与物联网的惯性导航单元产生的相对坐标校准，生成室内的三维绝对坐标；
C.无线接收单元读取当前信号RSSI，文件存储单元存储信号RSSI与B中的三维绝对坐标；
D.存储上述文件与服务器同步，服务器将多个文件合并与融合后，并生成三维网格，将所得信号强度数据进行线性三维插值，生成本区域完整的信号强度覆盖数据。
进一步地，GPS使用NEO-8M高精度模块；物联网通过在开阔地或窗边捕获到GPS信号，得到三维坐标、UTC时间和秒脉冲。
进一步地，利用GPS产生初始秒脉冲和UTC时间，再设置高精度TCXO时钟进行温度进一步补偿，在无GPS时钟情况下进行时钟接力，使得***在测试时间内维持高精度统一时钟。
进一步地，在TCXO上设有一个高精度温度传感器，测量其温度变化对应的偏移误差，进行平均后曲线拟合，将拟合后的数据记录在CPU的flash中，在补偿中调用数据，经测量能在4小时内维持ms量级精度。
优选地，在长时间测量条件下，需要对室内坐标进行校准，B中的三维绝对坐标与激光测距坐标校准单元校准测量后，生成更精确三维绝对坐标。
优选地，使用激光测距对A和B中已知标记点进行偏移坐标测距，测距后***生产校准后的绝对坐标，同时存储在文件***中备用。
进一步地，C中的无线信号强度接收单元，使用锁频的对应频段物联网接收芯片，按照10Hz或更高的频率读取当前RSSI，结合当前时刻时空坐标(x,y,z,t)，合并为一个五元组，写入手持设备文件***中存储备用。
进一步地，当一组测量完成之后，将所有数据通过WiFi单元同步到服务器。
进一步地，N个设备同时进行测量，并同步到服务器，服务器将数据进行合并、校准、融合，服务器生成一个三维网格，对测量三维数据进行三维线性插值，得到一个全信号覆盖数据库。
优选地，一种物联网室内三维信号测量装置，包括手持设备与数据融合服务器，其特征为：手持设备包括中央处理器CPU，分别与中央处理器CPU连接的物联网接收机、GPS接收机构、激光测距仪、WiFi同步机构、储存器、TCXO与温度测量、惯导单元；其中物联网接收机、GPS接收机构和WiFi同步机构都设有天线；通过WiFi同步天线与数据融合服务器连接。
本发明提供的物联网室内三维无线信号测量方法设计简单科学，通过手持设备经过的每个空间坐标与时标点的信号强度测量，并可由多个设备并行测量，在服务器端完成数据同步与融合，进行线性插值生成整个覆盖区域的三维信号覆盖数据。成本低，测量简单，且能生产室内三维信号覆盖，便于评估组网与干扰性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
图1是本发明一种物联网室内三维无线信号测量方法实施例示意图；
图2为时标产生与维持的流程图；
图3为惯性导航坐标产生的示意图；
图4为激光测距校准流程示意图；
图5为RSSI接收与记录流程示意图；
图6为多个设备测量时的工作示意图；
图7为一种物联网室内三维无线信号测量装置示意图。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此以本发明的示意性实施例及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1至图7所示，一种物联网室内三维无线信号测量方法，GPS单元使用NEO-8M高精度模块；通过在开阔地或窗边捕获到GPS信号，得到三维坐标、UTC时间和秒脉冲。CPU根据秒脉冲，结合TCXO和测温电路，对时钟进行校准后，CPU维持一个误差为10us量级的精确时钟，给出锁定指示。可以进入室内测量，由于坐标的更新速率可到10Hz或更高，可以用小跑的速度测量，一来降低测量时间，二来降低惯性导航单元的积累误差。
通过物联网接收机实时更新RSSI，该物联网接收机可采用频段通用低成本的接收机来接收RSSI；同时通过惯性导航单元生成每个时刻的室内坐标(x,y,z),结合时标，生成每一个时刻的三维信号强度采样值，形成五元组(x,y,z,t,RSSI)。
CPU对每个三维信号强度采样值进行实时存储，记录到SD卡文件中。
激光测距单元为三个相互垂直的测距单元(一个单元垂直向下测距，测出离开地面的高度，另外两个单元测出与墙壁的距离)，测量与一个已知坐标点的坐标偏差；手动设置生成带时标的一个校准绝对坐标点(x_c,y_c,z_c,t)，同步记录到SD卡中。
当一组测量完成之后，将所有数据通过WiFi同步到服务器。
N个设备可同时进行测量，可将一个大区域分割为多个小区域同步测量；并同步到服务器，服务器将数据进行合并、校准、融合，数据服务器生成一个三维网格，比如精度0.1m间距，对测量三维数据进行三维线性插值，也可以选高阶插值提高精度，得到一个全信号覆盖数据库。
时标产生单元：一个动态的三维信号数据需要一个全局统一的精确时钟，GPS时钟在室内不能使用，使用GPS时钟初始化，然后利用CPU接续校准的方法，维持精确时钟。GPS在开阔的地方定位后得到UTC时间和秒脉冲，利用该初始时间用CPU进行接力计时；CPU使用1ppm左右的TCXO，在TCXO上设计了一个高精度温度传感器，测量其温度变化对应的偏移误差，进行平均后曲线拟合，将拟合后的数据记录在CPU的flash中，在补偿中调用数据，经测量能在4小时内维持ms量级精度。满足多设备数据同步测量的要求，每秒测量10次信号强度，每次100ms时间，误差很小。
惯性导航单元：本单元根据高精度GPS单元在开阔地或窗口边获得三维坐标：经纬度和高度，经纬度是度分格式，高度单位是m，然后与惯性导航芯片进行对准后，惯性导航芯片9轴：三轴加速度，三轴陀螺仪，三轴磁力计，惯性导航芯片输出通过计算相对坐标，生成当前时刻的绝对坐标。
激光测距校准单元：在室内长时间，超过一小时或大区域测量时，惯性导航单元会产生较大的积累误差，可在室内校准该坐标；选定一个室内已知坐标点，比如墙壁上某个标签，通过激光测距单元测量与标签的相对坐标偏差，作为校准值联合时标记录在SD卡中。
信号强度接收与记录单元：如上所述，在***准备好时空坐标(x,y,z,t)后，无线接收机单元采用具有锁频功能的通用物联网芯片，一般来说，此类芯片具有-100～-30dBm的RSSI自动测量范围，实时测量当前时刻所关心频段的RSSI值，合并时空坐标组成五元组(x,y,z,t,RSSI)，然后将该数据存入SD卡文件当中，即使以每秒100次的速率测量，SD卡数量率也不超过50kbps的写入速度。
数据同步单元：在多个手持设备完成一定区域的测量后，将数据通过wifi单元同步到数据服务器，服务器首先进行初步融合，按时空坐标合并冗余数据，数据服务器生成均匀坐标三维网格，基于场强的连续变化原理；进行三维线性插值得到全覆盖的信号覆盖数据。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种物联网室内三维无线信号测量方法，其特征在于：
A.利用GPS读取初始时间和坐标，CPU的温补TCXO实时校准GPS的时间；
B.将GPS产生初始坐标与手持设备的惯性导航单元产生的相对坐标校准，生成室内的三维绝对坐标；
C.无线接收单元读取当前信号RSSI，文件存储单元存储信号RSSI与步骤B中的三维绝对坐标；
D.存储上述文件与服务器同步，服务器将多个文件合并与融合后，并生成三维网格，将所得信号强度数据进行线性三维插值，生成本区域完整的信号强度覆盖数据。
2.根据权利要求1所述的物联网室内三维无线信号测量方法，其特征在于：
GPS使用NEO-8M高精度模块；手持设备通过在开阔地或窗边捕获到GPS信号，得到三维坐标、UTC时间和秒脉冲。
3.根据权利要求1所述的物联网室内三维无线信号测量方法，其特征在于：
利用GPS产生初始秒脉冲和UTC时间，再设置高精度TCXO时钟进行温度进一步补偿，在无GPS时钟情况下进行时钟接力，使得***在测试时间内维持高精度统一时钟。
4.根据权利要求3所述的物联网室内三维无线信号测量方法，其特征在于：
在TCXO上设有一个高精度温度传感器，测量其温度变化对应的偏移误差，进行平均后曲线拟合，将拟合后的数据记录在CPU的flash中，在补偿中调用数据，经测量能在4小时内维持ms量级精度。
5.根据权利要求1所述的物联网室内三维无线信号测量方法，其特征在于：
在长时间测量条件下，需要对室内坐标进行校准，步骤B中的三维绝对坐标与激光测距坐标校准单元校准测量后，生成更精确三维绝对坐标。
6.根据权利要求5所述的物联网室内三维无线信号测量方法，其特征在于：
使用激光测距对步骤A和步骤B中已知标记点进行偏移坐标测距，测距后***生产校准后的绝对坐标，同时存储在文件***中备用。
7.根据权利要求1所述的物联网室内三维无线信号测量方法，其特征在于：
步骤C中的无线接收单元，使用锁频的对应频段物联网接收芯片，按照10Hz或更高的频率读取当前RSSI，结合当前时刻时空坐标(x,y,z,t)，合并为一个五元组，写入手持设备文件***中存储备用。
8.根据权利要求1所述的物联网室内三维无线信号测量方法，其特征在于：
当一组测量完成之后，将所有数据通过WiFi单元同步到服务器。
9.根据权利要求1所述的物联网室内三维无线信号测量方法，其特征在于：
N个设备同时进行测量，并同步到服务器，服务器将数据进行合并、校准、融合，服务器生成一个三维网格，对测量三维数据进行三维线性插值，得到一个全信号覆盖数据库。
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