CN106686722A - 基于css技术的大型室内环境定位的微基站及工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于CSS技术的大型室内环境下定位的微基站及工作方法，本发明中的CSS射频模块和天线通过SPI总线与MCU控制处理模块连接，作为实现大型室内环境定位功能的主测距信号；zigbee模块/WIFI模块/蓝牙模块作为可选择功能模块，根据室内定位已有网络环境和功能需求，用于选择不同模块实现微基站接入到当前已有的网络环境中，同时提供定位中的辅助测距信号并通过SPI总线与MCU控制处理模块连接；气压测高模块提供定位***中的高度测定，用于大型室内环境中的多层建筑区分，通过SPI总线与MCU控制处理模块连接，本发明实现大型室内环境下的高精度定位，定位精度高，稳定性好。

Description

基于CSS技术的大型室内环境定位的微基站及工作方法
技术领域
本发明属于物联网室内定位微基站及工作方法，具体涉及一种基于CSS技术的大型室内环境定位的微基站及工作方法。
技术背景
近年来，随着无线网络技术、信息处理技术的快速发展，基于定位信息的服务与应用需求日益增加，这些服务都需要依靠对人或物的精确定位来实现。此外，节点定位问题是无线传感网络中的关键技术之一，获得节点观测事件发生的位置或采集信息的节点位置是无线传感网络最基本的功能之一，也是无线传感网络其他如拓扑控制、位置路由等关键技术的基础。然而，受成本、复杂室内环境、算法鲁棒性不强等因素的影响，目前尚未有比较完善的定位技术方案。当前采用的定位方案包括红外线定位技术、超声波定位技术、蓝牙定位技术、定位技术、RFID定位技术，超宽带定位技术、WIFI定位技术等，这些定位方案都有着或多或少的缺陷，其中定位精度比较高的***存在信号带宽过宽、成本较高的问题，而定位精度比较低的***存在不够精确、不够稳定的问题，因此实现面向复杂室内环境的、健壮的、较高精度的无线定位目前仍然是一个研究热点及难点。本发明在分析多种定位***技术的基础上，采用线性调频扩频(Chirp Spread Spectrum,CSS)的高精度室内定位方法作为微基站的主测距信号，该定位技术在中短距离内具有良好的定位精度和稳定性，在产品功耗、抗干扰性、移动性等方面具有良好的性能；同时采用常用zigbee模块/WIFI模块/蓝牙模块作为辅助测距模块，实现主测距信号与辅助测距信号的融合定位，从而为地下车库、大型购物商场等场所提供一种广域、高精度的定位基站，具有良好的应用前景。
发明内容
本发明针对当前常用室内定位方案存在的问题，如定位精度比较高的***存在信号带宽过宽、成本较高的问题，而定位精度比较低的***存在不够精确、不够稳定的问题，难以实现面向复杂室内环境的、健壮的、较高精度方案，提出了一种基于CSS技术的大型室内环境定位的微基站及工作方法。
一种基于CSS技术的大型室内环境定位的微基站，包括MCU控制处理模块，CSS射频模块、天线、zigbee模块/WIFI模块/蓝牙模块和气压测高模块。
所述的CSS射频模块通过SPI总线与MCU控制处理模块连接，可选zigbee模块/WIFI模块/蓝牙模块通过SPI总线与MCU控制处理模块连接，气压测高模块通过SPI总线与MCU控制处理模块连接，MCU控制处理模块上设有天线。
基于CSS技术的大型室内环境定位的微基站的工作方法，具体包括以下步骤：
步骤一：所述微基站工作时包括微基站和用户终端，用户终端通过气压测高模块测量用户终端所处位置的气压值，将所述气压值转换后得到大地高程值，得到用户终端工作的等高程曲面，得到微基站与用户终端的高程差h1；
步骤二：用户终端首先通过可选模块zigbee模块/WIFI模块/蓝牙模块测量用户终端与微基站之间的RSSI值，并通过多次测量求平均值的方法对RSSI值进行平滑滤波，降低噪声干扰，然后通过通用对数正态分布路径损耗模型得到RSSI与距离的关系，计算得到用户终端到微基站的距离ρ1,并通过多次测量求平均值的方法对ρ1进行平滑滤波；
步骤三：用户终端采用对称双面双向测距法通过CSS主测距模块测量用户终端与微基站之间的距离ρ2，并通过求平均值的方法ρ2对进行平滑滤波；
步骤四：实现距离ρ1和距离ρ2的信息融合。
在室内测距时，基于RSSI的测距在距离近时测距精度较高，而CSS测距在近距离时误差相对较大；在远距离时，RSSI测距算法存在的耗损和噪声产生误差的较大，而CSS测距的精度较高，因此设置融合阈值，当米以内的测距时，将测距信息ρ2作为预测值，测距信息ρ1作为观测值，辅助修正定位,通过联合卡尔曼滤波的方式得到用户终端与微基站的距离ρ3；，
当米的测距时，采用加权的方式实现距离ρ1和距离ρ2的信息融合：
ρ3＝βρ1+(1-β)ρ2；
其中β取值为服从的概率密度函数。
步骤五：通过三次测量，由距离ρ3和高程值h1，通过三边定位算法得到用户终端的三维空间坐标。
所述用于大型室内环境定位的微基站采用多源信号融合的方式定位，其采用CSS技术作为实现大型室内环境定位功能的主测距信号，根据室内定位已有网络环境和功能需求，采用zigbee模块/WIFI模块/蓝牙模块作为辅助测距信号模式；
所述微基站的主测距CSS模块采用Nanotron公司的nanoPAN5375射频模块，并通过SPI总线与MCU控制处理模块连接，通过2.4G天线采用基于SDS-TWR(对称双面双向测距)进行室内测距；
所述用于该微基站的辅助测距信号根据当前室内已有网络环境，选择zigbee模块/WIFI模块/蓝牙模块其中的一个作为辅助测距信号实现室内高精度定位，同时通过该模块实现微基站接入到当前已有的网络环境中，并通过SPI总线与MCU控制处理模块连接；
所述微基站的气压测高模块，用于提供定位***中的高度测定，实现大型室内环境中的多层建筑区分，并通过SPI总线与MCU控制处理模块连接。
本发明专利所述的基于CSS技术的大型室内环境定位的微基站，通过主测距信号和辅助测距信号融合在一起，使用多个测距量值有效的提高定位精度，该微基站能够实现大型室内环境的定位，如多层地下车库、大型购物商厦、机场等广域场所，并能实现三维立体空间的地位，在单基站50平米的范围内，实现精度1米的定位效果，具有良好的应用前景。
附图说明
图1本发明***框图。
具体实施方式
参见图1，
一种用于大型室内环境定位的微基站，包括MCU控制处理模块，CSS射频模块、天线、zigbee模块/WIFI模块/蓝牙模块和气压测高模块。
所述的CSS射频模块通过SPI总线与MCU控制处理模块连接，可选zigbee模块/WIFI模块/蓝牙模块通过SPI总线与MCU控制处理模块连接，气压测高模块通过SPI总线与MCU控制处理模块连接，MCU控制处理模块上设有天线。
基于CSS技术的大型室内环境定位的微基站的工作方法，具体包括以下步骤：
步骤一：所述微基站工作时包括微基站和用户终端，用户终端通过气压测高模块测量用户终端所处位置的气压值，将所述气压值转换后得到大地高程值，得到用户终端工作的等高程曲面，得到微基站与用户终端的高程差h1；
步骤二：用户终端首先通过可选模块zigbee模块/WIFI模块/蓝牙模块测量用户终端与微基站之间的RSSI值，并通过多次测量求平均值的方法对RSSI值进行平滑滤波，降低噪声干扰，然后通过通用对数正态分布路径损耗模型得到RSSI与距离的关系，计算得到用户终端到微基站的距离ρ1,并通过多次测量求平均值的方法对ρ1进行平滑滤波；
步骤三：用户终端采用对称双面双向测距法通过CSS主测距模块测量用户终端与微基站之间的距离ρ2，并通过求平均值的方法ρ2对进行平滑滤波；
步骤四：实现距离ρ1和距离ρ2的信息融合。
在室内测距时，基于RSSI的测距在距离近时测距精度较高，而CSS测距在近距离时误差相对较大；在远距离时，RSSI测距算法存在的耗损和噪声产生误差的较大，而CSS测距的精度较高，因此设置融合阈值，当米以内的测距时，将测距信息ρ2作为预测值，测距信息ρ1作为观测值，辅助修正定位,通过联合卡尔曼滤波的方式得到用户终端与微基站的距离ρ3；，
当米的测距时，采用加权的方式实现距离ρ1和距离ρ2的信息融合：
ρ3＝βρ1+(1-β)ρ2；
其中β取值为服从的概率密度函数。
步骤五：通过三次测量，由距离ρ3和高程值h1，通过三边定位算法得到用户终端的三维空间坐标。
本发明实施例适用流程如下：
在大型室内环境定位过程中，根据已有的室内网络环境，选择zigbee模块/WIFI模块/蓝牙模块其中的一个模块作为与外部环境通信的模块，同时作为辅助测距信号实现室内高精度定位。CSS模块通过SPI总线与MCU控制处理模块进行数据交互，同时通过天线与外部待定位节点进行定位数据的接收和发送，并采用SDS-TWR(对称双面双向测距)方式进行室内测距，获取定位的主测距值后上传到MCU控制处理模块，然后通过可选的外部通信模块将获得的主测距数据上传到外部待定位节点中；同时辅助测距模块通过MCU控制进行命令交互，并通过天线与外部待定位节点进行辅助定位数据的接收和发送，获取辅助定位数据，并将辅助定位数据上传待定位节点；同时气压测高模块通过MUC控制获取测得的高度信息，也通过外部环境通信模块上传到待定位节点中，待定位节点根据获取的三类测距数值的融合实现高精度的定位。

Claims (6)

1.基于CSS技术的大型室内环境定位的微基站，包括MCU控制处理模块，CSS射频模块、天线、zigbee模块/WIFI模块/蓝牙模块和气压测高模块；
所述的CSS射频模块通过SPI总线与MCU控制处理模块连接，zigbee模块/WIFI模块/蓝牙模块通过SPI总线与MCU控制处理模块连接，气压测高模块通过SPI总线与MCU控制处理模块连接，MCU控制处理模块上设有天线。
2.根据权利要求1所述的基于CSS技术的大型室内环境定位的微基站的工作方法，具体包括以下步骤：
步骤一：所述微基站工作时包括微基站和用户终端，用户终端通过气压测高模块测量用户终端所处位置的气压值，将所述气压值转换后得到大地高程值，得到用户终端工作的等高程曲面，得到微基站与用户终端的高程差h1；
步骤二：用户终端首先通过可选模块zigbee模块/WIFI模块/蓝牙模块测量用户终端与微基站之间的RSSI值，并通过多次测量求平均值的方法对RSSI值进行平滑滤波，降低噪声干扰，然后通过通用对数正态分布路径损耗模型得到RSSI与距离的关系，计算得到用户终端到微基站的距离ρ1,并通过多次测量求平均值的方法对ρ1进行平滑滤波；
步骤三：用户终端采用对称双面双向测距法通过CSS主测距模块测量用户终端与微基站之间的距离ρ2，并通过求平均值的方法ρ2对进行平滑滤波；
步骤四：实现距离ρ1和距离ρ2的信息融合；
在室内测距时，基于RSSI的测距在距离近时测距精度较高，而CSS测距在近距离时误差相对较大；在远距离时，RSSI测距算法存在的耗损和噪声产生误差的较大，而CSS测距的精度较高，因此设置融合阈值，当米以内的测距时，将测距信息ρ2作为预测值，测距信息ρ1作为观测值，辅助修正定位,通过联合卡尔曼滤波的方式得到用户终端与微基站的距离ρ3；，
当米的测距时，采用加权的方式实现距离ρ1和距离ρ2的信息融合：
ρ3＝βρ1+(1-β)ρ2；
其中β取值为服从的概率密度函数；
步骤五：通过三次测量，由距离ρ3和高程值h1，通过三边定位算法得到用户终端的三维空间坐标。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于CSS技术的大型室内环境定位的微基站，其特征在于：所述用于大型室内环境定位的微基站采用多源信号融合的方式定位，其采用CSS技术作为实现大型室内环境定位功能的主测距信号，根据室内定位已有网络环境和功能需求，采用zigbee模块/WIFI模块/蓝牙模块作为辅助测距信号模式。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于CSS技术的大型室内环境定位的微基站，其特征在于：所述微基站的主测距CSS模块采用Nanotron公司的nanoPAN5375射频模块，并通过SPI总线与MCU控制处理模块连接，通过2.4G天线采用基于SDS-TWR进行室内测距。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于CSS技术的大型室内环境定位的微基站，其特征在于：所述用于该微基站的辅助测距信号根据当前室内已有网络环境，选择zigbee模块/WIFI模块/蓝牙模块其中的一个作为辅助测距信号实现室内高精度定位，同时通过该模块实现微基站接入到当前已有的网络环境中，并通过SPI总线与MCU控制处理模块连接。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于CSS技术的大型室内环境定位的微基站，其特征在于：所述微基站的气压测高模块，用于提供定位***中的高度测定，实现大型室内环境中的多层建筑区分，并通过SPI总线与MCU控制处理模块连接。
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