CN113395658A - 基于低功耗蓝牙的地下配电室定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于低功耗蓝牙的地下配电室定位方法,针对地下配电室巡检人员的实际需求,将低功耗ibeacon蓝牙室内定位技术应用在地下配电室中,采用位置指纹定位的方式规避气候、温度、遮挡物对定位精度带来的影响,帮助巡检人员快速寻找到故障源以及应急出口,提高了配电室设备故障检修的效率以及自身安全。
Description
技术领域
本发明涉及室内定位技术领域,具体来说,是一种地下配电室定位方法。
背景技术
随着物联网不断的融入人们的生活中,基于位置的服务给人们带来生活的便利,各种室内定位技术层出不穷,百花齐放,但在实际应用场景中比较单一,不够完善,尤其是定位精度以及***稳定性和鲁棒性,导致人们的一些特殊需求无法得到满足。
由于传统的室内定位算法本身的缺点和局限性,导致它们在现实生活中无法大规模的使用和推广,它们虽然都是模拟室外定位的成熟算法,但在室内如此复杂的环境下,信号本身受干扰严重,不同位置上接收到的信号具有强烈的特殊性,所以如何避免这种特殊性带来的困扰,或者减轻这种特殊性的带来的对定位精度的影响,是首先要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供基于低功耗蓝牙的地下配电室定位方法,以解决现有技术中存在的问题。
本发明的目的是这样实现的:基于低功耗蓝牙的地下配电室定位方法,本方法的***包括ibeacon蓝牙基站、蓝牙网关、HTTP服务器、SQLite数据库以及可供操作人员手持的智能显示终端机,所述智能显示终端机是手机、平板电脑或其他智能终端设备中的任意一种;
本方法包含离线阶段和在线阶段,所述离线阶段进行指纹采集和地图数据库的建立,所述在线阶段通过部署在服务器中的算法进行实时定位;
所述智能显示终端机用于采集信号,构建配电室电子地图,显示每个设备在图上的位置并标号,实时显示巡检人员自身位置情况,以及所在室内设备位置、出入口位置,并记录巡检人员行走轨迹。
进一步地,还包括试定位阶段,采用蓝牙网关对手机终端蓝牙设备数据进行采集,读取信标的MAC地址、UUID、major、minor、RSSI数据,并发送到本地Apache服务器当中,服务器端将所有功能模块封装成API接口,当移动终端对就进行请求时,会将相应结果进行反馈。
进一步地,在数据传输时,首先服务器会接收采集终端发送过来的RSSI指纹信息,并进行剔除和优化处理,并将最后的指纹数据发送至数据库层,建立指纹数据库;其次,服务器端会对实时终端的定位请求进行反应,通过定位算法模块进行位置定位计算,反馈终端的位置。
进一步地,在离线阶段,首先在定位区域部署作为蓝牙信标的AP参考节点,并将其划分成若干规则化排列的格点,给参考所在区域分配区域编号ID,然后对这些设定的AP模块通过特定的方法进行信号采集,经过训练提取出相关的特征参数;
将这些特征参数连同该参考点的位置信息形成一条指纹向量,将这些得到的指纹向量发送至服务器保存起来,建立特定的、作为指纹地图的RSSI位置指纹数据库。
进一步地,在离线阶段中的特征参数至少包括位置信息、接收信号强度。
进一步地,在离线阶段,采用高斯滤波处理指纹数据。
进一步地,本方法的在线阶段中,在用户进入定位区域后,通过设备采集用户当前的位置指纹信息,首先通过支持向量机算法对被定位单位进行区域划分,确定所在区域的ID,匹配时仅在所属区域进行遍历以减少搜索空间的大小;
随后传输至服务器,服务器在接收到实时传送的位置指纹数据后,将其转换成与对应指纹地图一致的指纹格式,并将其通加权K近邻算法将其与己经建立的指纹数据库进行匹配,计算每个参考指纹距当前指纹向量的欧式距离、曼哈顿距离和切比雪夫距离,并计算出K个距离最小的参考指纹序列,根据K个指纹序列的坐标经距离反向加权获得智能手机的坐标位置匹配出最相似的数据信息,最终得到的结果即为用户的位置信息。
本发明的有益效果在于:
1、基于目前地下配电室封闭潮湿干扰性强的情况,克服目前配电室巡检人员由于室内空旷电力设备繁杂多样而造成的搜寻设备困难的问题,结合蓝牙4.0低功耗以及蓝牙信标体积小、便于携带且放置时间长等特点,既能够实时精确定位巡检人员位置,又能够记录巡检人员行走轨迹,完成巡检人员手机终端定位***设计;
2、以往在构建指纹数据库时对环境没有针对性导致数据精度不够,本发明则根据室内配电室环境空旷、潮湿度和封闭性都较大,以及摆设的电力设备较多且呈规则化分布的特性,创新地采用区域分类的思想,给参考节点所在区域分配ID,构建多维指纹数据库,引入高斯滤波器对数据进行优化,做到有的放矢,提高定位精度;
3、由于地下配电室在阴天及下雨天室内空气潮湿度以及信号传播效率都会有所不同,故在进行SVM(支持向量机算法)区域分类之前将输入参数分为三类,分别是雨天、阴天及正常情况下的指纹序列,后再利用SVM确定待定位点所在的区域ID,匹配时仅在所属区域进行遍历,以此减小搜索空间的大小,引入曼哈顿距离和切比雪夫距离优化定位过程中的权重,同样提高了定位精度;
4、克服了地下配电室巡检人员搜寻设备困难、逃生困难以及不易记录巡检情况的难题,在智能设备终端上能够实时显示巡检人员在配电室中位置,各设备位置以及巡检人员行走记录,尤其标明出口位置,具有地下配电室巡检人员的设备搜寻及紧急情况疏散的功能。
附图说明
图1是本发明的指纹定位总体流程图。
图2是实时定位时的流程图。
图3是定位地图界面示意图。
图4是本发明的数据采集界面示意图。
具体实施方式
下面结合附图1-4和具体实施例对本发明进一步说明。
参阅图1-4,本实施例提出了一种基于低功耗蓝牙的地下配电室定位方法,本方法的***包括ibeacon蓝牙基站、蓝牙网关、HTTP服务器、SQLite数据库以及可供操作人员手持的智能显示终端机,智能显示终端机是手机、平板电脑或其他智能终端设备中的任意一种,本实施例中采用的是手机。
所述ibeacon蓝牙基站设置如下:采用四月兄弟(April Brothers)公司型号为TICC2541的iBeacon设备,尺寸大小为41*41*20mm,重30克。材质选用的是进口中的ABS原材料,传输距离为60m,在开阔的实际测试最大可以达到120m。CR2477大容量纽扣电池,电池的工作时间可达2年以上,信号每隔0.8s发射一次。产品的优点是超低功耗,保证电池续航时间,经过严格的功耗测试以及电量分析,在0.8s的信号发射间隔,保证电池两年的续航能力。电池使用寿命长,满足本试验对硬件的要求。
蓝牙网关设备同样采用了四月兄弟BLE网关4.0,该网关基于NRF52832蓝牙芯片,支持双向传输,空地范围达30m,网关读取信标或自定义标签格式的iBeacon和Eddystone并将其发送到本地TCP服务器。用户可以通过简单的HTTP API配置发送周期和服务器信息。尺寸为73*74*20mm。输入DC5V/1000mA,微型USB或标准POE 48V,工作温度为-20℃至60℃,能够同时读取多个BLE设备,并支持Web Socket/HTTP/MQTT协议。
HTTP服务器采用Apache HTTP Server,它快速、可靠并且可通过简单的API扩展,将Perl/Python等解释器编译到服务器中。
数据库采用SQLite,SQLite库提供了轻量级关系数据库的支持,3DLibraries库使得***能够使用硬件3D加速或者经过高度优化的软件3D加速功能,媒体库能使***支持播放和录制各种类型的音、视频格式文件并提供了图片查看功能。在***运行库层还包含有Android运行时库,该库提供的核心库使得开发者能够利用Java语言来编写Android***应用。另外Android运行时库中还包含了Dalvik虚拟机,该虚拟机是为移动设备定制的,它针对手机的CPU、内存等性能有限这一情况进行了专门的优化,使得每一个Android***应用都能运行在独立的进程之中,并且拥有一个自己的Dalvik虚拟机实例。
上述智能显示终端机用于采集信号,构建配电室电子地图,显示每个设备在图上的位置并标号,实时显示巡检人员自身位置情况,以及所在室内设备位置、出入口位置,并记录巡检人员行走轨迹。
本方法包含离线阶段和在线阶段,所述离线阶段进行指纹采集和地图数据库的建立,所述在线阶段通过部署在服务器中的算法进行实时定位。
在离线阶段,为建立指纹数据库,通过手机端APP采集接收到附近三个以上基站的蓝牙信号,结合其他位置参数建立指纹数据库,包括UUID、Major、Minor、RSSI以及参考点坐标四种,分别作为设备的唯一标识、主要值、次要值、接收信号强度。通过前三个值可以帮助找到蓝牙基站,RSSI可以通过定位算法实现定位。构建好离线数据库后由于RSSI的时变性使得采样结果出现多个特殊值,所以需要对特殊值进行剔除并加入滤波处理,本专利采用高斯均值滤波滤除突变数据。
首先在定位区域部署作为蓝牙信标的AP参考节点,并将其划分成若干规则化排列的格点,根据区域分类的思想,给参考所在区域分配区域编号ID,然后对这些设定的AP模块通过特定的方法进行信号采集,经过训练提取出相关的特征参数(位置信息、接收信号强度等参数);
将这些特征参数连同该参考点的位置信息形成一条指纹向量,将这些得到的指纹向量发送至服务器保存起来,建立特定的、作为指纹地图的RSSI位置指纹数据库。
在实际测距情况下,受多路径、非视距等因素的影响,使接收到的RSSI值存在很大的波动性,导致偏离真实值。针对原始数据的波动现象,本研究在分析普通算法基础上,提出改进,采用高斯滤波处理指纹数据,能够有效避免突变值和干扰值对数据库采集精读带来的影响。
本方法的在线阶段也称为定位阶段或实时信号匹配阶段,最主要的目的是采集目标节点的实时位置指纹数据来进行实时定位,进一步说是,采集目标节点的实时位置,将采集的指纹信息通过蓝牙网关传入到服务器的数据库当中,并通过在服务器部署的定位算法得出参考节点的实时位置,并在手机终端通过地图标识的方式显示。
在该阶段进行时:在用户进入定位区域后,通过设备采集用户当前的位置指纹信息,首先通过支持向量机算法对被定位单位进行区域划分,确定所在区域的ID,匹配时仅在所属区域进行遍历以减少搜索空间的大小;
随后传输至服务器,服务器在接收到实时传送的位置指纹数据后,将其转换成与对应指纹地图一致的指纹格式,并将其通加权K近邻算法将其与己经建立的指纹数据库进行匹配,计算每个参考指纹距当前指纹向量的欧式距离、曼哈顿距离和切比雪夫距离,并计算出K个距离最小的参考指纹序列,根据K个指纹序列的坐标经距离反向加权获得智能手机的坐标位置匹配出最相似的数据信息,最终得到的结果即为用户的位置信息。
数据传输时,在试定位阶段,采用蓝牙网关对手机终端蓝牙设备数据进行采集,读取信标的MAC地址、UUID、major、minor、RSSI数据,并发送到本地Apache服务器当中,服务器端将所有功能模块封装成API接口,当移动终端对就进行请求时,会将相应结果进行反馈。
首先服务器会接收采集终端发送过来的RSSI指纹信息,并进行剔除和优化处理,并将最后的指纹数据发送至数据库层,建立指纹数据库;其次,服务器端会对实时终端的定位请求进行反应,通过定位算法模块进行位置定位计算,反馈终端的位置。
以上是本发明的优选实施例,本领域普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进,在不脱离本发明总的构思的前提下,这些变换或改进都应当属于本发明要求保护范围之内。
Claims (7)
1.基于低功耗蓝牙的地下配电室定位方法,其特征在于,本方法的***包括ibeacon蓝牙基站、蓝牙网关、HTTP服务器、SQLite数据库以及可供操作人员手持的智能显示终端机,所述智能显示终端机是手机、平板电脑或其他智能终端设备中的任意一种;
本方法包含离线阶段和在线阶段,所述离线阶段进行指纹采集和地图数据库的建立,所述在线阶段通过部署在服务器中的算法进行实时定位;
所述智能显示终端机用于采集信号,构建配电室电子地图,显示每个设备在图上的位置并标号,实时显示巡检人员自身位置情况,以及所在室内设备位置、出入口位置,并记录巡检人员行走轨迹。
2.根据权利要求1所述的基于低功耗蓝牙的地下配电室定位方法,其特征在于:还包括试定位阶段,采用蓝牙网关对手机终端蓝牙设备数据进行采集,读取信标的MAC地址、UUID、major、minor、RSSI数据,并发送到本地Apache服务器当中,服务器端将所有功能模块封装成API接口,当移动终端对就进行请求时,会将相应结果进行反馈。
3.根据权利要求2所述的基于低功耗蓝牙的地下配电室定位方法,其特征在于:在数据传输时,首先服务器会接收采集终端发送过来的RSSI指纹信息,并进行剔除和优化处理,并将最后的指纹数据发送至数据库层,建立指纹数据库;其次,服务器端会对实时终端的定位请求进行反应,通过定位算法模块进行位置定位计算,反馈终端的位置。
4.根据权利要求1所述的基于低功耗蓝牙的地下配电室定位方法,其特征在于:在离线阶段,首先在定位区域部署作为蓝牙信标的AP参考节点,并将其划分成若干规则化排列的格点,给参考所在区域分配区域编号ID,然后对这些设定的AP模块通过特定的方法进行信号采集,经过训练提取出相关的特征参数;
将这些特征参数连同该参考点的位置信息形成一条指纹向量,将这些得到的指纹向量发送至服务器保存起来,建立特定的、作为指纹地图的RSSI位置指纹数据库。
5.根据权利要求4所述的基于低功耗蓝牙的地下配电室定位方法,其特征在于:在离线阶段中的特征参数至少包括位置信息、接收信号强度。
6.根据权利要求4所述的基于低功耗蓝牙的地下配电室定位方法,其特征在于:在离线阶段,采用高斯滤波处理指纹数据。
7.根据权利要求1所述的基于低功耗蓝牙的地下配电室定位方法,其特征在于:本方法的在线阶段中,在用户进入定位区域后,通过设备采集用户当前的位置指纹信息,首先通过支持向量机算法对被定位单位进行区域划分,确定所在区域的ID,匹配时仅在所属区域进行遍历以减少搜索空间的大小;
随后传输至服务器,服务器在接收到实时传送的位置指纹数据后,将其转换成与对应指纹地图一致的指纹格式,并将其通加权K近邻算法将其与己经建立的指纹数据库进行匹配,计算每个参考指纹距当前指纹向量的欧式距离、曼哈顿距离和切比雪夫距离,并计算出K个距离最小的参考指纹序列,根据K个指纹序列的坐标经距离反向加权获得智能手机的坐标位置匹配出最相似的数据信息,最终得到的结果即为用户的位置信息。
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