基于物联网的全维度定位系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于物联网的全维度定位系统，包括移动定位终端、人工磁场发射器、电源及功放和云端处理器，所述移动定位终端用于目标的实时定位；所述人工磁场发射器用于为移动定位终端提供叠加的磁场；所述电源及功放用于对人工磁场发射器提供设定好的不同频率的电流信号；所述云端处理器用于接收移动定位终端测得的磁场信息，并进行相应的处理，获取移动定位终端的位置信息。本发明专利技术用于实现人或物体在三维空间内的全维度定位，具有定位精度高、穿透性好、不受恶劣天气条件和昼夜变化的直接影响等特点。

All-Dimensional Positioning System Based on Internet of Things

【技术实现步骤摘要】
基于物联网的全维度定位系统
本专利技术属于定位定向方法
，具体涉及一种基于物联网的全维度定位系统。
技术介绍
在火灾救援过程中，消防员担负着灭火的重要职责。但是由于大型建筑的构造往往十分复杂，当消防员需进入火灾现场时，往往会因为不熟悉建筑构造而迷路，对消防员的人身安全造成威胁，造成不必要的损失。对消防员进行室内的准确定位技术能够实时掌握消防员的位置及运动轨迹，能够在消防员遇险时及时找到目标，也更有利于进行救援工作。目前，对人或物的位置感知主要通过全球导航卫星系统(GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS)，如GPS，伽利略，北斗等定位技术来实现，但在室内环境中信号质量较低易导致GNSS失败，定位效果降低。尤其在火场环境中，烟雾、水汽重，房间隔板、金属结构、家具以及容易混淆的传感器等造成信号散射及多径效应明显，对定位系统的穿透力、抗干扰能力、续航能力均有较高要求。目前多数常见的定位系统，如紫蜂协议(ZigBee)技术、射频识别(RadioFrequencyIdentification，RFID)技术、红外线定位技术、蓝牙定位技术等在火灾环境中受恶劣环境影响较大，定位能力丧失或定位精度不能达到使用要求。论文“基于UWB的消防员火场定位系统研究”(《无线互联科技》，2018年第18期)中研究了基于超宽带技术的消防员火场定位系统，需要至少4个基站，同时需要保证各基站之间的时钟同步。基于UWB的消防员火场定位系统研究需要保证多个各基站之间的时钟同步，并且需要提前布设在消防现场，如果消防现场因故停电将无法实现预期定位目标。论文“消防员组合定位技术的研究”(《自动化技术与应用》2017年第36卷第7期)将WSN和惯性导航两种定位技术组合使用，使指挥员可以清楚明确现场消防员情况。WSN无线传感器网络定位技术容易受到外界环境的干扰，并且需要提前布设，而惯性导航技术测量过程中会造成误差累积，即便是使用这种方式的组合也存在成本高、需要提前布设的问题，不适用于突发情况。申请号为CN201020601264.X的名称为“一种基于无线Mesh网状网架构的消防员火场定位系统”的专利中公开了一种基于无线Mesh网状网架构的消防员火场定位系统。该系统由无线监控主机、若干无线定位子机和若干无线中继组成。其中无线监控主机由监控模块和无线中心节点模块组成，无线定位子机由中央处理单元模块，三轴磁阻传感模块、三轴加速度传感模块、三轴陀螺仪传感模块、高度传感模块、温度传感模块和无线终端节点模块组成。具体应用时，消防员佩带无线定位子机进入火灾现场或其它事故现场，指挥员通过无线监控主机监测各个消防员的姿态和运动轨迹。一种基于无线Mesh网状网架构的消防员火场定位系统组合了磁阻传感模块、加速度传感模块、三轴陀螺仪传感模块、温度传感模块以及高度传感模块等，设备复杂度高，成本高论文“定位技术在消防水源道路熟悉中的应用研究”(内蒙古科技与经济，2018年第23期，第102-103页)中论述了目前常用的定位技术，指出GPS定位技术存在的问题：在高层建筑密集的位置信号衰弱严重，会导致GPS系统信号不稳定甚至无法正常工作；手机基站定位技术受限于用户周围基站个数及覆盖网的大小，精度不高；WiFi定位技术的精度受热点数量的限制。
技术实现思路
本专利技术供一种基于物联网的全维度定位系统，用于实现人或物体在三维空间内的全维度定位，具有定位精度高、穿透性好、不受恶劣天气条件和昼夜变化的直接影响等特点。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下的技术方案：一种基于物联网的全维度定位系统，包括移动定位终端、人工磁场发射器、电源及功放和云端处理器，所述移动定位终端用于目标的实时定位；所述人工磁场发射器用于为移动定位终端提供叠加的磁场；所述电源及功放用于对人工磁场发射器提供设定好的不同频率的电流信号；所述云端处理器用于接收移动定位终端测得的磁场信息，并进行相应的处理，获取移动定位终端的位置信息。优选地，所述移动定位终端进一步包括磁传感器、信号采集模块、信号处理模块和电池，所述磁传感器用于感应所在位置的磁场信息，所述信号采集模块用于采集磁传感器所在位置的磁场信息，所述信号处理模块通过锁相环技术获得目标频率的磁场信息并计算目标数据，所述电池用于给磁传感器、信号采集模块、信号处理模块供电。优选地，采用将磁场强度信息以链表或散列表的形式存储在云端处理器，同时将粒子群算法求解位置的相关算法一并上传至云端处理器，然后通过磁传感器的实时测量数据并上传至云端算法的入口处，利用磁感应强度在空间直角坐标系中的位置和磁感应强度的矢量分量之间的关系，利用粒子群算法求解出移动定位终端所在的位置信息。优选地，所述利用粒子群算法求解出移动定位终端所在的位置信息进一步包括以下步骤：根据实际的需求，计算标准磁场强度信息并将其上传并存储在云端处理器上；输入已测量的磁场强度信息上传至云端处理器；选择初始区域；粒子群算法处理数据得到移动定位终端的数据信息；输出移动定位终端的位置信息。优选地，所述人工磁场发射器至少包括三个人工磁场发射环。优选地，所述计算标准磁场强度信息具体如下：在空间已知位置设置多个人工磁场发射环，并在每个人工磁场发射环上加载电流和频率不同的正弦电流信号形成信号源；设定每个人工磁场发射环在空间直角坐标系中的位置和输出频率；计算在所需定位范围内标准的磁场强度信息，并将该信息上传至云端处理器用于与安装在目标处的磁场传感器接收到的磁场强度进行对比；通过磁传感器接收到的磁感应信号，经过锁相放大器的处理，分别得到人工磁场发射环对应的磁感应强度分量，将三轴分量的数据通过链表或散列表的形式存储在云端，以便在后续与实际的磁场强度进行对比。优选地，所述粒子群算法处理数据得到移动定位终端的数据信息具体如下：首先建立一个存储位置的矩阵，在矩阵中每个元素存储了一个与下标相关的磁场信息，在此之前将每个下标与一个位置进行相关联，而磁场信息通过公式：求解，然后通过公式：上式的含义是将磁通门得到的测量信息与标准信息作比较，即可得到位置信息。优选地，粒子群算法的具体优化过程如下：粒子群算法初始化为一群随机粒子，即得到一个随机解，然后通过迭代找到最优解，在三维搜索空间中，具体步骤如下：(1)初始化粒子群各参数，包括群体规模N，每个粒子的位置X_i＝(x_i1，x_i2，x_i3)和速度V_i＝(v_i1，v_i2，v_i3)；其中，位置X_i就是待求的移动定位终端所在的空间位置索引的三维坐标，速度V_i是计算位置更新时用到的参数，体现在三维空间中搜索位置时的搜索步长和方向；(2)初始化寻优参数P_best(i)和g_best，其中，P_best(i)＝(p_i1，p_i2，p_i3)表示第i个粒子迄今为止搜索到的最优位置，称为个体极值；g_best＝(p_g1，p_g2，p_g3)表示整体粒子群迄今为止搜索到的最优位置，称为全局极值；(3)计算每个粒子的适应度值F_it[i]，i＝1，2，…，N.Bη(measured)表示移动定位终端实际得到的测量值；(4)对每个粒子，根据上面计算得到的适应度值更新其个体极值P_best(i)和全局极值g_best；即：如果F_it[i]＜P_best(i)，则令P_be本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于物联网的全维度定位系统，其特征在于，包括移动定位终端、人工磁场发射器、电源及功放和云端处理器，所述移动定位终端用于目标的实时定位；所述人工磁场发射器用于为移动定位终端提供叠加的磁场；所述电源及功放用于对人工磁场发射器提供设定好的不同频率的电流信号；所述云端处理器用于接收移动定位终端测得的磁场信息，并进行相应的处理，获取移动定位终端的位置信息。

【技术特征摘要】
1.一种基于物联网的全维度定位系统，其特征在于，包括移动定位终端、人工磁场发射器、电源及功放和云端处理器，所述移动定位终端用于目标的实时定位；所述人工磁场发射器用于为移动定位终端提供叠加的磁场；所述电源及功放用于对人工磁场发射器提供设定好的不同频率的电流信号；所述云端处理器用于接收移动定位终端测得的磁场信息，并进行相应的处理，获取移动定位终端的位置信息。2.如权利要求1所述的基于物联网的全维度定位系统，其特征在于，所述移动定位终端进一步包括磁传感器、信号采集模块、信号处理模块和电池，所述磁传感器用于感应所在位置的磁场信息，所述信号采集模块用于采集磁传感器所在位置的磁场信息，所述信号处理模块通过锁相环技术获得目标频率的磁场信息并计算目标数据，所述电池用于给磁传感器、信号采集模块、信号处理模块供电。3.如权利要求1所述的基于物联网的全维度定位系统，其特征在于，采用将磁场强度信息以链表或散列表的形式存储在云端处理器，同时将粒子群算法求解位置的相关算法一并上传至云端处理器，然后通过磁传感器的实时测量数据并上传至云端算法的入口处，利用磁感应强度在空间直角坐标系中的位置和磁感应强度的矢量分量之间的关系，利用粒子群算法求解出移动定位终端所在的位置信息。4.如权利要求3所述的基于物联网的全维度定位系统，其特征在于，所述利用粒子群算法求解出移动定位终端所在的位置信息进一步包括以下步骤：根据实际的需求，计算标准磁场强度信息并将其上传并存储在云端处理器上；输入已测量的磁场强度信息上传至云端处理器；选择初始区域；粒子群算法处理数据得到移动定位终端的数据信息；输出移动定位终端的位置信息。5.如权利要求1至4任一所述的基于物联网的全维度定位系统，其特征在于，所述人工磁场发射器至少包括三个人工磁场发射环。6.如权利要求5所述的基于物联网的全维度定位系统，其特征在于，所述计算标准磁场强度信息具体如下：在空间已知位置设置多个人工磁场发射环，并在每个人工磁场发射环上加载电流和频率不同的正弦电流信号形成信号源；设定每个人工磁场发射环在空间直角坐标系中的位置和输出频率；计算在所需定位范围内标准的磁场强度信息，并将该信息上传至云端处理器用于与安装在目标处的磁场传感器接收到的磁场强度进行对比；通过磁传感器接收到的磁感应信号，经过锁相放大器的处理，分别得到人工磁场发射环对应的磁感应强度分量，将三轴分量的数据通过链表或散列表的形式存储在云端，以便在后续与实际的磁场强度进行对比。7.如权利要求6所述的基于物联网的全维...

【专利技术属性】
技术研发人员：张利强，钟超，裘水军，熊伟，
申请(专利权)人：蔚复来浙江科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33