一种三维空间环境监测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种三维空间环境监测系统及方法，将多个测距模块、至少两个基站和坐标解算器组成基站定位系统，并且创建关于基站定位系统的三维平面坐标系以确定每个基站的坐标值；测距模块主动以广播方式向所有基站发送测距开始信号，且在测距开始信号内打包识别测距模块和期望的基站的唯一参数；基站接收测距开始信号并解析该信号数据，基站对比测距开始信号内的唯一参数且生成测距响应信号；测距模块收到基站的测距响应信号并解析该测距响应信号的数据，测距模块对比测距响应信号内的唯一参数且发送测距完成信号；利用坐标解算器计算测距模块的坐标；本发明专利技术解决设备过多时相互干扰的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种三维空间环境监测系统及方法
本专利技术涉及定位系统
，具体涉及一种三维空间环境监测系统及方法。
技术介绍
人员定位的技术主要有两类，一是GNSS卫星定位(下文称“卫星定位”)，如美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的北斗系统；二是利用建立在地球表面的若干基站来定位(下文称“基站定位”)，如手机基站定位、ZIGBEE定位、WIFI定位等。上述两种定位方法均是利用多个基站与被测点之间的距离值来计算出被测点的坐标值(测绘学中称为“距离交汇法”)。第一类方法适用于室外且天空无遮挡的情形，第二类则是实现无卫星信号时的情形的定位功能。现有的环境监测系统大多利用基站定位技术结合监测数据和监测点的坐标位置，而大多基站定位技术的测距原理均是利用基站网络的无线信号强度来实现，假定信号越强距离越近，利用待定位设备与不同基站的信号强度间接计算出与不同基站的距离值，因基站坐标为已知，故可通过多个距离值计算得到待测点的坐标。信号强度与距离值有关，但同时也受到多种其它因素的影响，如遮挡物的遮挡、周围大型建筑的干扰等均会使信号强度发生很大变化，导致定位精度特别不理想，基本只能实现数米甚至数十米、上百米的定位精度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种三维空间环境监测系统及方法，采用无线信号飞行的往返时间来计算距离值，使定位精度达到10厘米且不受环境和遮挡物的影响，以解决现有技术中设备过多时无线信号相互干扰的问题。为解决上述技术问题，本专利技术具体提供下述技术方案：一种三维空间环境监测系统，包括多个环境监测点位、至少三个具有固定坐标的基站以及坐标解算器；所述环境监测点位均匀分布在待测环境的每个层位，所述环境监测点位由环境监测传感器以及用于确定所述环境监测传感器的位置的测距模块组成；所述测距模块与所述基站利用通讯交互完成一次测距流程并获得所述基站与所述测距模块之间的距离值，所述环境监测传感器用于监测当前位置的温度、湿度以及空气质量；所述基站将与每个所述测距模块之间的距离值以及每个测距模块的监测数据汇总打包发送到所述坐标解算器，所述坐标解算器计算每个所述测距模块的坐标位置并将传感数据发送给服务器进行数据处理。作为本专利技术的一种优选方案，所述测距模块和所述基站分别均包括逻辑控制单元、升降压稳压电路和超宽带飞行时间计时模块，且所述基站的逻辑控制单元还连接有无线通讯模块和有线通讯模块；所述测距模块的逻辑控制单元连接有有线通讯模块，所述环境监测传感器通过有线通讯模块与所述测距模块连接以将所述监测数据发送到所述测距模块。作为本专利技术的一种优选方案，所述坐标解算器包括微控制单元、与所述微控制单元连接的数据传输模块以及供电电源，所述基站分别通过所述有线通讯模块或无线通讯模块与所述坐标解算器对应的所述数据传输模块进行数据交互，所述坐标解算器接收所述基站发送的数据包并计算与该所述基站进行通讯交互的所有测距模块的坐标位置。作为本专利技术的一种优选方案，所述微控制单元连接的数据传输模块包括数字接口和无线模块，所述坐标解算器通过所述数字接口或者无线模块连接有服务器，所述坐标解算器将计算的每个所述测距模块的坐标位置在所述服务器上进行展示。为了解决上述问题，本实施方式还提供了一种三维空间环境监测系统的定位方法，包括以下步骤：步骤100、将多个测距模块、至少三个基站和坐标解算器组成基站定位系统，并且创建关于所述基站定位系统的三维平面坐标系以确定每个所述基站的坐标值；步骤200、所述测距模块主动以广播方式向所有基站发送测距开始信号，且在所述测距开始信号内打包识别所述测距模块和期望的所述基站的唯一参数；步骤300、所述基站接收测距开始信号并解析该信号数据，所述基站对比所述测距开始信号内的唯一参数且根据对比结果生成测距响应信号，且在所述测距响应信号内镜像复制所述步骤100中的唯一参数；步骤400、所述测距模块收到所述基站的测距响应信号并解析该测距响应信号的数据，所述测距模块对比所述测距响应信号内的唯一参数且根据对比结果发送测距完成信号，且在所述测距完成信号内打包所述步骤100中的唯一参数；步骤500、所述基站收到测距完成信号并解析所述测距完成信号的唯一参数，所述基站对比所述测距完成信号唯一参数且根据对比结果解算出所述基站与测距模块本身的距离值，所述基站将距离值和环境监测传感器的监测数据打包发送至所述坐标解算器以计算所述测距模块的坐标并匹配相应的监测数据。作为本专利技术的一种优选方案，在步骤200中，识别测距模块和期望基站的唯一参数分别为对应测距模块本身的源地址以及期望的基站的目标地址，所述源地址对应发送端的地址，且所述目标地址对应接收端的地址；所述测距模块在发送信号后未得到期望的所述基站的响应时，所述测距模块自动放弃本次测距任务并延时准备发起新一次测距任务。作为本专利技术的一种优选方案，在步骤300中，所述基站发送测距响应信号时，所述源地址对应所述基站本身的地址，具体为所述测距开始信号中的目标地址，所述目标地址对应所述测距模块的地址，具体为所述测距开始信号中的源地址。作为本专利技术的一种优选方案，所述测距模块和所述基站的所述微控制单元均设有地址寄存器，且每个所述测距模块的所述地址寄存器内均存储有同一个定位系统的所有基站的模块地址值；所述测距模块内设有测距时间寄存器，所述测距时间寄存器用于设置相邻测距发起信号的时间间隔以控制测距频率；所述测距开始信号、所述测距响应信号以及测距完成信号中均携带源地址、目标地址以及环境监测传感器测量的温度值、湿度值以及空气质量值。作为本专利技术的一种优选方案，所述测距模块根据所述地址寄存器的基站数量和所述基站地址，依次循环向每台基站发起测距任务并得到该测距模块与每台所述基站之间的实时距离值。作为本专利技术的一种优选方案，在步骤500中，所述基站三维平面坐标解算任一个所述测距模块与至少三个所述基站之间的距离值，且所述基站传输到所述坐标解算器的信息均包含有所述基站与测距模块之间的距离、所述测距模块的地址信息以及所述基站的地址信息；所述坐标解算器对所述基站发送的信息包的处理步骤为：对该测距模块与所有基站的距离值进行排序，找出与该测距模块距离最短的两个基站进行平面距离交汇计算；两个基站的坐标以及两个基站与该测距模块之间的距离为已知常数，利用利用三元方程式计算得到此测距模块的三维平面坐标；所述坐标解算器将每个环境监测点位的三维平面坐标和该环境监测点位的监测数据发送到服务器进行处理和展示。。本专利技术与现有技术相比较具有如下有益效果：本专利技术基于距离交汇原理实现了多基站冗余坐标定位算法和实施方法，在进行高精度定位的同时，可利用无线网络实现用户数据传输，将传感器监测数据与位置数据组合形成三维传感数据，在三维空间内得到当前所在位置的传感数据，进一步的绘制为动态的空气质量三维分布图，且使基站和测距模块数量不受限制，且解决了基于相同定位技术中设备过多时无线信号相互干扰的问题本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维空间环境监测系统，其特征在于：包括多个环境监测点位、至少三个具有固定坐标的基站(2)以及坐标解算器(3)；/n所述环境监测点位均匀分布在待测环境的每个层位，所述环境监测点位由环境监测传感器(13)以及用于确定所述环境监测传感器(13)的位置的测距模块(1)组成；/n所述测距模块(1)与所述基站(2)利用通讯交互完成一次测距流程并获得所述基站(2)与所述测距模块(1)之间的距离值，所述环境监测传感器(13)用于监测当前位置的温度、湿度以及空气质量；/n所述基站(2)将与每个所述测距模块(1)之间的距离值以及每个测距模块(1)的监测数据汇总打包发送到所述坐标解算器(3)，所述坐标解算器(3)计算每个所述测距模块(1)的坐标位置并将传感数据发送给服务器进行数据处理。/n

【技术特征摘要】
1.一种三维空间环境监测系统，其特征在于：包括多个环境监测点位、至少三个具有固定坐标的基站(2)以及坐标解算器(3)；
所述环境监测点位均匀分布在待测环境的每个层位，所述环境监测点位由环境监测传感器(13)以及用于确定所述环境监测传感器(13)的位置的测距模块(1)组成；
所述测距模块(1)与所述基站(2)利用通讯交互完成一次测距流程并获得所述基站(2)与所述测距模块(1)之间的距离值，所述环境监测传感器(13)用于监测当前位置的温度、湿度以及空气质量；
所述基站(2)将与每个所述测距模块(1)之间的距离值以及每个测距模块(1)的监测数据汇总打包发送到所述坐标解算器(3)，所述坐标解算器(3)计算每个所述测距模块(1)的坐标位置并将传感数据发送给服务器进行数据处理。


2.根据权利要求1所述的一种三维空间环境监测系统，其特征在于：所述测距模块(1)和所述基站(2)分别均包括逻辑控制单元(4)、升降压稳压电路(5)和超宽带飞行时间计时模块(6)，且所述基站(2)的逻辑控制单元(4)还连接有无线通讯模块(7)和有线通讯模块(8)；
所述测距模块(1)的逻辑控制单元(4)连接有有线通讯模块(8)，所述环境监测传感器(13)通过有线通讯模块(8)与所述测距模块(1)连接以将所述监测数据发送到所述测距模块(1)。


3.根据权利要求1所述的一种三维空间环境监测系统，其特征在于：所述坐标解算器(3)包括微控制单元(9)、与所述微控制单元(9)连接的数据传输模块(10)以及供电电源(11)，所述基站(2)分别通过所述有线通讯模块(8)或无线通讯模块(7)与所述坐标解算器(3)对应的所述数据传输模块(10)进行数据交互，所述坐标解算器(3)接收所述基站(2)发送的数据包并计算与所述基站(2)进行通讯交互的所有测距模块(1)的坐标位置。


4.根据权利要求3所述的一种三维空间环境监测系统，其特征在于：所述微控制单元(9)连接的数据传输模块(10)包括数字接口(1001)和无线模块(1002)，所述坐标解算器(3)通过所述数字接口(1001)或者无线模块(1002)连接有服务器，所述坐标解算器(3)将计算的每个所述测距模块(1)的坐标位置在所述服务器上进行展示。


5.一种三维空间环境监测系统的定位方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤100、将多个测距模块、至少三个基站和坐标解算器组成基站定位系统，并且创建关于所述基站定位系统的三维平面坐标系以确定每个所述基站的坐标值；
步骤200、所述测距模块主动以广播方式向所有基站发送测距开始信号，且在所述测距开始信号内打包识别所述测距模块和期望的所述基站的唯一参数；
步骤300、所述基站接收测距开始信号并解析该信号数据，所述基站对比所述测距开始信号内的唯一参数且根据对比结果生成测距响应信号，且在所述测距响应信号内镜像复制所述步骤100中的唯一参数；
步骤40...

【专利技术属性】
技术研发人员：许利凯，
申请(专利权)人：河北稳控科技有限公司，
类型：发明
国别省市：河北;13