本发明专利技术属于室内无线传感器网络技术领域，其特征在于：本发明专利技术的徽章是移动的，阅读器是固定的，位置计算机通过连接器无线接收不同时刻的徽章和阅读器的距离数据，在徽章、阅读器、连接器的ＣＰＵ上都设置信道分配和距离计算模块，在位置计算机上设置位置计算模块，利用从徽章上同时发射的射频和超声波信号到达阅读器的时间差来计算距离，利用扩展卡尔曼滤波器来计算位置。同时，还提出了防止多个徽章选择在同一时刻发射信号以及多个阅读器在同一时刻发射数据帧而引发的冲突。本发明专利技术对于室内目标定位精度在１分米以下。而且结构简单，计算量也少。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无线传感器网络领域，尤其涉及室内无线传感器网络技术。
技术介绍
随着GPS(全球定位系统)的推广，人们越来越需要一种基于位置的服务服务(又称位置感知服务)。这些应用包括位置导航、位置安全监控、依赖于位置的信息存储，位置感知的人机交互，空间数据挖掘等领域。例如，年轻的父母需要随时知道孩子的位置(位置安全监控例子)；人们进入博物馆或商场需要系统自动来完成导游或导购(位置导航例子)；人们希望手机进入会议室后会自动从响铃转为振动(位置感知的人机交互例子)；希望查询离其最近的资源，如打印机等(依赖于位置的信息存取例子)；希望从某段时间的位置记录里推断可能失修的厕所马桶等(空间数据挖掘例子)。这些位置感知服务都有需要一个关键的支撑系统——定位系统或者说位置传感系统。虽然GPS在基于位置的户外服务中得到了广泛的应用，但是有两个因素阻止了它在室内环境中的应用一是由于GPS的无线信号无法穿透建筑物而使其在室内环境中难以工作；二是由于GPS的定位精度难以满足室内服务的需求。GPS定位精度为数米(采用差分技术的民用精度为5米)，而在室内环境中人、家居、设备等主要目标一般为米级的大小，为了能区别人形大小物体，定位系统的精度希望能达到分米以下(即误差小于1dm)，GPS的精度限制了它在室内环境中的应用，因此人们急需一种能应用于室内的、跟踪多个目标并提供精确位置的定位系统。利用超身波和其他信号的到达时间差来估算位置的原理在中国专利技术专利01144415.0和美国麻省理工大学的Cricket系统有类似的应用。中国专利技术专利01144415.0利用超声波发射配合红外线同步的方法实现了一种手写输入的装置，该装置能在一块平面手写板上探测用户所使用的笔的二维坐标位置。Cricket系统也是基于超身波和射频的到达时间差来实现定位的。该系统固定位置的参考点发射信号，而与PDA或计算机连接的定位单元接收信号，并在PDA或计算机上推算出位置，这种模式称为被动定位模式。在Cricket系统中被定位的目标(如人)不仅需要携带定位单元而且需要携带与之配套的计算机或PDA才能实现定位。此外，在Cricket系统中与定位单元连接的计算机或PDA只知道自己的位置，因此用户如果想了解空间全部目标位置还需要另外的(Cricket本身不提供的)装置和步骤来收集各个计算机或PDA上的数据。被动定位模式的系统还有一个不可忽视的缺点是由于同时条件的限制使得系统对移动目标的定位精度不如静止目标。在被动定位模式的系统中，发射器发射信号可能不在同一时刻，对于静止目标，如图2(a)所示，不同时刻检测到来自同一个发射器的距离值是不变的，这样系统确定目标的位置确实是目标实际的位置；对于移动目标，如图2(b)所示，由于对应不同发射器的距离值是不同时刻的，根据这些不同时刻的距离值系统确定出来的位置往往不是目标实际的位置。与之相反，主动模式定位系统中，目标携带的定位单元发射信号，而固定位置的参考点接收信号，全部目标的位置由系统后台设备统一计算和管理。在这种模式中，由于各个参考阅读器接收到的被定位对象的信号都是发自同一个时刻，无论目标静止或移动，用于位置计算的距离值均满足同时条件，这样使得系统能对移动和静止目标提供相近的定位精度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种采用了主动模式的室内精确定位方法及系统。我们专利技术的系统是一套无线传感器网络，它综合超声波和射频技术来实现定位的。与Cricket系统不同，是一种主动式定位系统。该系统的基本组成部件和工作原理如图3所示。如图3所示，本定位系统主要由徽章(CBadge)、阅读器(CReader)、连接器(BaseCollector)和位置计算单元等四部分组成。徽章由需定位的目标携带或安装在该目标上，它按照本系统的信道分配机制同时发射射频和超声波信号，而射频信号调制了该徽章的ID(身份标识)。阅读器部署在室内的固定位置，如天花板上，其位置已事先测得。由于射频和超声波的传播速度是不同，当阅读器接收到徽章发出的射频和超声波信号时将会产生一个TDoA，阅读器根据这个TDoA可以推算出它离徽章的距离，并无线连接将距离数据传给连接器，最后通过串口线将其报告给位置计算单元。位置计算单元运行于某个计算机上，它收集全部的距离数据并计算出各个徽章的位置。应用程序可作为客户端访问位置计算单元获得其所需要的目标位置。图4是本定位系统的使用场景快照。用户携带徽章，发出人感觉不到的超声波与射频信号，系统根据两种信号来实现定位。在本定位系统中，徽章、阅读器、连接器称为无线传感器节点。本专利技术所述的室内定位方法，其特征在于 1.依次会有以下步骤步骤(1)，把传感器协调与距离计算模块装入各传感器节点所述各传感器节点包括徽章，等于或多于一个，由徽章电源、单片机、以及分别与单片机相连的超声波发射器和射频收发器组成，该单片机内装有传感器协调与距离计算模块；超声波发射器采用全向型设计，由5个彼此正交的发射器组成；徽章由需定位的目标携带或者安装在该目标上，按照该传感器协调与距离计算模块中所述的信道分配方法，同时发射射频信号和超声波信号，其中射频信号调制了该徽章的身份标识；阅读器，数量在一个以上，是部署在室内固定位置的，由超声波接收器、单片机、受控制于该单片机的射频收发器以及接口构成，该接口包括USB和并口电路；在该单片机内装有传感器协调和距离计算模块，当该阅读器接收到徽章发出的射频信号和超声波信号时，测得该两者的到达的时间差，并据此计算该阅读器与所述徽章的距离；连接器，只有一个，由单片机、受控制于该单片机的射频收发器，以及接口组成；单片机内装有传感器协调和距离计算模块，该连接器无线接收来自阅读器发出的距离数据包；所述传感器协调和距离计算模块依次按以下步骤执行信道分配和距离计算程序步骤(1.a)各阅读器和徽章侦听射频信道；步骤(1.b)徽章A同时发射射频和超声波信号；步骤(1.c)某阅读器接收到射频信号帧，并指定为定位帧，记录到达时间；步骤(1.d)所述阅读器开启时间计数器和定时器；定时最长传播时间T毫秒，T＝超声波帧在空间内的最大传播时间-射频帧发射时间长(公式1)“—”表示相减；步骤(1.e)所述阅读器侦听超声波信道；步骤(1.f)所述阅读器判断最长传播时间T内是否有超声波到达；若没有到达，继续执行步骤(1.e)，一直到最长传播时间T时，没有超声波到达，则报告距离丢失，返回步骤(1.a)。同时徽章B同时发射射频信号和超声波信号；若有超声波到达，则关闭计数器，记录到达时间；步骤(1.g)按下式计算到达时间差TDoA。TDoA＝超声波帧到达时间-射频帧到达时间(公式2)步骤(1.h)所述阅读器按下式计算实际的到达时间差tactualtactual＝TDoA+tcom(公式3)tcom为阅读器收到的射频帧的时刻与徽章A发射射频帧的时刻之差值。步骤(1.i)根据所述阅读器上的温度传感器提供的温度值q，以下式校正声速vusvus＝331.4+0.6q (公式4)步骤(1.j)按下式计算徽章A与所述阅读器之间的距离距离＝温度校正后的vus*tactual(公式5)步骤(1.k)阅读器把步骤(1.i)得到的距离数据以定位帧的形式向所述连接器无线发送；步骤(2)，把位置计算模块装本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种跟踪多移动目标室内精确定位方法，其特征在于，依次会有以下步骤：步骤（１），把传感器协调与距离计算模块装入各传感器节点：所述各传感器节点包括：徽章，等于或多于一个，由徽章电源、单片机、以及分别与单片机相连的超声波发 射器和射频收发器组成，该单片机内装有传感器协调与距离计算模块；超声波发射器采用全向型设计，由５个彼此正交的发射器组成；徽章由需定位的目标携带或者安装在该目标上，按照该传感器协调与距离计算模块中所述的信道分配方法，同时发射射频信号和超声波信号，其中射频信号调制了该徽章的身份标识；阅读器，数量在一个以上，是部署在室内固定位置的，由超声波接收器、单片机、受控制于该单片机的射频收发器以及接口构成，该接口包括ＵＳＢ和并口电路；在该单片机内装有传感器协调和距离计算模块，当该阅读器 接收到徽章发出的射频信号和超声波信号时，测得该两者的到达的时间差，并据此计算该阅读器与所述徽章的距离；连接器，只有一个，由单片机、受控制于该单片机的射频收发器，以及接口组成；单片机内装有传感器协调和距离计算模块，该连接器无线接收来自 阅读器发出的距离数据包；所述传感器协调和距离计算模块依次按以下步骤执行信道分配和距离计算程序：步骤（１．ａ）各阅读器和徽章侦听射频信道；步骤（１．ｂ）徽章Ａ同时发射射频和超声波信号；步骤（１．ｃ）某阅读器接收 到射频信号帧，并指定为定位帧，记录到达时间；步骤（１．ｄ）所述阅读器开启时间计数器和定时器；定时最长传播时间Ｔ毫秒，Ｔ＝超声波帧在空间内的最大传播时间－射频帧发射时间长“－”表示相减；步骤（１．ｅ）所述阅读器 侦听超声波信道；步骤（１．ｆ）所述阅读器判断最长传播时间Ｔ内是否有超声波到达；若没有到达，继续执行步骤（１．ｅ），一直到最长传播时间Ｔ时，没有超声波到达，则报告距离丢失，返回步骤（１．ａ）；同时徽章Ｂ同时发射射频信号和超声波 信号；若有超声波到达，则关闭计数器，记录到达时间；步骤（１．ｇ）按下式计算到达时间差ＴＤｏＡ：ＴＤｏＡ＝超声波帧到达时间－射频帧到达时间步骤（１．ｈ）所述阅读器按下式计算实际的到达时间差ｔ↓［ａｃｔｕａｌ］： ｔ↓［ａｃｔｕａｌ］＝ＴＤｏＡ＋ｔ↓［ｃｏｍ］ｔ↓［ｃｏｍ］为阅读器收到的射频帧的时刻与徽章Ａ发射射频帧的时刻之差值；步骤（１...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：史元春，陈渝，谷红亮，江文峰，孙云峰，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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