基于Zigbee与超声波的室内无线定位方法及系统

基于zigbee与超声波的室内无线定位方法及系统
技术领域
1.本发明涉及室内定位技术领域，具体是涉及一种基于zigbee与超声波的室内无线定位方法及系统。


背景技术：

2.基于位置的服务作为一种生活方式已逐步渗透到人类生活的方方面面，人们对定位与导航的需求日益增大。目前，人类可依赖全球卫星导航系统(gnss)达到亚米级的室外定位精度，但是由于卫星信号无法穿透建筑物，室内定位无法利用gnss实现。而在复杂的室内环境，如机场大厅、展厅、仓库、超市、图书馆、地下停车场、矿井等环境中，常常需要确定移动终端或其持有者、设施与物品在室内的位置信息。目前，国内外学者提出了许多室内定位算法和技术，有wifi热点、单超声波定位、地磁定位和gps定位。其中wifi定位一般采用“近邻法”判断，即最靠近哪个热点或基站，即认为处在什么位置，如附近有多个信源，则可以通过交叉定位，提高定位精度。单超声波测距原理超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时，根据时间差和超声波在空气中的传播速度，算出距离。地磁定位是行进中的载体实时采集地磁场的特征信息，并将实时采集的地磁数据与已经存储的地磁基准图进行比较，根据相应的准则获取最佳匹配结果，实现载体的自主定位。gps定位是一种以人造地球卫星为基础的高精度无线电导航的定位系统，它在全球任何地方以及近地空间都能够提供准确的地理位置、车行速度及精确的时间信息。
3.但是现有技术都存在一定的缺陷和不足，例如像wifi热点受到周围环境的影响会比较大，精度较低。单超声波定位缺陷是超声波在传输过程中衰减明显从而影响其定位有效范围。地磁定位技术的磁信号容易受到环境中不断变化的电、磁信号源干扰，定位结果不稳定，精度会受影响。gps信号受植被、建筑物等因素影响容易被遮挡，不适合用于室内定位使用。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于zigbee与超声波的室内无线定位方法及系统，以解决上述背景技术中存在的问题。
5.本发明是这样实现的，一种基于zigbee与超声波的室内无线定位方法，所述方法包括以下步骤：在移动目标上安装超声波发射模块和zigbee发射模块；
6.在室内天花板上安装若干块zigbee接收信号模块和一个布置有超声波信号接收器的超声波移动装置；
7.通过zigbee得到移动目标所处区块，接着通过区块内分布的超声波得到厘米级别的定位数据，最后将定位数据发送到上位机。
8.作为本发明进一步的方案：所述通过zigbee得到移动目标所处区块的步骤，具体包括：
9.建立移动式zigbee网络和超声波联合定位平面图，将室内分成若干个区块；
10.设定zigbee接收信号模块为定位基点；
11.通过移动目标上的zigbee发射模块与周围的定为基点通讯，并记录下通讯的信号强度，对所有的信号强度进行比对，得到三个离得最近的定为基点，得到移动目标所处区块。
12.作为本发明进一步的方案：所述对所有的信号强度进行比对，得到三个离得最近的定为基点的步骤是通过rssi测距原理，根据zigbee接收信号模块接收到的信号强度，算出与移动目标的距离。
13.作为本发明进一步的方案：所述得到移动目标所处区块的步骤是通过三边测距法计算的。
14.作为本发明进一步的方案：所述通过区块内分布的超声波得到厘米级别的定位数据的步骤，具体包括：超声波移动装置移动到移动目标所处区块，测出动坐标系中移动目标的坐标，加上动坐标系在静坐标系的坐标得到移动目标在静坐标系的坐标。
15.作为本发明进一步的方案：所述方法还包括：通过对超声波的温度补偿，使得测量误差降低。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
17.本发明采取zigbee技术与超声波技术的融合的方式，弥补了单一技术不足，由zigbee进行粗定位再到超声波精准定位，两者优势互补，zigbee定位技术与其它定位技术相比，具有功耗低、成本低、网络容量大并且时延短的优点，超声波室内定位整体精度很高，达到了厘米级，结构相对简单，且有一定的穿透性而且超声波本身具有很强的抗干扰能力。
附图说明
18.图1为一种基于zigbee与超声波的室内无线定位方法的流程图。
19.图2为一种基于zigbee与超声波的室内无线定位方法的定位原理图。
20.图3为一种基于zigbee与超声波的室内无线定位方法中三边测量法的示意图。
21.图4为一种基于zigbee与超声波的室内无线定位方法中的移动超声波动静坐标。
具体实施方式
22.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
23.以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
24.如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种基于zigbee与超声波的室内无线定位方法，所述方法包括以下步骤：
25.s100，在移动目标上安装超声波发射模块和zigbee发射模块；
26.s200，在室内天花板上安装若干块zigbee接收信号模块和一个布置有超声波信号接收器的超声波移动装置；
27.s300，通过zigbee得到移动目标所处区块，接着通过区块内分布的超声波得到厘米级别的定位数据，最后将定位数据以xyz的坐标发送到上位机。
28.本发明实施例中，移动目标为模拟智能汽车的小车模型，并需要建立移动式zigbee网络和超声波联合定位平面图，将室内分成若干个区块；设定zigbee接收信号模块为定位基点；通过移动目标上的zigbee发射模块与周围的定为基点通讯，并记录下通讯的信号强度，对所有的信号强度进行比对，得到三个离得最近的定为基点，并把数据整理后发送给上机位，后台的电脑即可以得到移动目标所处区块，方便后续由超声波进行精准定位。
29.本发明实施例中，需要通过rssi测距原理，根据zigbee接收信号模块接收到的信号强度，算出与移动目标的距离。具体的，rssi测距原理：rssi是利用无线电信号传播的衰减规律，根据已知收发信号强度，测得两个节点间的距离，进而根据距离进行定位的一种定位技术。其中，rssi随着信号传播距离的增加而减小，两者的关系可以用式rssi＝-(10
×n×
lgd a)表示，式中：n为信号传播因子，d为收发节点之间的距离，rssi和d跟常数a和n的值有直接关系，射频参数a的单位为dbm，表示在发射器1m距离的位置，rssi平均值的绝对值，参数n表示距离每增加1m接收能量强度的衰减值，衰减值与传播介质有关，在测量n值时，使用不同的n_index值，通过查找n与n_index对应表找到最接近具体环境的n值。
30.如图3所示，本发明实施例中，通过三边测距法计算移动目标位置所在范围，三边测量法的原理就是根据不在同一条直线的3个已知位置及其相互距离，计算得到未知节点的坐标位置。首先，测量移动节点(x，y)到各参考节点(xi，yi)的距离xi，i＝1，2，3，4。于是有:xi2＝(xi－x)2 (yi－y)2，然后计算出移动节点到各参考节点的距离yi，i＝1，2，3，4；接着假设实际距离xi与估计距离yi的关系为yi＝axi b。根据最小二乘法原理，令其偏差平方和为p(a,b)＝r2＝∑ni＝1(axi b－yi)2，若使p最小，则有：
[0031][0032]
接着求出变量a和b：得到修正距离y修与估计距离的关系为：最后，连接整个硬件定位系统，计算出移动节点与参考节点的距离x，并通过最小二乘法原理修正估计距离x，得到y修，由两点之间的距离公式可以得到：接着得到移动节点的坐标，为：
[0033][0034]
由于环境复杂，使用三边测量法在实际应用中会导致3个圆未形成共同交点，而是3个交点成为一个区域。用zigbee作4个参考节点，并且将其放置到高于地面的同一水平面上，以减少地面障碍物对信号的影响。采用信号最优原则，规避由于障碍物遮挡或其他偶然
误差的因素。选取4个参考节点中信号强度最优的3个参考节点，再借助三边测量法进行定位。
[0035]
本发明实施例中，还可以通过引入质心定位算法，进一步弥补三边测量法受障碍物遮挡导致的定位缺陷，较大地提高了定位精度。系统测量时，协调节点每收到一次来自移动节点的信息，都会首先进行一次处理，然后交由上位机软件进行二次处理。因为每次测量都是独立的，定位本身由于位置环境的变化会造成一定的误差，使界面坐标值偶尔产生瞬间大波动。为了解决上述定位问题，采用数据平均值作为移动节点的坐标：间大波动。为了解决上述定位问题，采用数据平均值作为移动节点的坐标：优化前zigbee定位误差范围为3m，优化后为1m。
[0036]
如图4所示，本发明实施例中，声波移动装置为可移动的板子，通过在天花板布置轨道，板子的四个角装有4个超声波信号接收器，4个超声波信号接收器可检测半径0.8m范围内的坐标。粗定位后，超声波移动装置移动到移动目标所处区块，测出动坐标系中移动目标的坐标，加上动坐标系在静坐标系的坐标得到移动目标在静坐标系的坐标。具体的，小车在动坐标系的测量，a、b、c为超声波接收器，m为小车，a(a,0,2),b(0,0,2),c(0,b,2),未知点m(x,y,0)，以及m到a,b,c的距离分别为l1、l2、l3，由下式可解位置坐标：
[0037]
(2-z)2 (a-x)2 y2＝l12，(2-z)2 x2 y2＝l22，(2-z)2 x2 (b-y)2＝l32，另外测距公式为s＝v*t，声音传播速度v，常温速度为340m/s，时间t为超声波发射端发送信息到超声波接收端接收信息的时间，该时间计算由单片机解决，数据传输耗费时间由软件补偿。
[0038]
本发明实施例中，通过对超声波的温度补偿，使得测量误差降低，达到更精准的定位。超声波的传播过程极易受到温度的影响，研究发现，当温度升高1
°
声速下降0.607m/s。想要确定不同温度下的传播速度，可使用以下公式进行计算：v＝331.5 0.607*t，经过温度补偿之后，可以修正温度变化导致测量距离的误差，使得计算的传播距离更为精准。
[0039]
另外，本定位方法中使用的超声波传感器不受对象颜色或透明度的影响，超声波传感器将声音反射出物体，因此颜色或透明度不会影响传感器的读数。本定位方法中使用的超声波传感器可在黑暗环境中使用，与使用光或照相机的接近传感器不同，黑暗环境不会影响超声传感器的检测能力。本定位方法中使用的超声波传感器不受灰尘、污垢或高湿环境的影响。本定位方法中使用的超声波传感器具有穿透性，高灵敏度和穿透力使超声波传感器更容易检测外部，更可以检测深层物体。本发明是通过zigbee粗定位，利用rssi测距原理，使用三边测距方法来确定移动节点的位置估计范围。本发明在位置估计范围内通过引入质心定位算法，取数据平均值作为移动节点的坐标从而优化zigbee定位误差范围。本发明在移动节点的位置估计范围内，通过超声波实现精准定位。本发明利用超声波温度补偿公式后，修正了温度变化导致测量距离的误差，使得计算的传播距离更为精准。本发明通过对超声波移动装置的设计，解决了超声波接收器安装过多的问题，实现成本和空间的节约。本发明适用于室内模拟智能汽车运营环境的教学平台，解决智能汽车教学中的共性问题，为大学生能力提升与紧跟行业技术进步提供保障。
[0040]
本发明实施例还提供了一种基于zigbee与超声波的室内无线定位系统，所述系统包括：
[0041]
移动目标，所述移动目标上安装有超声波发射模块和zigbee发射模块；
[0042]
信号接收层，所述信号接收层包括zigbee接收信号模块和超声波移动装置，在室
内天花板上安装若干块zigbee接收信号模块和一个布置有超声波信号接收器的超声波移动装置；以及
[0043]
移动目标定位模块，通过zigbee得到移动目标所处区块，接着通过区块内分布的超声波得到厘米级别的定位数据，最后将定位数据发送到上位机。
[0044]
以上仅对本发明的较佳实施例进行了详细叙述，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0045]
应该理解的是，虽然本发明各实施例的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，各实施例中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
[0046]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本技术所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可编程rom(eprom)、电可擦除可编程rom(eeprom)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(ram)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram以多种形式可得，诸如静态ram(sram)、动态ram(dram)、同步dram(sdram)、双数据率sdram(ddrsdram)、增强型sdram(esdram)、同步链路(synchlink)dram(sldram)、存储器总线(rambus)直接ram(rdram)、直接存储器总线动态ram(drdram)、以及存储器总线动态ram(rdram)等。
[0047]
本领域技术人员在考虑说明书及实施例处的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本技术旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。