CN113567910B - 一种无线信标定位系统及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线信标定位系统及其定位方法，属于人员定位、物联网、无线通信技术领域，无线信标和传输分站之间采用按需分配的方式配对分组，通过发射场强和衰减系数按需配置、信号强度阈值过滤等技术，通过设置标识卡定位握手信号强度门限，确保标识卡的定位精度，保证标识卡只能跟最近无线信标等设备进行通信，可以通过信号强度进行限制；通过设置感应标识卡信号强度门限，无线信标可以自动感应标识卡的存在，实现人来通信人走休眠的情形，通过该参数限定标识卡的感应范围，也可以作为是否使能感应标识卡的逻辑开关，进而满足了在石化、化工等作业现场对定位精度按需部署的灵活要求，又实现了低成本、高精度的定位效果。

Description

一种无线信标定位系统及其定位方法

技术领域

本发明涉及人员定位、物联网、无线通信技术领域，尤其涉及一种无线信标定位系统及其定位方法。

背景技术

目前室内的信标定位技术，根据定位机制的不同，分为基于测距和非测距的市内定位方法。基于非测距的方法利用网络连通性等信息实现定位，定位精度相对较低；基于测距的方法通过测量节点间的距离或角度等信息来计算节点的位置，定位精度相对较高。

基于接收信号强度(RSSI)的定位技术属于基于测距的方法，通过RSSI方法来估计两点问的距离，通过节点间的相互位置来进行定位，由于作业现场环境的复杂性，该方法的精度严重受到大干扰、多径反射、非视线问题等因素的影响，故这种方法的定位精度也不够理想。

无线电信号在传播过程时，会有部分信号强度损耗，根据这些损耗的大小可以推导出无线电信号发射点和接收点之间的距离，依据多个距离数据可以实现定位的目的。但是由于现实应用环境的复杂性，比如障碍物阻挡、绕射、空气温度和湿度等各种不确定因素的影响，对无线电信号损耗模型的精确建模几乎不可能实现，这就导致通过RSSI值估算移动节点与参考节点的距离有较大误差。

通过多点RSSI进行定位：实际在石化、化工等作业现场任何一个信标的信号不好，都会导致“穿越装置\设备\墙体，内、外不分”等原则性错误。

利用RFID、ZigBee、Wi-Fi、蓝牙信标等多种技术的定位系统，基本架构均为固定部署读卡基站，人员携带标识卡，读卡基站接收来自人员携带的标识卡的信息，根据其场强、相位、标识卡序列码等信息进行识别和定位。

以上的定位算法都需要网络中节点的时钟保持同步。然而不同的节点都有自己的本地时钟，由于不同节点的晶体振荡频率存在偏差，多个晶振的频率很难保持一致，传统的时间同步协议力图使整个网络中的晶体振荡频率达到时间的同步性，然而由于无线传感器网络节点体系结构的限制，已有技术中的时间同步算法往往很难达到理想的要求。比如：

基于发送者----接收者的时间同步算法，其原理是发送方在同步报文中嵌入其本地时间，接收方在接收到该报文后，根据该时间调整其自身的本地时间。

基于发送者----接收者交互时间同步算法，其原理是双向发送同步报文，根据该同步报文可以计算出两相邻节点之间的时间偏差、报文的传输延迟时间。

基于接收者----接收者交互时间同步算法，其原理是利用报文同步多个接收者之间的时间，参考节点每发出一个参考报文，其广播域内的其他接收者节点都将接收到该报文，并记录下接收到该参考报文时的本地时刻。接收者们交换他们记录的时刻并计算差值，该差值就是接收者们之间的时钟偏移。

以上定位过程，都是以标识卡与读卡基站之间不存在遮挡为前提的，而在石化、化工现场等复杂环境条件下，往往存在各种各样的障碍物，如钢结构和混凝土等作业现场，纯粹的基于射频的方法都不能提供所需的定位和跟踪能力。

针对人员定位，专利权人顾伟发明了一种“人员定位系统(公告号CN103634908A)”，该系统包括人员定位通信基站、人员定位便携终端、定位信标和人员定位服务器，定位信标根据需要安装于固定位置，定位信标具有与其安装位置信息关联的唯一编号，并周期性以无线方式向人员定位便携终端发送其编号信息；人员定位便携终端由人员携带，该人员定位便携终端实时接收各个定位信标发送的编号信息，处理得到当前位置信息向携带人员进行显示并发送给人员定位服务器。

专利CN102523621A也公开了一种人员定位系统，它由地面监控中心、传输基站、光纤、网关结点、总线、信标节点、训练节点和移动节点组成。信标节点在巷道内按区块布设，人员携带移动节点，移动节点读取信标节点的信号并对接收到的信标节点的定位信息进行处理，并上传至地面监控中心与其定位模式数据进行匹配计算，实现定位；训练节点用于测量、获取、修正定位模式数据。

然而，以上几种方法均需要周期性以无线方式向移动节点或人员定位便携终端发送定位信息。因此，其均存在如下问题：由于节点晶振特性的差异，即使各节点之间的时钟频率和计数周期设为同一值，也不能保证各节点的周期相等。而由于作业现场等各种因素的影响，节点不能直接和时间基准节点同步而只能和与时间基准节点存在同步误差的节点进行同步，因此必将出现同步误差的积累，系统的可靠性也迅速降低。

已有技术中的人员定位方法，由于信道劣化造成其存在上述问题，这些信道甚至会影响定位设备之间的点对点通信，即使没有任何外部射频干扰源，其同样存在多径衰落，而且信号通过环境中各种物体时会大幅衰减等等。

基于接收信号强度(RSSI)的定位技术属于基于测距的方法，通过RSSI方法来计算两点问的距离，通过节点间的相互位置来进行定位，由于作业现场环境的复杂性，该方法的精度严重受到大干扰、多径反射、非视线问题等因素的影响，故这种方法的定位精度也不够理想。利用RSSI算法进行定位，当传输距离较近时，功率衰减较快，而传输距离越远，信号衰减越慢。所以用RSSI定位，距离越近，定位越准确；距离越远，定位误差越大。

无线电信号在传播过程时，会有部分信号强度损耗，根据这些损耗的大小可以推导出无线电信号发射点和接收点之间的距离，依据多个距离数据可以实现定位的目的。但是由于现实应用环境的复杂性，比如障碍物阻挡、绕射、空气温度和湿度等各种不确定因素的影响，对无线电信号损耗模型的精确建模几乎不可能实现，这就导致通过RSSI值估算移动节点与参考节点的距离有较大误差。

针对人员定位，专利权人曾虹、戴国骏、朱金成等发明了一种“一种基于RSSI的近距离精确定位方法(公告号CN201410256215)”，该系统首先进行参数标定，得到RSSI到距离的映射系统，达到精确测距的目的。接下来就要完成测距的后续工作，利用未知节点与多个不同信标节点的距离数据进行未知节点的精确定位。

专利CN201410204298也公开一种基于跳频技术的RSSI定位方法，标定阶段，在固定点测量多个信道RSSI值，记录并计算RSSI测距模型中的测距参数；系统准备，部署定位锚节点，实现目标节点和锚节点的同步；在目标节点上分别使用多个信道进行通信获取RSSI值；信号处理阶段，将RSSI处理成信号强度幅值优化处理；定位阶段，在定位服务器上根据各个信号强度计算计算距离及目标节点位置。

以上几种方法的共性在于：

最终都是通过多点RSSI进行定位。实际在石化、化工等作业现场任何一个信标的信号不好，都会导致“轨迹穿越装置\设备\墙体，内、外不分”等原则性错误。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种无线信标定位系统及其定位方法，旨在解决无线信标在使用电池供电按需休眠的情况下无法达到时钟同步这一难题，通过发射场强和衰减系数按需配置、信号强度阈值过滤等技术，满足了在石化、化工等作业现场对定位精度按需部署的灵活要求，又实现了低成本高精度的定位效果。本发明提供的技术方案如下：

本发明提供一种无线信标定位系统包括无线信标、标识卡和传输分站，其中，所述无线信标、所述标识卡和所述传输分站之间的信号传输方式为无线传输，所述无线信标和所述标识卡采用电池供电；所述无线信标和所述传输分站之间采用按需分配的方式配对分组，且只有在同一个分组内的所述无线信标和所述传输分站之间才能够数据通信，所述无线信标以其所在分组内的传输分站的周期信标信号为基准，并根据时间戳算法计算依次休眠唤醒的时间，以达到各个无线信标之间的时间同步；所述无线信标、所述标识卡同时在多路径、多通道并行发送数据，所述无线信标的配置参数包括频段参数、信道参数和发射功率参数，所述无线信标根据上行信号强势、下行信号强度、综合距离、电压峰峰值、模块温度、外设启动延时、外设响应延时、终端握手门限，外设探测、外设唤醒、握手确认、发送成功、缓存区空综合判断各信道的空闲状态，所述标识卡具有相同的算法优先级，所述标识卡配置有定位握手信号强度门限，所述无线信标配置有感应标识卡信号强度门限。

可选的，所述无线信标、所述标识卡和所述传输分站之间的串口握手报文包括串口确认报文、发送成功报文和缓冲区空报文，其中，所述标识卡和所述无线信标的探测报文最大长度为23字节，所述标识卡和所述无线信标的外设唤醒报文的最大长度为15字节，所述标识卡和所述无线信标的握手确认报文的最大长度为15字节。

可选的，所述传输分站的发射场强和衰减系数按需配置，所述标识卡和所述无线信标的发送成功报文的最大长度为15字节，所述标识卡和所述无线信标的缓冲区空报文的最大长度为15字节，所述标识卡和所述无线信标的唤醒过程和数据交换过程相互独立。

可选的，所述传输分站根据其部署场景控制所述传输分站和所述无线信标之间的发射功率，并根据其部署场景配置相应的衰减系数；所述标识卡和所述无线信标采用纯异步碰撞算法和唤醒办法，通过设定休眠参数，决定标识卡、无线信标休眠的时间片长度，同时决定异步唤醒报文持续发送的长度以及握手超时的长度。

可选的，所述无线信标根据应用场景和定位精度要求，按需设置信号强度阈值对接收到的信号进行过滤，最终只保留符合要求的信号；根据管控目标部署无线信标位置和差异化设置所述无线信标的信号半径已实现所述无线信标的信标信号外切至管控目标边缘。

可选的，所述无线信标根据部署场景不同按需控制信标发射功率，通过分析信号强度、链路质量、无线握手数据，并根据场景的不同配置相应的衰减系数；所述无线信标根据部署场景不同、定位精度要求不同，按需设置信号强度阈值进行过滤，通过分析信号强度、链路质量、无线握手数据，只留下符合要求的信号。

另一方面，本发明还公开一种应用于上述的无线信标定位系统的定位方法，所述定位方法包括：

根据现场情况对无线信标和传输分站进行按需分组，其中，只有在同一分组内的所述无线信标和所述传输分站才能通信，并根据部署场景控制所述传输分站和所述无线信标之间的发射功率，并根据部署场景配置相应的衰减系数；

以传输分站的周期信标信号为基准，无线信标和标识卡根据各自时钟确认自己依次醒来的时间，并根据虚拟时间戳算法计算依次休眠唤醒的时间，以达到各个所述无线信标之间的时间同步；

根据定位场景需要设置所述无线信标的打标范围，其中，所述打标范围为1.5米～5米；

所述无线信标给进入其打标范围的标识卡打标，被打标之后的标识卡通过无线信号把数据发送到覆盖该标识卡的传输分站；

所述传输分站接收到数据之后，再将数据传送到后端数据服务器以实现通过平台软件计算出携带所述标识卡的作业人员的精确位置。

本发明至少具有如下有益效果：

本发明提供了一种无线信标定位系统及其定位方法，其中，无线信标和传输分站之间采用按需分配的方式配对分组，且只有在同一个分组内的无线信标和传输分站之间才能够数据通信，无线信标采用动态按需授时原则进行时间同步，解决了无线信标在使用电池供电按需休眠的情况下仍能实现按需分组动态授时这一难题，通过发射场强和衰减系数按需配置、信号强度阈值过滤等技术，通过设置标识卡定位握手信号强度门限，确保标识卡的定位精度，保证标识卡只能跟最近无线信标等设备进行通信，可以通过信号强度进行限制；通过设置感应标识卡信号强度门限，无线信标可以自动感应标识卡的存在，实现人来通信人走休眠的情形，通过该参数限定标识卡的感应范围，也可以作为是否使能感应标识卡的逻辑开关，进而满足了在石化、化工等作业现场对定位精度按需部署的灵活要求，又实现了低成本、高精度的定位效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种无线信标定位系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的一种无线信标定位系统的数据传输示意图；

图3为本发明实施例的按需休眠时间片的示意图；

图4为本发明实施例的休眠唤醒过程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将参考图1、图2、图3和图4所示，对本发明实施例的一种无线信标定位系统及其定位方法进行详细说明。

参考图1、图2、图3和图4所示，本发明实施例的一种无线信标定位系统包括无线信标2、标识卡3和传输分站1，其中，无线信标2为定位子站、锚点、位置标签中的一种或多种的组合，无线信标2、标识卡3和传输分站1之间基于无线传输的方式进行信号传输，示例的，无线信标2、标识卡3和传输分站1之间基于蓝牙、ZigBee、UWB、RFID、WIFI等协议进行信号传输，也即无线信标2、标识卡3和传输分站1之间的连接方式为无线连接。

参考图1所示，无线信标2和标识卡3均采用电池供电，也即无线信标2和标识卡3的内部安装有电池，可以是充电电池或者纽扣电池。无线信标2和传输分站1之间采用按需分配的方式配对分组，并且只有在同一个分组内的无线信标2和传输分站1之间才能够数据通信，不在同一个分组内的无线信标2和传输分站1之间不能够数据通信，并且无线信标2和传输分站1之间采用的是实时按需分组原则。也即无线信标2和传输分站1可以根据现场情况实行实时按需分配，可以将某几个无线信标和某几个传输分站分配在同一个特定分组内，并且在该分组内的无线信标2和传输分站1之间可以进行数据通信。

进一步的，本发明实施例的无线信标2以其所在分组内的传输分站1的周期信标信号为基准，并根据时间戳算法计算依次休眠唤醒的时间，以达到各个无线信标2之间的时间同步；无线信标2、标识卡3同时在多路径、多通道并行发送数据，信道空闲检测不再依赖信号强度。

进一步的，本发明实施例的无线信标2的配置参数包括频段参数、信道参数和发射功率参数，无线信标2根据上行信号强势、下行信号强度、综合距离、电压峰峰值、模块温度、外设启动延时、外设响应延时、终端握手门限，外设探测、外设唤醒、握手确认、发送成功、缓存区空综合判断各信道的空闲状态，标识卡3具有相同的算法优先级，标识卡3配置有定位握手信号强度门限，无线信标2配置有感应标识卡信号强度门限。

具体的，无线信标2的配置参数包括频段参数、信道参数和发射功率参数，其中，频段参数对应两个比特位，示例的，00b—频段1，01b—频段2，10b—频段3，11b—频段4。频段1在2400MHz附近，频段2在24**MHz附近，频段3在24**MHz附近，频段4在24**MHz附近。信道参数(00000b—信道1，…，11111b—信道32)。每个频段划分32个主信道，主信道之间频点不重叠。底层采用加密传输，不同信道之间的模块严格不能通信。信道号作为划分网络的首选参数，不同信道网络的物理层不会相互干扰，因此可以并行发送数据。另外，网络ID参数也可以作为网络划分的辅助参数，在信道号不够用时考虑使用。

本发明实施例的无线信标2、标识卡3和传输分站1之间的串口握手报文包括串口确认报文、发送成功报文和缓冲区空报文，其中，标识卡3和无线信标2的探测报文最大长度为23字节，标识卡3和无线信标2的外设唤醒报文的最大长度为15字节，标识卡3和无线信标2的握手确认报文的最大长度为15字节。标识卡3和无线信标2的发送成功报文的最大长度为15字节，标识卡3和无线信标2的缓冲区空报文的最大长度为15字节，标识卡3和无线信标2的唤醒过程和数据交换过程相互独立。

本发明实施例的标识卡3和无线信标2采用纯异步碰撞算法和唤醒办法，通过设定休眠参数，决定标识卡、无线信标休眠的时间片长度，同时决定异步唤醒报文持续发送的长度以及握手超时的长度。并且，无线信标2根据部署场景不同按需控制信标发射功率，通过分析信号强度、链路质量、无线握手数据，并根据场景的不同配置相应的衰减系数；无线信标2还根据部署场景不同、定位精度要求不同，按需设置信号强度阈值进行过滤，通过分析信号强度、链路质量、无线握手数据，只留下符合要求的信号。

本发明实施例的标识卡3和传输分站1之间不存在绑定关系，因此标识卡3可以在网络中任意移动，可以在多路径发送数据；标识卡能够按照预设的休眠时间片进行休眠，在休眠时间片结束后会主动发送报文询问广播报文，以及探测无线信标、传输分站的存在。

本发明实施例不在依赖信号强度来判断各信道的空闲状态，而是综合上行信号强势、下行信号强度、综合距离、电压峰峰值、模块温度、外设(标识卡、无线信标)启动延时、外设响应延时、终端握手门限，外设探测、外设唤醒、握手确认、发送成功、缓存区空等综合判断。

本发明实施例中缓冲区空报文的报文最大长度为15字节。如果模块的缓冲区由满变成空闲，模块会向外设发送该报文，通知外设可以发送下一帧数据报文。设置该报文之后，外设可以不需要通过不停重发尝试的方式等待模块的缓冲区空，而只需要等待模块缓冲区空报文再发送下一报文，不仅减小了报文之间的时隙时间开销，而且简化了外设的握手处理过程。

本发明实施例中，距离无线信标远处的标识卡和近处的标识卡具有相同算法优先级，没有远近效应，在强干扰下仍然有效，同时减小了MCU的开销；通过设置标识卡定位握手信号强度门限和设置无线信标感应标识卡信号强度门限，一个确定的是定位精度，一个是感应标识卡的范围以及和分站通信的距离，这样可以达到定位精度可以1.5米，但可以感知10m外的人来了，又可以和100米外的分站通信，而不是通过RSSI单一的来判断。

每个频段划分32个主信道，主信道之间频点不重叠。不同信道之间的模块严格不能通信，不同信道网络的物理层基本不会相互干扰，可以并行发送数据。在信道受到干扰时会根据握手情况自动上下“漂移”几个位置并行传输。报文间隔发送，标识卡、无线信标的核心模块内部很多个数据报文缓冲区，串口很可能会连续发送多个数据报文。但是对于某些标识卡、无线信标可能对连续的数据报文处理不及时，导致数据报文丢失。本发明实施例通过设置间隔参数，模块串口的数据报文会按照以“响应超时”为最小时间间隔单位向标识卡3、无线信标2发送多个报文，或者收到标识卡3、无线信标2的反馈报文后再发送下一个报文。

在连续发送多个报文的应用中会发现无线模块丢包的现象，其实数据包是被无线模块的串口丢弃而不是无线。无线模块的片内的数据缓存数量有限，在无线网络拥塞的情况下，模块缓存中的数据报文还没得及通过无线发送，这时如果向模块串口持续发送新的报文会导致缓冲区满。在模块缓冲区满之后会临时关闭串口，这时再向模块串口发送数据报文就会被丢弃。只有等待数据报文发送成功或者失败之后，才会再次打开模块串口接收新的报文。

本发明实施例通过与无线模块进行简单的串口握手，保证了模块的串口数据报文的可靠性。模块提供参数设置3个串口握手报文：(1)串口确认报文：在模块串口接收到完整的数据帧后会立即回会通过串口发送该报文通知外设MCU确认串口已经准确收到刚刚的数据帧；(2)发送成功报文：在模块通过无线发送成功一包单播数据帧后(广播无效)，会通过串口发送该报文通知外设MCU数据报文被无线成功发送；(3)缓冲区空报文：在模块串口缓冲区由满到空时，会通过串口发送该报文通知外设MCU可以向模块发送新的数据报文，减轻MCU的负担。

而且，参考图3所示，本发明实施例对握手报文唤醒方式进行了改进，简化握手报文过多信息，将报文的长度缩短到最短；充分利用Zigbee射频芯片的特点，采用时间精度更高、更智能的碰撞算法。采用按需休眠唤醒算法，由于采用更短的唤醒报文可以使监听时间片进一步缩短至～1ms以内，标识卡3、定位子站休眠待机电流可以低至5μA。

本发明实施例的标识卡、无线信标探测报文的报文最大长度为23字节。该报文主要实现的功能：(1)在采用外设地址时，模块在上电或者复位时会主动向外设发送该报文，以获得外设的响应，并从响应的报文中得到外设的地址；(2)在周期性全网数据盘点时，如果下行报文为固定数据帧，可以将其设置为外设探测报文，节省下行报文的发送时间，降低功耗。

本发明实施例的外设唤醒报文的报文最大长度为15字节。如果外设为低功耗休眠设备，模块在与外设通信前需要唤醒外设，除了MP1引脚唤醒之外，还可以通过串口报文唤醒。如果外设唤醒报文设置不为空，模块在向外设发送任意数据报文时会先发送外设唤醒报文。该报文比较适合有原本就唤醒数据帧头的设备使用。

本发明实施例的握手确认报文的报文最大长度为15字节。如果该报文不是空，在收到外设的一包完整数据时，会向外设立即发送该报文，告知外设已经准确收到数据报文。协议无线通过多次握手确保数据不会丢失。但是模块片内的缓存数量有限，在外设给模块发送数据时，可能因为模块没有可用的缓存而丢失数据报文。为了确保整个系统的可靠性，外设和模块之间需要通过串口握手确认报文来保证串口的可靠性，在一定时间内收不到模块串口握手报文时，需要外设重发上一包的数据。

本发明实施例的发送成功报文的报文最大长度为15字节。如果该报文不是空，模块在通过无线成功发送一包单播数据帧时，会向外设发送该报文，告知外设已经准确将其串口报文成功发送给下一跳节点。该报文可以作为判断目的节点是否存在、报文是否能到达目的节点的依据，基本上可以替代目的节点反馈的外设确认报文，减轻网络的负担。

本发明实施例的缓冲区空报文的报文最大长度为15字节。如果模块的缓冲区由满变成空闲，模块会向外设发送该报文，通知外设可以发送下一帧数据报文。设置该报文之后，外设可以不需要通过不停重发尝试的方式等待模块的缓冲区空，而只需要等待模块缓冲区空报文再发送下一报文。这样做不仅减小了报文之间的时隙时间开销，而且简化了外设的握手处理过程。

参考图4所示，本发明实施例将唤醒过程独立出来，不再和数据交换过程同时进行，避免被反复唤醒的情况。经过改进的唤醒算法保留了传统握手报文唤醒优点的同时，将唤醒过程所需的时间进行了严格的控制，有着确定的唤醒延时和网络节点密度以及网络的规模无关性。

本发明采用纯异步碰撞算法和唤醒办法，通过设定休眠参数，决定标识卡、无线信标休眠的时间片长度，同时决定异步唤醒报文持续发送的长度以及握手超时的长度。与传统休眠不同，模块会在异步休眠时间片结束后会监听唤醒报文等待被动唤醒，而不是主动探测网络。对于GFSK调制的传统网络一般会监听128或256调制比特，唤醒成功率完全取决于硬件，包括射频芯片的一致性、接收灵敏度以及晶振的频偏，存在比较大被误唤醒的概率。本发明异步休眠时间单位为16.384ms，假设几百个点同时要发数据，要保证可靠性，只能单点发给单点，也就是需要跟对方握手确定收发关系，才会发，即使采用128-bit唤醒也有好几倍的唤醒时间余量，基本可以保证全网唤醒接近100％的唤醒成功率，同时保证被误唤醒的概率不到千万分之一。异步唤醒可以多跳全网快速唤醒也可以实现多跳单点唤醒。

具体的，参考图1和图2所示，本发明实施例的无线信标2和传输分站1之间的信号传输方式为无线传输，无线信标2和传输分站1之间可按需分组，即某个/几个无线信标2可和某个/几个传输分站1划分在一个特定的组，只和自己在同一个分组内的无线信标2和传输分站1通信。

在安排传输分站1、无线信标2和标识卡3彼此之间进行通信时，通过控制无线信标2发射信道的方式，将与同一个标识卡可能实现通信的传输分站、无线信标的数量控制在需要的范围内。

具体的，根据每个无线信标2的差异，将标识卡3分成若干个在不同信道上发送位置ID的小组，并逐一在每小组分配的不同信道上侦听，逐一对每个小组中的标识卡3进行读写，从而将已签到标识卡小组和未签到标识卡小组区分开来，避免了对未签到小组中标识卡的干扰，避免无用的信息、减少碰撞。

本发明实施例的无线信标2采用动态按需授时原则进行时间同步。具体的，本发明 实施例的无线信标2以其所在分组内的传输分站1的周期信标信号为基准，并根据虚拟时间 戳算法计算依次休眠唤醒的时间，以达到各个无线信标2之间的时间同步。已有技术中，传统的时间同步协议的目的是为了实现节点时间的一致性，即达到同时性，而本发明实施例的同步技术则是为了实现无线信标和标识卡之间的同步性，即标识卡和无线信标的某些动作具有相同的周期和相位。同时为了降低无线信标功耗，各无线信标可按需休眠，传输分站发送一个周期性的信标信号，无线信标根据该信标信号进行时间同步调整，从而达到节点之间的同步性。数据通信是无线信标与传输分站之间的直接通信，因此只要同一分组内无线信标之间能够达到同步性就能够保证数据通信的稳定可靠。

本发明实施例通过设置标识卡定位握手信号强度门限来确保标识卡3的定位精度，保证标识卡3只能跟最近无线信标2等设备进行通信，可以通过信号强度进行限制。通过设置感应标识卡信号强度门限。无线信标2可以自动感应标识卡3的存在，实现人来通信人走休眠的情形。通过该参数限定标识卡的感应范围，也可以作为是否使能感应标识卡的逻辑开关。

本发明实施例的上行信号强度的长度1字节。上行信号强度为源节点(标识卡、无线信标)直接发给的分站的信号强度。下行信号强度的长度1字节。下行信号强度为无线信标发给源节点的信号强度。核心模块引脚功能设定了无线方向控制、串口方向控制等，无线方向控制：模块通过MP1引脚告知射频的状态，发射还是接收/休眠。该引脚主要用来驱动外接功放的方向。串口方向控制：通过MP1引脚告知串口的状态，输出还是输入。下行报文命令通过MP0引脚通知外设有下行广播报文要发送，对于某些应用场景如周期性数据采集，需要在尽可能短的时间内采集到全网的数据，这时需要争分夺秒才能将功耗降低到最低。如果下行广播报文是固定报文或者已知内容，这样就可以在接受下行广播报文之前就可以唤醒外设提前准备数据，不需要等待真正得到下行报文内容之后，从而加快整个数据采集过程，降低功耗。“下行报文”模式下，MP0仅仅是一个极短的脉冲，不会一直持续到外设响应结束。

本发明实施例的无线信标2通过设置0～254共255种门限参数，实现精准定位。根据管控目标自由部署合适的无线信标位置和差异化设置恰到好处的信标信号半径，如1.5m、2m、3m、……，让信标信号外切到管控目标边缘，正确判断里外、上下、到位、超员、越界、分层等情况。

参考图1所示，本发明实施例的每一个传输分站1的发射场强和衰减系数均可以按需配置，也即根据传输分站1的部署场景不同，按需控制传输分站1和无线信标2的发射功率，并根据部署场景的不同，按需配置相应的衰减系数。具体的，传输分站1根据其部署场景控制传输分站和无线信标之间的发射功率，并根据其部署场景配置相应的衰减系数。示例的，可以事先在终端内预置衰减系数、发射功率与场景的对应关系表，进而在按需配置的过程中，根据事先预置的对应关系表配置传输分站1的发射功率和衰减系数。

具体的，发射功率按需设置如下：无线信标2持续接收信息，人员携带标识卡3每1s醒来发1次广播信号，无线信标收到广播信号后，根据设定的衰减系数和固定阈值，回复无线信标ID号和信道号，标识卡3解析完成之后切换信道和发射功率发送到传输分站1，实现精确定位功能。

其中，根据部署场景不同，按需控制无线信标2的发射功率，并根据场景的不同，配置相应的衰减系数、发射功率、阈值门限、握手信号、信号强度和链路质量等参数，解决了实际作业现场RSSI值估算移动节点与参考节点的距离有较大误差问题，完善了信号强度、链路质量、无线握手情况等数据到距离的映射系统。示例的，衰减系数、发射功率、阈值门限、握手信号、信号强度、链路质量与部署场景之间的映射表如下表表一所示：

表一：衰减系数与部署场景之间的映射表

进一步的，无线信标2根据应用场景和定位精度要求，按需设置信号强度阈值对接收到的信号进行过滤，最终只保留符合要求的信号。

信号强度阈值过滤：根据场景不同，定位精度要求不同，可按需设置信号强度阈值进行过滤，只留下符合要求的信号。每个无线信标的衰减系数和发射功率都可以根据现场情况任意设定，通过不同的发射功率和信号强度阈值，获得无线信标RSSI到距离的映射系统。

本发明实施例的传输分站1的发射场强和衰减系数等均可以按需配置，也即根据传输分站1的部署场景不同，按需控制传输分站1和无线信标2的发射功率，并根据部署场景的不同，按需配置相应的衰减系数。具体的，传输分站1根据其部署场景控制传输分站1和无线信标2之间的发射功率，并根据其部署场景配置相应的衰减系数。示例的，可以事先在终端内预置衰减系数、发射功率与场景的对应关系表，进而在按需配置的过程中，根据事先预置的对应关系表配置传输分站的发射功率和衰减系数。

传统的时间同步协议的目的是为了实现节点时间的一致性，即达到同时性，为了实现标识卡3、无线信标2、传输分站1中间的同步性，传统的方法需要实时时钟同步，功耗高，无法实现电池供电。然而，本发明以传输分站的周期信标信号为基准，无线信标根据虚拟时间戳算法计算依次休眠醒来的时间，达到各无线信标之间的时间同步。也即本发明的同步技术则是为了实现无线信标和标识卡之间的同步性，即标识卡和无线信标的某些动作具有相同的周期和相位。为了降低无线信标功耗，各无线信标可按需休眠，传输分站发送一个周期性的信标信号，信标根据该信标信号进行时间同步调整，从而只要同类无线信标之间能够达到同步性就能够保证数据通信的稳定可靠，进而实现用电池供电的情况下也能时钟同步，获得更准的位置信息。

本发明实施例通过采用发射功率+衰减系数+阈值过滤技术，解决了实际作业现场RSSI值估算移动节点与参考节点的距离有较大误差问题，完善了RSSI到距离的映射系统。

对于异步休眠节点的无线唤醒一般采用前导的方式，然而这种唤醒方要求报文的前导长度大于休眠时间片的长度才能基本保证能够唤醒休眠节点。前导唤醒方式的报文耗时很长，被误唤醒的概率很大，在唤醒时基本上没办法进行碰撞避免，没办法区分单播和多播，更没有办法进行休眠网络的海量人数盘点，基于此，本发明实施例并没有采用简单的前导唤醒方式。

由于握手报文非常短并且加上优异的碰撞避免算法，在小范围场景直接采用握手报文的方式进行唤醒，也能达到非常理想的唤醒效果。握手报文唤醒不需要报文持续整个休眠时间片，基本没有被误唤醒的可能，可以进行碰撞算法并且容易区分广播报文和单播报文，可以在唤醒过程中交换路由和广播信息，并且达到极高的唤醒成功率。但是握手报文唤醒方式在网络规模比较大的化工厂会因为持续的数据报文会导致反复唤醒休眠节点，休眠节点的监听时间片长度也会比较长。本发明碰撞避免算法根据实际应用场景和资源开销综合设计，能够迅速探测多条链路的即时链路质量，能在极短时间内选择出最佳链路质量的路径。

本发明实施例还提供一种应用于上述无线信标定位系统的定位方法，具体包括：

根据现场情况对无线信标和传输分站进行按需分组，其中，只有在同一分组内的所述无线信标和所述传输分站才能通信，并根据部署场景控制所述传输分站和所述无线信标之间的发射功率，并根据部署场景配置相应的衰减系数；

以传输分站的周期信标信号为基准，无线信标和标识卡根据各自时钟确认自己依次醒来的时间，并根据虚拟时间戳算法计算依次休眠唤醒的时间，以达到各个所述无线信标之间的时间同步；

根据定位场景需要设置所述无线信标的打标范围，其中，所述打标范围为1.5米～5米；

所述无线信标给进入其打标范围的标识卡打标，被打标之后的标识卡通过无线信号把数据发送到覆盖该标识卡的传输分站；

所述传输分站接收到数据之后，再将数据传送到后端数据服务器以实现通过平台软件计算出携带所述标识卡的作业人员的精确位置。

参考图1所示，示例的，本发明实施例的无线信标定位系统包括4个无线信标2，编号分别为D1～D4，当然，无线信标也可以是一个还可以是更多，本发明实施例对此不做限定。其中，传输分站1为2个，分别编号为J1和J2，标识卡3为2个，编号分别为K1和K2。图1中标号5代表每一个无线信标的打标范围，标号6代表打标数据流，标号7代表位置数据流。

参考图1所示，采用上述定位方法对于每个标识卡3在接近或远离无线信标2的过程中，都能实现快速定位。示例的，当本实施例中的编号为K1和编号为K2的标识卡3单独接近或远离无线信标2时，按上述工作方法进行定位，且标识卡识别编号为K1或编号为K2的标识卡，将位置信息发送给传输分站1；如果编号为K2、K1的标识卡3接近或远离无线信标2时，同时按上述定位方法进行定位，把这两个身份以及定位信息分别发送给传输分站1，实现不同标识卡3的同时定位。

本发明提供了一种无线信标定位系统及其定位方法，其中，无线信标和传输分站之间采用按需分配的方式配对分组，且只有在同一个分组内的无线信标和传输分站之间才能够数据通信，无线信标采用动态按需授时原则进行时间同步，解决了无线信标在使用电池供电按需休眠的情况下仍能实现按需分组动态授时这一难题，通过发射场强和衰减系数按需配置、信号强度阈值过滤等技术，通过设置标识卡定位握手信号强度门限，确保标识卡的定位精度，保证标识卡只能跟最近无线信标等设备进行通信，可以通过信号强度进行限制；通过设置感应标识卡信号强度门限，无线信标可以自动感应标识卡的存在，实现人来通信人走休眠的情形，通过该参数限定标识卡的感应范围，也可以作为是否使能感应标识卡的逻辑开关，进而满足了在石化、化工等作业现场对定位精度按需部署的灵活要求，又实现了低成本、高精度的定位效果。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (2)

1.一种无线信标定位系统，其特征在于，所述无线信标定位系统包括无线信标、标识卡和传输分站，其中，所述无线信标、所述标识卡和所述传输分站之间的信号传输方式为无线传输，所述无线信标和所述标识卡采用电池供电；所述无线信标和所述传输分站之间采用按需分配的方式配对分组，且只有在同一个分组内的所述无线信标和所述传输分站之间才能够数据通信；所述无线信标以其所在分组内的传输分站的周期信标信号为基准，并根据时间戳算法计算依次休眠唤醒的时间，以达到各个无线信标之间的时间同步；所述无线信标、所述标识卡同时在多路径、多通道并行发送数据，所述无线信标的配置参数包括频段参数、信道参数和发射功率参数，所述无线信标根据上行信号强度、下行信号强度、综合距离、电压峰峰值、模块温度、外设启动延时、外设响应延时、终端握手门限、外设探测、外设唤醒、握手确认、发送成功、缓存区综合判断各信道的空闲状态，所述标识卡具有相同的算法优先级，所述标识卡配置有定位握手信号强度门限，所述无线信标配置有感应标识卡信号强度门限；

所述无线信标、所述标识卡和所述传输分站之间的串口握手报文包括串口确认报文、发送成功报文和缓冲区空报文，其中，所述标识卡和所述无线信标的探测报文最大长度为23字节，所述标识卡和所述无线信标的外设唤醒报文的最大长度为15字节，所述标识卡和所述无线信标的握手确认报文的最大长度为15字节；

所述传输分站的发射场强和衰减系数按需配置，所述标识卡和所述无线信标的发送成功报文的最大长度为15字节，所述标识卡和所述无线信标的缓冲区空报文的最大长度为15字节，所述标识卡和所述无线信标的唤醒过程和数据交换过程相互独立；

所述传输分站根据其部署场景控制所述传输分站和所述无线信标之间的发射功率，并根据其部署场景配置相应的衰减系数；

所述无线信标根据应用场景和定位精度要求，按需设置信号强度阈值对接收到的信号进行过滤，最终只保留符合要求的信号；根据管控目标部署无线信标位置和差异化设置所述无线信标的信号半径已实现所述无线信标的信标信号外切至管控目标边缘；

所述标识卡和所述无线信标采用纯异步碰撞算法和唤醒办法，通过设定休眠参数，决定标识卡、无线信标休眠的时间片长度，同时决定异步唤醒报文持续发送的长度以及握手超时的长度，所述无线信标根据部署场景不同按需控制信标发射功率，通过分析信号强度、链路质量、无线握手数据，并根据场景的不同配置相应的衰减系数；所述无线信标根据部署场景不同、定位精度要求不同，按需设置信号强度阈值进行过滤，通过分析信号强度、链路质量、无线握手数据，只留下符合要求的信号。

2.一种应用于如权利要求1所述的无线信标定位系统的定位方法，其特征在于，所述定位方法包括：

根据现场情况对无线信标和传输分站进行按需分组，其中，只有在同一分组内的所述无线信标和所述传输分站才能通信，并根据部署场景控制所述传输分站和所述无线信标之间的发射功率，并根据部署场景配置相应的衰减系数；

以传输分站的周期信标信号为基准，无线信标和标识卡根据各自时钟确认自己依次醒来的时间，并根据虚拟时间戳算法计算依次休眠唤醒的时间，以达到各个所述无线信标之间的时间同步；

根据定位场景需要设置所述无线信标的打标范围，其中，所述打标范围为1.5米~5米；

所述无线信标给进入其打标范围的标识卡打标，被打标之后的标识卡通过无线信号把数据发送到覆盖该标识卡的传输分站；

所述传输分站接收到数据之后，再将数据传送到后端数据服务器以实现通过平台软件计算出携带所述标识卡的作业人员的精确位置。