专利名称：紫蜂无线跟踪定位系统及方法
技术领域：
本发明专利是一种无线跟踪定位系统，尤其将紫蜂(ZigBee)技术引用到了其中。
背景技术：
目前市场上常见的无线跟踪定位设备，通常是基于GPS、GSM、WCDMA等技术，其具有定位比较精确，覆盖的区域范围较大等优势，但同样也有成本高、功耗高等缺点，并不适用于小区域的无线跟踪定位。
紫蜂(ZigBee)技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术。它采用20kbps、40kbps和250kbps的低数据速率进行通信，通信距离可达10m到80m；工作周期短，并采用了休眠模式，功耗很低；采用CSMA-CA和完全确认的数据传输机制；网络层采用Ad hoc技术协议，有自组织自维护功能；设备搜索时延典型值为30ms，休眠激活时延典型值是15ms，活动设备信道接入时延为15ms，适合于实时性强的业务。紫蜂技术的特点可以归纳为以下几点●全球范围适用；●可以建立临时性的对等连接；●具有很好的抗干扰能力；
●紫峰芯片模块体积很小，可以方便地集成到各种设备中；●低功耗；●开放的接口标准；紫蜂技术的这些优势，为其在小区域内的无线安全跟踪定位的实际应用提供了条件。
发明内容
本专利的目的是提供一种无线跟踪定位系统，为了解决成本高、功耗大和小区域定位的问题，本系统运用紫蜂技术，具有技术先进、体积小、功耗小、造价低的特点，为小区域的无线跟踪定位提供了前所未有的技术基础。
目前，我国政府对煤矿等小区域的安全生产越来越重视，煤矿工人的生命安全越来越受到各界的广泛关注。在充分分析紫蜂技术以及小区域无线跟踪定位的特点的基础上，本专利提出了紫蜂无线跟踪定位系统，具有以下功能●利用主接入点设备对从节点设备进行跟踪定位，从而监控从节点设备的活动范围。
●主接入点设备负责将其监控范围内的从节点设备的相关信息上报给监控中心。
●在发生异常情况时，从节点设备能主动和主接入点设备通信，并提供其区域范围，由主接入点设备向监控中心发出报警信息。
●在监控中心，为相关的人员提供友好的显示界面，让工作人员能及时了解各个移动从节点设备的活动范围。
●监控中心数据库保存各个移动从节点设备的详细活动轨迹，如进入主接入点的时间以及离开主接入点的时间。
●监控中心可根据目前各区域的状况，向相应区域的从节点设备发送有关信息，以便及时通知相关人员采取相应的措施。
●监控中心和从节点之间可以进行双向的语音通信。
●在发生危急情况时，搜救人员可以手持搜救设备进行搜救。搜救设备能够搜索附近的从节点设备，并且能够进行点对点的通信。
本发明专利所采取的技术方案如下所述紫蜂无线跟踪定位系统，由主接入点设备、从节点设备、通信总线、监控中心和搜救设备组成，从节点设备附着在被跟踪对象的表面或内部，当一个新的从节点设备进入主接入点设备控制区域，主接入点设备负责添加该从节点设备，并将相关信息通过通信总线上报给监控中心，当主接入点设备控制范围内的某个从节点设备离开了其控制区域，主接入点设备要对其做出相应处理，并将信息上报给监控中心；另外，在发生异常情况时，从节点设备还可以主动请求和主接入点设备进行通信，主接入点将相关的异常信息通过通信总线及时地上报给监控中心；同时，监控中心和从节点之间能够进行双向的语音通信，以便控制中心的工作人员能及时地采取相应的措施；在监控中心，为用户提供友好的用户界面，能及时显示各种当前信息，并对信息轻重情况进行分类，对异常情况给出报警提示；在发生危急情况时，搜救人员可以手持搜救设备进行搜救。搜救设备可以搜索附近的从节点设备，并且能够进行点对点的通信；在找到携带从节点设备的人员后，可以将现场相关信息和人员状态存入搜救设备的数据库中，最终与监控中心的服务器数据库进行同步，上传搜救结果。
系统各组成部分说明如下(1)从节点设备放置在被控制对象的表面或内部，与被监控对象物理集成为一体，具有以下功能a与主接入点设备或者搜救设备建立无线连接，进行实时通信；b报警被控制对象发生异常或电池电压较低时进行报警，根据需要进行主动报警；c电源实现外电源与可充电电池双电源供电，具有低压报警功能。外电源可由被监控对象或其它设备提供；d具有与监控中心进行双向语音通信的功能。
(2)主接入点设备放置在监测区域适当的位置，能够跟踪到其覆盖区域内的全部被监控对象(从节点设备)。
a主接入点设备中的ZigBee模块与从节点设备中的ZigBee模块实现无线连接，主接入点设备与监控中心通过总线相连；b在规定的时间内对从节点设备进行定位监控；
c及时将其控制区域内的从节点设备的工作情况上报给监控中心。
d当从节点和监控中心进行双向语音通信时，主接入点充当桥梁作用，既要将从节点的语音数据通过总线传送给监控中心，又要把监控中心的语音数据回应给从节点设备。
(3)通信总线a连接监控中心和主接入点的物理设备，例如线缆、中继器、分线盒等；b通信总线负责传输监控中心与主接入点之间的数据信息和控制信息。
(4)监控中心a利用总线方式与主接入点设备相连接；b建立各个从节点设备位置信息的数据库管理系统；c控制中心计算机界面能及时直观显示各个从节点设备的位置和状态信息；d在从节点设备发生异常情况时，能进行声光报警；e根据需要，在监控中心可向相关区域下达相应的控制命令，并与从节点之间建立双向语音通信。
(5)搜救设备手持式移动搜救设备，能够跟踪到其覆盖区域内的全部被监控对象(从节点设备)。
a搜救设备中的ZigBee模块与从节点设备中的ZigBee模块实现无线连接；b搜救设备可以与从节点设备建立点对点的连接，从而对从节点进行跟踪和定位；c搜救设备可以把指定的信息存入本地数据库；d搜救设备的数据库可以与监控中心的数据库进行同步，下载人员信息，或者上传搜救结果。
同时本系统还具有如下特点●系统的可靠性ZigBee采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，保证系统的可靠性。
●防干扰、误报ZigBee采用DSSS频率共享技术，具有抗干扰性、抗噪声、抗衰减和保密性能好等优点。
●对其它无线设备的影响小ZigBee采用DSSS技术，发射功率较低，因此对周围其它无线设备影响很小。
●控制范围的可调性可以通过选择发射功率来调整主接入点的监控范围。一般为10米～75米，满足本系统要求。
●系统的安全性ZigBee采用AES-128加密技术。
综上所述，紫蜂(ZigBee)无线跟踪定位系统创新点如下●本无线跟踪定位系统采用了紫蜂(ZigBee)无线通信技术，可自行选定控制对象、自行设定控制区域；可对单个目标和多个目标实时跟踪定位，实用性强，使用灵活。
●本无线跟踪定位系统的主接入点设备和从节点设备的体积都比较小，并且可实现全向无线通信，使用灵活、方便。
●本无线跟踪定位系统，采用了紫蜂(ZigBee)全向无线通信技术，可保证被控制对象具有一定的可移动性。
●为紫蜂技术在安全定位上的应用提供了完整的解决方案。
为了使本发明容易理解和实现，现在通过参考附图进行说明，附图中相似的附图标记是指所有各个视图中同样的或功能相似的部件。这些附图和下面的详细说明一起被包含进来并形成说明书的一部分，以进一步示意这些实施例并解释各种原理和优点，其中图1是紫蜂无线安全跟踪定位系统框图，所述系统包括从节点设备101，主接入点设备102，监控中心103，搜救设备104和通信总线105。
图2是从节点设备框图，从节点设备包括紫蜂模块201、天线202、微处理器203、供电电路204、电压检测装置205和语音模块206。
图3是从节点设备程序流程图。
图4是主接入点设备框图，主接入点设备包括紫蜂模块401、天线402、微处理器403、供电电路404和通信总线接口405。
图5是主接入点设备程序流程图。
图6是搜救设备框图，搜救设备包括紫蜂模块601、天线602、处理器603、显示模块604、供电电路605和PC同步模块606。
图7是监控中心框图，监控中心设备包括显示终端701、数据库服务器702、总线传输接口703、声光报警装置704和语音模块705。
具体实施例方式
紫蜂无线跟踪定位系统，核心部分是主接入点设备和从节点设备两个部分，两者之间通过紫蜂技术实现无线连接，两者之间有效通信距离为10～75米。
紫蜂无线跟踪定位系统的主要技术指标为●单个主接入点设备能够控制的从节点设备数1～264●单个主接入点设备监控从节点设备的活动范围10～75米(半径)●从节点设备的电池工作时间90天●环境温度-10℃～50℃紫蜂无线跟踪定位系统的应用范围为煤矿、监狱、特殊监控场所等小区域范围的无线跟踪定位环境。
参考图1，紫蜂(ZigBee)无线跟踪定位系统由从节点设备101、主接入点设备102、监控中心103、搜救设备104和通信总线105组成。各组成部分都是系统不可或缺的。
参考图2，从节点设备是由紫蜂模块201、天线202、微处理器203、供电电路204、电压检测装置205和语音模块206组成。所述供电电路204包括充电池在内的掉电、充电保护电路，保证长期供电。当外电源可直接从被控物体获取、且从节点设备接上外电源时，供电电路204可以由外电源供电，与外电源断开时，供电电路204由内部可充电电池供电，可进行低电压报警。所述紫蜂模块201符合IEEE802.15.4的要求，能及时地将被监控对象的位置信息上报给对应的主接入点设备，在发生异常情况时，能主动将异常信息及时上报给主接入点设备，从节点设备通过语音模块206和监控中心进行双向的语音通信。
参考图3，从节点设备在上电后，首先完成初始化工作，包括设备标识号、发送信道号、发送功率等参数的设定。然后，进入正常工作状态，等待主接入点的连接或者主动向主接入点发起连接。当系统产生通信事件时，从节点设备执行与主接入点设备的通信事件处理程序；当系统产生报警事件时，从节点设备执行报警事件处理程序。
参考图4，主接入点设备是由紫蜂模块401、天线402、微处理器403、供电电路404和通信总线接口405组成，其电源直接从外电路上获取。所述主接入点设备能实时地对从节点设备进行无线跟踪定位，并能通过总线的方式与控制中心连接，及时地将从节点设备的相关位置信息和危急情况上报信息上报给监控中心，并将监控中心的信息返回给从节点设备。所述的一个主接入点设备可与从节点设备建立无线连接，可同时对多个甚至数十万个被监控对象进行无线跟踪定位。
参考图5，主接入设备在上电后，首先完成初始化工作，包括设备标识号、发送信道号、发送功率等参数的设定。然后，进入正常工作状态，向附近的从节点设备发起连接或者处理从节点设备向主接入点发起的连接请求。当系统产生无线通信事件时，主接入点设备执行与从节点设备的通信事件处理程序；当系统产生总线通信事件时，主接入点设备执行总线通信事件处理程序。
参考图6，搜救设备是由紫蜂模块601、天线602、处理器603、显示模块604、供电电路605和PC同步模块606。所述供电电路605包括可充电电池在内的掉电、充电保护电路，保证长期供电。在发生危急情况时，搜救人员可以手持搜救设备进行搜救。搜救设备能够搜索附近的从节点设备，并且能够进行点对点的通信。在找到佩戴从节点设备的人员后，可以将现场相关信息和人员状态存入搜救设备的数据库中，最终与监控中心的数据库进行同步，上传搜救结果。
参考图7，监控中心由显示终端701、数据库服务器702、总线传输接口703、声光报警装置704和语音模块705组成。系统的监控中心采用数据库管理和友好界面显示的方式，能将各个监控对象的相关信息及时地显示出来，并在需要的时候发出报警信息，提醒相关工作人员采取相应措施，根据需要，监控中心可向相关区域发送控制命令，并通过语音模块705与从节点设备进行双向的语音通信。
系统运行后，主接入点设备的紫蜂模块通过采用查询、寻呼模式和从节点设备主动上报模式，与在其有效控制范围内的从节点设备建立无线链路，形成一个星型网络，主接入点设备对其控制范围内的从节点设备进行跟踪定位，并能将相应的信息上报给监控中心。同时，主接入点设备能够实时地添加进入其控制范围内的从节点设备，将信息上报给监控中心；当从节点设备离开其控制范围时，删除该从节点信息，并向监控中心上报。从节点设备要能接收主接入点设备的添加请求信息，并能在规定的时间内与主接入点设备通信，及时地上报其位置和状态信息。
监控中心负责完成对各个主接入点上报信息的接收和处理，并给管理人员提供友好的界面，让管理人员能及时了解每个控制对象当前的位置信息和每个控制对象的状态信息。当从节点设备主动发送报警信息，主接入点设备通过总线传到监控中心后，监控中心的声光报警装置就会启动。此时，监控中心的操作人员就要及时做出响应，并且和从节点设备进行双向的语音通信，确认控制区域附近有险情发生后，向险情区域内的主接入点设备发送撤离信息，主接入点设备接收到撤离信息后，向控制范围内的从节点设备广播撤离信息，提示携带从节点设备的人员撤离。当险情解除后，监控中心的操作人员停止声光报警装置，并且向险情区域的主接入点设备发送撤离取消命令。
在发生危急情况时，搜救人员可以手持搜救设备进行搜救。搜救设备能够搜索附近的从节点设备，并且能够进行点对点的通信。在找到携带从节点设备的人员后，可以将现场相关信息和人员状态存入搜救设备的数据库中，最终与监控中心的数据库进行同步，上传搜救结果。
注释1、ZigBee为了满足类似于传感器等小型、低成本互联设备的要求，2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作组。这个工作组将致力于定义一种供廉价的固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。
ZigBee正是这种技术的商业化命名。这个名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。
2、AES-128 128位高级加密标准(The Advanced EncryptionStandard)算法。最常用的对称密码算法是数据加密标准(DES)算法，但是由于DES密钥长度较短，已经不适合当今分布式开放网络对数据加密安全性的要求。新的基于Rijndael算法对称高级数据加密标准AES取代了数据加密标准DBS。
3、DSSS直接序列展频技术(Direct Sequence Spread Spectrum；DSSS)。是将原来的讯号「1」或「0」，利用32位的chips来代表「1」或「0」位，使得原来较高功率、较窄的频率变成具有较宽频的低功率频率。
权利要求
1.紫蜂无线跟踪定位系统，由主接入点设备、从节点设备、通信总线、监控中心和搜救设备组成，其特征是从节点设备附着在被控制对象的表面或嵌入到其中，从节点设备、主接入点设备和搜救设备均具有紫蜂模块，所述从节点设备以无线通信方式与主接入点设备或搜救设备进行信息交换，主接入点设备利用通信总线与监控中心进行通信。
2.如权利要求1所述的紫蜂无线跟踪定位系统，其特征是所述的从节点设备包括紫蜂模块、天线、微处理器、供电电路、电压检测装置和语音模块，所述的从节点设备还包括充电电池在内的掉电、充电保护电路；供电电路为紫蜂模块、微处理器和语音模块供电，紫蜂模块通过天线接收和发送无线信号，微处理器处理紫蜂模块接收的信号，并把要发送的信号传给紫蜂模块进行发送，电压检测装置实时检测电池电压，在电压低于门限值时，发出提示信号。
3.如权利要求2所述的紫蜂无线跟踪定位系统，其特征是当外电源可直接从被控物体获取、且从节点设备接上外电源时，从节点设备可以由外电源供电，与外电源断开时，从节点设备由内部可充电电池供电，可进行低电压报警。
4.如权利要求1所述的紫蜂无线跟踪定位系统，其特征是所述的主接入点设备包括紫蜂模块、天线、微处理器、供电电路和通信总线接口，其电源直接从外电路上获取；供电电路为紫峰模块和微处理器供电，紫峰模块通过天线接收和发送无线信号；微处理器处理紫蜂模块接收的信号，并把要发送的信号传给紫蜂模块进行发送，另外，微处理器用通信总线接口与监控中心通信。
5.如权利要求1所述的紫蜂无线跟踪定位系统，其特征是所述的搜救设备包括紫蜂模块、天线、处理器、显示模块、供电电路和PC同步模块；供电电路为紫峰模块、处理器和显示模块供电，紫峰模块通过天线接收和发送无线信号；微处理器处理紫蜂模块接收的信号，并把要发送的信号传给紫蜂模块进行发送，另外，微处理器用PC同步模块与服务器信息数据库进行同步。
6.对目标对象进行定位跟踪的方法，其特征在于所述方法应用了紫蜂技术。
7.如权利要求6所述的方法，其特征是所述的一个主接入点设备可与多个从节点设备同时建立无线连接，实现同时对多个被监控对象的实时控制和跟踪；当一个新的从节点设备进入主接入点设备控制区域，主接入点设备负责添加该从节点设备，并将相关信息上报给监控中心，当主接入点设备控制范围内的某个从节点设备离开了其控制区域，主接入点设备要对其做出相应处理，并将信息上报给监控中心；另外在发生异常情况时，从节点设备还可以主动请求和主接入点设备进行通信，将相关的异常信息及时地上报给监控中心，并且能够与监控中心进行双向的语音通信，以便控制中心的工作人员能及时地采取相应的措施；在监控中心，为用户提供友好的用户界面，能及时显示各种当前信息，并对信息轻重情况进行分类，对异常情况给出报警提示。
全文摘要
本发明将紫蜂技术引入到无线跟踪定位系统中来，为其在小区域无线安全跟踪定位的实际应用提供了条件。该系统由从节点设备101、主接入点设备102、监控中心103、搜救设备104和通信总线105组成(见附图)，从节点设备以无线通信方式与主接入点设备或搜救设备进行信息交换，主接入点设备与监控中心用通信总线相连。从节点设备包括紫蜂模块、天线、微处理器、供电电路、电压检测装置和语音模块；主接入点设备包括紫蜂模块、天线、微处理器、供电电路和通信总线接口；监控中心包括信息管理数据库、显示终端、声光报警装置和语音模块；搜救设备包括紫蜂模块、天线、处理器、显示模块、供电电路和PC同步模块。
文档编号H04W64/00GK101022664SQ20071006293
公开日2007年8月22日 申请日期2007年1月22日 优先权日2007年1月22日
发明者蒋挺, 施炯, 赵成林 申请人:北京邮电大学