全文摘要
本实用新型公开了一种基于ZigBee的室内定位系统，包括服务器，基站节点，多个子站节点及标签节点，多个子站节点呈正方形拓扑结构分布在室内，标签节点，基站节点及服务器位于室内任意位置，多个子站节点，标签节点及基站节点之间采用ZigBee技术进行无线通讯，基站节点与服务器之间通过GPRS技术进行无线通讯。本实用新型的定位系统，不仅低功耗，低成本，安装方便，而且在确保定位精度的前提下，减少子站数量，节约成本。
主设计要求
1.一种基于ZigBee的室内定位系统，其特征在于：包括服务器，基站节点，多个子站节点及标签节点，多个子站节点呈正方形拓扑结构分布在室内，标签节点，基站节点及服务器位于室内任意位置，多个子站节点，标签节点及基站节点之间采用ZigBee技术进行无线通讯，基站节点与服务器之间通过GPRS技术进行无线通讯；所述标签节点包括标签ZigBee通信模块，与标签ZigBee通信模块连接的标签存储电路及标签充电电路，所述子站节点包括子站ZigBee通信模块，与子站ZigBee通信模块连接的子站存储电路，所述基站节点包括主控芯片，与主控芯片连接的基站ZigBee通信模块及GPRS通信模块。
设计方案
1.一种基于ZigBee的室内定位系统，其特征在于：包括服务器，基站节点，多个子站节点及标签节点，多个子站节点呈正方形拓扑结构分布在室内，标签节点，基站节点及服务器位于室内任意位置，多个子站节点，标签节点及基站节点之间采用ZigBee技术进行无线通讯，基站节点与服务器之间通过GPRS技术进行无线通讯；
所述标签节点包括标签ZigBee通信模块，与标签ZigBee通信模块连接的标签存储电路及标签充电电路，所述子站节点包括子站ZigBee通信模块，与子站ZigBee通信模块连接的子站存储电路，所述基站节点包括主控芯片，与主控芯片连接的基站ZigBee通信模块及GPRS通信模块。
2.根据权利要求1所述的基于ZigBee的室内定位系统，其特征在于：所述主控芯片为STM32F407VGT6单片机U1，U1的引脚55和56接基站ZigBee通信模块，引脚25、26、35、36、37接GPRS通信模块。
3.根据权利要求2所述的基于ZigBee的室内定位系统，其特征在于：所述基站ZigBee通信模块为CC2530+CC2591ZigBee的集成电路模块U11，U11的TX和RX端口连接主控芯片，RST端口连接上电复位电路。
4.根据权利要求1所述的基于ZigBee的室内定位系统，其特征在于：所述GPRS通信模块为USR-GPRS232-7S3模块U6，其引脚6和7分别串接电平匹配电路后连接主控芯片的引脚26和25，U6的引脚1、9和15分别串接指示灯驱动电路后连接主控芯片的引脚35、37和36。
5.根据权利要求1所述的基于ZigBee的室内定位系统，其特征在于：所述标签ZigBee通信模块及子站ZigBee通信模块均为CC2530集成电路模块，其引脚22和23连接指示灯电路，引脚24连接上电复位电路，引脚13和14连接存储电路，引脚16串接电池电量检测电路后连接供电电池。
6.根据权利要求5所述的基于ZigBee的室内定位系统，其特征在于：所述标签存储电路及子站存储电路均采用EEPROM芯片，其引脚5和6连接ZigBee通信模块的引脚13和14。
7.根据权利要求5所述的基于ZigBee的室内定位系统，其特征在于：所述标签ZigBee通信模块的引脚16连接的是充电电池，该充电电池连接标签充电电路。
8.根据权利要求1所述的基于ZigBee的室内定位系统，其特征在于：多个子站节点呈正方形拓扑结构分布，且横向或纵向的相邻两个子站节点距离为15～20m。
设计说明书
技术领域
本实用新型属于室内定位领域，具体涉及一种基于ZigBee的室内定位系统。
背景技术
随着通信技术与数据业务的急速增长，人们对定位的需求已经远远不满足于室外定位，对复杂的室内环境，如医院、机场、停车场、工厂、仓库等人员，设备精确定位的需求越来越来大。然而受定位时间，定位精度以及室内环境复杂程度的条件限制，目前还没有一种室内定位技术被广泛的运用。
目前比较主流的室内定位技术有：RFID技术，UWB技术，zigbee技术，蓝牙技术以及WIFI技术等。而纵观上述这些技术方案，UWB技术以精度高而著称，然后高成本，高功耗是其短板；RFID技术成本较低却不易于整合到移动设备中，且作用距离较短；WIFI与蓝牙技术一个成本较高，一个信号稳定性不高；而 zigbee技术的低功耗，低成本的特性是实现室内定位系统的理想技术。
然而由于室内定位受环境结构复杂程序的影响，如系统无法供电，系统不可安装等不利因素，往往需要耗费大量的人力物力，即使不考虑上述问题，在室内情况较为复杂时，为了保证定位精度，往往需要布置较多的设备，这样不利于后期设备维护。
故而亟需一种室内定位系统，不仅功耗和成本低，而且在保证定位精度的条件下可以尽量减少设备使用数量。
实用新型内容
实用新型目的：为了解决现有技术的不足，本实用新型提供了一种基于 ZigBee的室内定位系统，不仅低功耗，低成本，安装方便，而且多个子站呈正方形拓扑分布，可以在确保定位精度的前提下，减少子站数量，节约成本。
技术方案：一种基于ZigBee的室内定位系统，包括服务器，基站节点，多个子站节点及标签节点，多个子站节点呈正方形拓扑结构分布在室内，标签节点，基站节点及服务器位于室内任意位置，多个子站节点，标签节点及基站节点之间采用ZigBee技术进行无线通讯，基站节点与服务器之间通过GPRS技术进行无线通讯；
所述标签节点包括标签ZigBee通信模块，与标签ZigBee通信模块连接的标签存储电路及标签充电电路，所述子站节点包括子站ZigBee通信模块，与子站ZigBee通信模块连接的子站存储电路，所述基站节点包括主控芯片，与主控芯片连接的基站ZigBee通信模块及GPRS通信模块。
优选的，所述主控芯片为STM32F407VGT6单片机U1，U1的引脚55和56接基站ZigBee通信模块，引脚25、26、35、36、37接GPRS通信模块。
优选的，所述基站ZigBee通信模块为CC2530+CC2591ZigBee的集成电路模块U11，U11的TX和RX端口连接主控芯片，RST端口连接上电复位电路。
优选的，所述GPRS通信模块为USR-GPRS232-7S3模块U6，其引脚6和7分别串接电平匹配电路后连接主控芯片的引脚26和25，U6的引脚1、9和15分别串接指示灯驱动电路后连接主控芯片的引脚35、37和36。
优选的，所述标签ZigBee通信模块及子站ZigBee通信模块均为CC2530集成电路模块，其引脚22和23连接指示灯电路，引脚24连接上电复位电路，引脚13和14连接存储电路，引脚16串接电池电量检测电路后连接供电电池。
优选的，所述标签存储电路及子站存储电路均采用EEPROM芯片，其引脚5 和6连接ZigBee通信模块的引脚13和14。
优选的，所述标签ZigBee通信模块的引脚16连接的是充电电池，该充电电池连接标签充电电路。
优选的，多个子站节点呈正方形拓扑结构分布，且横向或纵向的相邻两个子站节点距离为15～20m。
有益效果：本实用新型所揭示的一种基于ZigBee的室内定位系统，具有如下有益效果：
系统采用服务器，基站，子站及标签四级结构配置，通过ZigBee技术建立标签与子站，子站与基站之间的通信，实现低功耗和低成本；
对于多个数量要求的子站采用电池供电，标签采用可充电电池供电，解决供电不便的问题，使得复杂环境下可以任意位置安装，降低安装困难度；
在定位区域内，多个子站采用正方形拓扑结构分布，且控制子站之间的距离，可以在确保定位精度及定位盲区较少的前提下，减少子站的布置数量，从而降低成本以及维护难度。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1是本实用新型实施例的原理框图；
图2是本实用新型实施例中主控芯片的电路图
图3是本实用新型实施例中基站zigbee通信模块电路图；
图4是本实用新型实施例中GPRS通信模块的电路图；
图5是本实用新型实施例中子站zigbee通信模块的电路图；
图6是本实用新型实施例中子站存储电路的电路图；
图7是本实用新型实施例中标签zigbee通信模块的电路图；
图8是本实用新型实施例中标签存储电路的电路图；
图9是本实用新型实施例中标签充电电路的电路图；
图10是本实用新型实施例中子站正方形拓扑结构分布示意图；
图11为本实用新型实施例中非标准区域进行区域分割的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。
如图1所示的一种基于ZigBee的室内定位系统，包括服务器，基站节点，多个子站节点及标签节点，多个子站节点呈正方形拓扑结构分布在室内，标签节点，基站节点及服务器位于室内任意位置，多个子站节点，标签节点及基站节点之间采用ZigBee技术进行无线通讯，基站节点与服务器之间通过GPRS技术进行无线通讯。
具体说来，所述标签节点作为待测节点与待定位的人或物进行绑定，标签节点可以是固定的，也可以是移动的，其包括标签ZigBee通信模块，与标签 ZigBee通信模块连接的标签存储电路及标签充电电路。所述子站节点作为参考节点需要在现场确定实际坐标值，从而在后期的运算中可以根据实际做表示来计算出标签节点与子站节点之间的实际距离，该子站节点分布在定位区域内的各个区域，呈正方形定拓扑结构分布，且横纵相邻两个子站节点之间距离为 15～20m，优选20m，所述子站节点包括子站ZigBee通信模块，与子站ZigBee通信模块连接的子站存储电路。所述基站节点作为多个子站节点的数据汇总点，首先要进行ZigBee网络自组网，使得各个子站节点以及标签节点进入同一个ZigBee网络中，同时基站节点要将接收到的各个子站节点数据解析，再组包后通过GPRS技术发送给服务器，所述基站节点包括主控芯片，与主控芯片连接的基站ZigBee通信模块及GPRS通信模块。
如图2所示，所述基站节点中的主控芯片选用STM32F407VGT6单片机U1， U1的引脚6、11、19、21、22、28、50、75、100接3.3V，引脚10、20、27、 74、99接地，U1的引脚94脚串接电阻R3后接地，U1的引脚49串接电容C4后接地，U1的引脚73串接电容C5后接地，引脚12和13接晶振电路，引脚55和 56接基站ZigBee通信模块，引脚25、26、35、36、37接GPRS通信模块。
如图3所示，所述基站节点中的基站ZigBee通信模块为CC2530+CC2591 ZigBee的集成电路模块U11，U11的引脚16接电源3.3V，引脚15接地，引脚 10接U1的56脚，U11的引脚11接U1的引脚55，用于发送和接收主控芯片的数据，U11的引脚13串接电阻R33及发光二极管D8后接电源3.3V，引脚14连接由电容C34和电阻R34组成的上电复位电路。由于基站中的ZigBee通信模块需要负责整体组网，故而要求其发射功率大，组网范围广，可以使得区域内的所有子站和标签都能加入，故而采用CC2530+CC2591的集成模块，通过CC2591 信号放大芯片增大zigbee信号。
如图4所示，所述基站节点中的GPRS通信模块为USR-GPRS232-7S3模块U6， U6的引脚13、14接5V电源，引脚11、12接地，U6的引脚1串接指示灯驱动电路后连接主控芯片U1的引脚35，该指示灯驱动电路由电阻R18，NPN型三极管Q2，发光二极管D3及电阻R15组成，三极管Q2的基极串接电阻R18后连接 U6的引脚1，发射极接地，集电极串接二极管D3和电阻R15后接3.3V，同时集电极还连接主控芯片U1的35引脚；所述GPRS通信模块U6的引脚9串接指示灯驱动电路后连接主控芯片U1的引脚37，该指示灯驱动电路由电阻R24、R25，NPN型三极管Q5和发光二极管D4组成；所述GPRS通信模块U6的引脚15串接指示灯驱动电路后连接主控芯片U1的引脚36，该指示灯驱动电路由电阻R13、 R14，NPN型三极管Q1和发光二极管D2组成；所述GPRS通信模块U6的引脚6 串接电平匹配电路后连接主控芯片的引脚26，该电平匹配电路由电阻R17、R19、 R21、R26、NPN型三极管Q3和Q6组成，三极管Q3的集极串接电阻R17后接入U6的引脚6，同时集极串接电阻R19后接2.8V电压，Q3的集电极串接三极管 Q6的集极，Q6的集电极串接电阻R26后接3.3V电压，同时三极管Q6的集电极连接主控芯片U1的引脚26，三极管Q3和Q6的发射极均接地，三极管Q3的集电极串接电阻R21后接2.8V电压；所述GPRS通信模块U6的引脚7串接电平匹配电路后连接主控芯片的引脚25，该电平匹配电路由电阻R16、R20、R22、R27、 NPN型三极管Q4和Q7组成。
如图5所示，所述子站ZigBee通信模块为CC2530集成电路模块U2，U2的引脚1接地，引脚2接3.3V，引脚23串接电阻R2和发光二极管LED1后接3.3V；引脚13和14连接存储电路，引脚22串接电阻R3和发光二极管LED2后接3.3V；所述发光二级管LED1作为运行状态指示灯，而发光二极管LED2作为电池电量指示灯，所述U2的引脚16串接有电阻R4和电阻R7组成的电池电量检测电路，然后接入电池正极Battary，U2的引脚24连接由电阻R1和电容C5组成的上电复位电路。由于子站节点作为定位系统中的参考节点，在一个定位区域内的数量比较多，考虑到实际应用场景下无法提供足够的电源，因此参考子站使用 19000mAh电池供电，利用zigbee低功耗的特性，使得子站续航时间达到几个月之久，同时也使得子站在现场更易于安装布置。
如图6所示，所述子站存储电路采用EEPROM芯片U3，U3的引脚5和6连接ZigBee通信模块U2的引脚13和14，所述子站存储电路中存储有子站唯一识别码和系统配置信息以及该子站的坐标值。
如图7所示，所述标签ZigBee通信模块为CC2530集成电路模块U4，U4的引脚1接地，引脚2接3.3V，引脚23串接电阻R2和发光二极管LED1后接3.3V；引脚13和14连接存储电路，引脚22串接电阻R3和发光二极管LED2后接3.3V；所述发光二级管LED1作为运行状态指示灯，而发光二极管LED2作为电池电量指示灯，所述U4的引脚16串接有电阻R6和电阻R7组成的电池电量检测电路，然后接入电池正极Battary，U4的引脚24连接由电阻R1和电容C1组成的上电复位电路，为方便标签整合到人或物中，标签使用充电锂电池供电，同时对于充电锂电池配合充电电路进行USB充电，本实施对标签的功耗进行控制，平均负载电流做到30uA左右，标签续航时间可以做到半年左右。
如图8所示，所述标签存储电路采用EEPROM芯片U5，其引脚5和6连接 ZigBee通信模块U4的引脚13和14，该存储电路中存储有标签的唯一识别码和系统配置信息。
如图9所示，标签充电电路以充电管理芯片AD5056 U7为核心，U7的引脚 2串接电阻R10后接地；引脚3接地，引脚4和8接usb电源USB_5V；引脚5 接充电电池正极Battary；引脚6串接电阻R11后接入PNP型三极管Q2的基极，同时R11的另一端接USB电源USB_5V，Q2的集电极接地，Q2的发射极接发光二极管LED3的正极和PNP型三极管Q1的集电极，LED3的负极接地；Q1的基极接电阻R9的一端和充电管理芯片U7的引脚7，R9的另一端接USB_5V，Q1的发射极串接电阻R8后接USB_5V。充电管理芯片AD5056的引脚7为充电状态引脚，当电池在充电过程中时，该引脚被拉低。当电池充电完成后，该引脚被拉高，而AD5056的引脚8为充电完成状态引脚，当电池在充电过程中时，该引脚被拉高。当电池充电完成后，该引脚被拉第，因此通过这两个引脚结合发光二极管可以用于指示电池充电状态。
本实用新型系统在现场安装时，针对任意现场环境既要布置子站节点少，又要定位准确率高以及定位盲区少，故而采用子站节点正方形拓扑结构分布， Zigbee技术在空旷地区理论上传输距离可达100m左右，然而在环境结构复杂的室内，它的有效传输距离只能达到最大30m左右，经过反复试验，RSSI算法在 020m内精度较高，因此本实施例以20m作为zigbee信号传输的最大范围，即规定一个zigbee节点信号覆盖范围是一个半径为20m的圆，在定位运算时，一个待测标签至少需要被三个参考子站信号覆盖才可算出其坐标，因此本实施例提出了一种正方形拓扑结构进行现场安装，即将任意一个定位区域分割成若干个20*20m的正方形(不满20*20的地方以实际大小为准)，在正方形的四个顶点处分别放置参考子站，由一个20*20m正方形内定位情况可推及到整个定位区域，在如图10所示的单个20*20m区域中，A、B、C、D为四个子站，阴影部分为定位盲区(只被两个子站信号覆盖)，因此在这个区域中任意一点可被定位的概率为 设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920748100.0
申请日:2019-05-23
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:32(江苏)
授权编号:CN209526893U
授权时间:20191022
主分类号:H04W 64/00
专利分类号:H04W64/00
范畴分类:39C;
申请人:南通云之建智能科技有限公司
第一申请人:南通云之建智能科技有限公司
申请人地址:226000 江苏省南通市崇川区创源科技园6号楼3楼
发明人:贾四和;阚伟伟;吴明明;沈岳
第一发明人:贾四和
当前权利人:南通云之建智能科技有限公司
代理人:顾森燕
代理机构:32395
代理机构编号:南通物格知识产权代理事务所(普通合伙) 32395
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计
标签：zigbee论文; 通信论文; 主控芯片论文; 基站论文; 室内定位论文; 节点服务器论文; 电池论文; 发光二极管论文;