一种基于低频电场探测的室内定位装置及方法

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1.本发明涉及一种基于低频电场探测的室内定位技术，尤其涉及一种基于低频电场探测实现医院、厂房等室内人员定位的技术。
技术背景
2.在现代社会，定位技术在生产和生活当中起着不可或缺的作用，gps系统和北斗定位系统等卫星定位系统成功地满足了室外导航定位的需求，且技术已经十分成熟。与之相比，室内定位技术还不是非常成熟，但对其的需求却在与日俱增，因此，室内定位技术也成为了当前的研究热点。
3.目前常见的室内定位技术有wi-fi、蓝牙、超宽带、红外线、超声波，rfid等，但这些技术又都有不同程度上的缺陷：wi-fi的系统组成比较复杂，组网成本较高，能耗也较高；蓝牙在稍复杂的空间环境中稳定性很差，很容易受到噪声信号干扰；红外线的发射距离较短，且一旦被遮挡就无法正常工作；超宽带系统是当前较为热门的一种室内定位技术，其穿透力强、功耗低、抗多径效应的效果好，但因其技术实现较为复杂，导致超宽带系统的设备成本很高；超声波技术结构简单，但很容易受到多径效应以及非视距传播的影响，且其频率受到多普勒效应和温度的影响，另外还需要大量的基础硬件设施，导致成本较高；rfid定位技术利用射频方式进行非接触式双向通信交换数据，实现移动设备识别和定位的目的，它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息，且传输范围大、成本较低，不过存在着不便于整合到移动设备之中、作用距离短、用户的安全隐私得不到保障以及没有统一的国际标准等问题。
4.室内定位解决方案的系统复杂度、成本、准确性和抗干扰性是决定其能否应用于实际场景的决定性因素，而上述的若干技术都或多或少地存在着短板，为此，需要提出一种系统实现简单、成本低廉、准确性高、抗干扰能力强的室内定位方法。

技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术中的不足，本发明提出一种基于低频电场探测的室内定位装置及方法。
6.为实现上述发明目的，本发明提出的技术方案为：
7.一种基于低频电场探测的室内定位装置，其特征在于，整个装置由若干微型低频电场发射源、若干电场接收模块、系统软件组成；其中，微型低频电场发射源佩戴在被定位人员身上，由mcu子模块、放大电路和负载电阻实现，采用电池供电，mcu子模块通过数模转换产生与被定位人员信息相对应频率的正弦波，再经过放大电路后产生一定比例的放大，然后通过负载电阻将其发射到空气当中；低频电场接收模块被编号并安装在室内指定位置，由探测电极、高阻芯片、放大滤波电路、mcu子模块、4g子模块组成，由探测电极采集到低频电场所产生的感应电荷，高阻芯片将感应电荷转换为电压信号，经过放大滤波电路后得到一个较干净的模拟电压信号，该信号经过mcu子模块进行模数转换和fft处理，将得到的
频率信息、接收模块编号和当前时间一起通过4g子模块发送给系统软件；系统软件包括前端和后端，其中前端由web页面实现，后端由服务器和数据库组成，工作时，前端负责接收后端服务器发送的人员位置信息并在页面上显示，且前端具有调取后端服务器人员位置信息数据的功能，以便查询过往某个特定时间点的人员位置信息，对于后端而言，服务器负责从各个低频电场模块接收数据，并进行定位处理，将其存储在数据库并发送给系统软件的前端显示，数据库除了要存储备份数据之外，还负责存储账号密码等用户信息，以便进行系统软件的身份权限认证。
8.一种基于低频电场探测的室内定位方法，其特征在于，建立频率-人员映射关系并存储在系统软件，建立低频电场接收模块编号-位置映射关系并存储在系统软件，微型低频电场发射源根据频率-人员映射关系产生相应频率的电场并被佩戴在被定位人员身上，低频电场信号接收模块依据低频电场接收模块编号-位置映射关系被编号并安装在室内指定位置，当被定位人员经过某个低频电场接收模块时，其身上佩戴的微型低频电场发射源发出的电场信号将被经过的低频电场接收模块采集处理，并将得到的电场频率信息、接收模块编号和当前时间发送给系统软件处理得到位置-人员信息，具体步骤如下：
9.1)根据室内被定位人员数n建立频率-人员映射关系并存储在系统软件后端数据库，为每个需要被定位的人员分配一个电场频率，电场频率和人员应做到一一对应，形成一个从频率到人员的映射，其频率间隔为δf；
10.2)将室内空间进行细化，划分出需要定位的位置，如某个房间、某个楼梯等，位置间隔为δp，建立低频电场接收模块编号-位置映射关系并存储在系统软件后端数据库；
11.3)微型低频电场发射源根据频率-人员映射关系产生相应频率的电场并被佩戴在被定位人员身上，可以装在口袋里，也可以用别针佩戴在衣服上；
12.4)低频电场信号接收模块依据低频电场接收模块编号-位置映射关系被编号并安装在室内指定位置，可以直接暴露在空气中安装，也可以放在隐蔽处安装，如放在某装饰物之后；
13.5)当被定位人员经过某个低频电场接收模块时，其身上佩戴的微型低频电场发射源发出的电场信号将被经过的低频电场接收模块采集处理，并将得到的电场频率信息、接收模块编号和当前时间发送给系统软件，其后端通过查询预先存储的频率-人员映射关系和低频电场接收模块编号-位置映射关系，得到位置-人员信息，在数据库存储并发送给系统软件的前端显示。
14.进一步地，所述的一种基于低频电场探测的室内定位装置，其特征在于，所述低频电场接收模块的探测电极，为表面镀锡的直径为7cm的圆形电极。
15.进一步地，所述的一种基于低频电场探测的室内定位装置，其特征在于，所述低频电场接收模块的高阻芯片，其输入阻抗为数百gω量级，输入电容为pf量级。
16.进一步地，所述的一种基于低频电场探测的室内定位方法，其特征在于，频率间隔δf不小于5hz，位置间隔δp不小于2m。
17.进一步地，所述的一种基于低频电场探测的室内定位装置和方法，其特征在于，微型低频电场发射源的负载电阻可以调整，使得低频电场接收模块仅在位置间隔δp范围内收到该电场信号。
18.进一步地，所述的一种基于低频电场探测的室内定位装置和方法，其特征在于，低
频电场接收模块的供电方式可以采用电池供电，也可以采用安装位置处的电源供电。
19.本发明的显著优势在于：基于低频电场探测机理提出一种新型室内定位装置及方法，且系统结构简单，成本低廉，抗干扰能力强，有效探测距离可达2m。
附图说明
20.图1为本发明提出的一种基于低频电场探测的室内定位装置的示意图。
具体实施方式
21.为进一步详细表述本发明的效果，下面将结合具体实施例对本发明做详细说明，但以下实施例只是描述性的，不是限制性的。
22.一种基于低频电场探测的室内定位装置，参见附图1，包括若干微型低频电场发射源、若干电场接收模块、系统软件三部分。所述微型低频电场发射源由mcu子模块、放大电路、电阻负载组成，采用电池供电，mcu子模块采用ti公司的msp430f5528型号的微控制器，其通过数模转换输出特定频率的正弦波，经过放大之后，通过电阻负载发射出对应频率的正弦低频电场信号；所述低频电场接收模块，包括探测电极、高阻芯片、放大滤波电路、mcu子模块、4g子模块，由探测电极采集到低频电场所产生的感应电荷，高阻芯片将感应电荷转换为电压信号，经过放大滤波电路后得到一个较干净的模拟电压信号，该信号经过mcu子模块进行模数转换和fft处理，将得到的频率信息、接收模块编号和当前时间一起通过4g子模块发送给系统软件，其中探测电极使用表面镀锡、直径7cm圆形pcb电极，高阻芯片选用南京大学电子学院非接触号感知课题组自研芯片，输入阻抗为150gω，输入电容为10pf，放大滤波电路采用ti公司的op07芯片，mcu子模块选用意法半导体公司的stm32f103微控制器，4g子模块选用移远公司ec200n-cn型号的4g-lte模组；系统软件包括前端和后端，其中前端由web页面实现，后端由服务器和数据库组成，工作时，前端负责接收后端服务器发送的人员位置信息并在页面上显示，且前端具有调取后端服务器人员位置信息数据的功能，以便查询过往某个特定时间点的人员位置信息，对于后端而言，服务器负责从各个低频电场模块接收数据，并进行定位处理，将其存储在数据库并发送给系统软件的前端显示，数据库除了要存储备份数据之外，还负责存储账号密码等用户信息，以便进行系统软件的身份权限认证，所述系统软件的前端使用javascript进行开发，后端服务器使用南京大学电子学院非接触号感知课题组的自用服务器，后端数据库使用mysql进行开发。
23.定位实施过程如下：
24.1)室内被定位人员数为2，分别为甲和乙，为每个需要被定位的人员分配一个电场频率，电场频率和人员应做到一一对应，形成一个从频率到人员的映射，其频率间隔为10hz，建立“甲-4.01khz”、“乙-4.02khz”频率-人员映射关系并存储在系统软件后端数据库；
25.2)将室内空间进行细化，划分出需要定位的位置，房间a和房间b，位置间隔为10m，建立“001-a”、“002-b”低频电场接收模块编号-位置映射关系并存储在系统软件后端数据库；
26.3)微型低频电场发射源产生4.01khz电场，并放置被定位人员甲上身口袋里，微型低频电场发射源产生4.02khz电场，并放置被定位人员乙上身口袋里；调整微型低频电场发
射源的负载电阻，使得低频电场接收模块仅在2m范围内收到该电场信号；
27.4)低频电场信号接收模块001放置在房间a的入门门框侧面，距离地面1.5m，低频电场信号接收模块002放置在房间甲的入门门框侧面，距离地面1.5m，两个低频电场信号接收模块均采用电池供电；
28.5)当被定位人员经过低频电场接收模块时，其身上佩戴的微型低频电场发射源发出的电场信号将被经过的低频电场接收模块采集处理，并将得到的电场频率信息、接收模块编号和当前时间发送给系统软件，其后端通过查询预先存储的频率-人员映射关系和低频电场接收模块编号-位置映射关系，得到位置-人员信息，在数据库存储并发送给系统软件的前端显示。
29.需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所做出的任何等同变换或替换均落入本发明权利要求所保护的范围。

技术特征：

1.一种基于低频电场探测的室内定位装置，其特征在于，整个装置由若干微型低频电场发射源、若干低频电场接收模块、系统软件组成；其中，微型低频电场发射源佩戴在被定位人员身上，由mcu子模块、放大电路和负载电阻实现，采用电池供电，mcu子模块通过数模转换产生与被定位人员信息相对应频率的正弦波，再经过放大电路后产生一定比例的放大，然后通过负载电阻将其发射到空气当中；低频电场接收模块被编号并安装在室内指定位置，由探测电极、高阻芯片、放大滤波电路、mcu子模块、4g子模块组成，由探测电极采集到低频电场所产生的感应电荷，高阻芯片将感应电荷转换为电压信号，经过放大滤波电路后得到一个较干净的模拟电压信号，该信号经过mcu子模块进行模数转换和fft处理，将得到的频率信息、接收模块编号和当前时间一起通过4g子模块发送给系统软件；系统软件包括前端和后端，其中前端由web页面实现，后端由服务器和数据库组成，工作时，前端负责接收后端服务器发送的人员位置信息并在页面上显示，且前端具有调取后端服务器人员位置信息数据的功能，以便查询过往某个特定时间点的人员位置信息，对于后端而言，服务器负责从各个低频电场模块接收数据，并进行定位处理，将其存储在数据库并发送给系统软件的前端显示，数据库除了要存储备份数据之外，还负责存储账号密码等用户信息，以便进行系统软件的身份权限认证。2.一种基于低频电场探测的室内定位方法，其特征在于，建立频率-人员映射关系并存储在系统软件，建立低频电场接收模块编号-位置映射关系并存储在系统软件，微型低频电场发射源根据频率-人员映射关系产生相应频率的电场并被佩戴在被定位人员身上，低频电场信号接收模块依据低频电场接收模块编号-位置映射关系被编号并安装在室内指定位置，当被定位人员经过某个低频电场接收模块时，其身上佩戴的微型低频电场发射源发出的电场信号将被经过的低频电场接收模块采集处理，并将得到的电场频率信息、接收模块编号和当前时间发送给系统软件处理得到位置-人员信息，具体步骤如下：1)根据室内被定位人员数n建立频率-人员映射关系并存储在系统软件后端数据库，为每个需要被定位的人员分配一个电场频率，电场频率和人员应做到一一对应，形成一个从频率到人员的映射，其频率间隔为δf；2)将室内空间进行细化，划分出需要定位的位置，如某个房间、某个楼梯等，位置间隔为δp，建立低频电场接收模块编号-位置映射关系并存储在系统软件后端数据库；3)微型低频电场发射源根据频率-人员映射关系产生相应频率的电场并被佩戴在被定位人员身上，可以装在口袋里，也可以用别针佩戴在衣服上；4)低频电场信号接收模块依据低频电场接收模块编号-位置映射关系被编号并安装在室内指定位置，可以直接暴露在空气中安装，也可以放在隐蔽处安装，如放在某装饰物之后；5)当被定位人员经过某个低频电场接收模块时，其身上佩戴的微型低频电场发射源发出的电场信号将被经过的低频电场接收模块采集处理，并将得到的电场频率信息、接收模块编号和当前时间发送给系统软件，其后端通过查询预先存储的频率-人员映射关系和低频电场接收模块编号-位置映射关系，得到位置-人员信息，在数据库存储并发送给系统软件的前端显示。3.根据权利要求1所述的一种基于低频电场探测的室内定位装置，其特征在于，所述低频电场接收模块的探测电极，为表面镀锡的直径为7cm的圆形电极。
4.根据权利要求1所述的一种基于低频电场探测的室内定位装置，其特征在于，所述低频电场接收模块的高阻芯片，其输入阻抗为数百gω量级，输入电容为pf量级。5.根据权利要求2所述的一种基于低频电场探测的室内定位方法，其特征在于，频率间隔δf不小于5hz，位置间隔δp不小于2m。6.根据权利要求1和2所述的一种基于低频电场探测的室内定位装置和方法，其特征在于，微型低频电场发射源的负载电阻可以调整，使得低频电场接收模块仅在位置间隔δp范围内收到该电场信号。7.根据权利要求1和2所述的一种基于低频电场探测的室内定位装置和方法，其特征在于，低频电场接收模块的供电方式可以采用电池供电，也可以采用安装位置处的电源供电。

技术总结

本发明提出了一种基于低频电场探测的室内定位装置及方法，其特征在于，定位装置由若干微型低频电场发射源、若干低频电场接收模块、系统软件组成，微型低频电场发射源根据频率-人员映射关系产生相应频率的电场并被佩戴在被定位人员身上，低频电场信号接收模块依据低频电场接收模块编号-位置映射关系被编号并安装在室内指定位置，当被定位人员经过某个低频电场接收模块时，其身上佩戴的微型低频电场发射源发出的电场信号将被经过的低频电场接收模块采集处理，并将得到的电场频率信息、接收模块编号和当前时间发送给系统软件处理得到位置-人员信息。人员信息。人员信息。