一种船舶舱室内定位系统及定位方法与流程

本发明涉及室内定位技术领域。更具体地说，本发明涉及一种适用于施工环境的船舶舱室内定位系统及定位方法。

背景技术：

大型船舶舱室内施工涉及设备安装调试、打磨、油漆等作业，这些作业很多都是在高空、密闭舱室或狭小空间进行，参与作业的人员多，分布在舱室内的各个角落，这给安全管理工作带来很大的挑战。舱室内施工，施工环境复杂，视线遮挡多，照明条件差，靠安全员巡检、肉眼观察，难以及时发现问题。船厂安环部门迫切需要新的技术手段协助安全管理。室内定位技术通过对人员的实时定位，可为安全监管员提供舱室区施工人员的实时准确位置，安全监管员通过监控室电脑、手持平板或智能手机就可以实时掌握分布在不同甲板不同舱室内人员的准确位置，不失为安全监管的有力手段。

虽然以gps和北斗为代表的卫星定位技术应用已非常广泛和成熟。而对于金属结构的舱室内环境，由于卫星信号无法穿透，导致其无法应用于舱室内定位。舱室内施工环境相比于户外环境更加复杂，舱室内各种设备和施工搭建的脚手架都是金属材质，金属对电磁波的屏蔽和反射作用很强，这就导致信号较户外传播距离大大缩短、多径效应明显。此外施工状态，环境不断变化，对定位系统的鲁棒性要求很高，同时定位设备的拆装要方便快捷。这就导致诸如uwb超宽带，wifi指纹，惯性导航，rfid区域检测等在普通建筑物中效果良好的定位技术在舱室内使用受到很大的制约。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供一种适用于施工环境的船舶舱室内定位系统，该系统具有实施成本低、部署简单快捷、设备拆装方便的优点，同时能够获得较高的实时定位精度。

为了实现上述目的，本发明提供了一种适用于施工环境的船舶舱室内定位系统，其特征在于所述系统包括：

多个定位信标，所述多个定位信标固定在舱室内适当位置，通过广播帧周期性发送状态信息，所述状态信息包括定位信标id、发送信号强度值、发射周期、电池电量；

定位标签，施工人员佩戴定位标签，所述定位标签扫描接收多个定位信标id以及接收信号强度值rssi，并通过将定位信标id以及接收信号强度值rssi与定位标签的id一起以无线方式周期性发出；

通信基站，其接收定位标签发出信息，并通过有线/无线方式转发给定位服务器；

定位服务器，定位服务器用于数据存储和位置解算，其存储有定位信标的id以及对应的位置坐标和发送信号强度值，所述定位服务器接收所述通信基站转发的信息，将信息中的定位信标id、接收信号强度值rssi以及定位标签自身id解析出来，并通过接收到的定位信标的id查询对应定位信标的位置坐标，通过接收信号强度值rssi和发送信号强度值计算定位标签与各个定位信标间的距离值，之后通过定位算法获得定位标签在舱室内的位置信息，位置信息既作为实时信息推送给应用端，也作为历史信息存储在服务器中；

云平台，其存储用户信息和每个用户的项目信息，项目信息包含项目名称、位置、所使用的设备及数目、设备的使用和运行情况、电子地图，以便对用户的设备和电子地图进行维护和管理。

进一步地，所述系统还包括：

部署巡检终端，其为支持bluetooth4.0的智能手机或平板电脑,用于完成定位信标的部署和巡检工作并将生成的部署和巡检文件以无线方式上传给所述云平台；所述部署巡检终端扫描并接收舱室内部署的定位信标的广播帧，并将接收的定位信标的状态信息，包括定位信标id、发送信号强度值、发送周期、电池电量，以无线方式上传给所述云平台；所述部署巡检终端用于更新舱室内部署的定位信标的发送信号强度值、发送周期，并将更新以无线方式上传给所述云平台；所述部署巡检终端用于添加和删除舱室内部署的定位信标，并可将更新以无线方式上传给所述云平台。

进一步地，应用端是指装有网页浏览器的任一智能手机、ipad、电脑，应用端通过有线/无线网络连接服务器和云平台，使用指定的用户名和密码通过网页浏览器访问定位服务器和云平台，应用端实现面向用户的各种功能，如实时位置显示、定位设备管理等。

进一步地，所述定位信标包括：

射频模块，所述射频模块包括da14580蓝牙芯片及外围电路；

加密模块，所述加密模块包括加密芯片及外围电路，所述加密模块与射频芯片连接，用于防篡改射频芯片的配置参数；

锂电池模块，所述锂电池模块为各模块供电；

电源管理模块，所述电源管理模块用于电池电量管理。

进一步地，所述定位标签包括：

蓝牙模块，所述蓝牙模块包括cc2640蓝牙芯片及外围电路；

lora模块，所述lora模块包括sx1278lora芯片及外围电路；

加速度计模块，所述加速度计模块包括加速度计及外围电路，所述加速度计模块与蓝牙模块连接，用于监测定位标签处于运动或者静止状态；

锂电池模块，所述锂电池模块为各模块供电；

电源管理模块，所述电源管理模块用于电池电量和充放电管理。

进一步地，所述定位标签的工作流程为：

首先配置定位标签参数。在定位服务器上将定位标签的参数设置好，将通信基站设置为配置模式，当标签连续闪灯，表示配置完成；

定位标签参数配置完成后，cc2640蓝牙芯片的微控制器监测所述电源管理模块的电量监控情况是否正常，并且监测cc2640蓝牙芯片与加速度计模块连接是否正常；

如若电量监控模块的电量监控情况正常，且cc2640蓝牙芯片与加速度计模块连接正常，则微控制器进入工作模式，否则进入错误模式；

当微控制器进入工作模式时，此时lora模块扫描周围信号，当接收到通信基站的广播信号后，微控制器发指令，定位标签进入工作状态；

当进入错误模式后，微控制器通过射频模块周期上报出错信息；

在定位标签进入工作状态后，如果加速度计模块监测到其自身处于静止状态，也就是整个定位标签处于静止状态，则微控制器延长蓝牙模块和lora模块的信号收发的时间间隔；如果加速度计模块监测到其自身处于运动状态，则微控制器将蓝牙模块和lora模块的信号收发的时间间隔恢复正常，蓝牙模块按正常周期扫描定位信标发送的广播信号并测量接收信号强度，lora模块将蓝牙模块接收的广播信号和接收信号强度以及所属标签id发送给通信基站。

进一步地，所述通信基站包括：

通信基站第一射频模块，所述通信基站第一射频模块包括sx1278lora芯片及外围电路；

通信基站第二射频模块，所述通信基站第二射频模块包括sx1278lora芯片及外围电路；

poe模块，所述poe模块与所述通信基站第一射频模块和通信基站第二射频模块连接，提供以太网通信和供电。

本发明的另一目的在于提供一种适用于施工环境的船舶舱室内定位系统的安装方法，该定位系统具有实施成本低、部署简单快捷、设备拆装方便的优点，同时能够获得较高的实时定位精度。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种适用于施工环境的船舶舱室内定位系统的安装方法，其特征在于所述安装方法包括以下步骤：

步骤1：在船舶舱室内按照一定高度和密度布设定位信标，定位信标的周期性广播无线信号覆盖整个舱室。每个定位信标具有唯一的身份id和部署位置，这些信息被记录并临时存储在部署巡检终端中；

步骤2：当定位信标部署完成后，将存储在部署巡检终端中的部署信息上传到云平台，在云平台上生成定位信标的位置文件和配置文件；

步骤3：在舱室内的合适位置布置一定数量的通信基站，通信基站的信号覆盖整个舱室，通信基站接入网络，通过有线或者无线的方式；

步骤4：安装定位服务器，实现定位服务器与通信基站网络互通，将定位信标的位置文件和配置文件从云平台上下载，然后上传到定位服务器；

步骤5：安装应用端，实现应用端和定位服务器之间的网络互通。

本发明的另一目的在于提供一种适用于施工环境的船舶舱室内定位系统的定位方法，该定位方法具有实施成本低、部署简单快捷、设备拆装方便的优点，同时能够获得较高的实时定位精度。

为了实现上述目的，本发明的技术方法如下：一种适用于施工环境的船舶舱室内定位系统的定位方法，其特征在于所述定位方法包括以下步骤：

步骤1：定位信标按照一定的高度和密度布设在舱室内，配置适当的发送信号强度值、身份id和信号发送周期，向周围发送广播信号；

步骤2：携带定位标签的人员进入舱室，定位标签接收到通信基站的下发工作指令，从而进入工作状态，定位标签接收周围的定位信标广播帧，并获得定位信标id和接收信号强度值，一次精准定位需要至少获得三个定位信标的id和接收信号强度值，该定位标签将定位信标id及其接收信号强度值和定位标签自身id通过无线信号发送至通信基站；

步骤3：通信基站接收到定位标签的信号，并将其转发至定位服务器；

步骤4：定位服务器接收来自通信基站的信息，根据定位信标id查询服务器中保存的定位信标位置信息和发送信号强度值，通过接收信号强度值和发送信号强度值计算出定位标签到各个定位信标之间的距离值，然后通过定位算法获得定位标签在舱室内的位置信息。

本发明至少包括以下有益效果：

1.已有的室内定位系统应用于舱室施工环境实施成本高、拆装不方便，而本申请中定位信标采用蓝牙低功耗技术，功耗超低，采用锂电池供电，不需要额外部署供电线路，安装方便，施工成本低，续航时间长，维护成本低。

2.与本方案类似的蓝牙beacon定位方案，由于其beacon状态是不可监控的，故系统鲁棒性差，维护困难。而本方案配备了部署巡检终端，通过扫描接收定位信标的广播信息，定位信标低电、损坏、工作异常都能够及时发现得到维护，网络稳定性高、可维护性好。

3.网络的覆盖能力，定位标签和通信基站之间的通信采用lora技术，通信频段在470-510hz，信号接收灵敏度可达-148dbm，信号穿透能力强，传输距离远。

4.网络容量，双信道通信基站，一个通信基站同时有两个不同的频点在工作，能够很好地应对高并发访问，避免信号接收发送延迟。

5.本发明能够在粉尘浓度高、振动明显、充满油漆挥发物的施工环境中稳定运行，并获得较高的定位精度，满足快速装卸需求。

附图说明

图1为本发明系统架构图；

图2为本发明定位原理图；

图3为本发明所述通信基站结构图；

图4为本发明所述定位标签结构图；

图5为本发明所述定位信标结构图；

图6为本发明船舶舱室内定位部署方案。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明提供一种室内定位系统，包括：

多个定位信标，多个定位信标固定在舱室内，定位信标的布置：多个定位信标被布置在所需要被定位的空间中，可以是天花板、吊顶或舱壁上，其目的是让其无线广播信号覆盖其安装位置周边区域，依据蓝牙信号的特性和安装经验，一般垂直高度3～5米，水平间隔3～6米安装比较理想。安装密度越高，成本越高，当然其定位精度也越高。所述定位信标通过广播帧周期性发送自身id、信号发射强度、信号发射周期和电池电量等信息。所述定位信标的位置是固定的，被固定舱室内的某个点，这个点被标注在部署巡检终端的电子地图上，再将部署信息上传云平台。通过云平台生成位置文件和配置文件，这样定位信标的位置信息就确定了。再将云平台生成的位置文件和配置文件上传到定位服务器。由此定位信标可作为空间位置的参考点，通过定位服务器查询所参考的定位信标的位置信息，计算出被定位的施工人员与定位信标之间的相对位置，因而便可以通过定位算法获得施工人员的位置坐标。另外，该定位信标功耗极低，采用锂电池供电，体积小，因而其安装维护简单。定位信标能够周期性向周围空间广播自己的id、信号发射强度、信号发射周期和电池电量信息等，这些信息被部署巡检终端接收并在终端上显示。若某定位信标广播帧中的信息指示该定位信标工作异常或者低电量，则巡检员可以通过部署巡检终端找到该定位信标的位置进行维护。定位信标具有状态指示灯，也可以通过观察该定位信标指示灯信息来判断该定位信标是否工作正常。定位信标参数是可配置的，可以通过部署巡检终端进行参数配置(如发送信号强度值和周期)。

定位标签，由进入舱室内的施工人员携带，所述定位标签扫描接收多个定位信标的id和接收信号强度值(rssi)，并通过无线方式发出。定位标签参数是可配置的，可以通过云平台或定位服务器上配置软件实现对其参数的配置，这些参数包括不同工作模式(正常或休眠)信号发射周期，单次最大上报定位信标数、指示灯功能等，参数配置完后，通过通信基站下发给定位标签。定位标签具有扫描接收定位信标广播的能力。定位标签具有无线信号发送能力，将接收到的多个定位信标信息、接收信号强度值(rssi)及自身id发送至通信基站。定位标签具有状态指示功能，能够指示其自身工作状态，如故障，低电等。定位标签具有动静状态监测功能，能够根据施工人员的动静状态采取不同的工作模式，如运动状态下，定位标签是正常工作模式，3s为周期发送一次信息；静止状态下，定位标签是休眠工作模式，10分钟为周期发送一次信息。以此来达到更低的功耗，在电池容量受限的情况下实现更长的续航能力。定位标签的形态是多样的，可以是标签，工卡，手环，手表等多种外形，不限外形样式，只要实现其中的核心功能即可。

通信基站，其接收定位标签无线发出的多个定位信标的id、接收信号强度值(rssi)以及定位标签自身id，并通过有线/无线方式转发。通信基站通过以太网将接收到的定位标签信息转发给定位服务器。通信基站具有工作状态指示功能，能够显示自身工作状态，方便维护。所述通信基站，如图3所示，包括：

poe(以太网供电)模块，为各模块及外围电路供电同时提供以太网通信；

两个lora模块，采用的是sx1278芯片。

sx1278为semtech公司推出的扩频射频芯片，采用semtech公司独特的lora扩频调制技术，具有接收灵敏度高、传输距离远的优点。

在通信基站中，包含两个sx1278模块。两个模块既各自接收并转发来自定位信标的信号，又分工协作。这样在定位信标多，信号并发量大的情况下，依然能保证信号传输的低延迟，能很好地满足定位节点多、实时性要求高的场景。

本通信基站具有：1)铝合金外壳，防水防尘防摔设计，防护等级达ip67，适合潮湿、粉尘浓度高的施工环境使用；2)采用poe供电供网，只需要1根网线解决电源和联网问题，供电供网距离可达100米，降低了部署难度和成本；3)双信道基站，一个基站的收发能力相当于两个普通单信道基站，节约了硬件成本。

通信基站的参数是可配置的。可以为每个通信基站配置一个ip地址，这样通信基站就可以连入以太网；可以为每个sx1278射频模块配置不同的频点，这样就实现了双信道工作，使不同的定位标签同时访问其中一个sx1278射频模块。

所述定位标签是一种低功耗的多模定位标签，该定位标签只是定位设备的核心模块，其外观结构可以有多种样式，如卡片形式、标签形式、手环形式、手表形式等。

所述定位标签，如图4所示，包括：

电源模块，锂电池；

电源管理模块，电池电量及充放电管理；

一个蓝牙模块，采用的是cc2640芯片；

一个lora模块，采用的是sx1278芯片。

加速度计模块，监测标签处于运动或者静止状态；所述加速度计模块与蓝牙模块连接。

cc2640是ti公司针对蓝牙低功耗应用推出的一款芯片。cc2640具有丰富的外设功能集，其中包括一个独特的超低功耗微控制器(armcortex-m3)。此微控制器非常适合连接外部传感器，还适合用于在系统其余部分处于睡眠模式的情况下自主收集模拟和数字数据，在所述定位标签中用微控制器外接加速度计来监测标签的运动状况，以达到节能的目的。因此，cc2640非常适合定位标签这种注重电池使用寿命、小型尺寸和便于携带的设备。

本定位标签具有：1)防水防尘，防护等级达ip63；2)采用低功耗芯片，低功耗电路设计，在电池容量极其有限的情况下，然能保证使用时长不低于两周。

定位标签的工作流程为：

首先配置定位标签参数。在定位服务器上将定位标签的参数设置好，将通信基站设置为配置模式，当标签连续闪灯，表示配置完成；

定位标签参数配置完成后，cc2640的微控制器监测所述电源管理模块的电量监控情况是否正常，并且监测cc2640与加速度计模块连接是否正常；

如若电量监控模块的电量监控情况正常，且cc2640与加速度计模块连接正常，则微控制器进入工作模式，否则进入错误模式；

当微控制器进入工作模式时，此时lora模块扫描周围信号，当接收到通信基站的广播信号后，微控制器发指令，标签卡进入工作状态；

当进入错误模式后，微控制器通过射频模块周期上报出错信息；

在定位标签进入工作状态后，如果加速度计模块监测到其自身处于静止状态，也就是整个定位标签处于静止状态，则微控制器延长蓝牙模块和lora模块的信号收发的时间间隔；如果加速度计模块监测到其自身处于运动状态，则微控制器将蓝牙模块和lora模块的信号收发的时间间隔恢复正常，蓝牙模块按正常周期扫描定位信标发送的广播信号并测量接收信号强度，lora模块将蓝牙模块接收的广播信号和接收信号强度以及所属标签id发送给通信基站。

所述定位信标，如图5所示，包括：

电源模块，锂电池；

电源管理模块，电池电量管理；

一个蓝牙模块，采用的是da14580芯片；

一个加密模块，防篡改da14580芯片配置参数。

da14580是dialog公司推出的超低功耗蓝牙芯片，尺寸和功耗比同类芯片小，适合体积小巧信号传输距离较近的应用。加密芯片通过设置访问密码，能防止对da14580芯片配置参数的非授权篡改。

所述定位信标具有：1)防水防尘，防护等级达ip63；2)采用目前市场上最低功耗蓝牙芯片，在电池容量极其有限的情况下，然能保证使用时长不低于两年；3)体积小巧，重量轻，兼具胶粘、磁吸安装方式，安装方便。

所述部署巡检终端，是支持蓝牙4.0协议并安装了配置、部署和巡检app的智能手机或平板电脑。

所述部署巡检终端安装专门开发的定位信标部署app，通过联网，从云平台上将电子地图下载到本地，然后打开电子地图，在电子地图上标记定位信标的安装位置，然后将定位信标位置信息上传到云平台，从而完成信标部署工作；

所述部署巡检终端安装专门开发的定位信标巡检app，通过联网，从云平台上将电子地图和已部署的定位信标信息下载到本地，然后打开电子地图，通过扫描接收定位信标的广播信息，定位信标低电、损坏、工作异常都能够在电子地图上显示，从而能及时发现问题和维护信标；所述部署巡检终端安装专门开发的定位信标配置app，扫描接收周围定位信标的广播帧，获取对应定位信标的广播频率和发送信号强度值等参数，可通过配置app修改这些参数。

所述定位服务器，其存储定位信标的id以及对应的位置信息并运行定位算法程序。所述定位服务器接收所述通信基站发出的多个定位信标的id、接收信号强度值(rssi)以及定位标签自身id，并通过接收到的定位信标id查询定位信标的位置信息，通过接收信号强度值(rssi)计算定位标签与各个定位信标间的距离值，之后通过定位算法获得定位标签在舱室内的位置，从而得到携带定位标签的施工人员位置。

距离计算基于接收信号强度的测距模型，电磁波在空气中传播，信号强度跟传播距离的关系如下式：

式中p(d)表示距离信号源(定位信标)d处的信号强度，p(d0)表示距离信号源(定位信标)d0处的信号强度，η表示传播环境因子。p(d)就是定位标签接收信号强度值rssi，p(d0)作为参考值可通过实测得到，η表示传播环境对电磁波衰减的影响可通过实验获得。因此，式中唯一未知量d可求解。

根据本发明的具体实施例，定位算法如下：定位算法采用三边定位算法，即测量被测点(定位标签)到3个参考点(定位信标)之间的距离d，只要3个参考点不在一条直线上，被测点的位置就是唯一确定的。

具体如下：

假设被测点(定位标签)的位置(x,y)，第i参考点(定位信标)的位置(xi,yi)，其中i＝1,2,3，第i参考点到被测点的距离为di，则有

式中di,xi,yi都是已知量，通过求解方程组可得被测点(定位标签)的位置(x,y)。

所述定位服务器具有数据推送的功能，将定位数据通过http推送至应用端，供第三方开发者使用。

所述定位服务器具有定位设备管理功能。定位服务器通过网络与通信基站相连接，接收其回传的数据。这些数据中不但有定位信息还有设备状态信息。这些设备包括定位信标、定位标签和通信基站。

所述云平台，是一个综合管理平台。在平台上为每个客户创建一个账号和密码。客户通过账号和密码登录云平台进入自己的账户，在账户下创建项目。每个项目下管理电子地图和定位信标、定位标签、通信基站等设备信息，能修改、添加和删除电子地图和设备。客户对项目中电子地图和设备的任何更新，平台都能自动在该项目下生成新的配置文件和地图文件。客户将新的配置文件和地图文件下载并上传到定位服务器，才能使更新在本地系统生效。

该系统安装流程如下：

步骤1：在船舶舱室内按照一定高度和密度布设定位信标，定位信标的周期性广播无线信号覆盖整个舱室。每个定位信标具有唯一的身份id和部署位置，这些信息被记录并临时存储在部署巡检终端中。

步骤2：当定位信标部署完成后，将存储在部署巡检终端中的部署信息上传到云平台，在云平台上生成定位信标的位置文件和配置文件。

步骤3：在舱室内的合适位置布置一定数量的通信基站，通信基站的信号覆盖整个舱室。通信基站接入网络，通过有线或者无线的方式。

步骤4：安装定位服务器，实现定位服务器与通信基站网络互通。将定位信标的位置文件和配置文件从云平台上下载，然后上传到定位服务器。

步骤5：安装应用端，实现应用端和定位服务器之间的网络互通。

本系统的定位原理如图2所示。其具体方法如下：

步骤1：定位信标按照一定的高度和密度布设在舱室内，配置适当的发送信号强度值、身份id和信号发送周期，向周围发送广播信号。

步骤2：携带定位标签的施工人员进入舱室，定位标签接收到通信基站的下发工作指令，从而进入工作状态。定位标签接收周围的定位信标广播帧，并获得定位信标id和接收信号强度值(rssi)等信息。一次精准定位需要至少获得三个定位信标的id和接收信号强度值(rssi)。该定位标签将定位信标id及其接收信号强度值(rssi)和定位标签自身id通过无线信号发送至通信基站。

步骤3：通信基站接收到定位标签的信号，并将其转发至定位服务器。

步骤4：定位服务器接收来自通信基站的信息，根据定位信标id查询服务器中保存的定位信标位置信息和发送信号强度值，通过接收信号强度值(rssi)和发送信号强度值计算出定位标签到各个定位信标之间的距离值，然后通过定位算法(如三边定位算法)获得定位标签在舱室内的位置信息，并将位置信息分发到指定的应用程序。

所述系统支持定位信标的管理功能。定位信标的工作状态是否正常直接影响整个定位系统工作的稳定性，在系统中，各定位信标都能够与部署巡检终端进行信息交互。其具体工作流程如下：

步骤1：定位信标被配置后，将id、发射信号强度、信号发射周期、电池电量等信息通过广播形式发送出来。

步骤2：巡检人员携带手持式部署巡检终端进入舱室，部署巡检终端接收到定位信标信息后，将其在终端上显示出来，并可以上传至云平台。

步骤3：任意联网的电脑、智能手机或平板电脑通过网页浏览器登录云平台，可以查看定位信标的状况。

实施实例，如图6所示，舱室1、2、3和4是典型的集装箱舱室舱室。根据舱室的大小和布局，通信基站被部署在舱室1；定位信标被部署在舱室1、2、3和4，部署的方式根据舱室大小和形状的不同而不同。施工人员携带定位标签进入舱室，定位标签扫描并接收到周围定位信标的广播信息，并获得其id和接收信号强度值(rssi)。然后将自身id值和接收到的定位信标相关信息一同发送给舱室1的通信基站。通信基站通过有线/无线网络将信息转发给定位服务器。定位服务器将施工人员的位置解算出来通过有线/无线网络发送给应用端。维护人员携带部署巡检终端进入舱室，逐个舱室巡检，部署巡检终端不断地扫描并接收周围定位信标广播信息，最新的信标状态信息将被终端记录下来。当完成巡检后，巡检人员可将状态信息通过有线/无线网络上传到云平台。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里出示与描述的图例。