CN1888930A - 基于室内定位的自适应自主监控装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种涉及全球卫星定位系统技术的定位服务的方法及其终端，尤指一种用于移动目标全球定位和监控技术领域的基于室内定位的自适应自主监控装置及方法。该装置由通信模块、传感器、CPU、接口、晶振及电源等部件组成，包括：控制监测模块和电源管理模块，其间通过接口信号线相互连接，整个终端通过CDMA1X链路与中心控制端口相互连接；主要解决自适应报警门限调整及由于CDMA+GPSONE室内定位造成的系统误差等有关技术问题。本发明的优点是：该产品应用于物品监控系统中，内部通过对于虚警漏警最小概率的自主判断模式，自适应初始化经纬度和报警门限为新的开拓性发明，很好的解决了由于CDMA+GPSONE室内定位造成的系统误差。

Description

基于室内定位的自适应自主监控装置及方法

技术领域

本发明涉及一种GPS(Global Positiong System)全球卫星定位系统技术；具体的说，设计基于GPSOne、CDMA基站、Internet、CDMA 1X的定位服务的方法及其终端，属移动目标全球定位和监控技术领域的基于室内定位的自适应自主监控装置及方法。

背景技术

GPSOne定位技术结合了GPS定位和网络辅助定位的优点，解决了GPS室内定位的灵敏度不高和功耗过大的难题。在室外采取GPS定位方式，定位精度可以与传统的GPS定位终端相媲美，室内由于受网络信号的差异，在信号较好的时候采取高级前向链路三角测距定位AFLT的定位方式，定位精度可以达到5-50米，当高级前向链路三角测距定位AFLT不能实现定位时，则自动切换到蜂窝小区定位cell ID的定位方式。由于蜂窝小区定位cell ID受CDMA基站分布的影响较大，定位精度可能达到500-1000米。

在定位监控领域，目前的通常做法是由监控终端进行位置定位，然后将位置上报监控中心，由监控中心进行位置计算，实现设备的监控。由于室内定位受信号影响较大，定位精度存在较大的系统误差，而这些信息对于监控中心是不可预测的，故在监控上存在较大的虚警和漏警情况；且如果每次进行定位数据上报，需要浪费大量的网络资源，使用成本太高，因此通过自主定位并判断终端状态显的非常有必要。

发明内容

为了克服上述不足之处，本发明的主要目的旨在提供一种基于室内定位的自适应自主监控装置及方法，本发明通过对于虚警、漏警的详细解释说明，理论论证了这一对相矛盾的技术参数，并通过对于定位数据的数学分布的分析，结合概率论把这对矛盾的参数调节到最适当的比例；并通过自适应算法，不断的实时更新数据参数，很好的解决了由于CDMA+GPSONE室内定位造成的系统误差；这一分析的方法和思路具有普遍性，也适合于其他定位误差概率等分析的基于室内定位的自适应自主监控装置及方法。

本发明要解决的技术问题是：要解决充电电路硬件设计问题；要解决状态切换时看门狗开关控制设计问题；要解决虚警、漏警概率应用于定位系统的数学推理和论证问题；要解决自适应参考标准经纬度调整技术问题；要解决自适应报警门限调整及由于CDMA+GPSONE室内定位造成的系统误差等有关技术问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该装置由通信模块、存储模块、传感器、开关、CPU、接口、晶振及电源等部件组成，其还包括：控制监测模块和电源管理模块，其间通过接口信号线相互连接，整个终端通过CDMA1X链路与中心控制端口相互连接，其中：

控制监测模块由存储模块、RS232串口、控制模块CPU、通信模块、晶振和监测电路等组成，存储模块和RS232串口的输入输出端口分别与控制模块CPU的输出输入端口相连接，控制模块CPU的输入输出端口分别与通信模块的输出输入端口相连接，晶振和监测电路的输出端口分别与控制模块CPU的输入端口相连接，通信模块的输出端口与天线的输入端口相连接；

电源管理模块由充电电路、电池和供电电源等组成，充电电路的输入端口与外接直流输入信号线相连接，充电电路的输出端口分别与电池和供电电源的输入端口相连接。

所述的基于室内定位的自适应自主监控装置的控制模块CPU的输入输出端口或与看门狗芯片的输出输入端口相连接，控制模块CPU的一输出端经由开关后与看门狗芯片的一看门狗开关电路的输入端相连接，控制模块CPU的另一输出端经由喂狗信号线与喂狗输入脚相连接，看门狗芯片的复位输出脚与控制模块CPU的复位脚相连接。

所述的基于室内定位的自适应自主监控装置的看门狗开关电路的控制模块CPU引脚1与看门狗芯片的引脚7相互连接；控制模块CPU引脚2的一路与看门狗芯片的引脚6相互连接，另一路经由电阻R213后接地；控制模块CPU引脚3经由电阻R210后与光耦管引脚1相连接；光耦管引脚2接地，光耦管引脚3与看门狗芯片的引脚8相连接，光耦管引脚4经由电阻R211后与看门狗芯片的引脚1相连接；看门狗芯片的引脚3接地；看门狗芯片的引脚2接电源。

所述的基于室内定位的自适应自主监控装置的电源分别与电源模块、电池、数字控制电路和通信模块的端口相连接，其中：

直流输入12V1A信号分两路输出，一路经由电源模块6V输出A和电源模块输出3.3V后与数字控制电路的一输入端相连接；另一路经由电源模块6V输出B和电池电路后与电源模块输出3.3V的一输入端相连接；电源模块6V输出A的另一输出端经由电源模块输出4.2V后与通信模块的一输入端相连接。

所述的基于室内定位的自适应自主监控装置的电池电路U101模块的引脚1与直流电压输入信号线相连接；

引脚5与充电控制开关信号线相连接；

引脚3的一路经由电阻R111后与充电控制开关信号线相连接，另一路接地；

引脚2的一路经电感L101后有四路输出信号，第一路反馈经由电阻R104与引脚4相连接，第二路经由肖特基二极管D104和电阻R105后与电池电压检测的输出端口相连接，第三路经由电容C106后接地，第四路经由电容C105后接地；引脚2的另一路经由肖特基二极管D103后接地；

引脚4的一路经由电阻R103后接地，另一路经由电阻R104后有二路输出信号，第一路经由肖特基二极管D104和电阻R105后又分为两路，一路经由肖特基二极管D105后与电池电压输出信号线相连接，另一路经由开关和电池后接地，在开关和电池之间的引出线为电池电压检测信号线；第二路经由电容C105后接地。

一种基于室内定位的自适应自主监控方法，该方法通过定位数据数学分布的分析结合概率论，将虚警、漏警概率这对矛盾的参数调节到最适当的比例；并通过自适应算法，不断的实时更新数据参数，达到解决室内定位造成的系统误差；该方法包括：被监控设备初始经纬度设置；初始报警门限设置；当前的均值偏差监测；当前的定位误差监测及自适应改变报警门限；其具体工作步骤是：

步骤1.初始化

首先进行系统模块初始化，通过CDMA/GPSONE模块串口输出得到定位数据，连续定位30次后取均值并将该定位数据写入终端内部闪存FLASH，设置为终端的初始化经纬度；

步骤2.定位监控

系统模块初始化的输出信号分为两路，一路为进入比较模块，将定位结果与报警门限相比较；另一路进入定位模块，将监控终端按照客户的需求每间隔固定时间定位一次，将每次定位后得到的数据保存在闪存FLASH中，并且通过两点距离公式计算该数据同初始化经纬度之间的距离；

步骤3.比较

比较模块的输出信号分为两路，一路为进入上报中心模块，当计算的距离超过报警门限后，则认为被监控物品移动了一定的范围且上报中心；

另一路进入报警门限模块，当计算的距离没有超出报警门限，则认为被监控物品为不移动，获取前一工作日的定位结果，自适应更改报警门限，则终端待机休眠，若为无外电，则设置实时时钟RTC定时，关看门狗，进入睡眠模式，再经实时时钟RTC中断信号后，进入实时时钟RTC中断唤醒，开看门狗，再进入定位模块，直到下一次定位；

若为有外电，则设置实时时钟RTC定时，再经实时时钟RTC中断信号后，再进入定位模块；

步骤4.移动且上报中心

移动信号进入上报中心模块的输出信号分为两路，一路为无外电，则设置实时时钟RTC定时，关看门狗，进入睡眠模式，再经实时时钟RTC中断后，进入实时时钟RTC中断唤醒，开看门狗，再进入定位模块；

若为有外电，则设置实时时钟RTC定时，再经实时时钟RTC中断信号后，再进入定位模块；

步骤5.设置自适应初始化经纬度

以每一天为一时间单位，进行初始化经纬度调整；

如果当天没有发生报警情况，将当天保存的经纬度数据进行统计，计算该天N次定位结果的平均值E，将该E替换原E，即计算出新的初始化经纬度并替换原来的，以此每天更新，达到自适应初始化经纬度调整；

步骤6.设置自适应报警门限

以每天为一单位，进行自适应报警门限调整；

如果当天没有发生报警情况，将当天保存的经纬度数据进行统计，计算该天N次定位结果标准差σ，将该标准差σ替换原σ，计算出新的报警门限值并替换原来的，以此每天更新，达到自适应报警门限调整。

所述的基于室内定位的自适应自主监控方法的报警门限为通过计算获得相应报警门限的数值，其具体计算步骤是：

步骤1.若为正态分布

以终端固定参考点O为二维坐标的原点，假设终端定位结果相对于原点的坐标X和Y都属于正态分布，且两者独立，方差分别为σ_x，σ_y；则其联合概率密度函数为：

$f(x,y)=\frac{1}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\σ}}_x{\mathrm{\σ}}_y}{e}^{-\frac{x^2{{\mathrm{\σ}}_y}^2+y^2{{\mathrm{\σ}}_x}^2}{2{{\mathrm{\σ}}^2}_x{{\mathrm{\σ}}^2}_y}}$

步骤2.若定位结果超出半径

若定位结果超出半径为R的圆，则表示已经发生了虚警，其概率计算公式是：

其中：设σ_x表示经度的标准差，σ_y表示纬度的标准差，取σ_x＝200，σ_y＝120，R是报警门限；

所述的基于室内定位的自适应自主监控方法的漏警概率的具体计算步骤是：

步骤1.若为正态分布

以点O表示二维正态分布的均值，左侧半径为R的圆表示漏警范围，一旦测试点落在此区域，就表示发生了漏警；

步骤2.计算公式

其概率的计算公式如下：

$\mathrm{func}\left(d\right):=\left[{\∫}_{-R}^R{\∫}_{-\sqrt{R^2-x^2}}^{\sqrt{R^2-x^2}}\frac{{1-e}^{\left[\frac{{{\mathrm{\σ}}_x}^2{y}^2+{(x-d)}^2-{{\mathrm{\σ}}_y}^2}{-2-{{\mathrm{\σ}}_x}^2-{{\mathrm{\σ}}_y}^2}\right]}}{2-\mathrm{\π}{-\mathrm{\σ}}_x{-\mathrm{\σ}}_y}\mathrm{dydx}\right]$

其中，R表示报警门限，d表示测试距离，σ_x表示经度标准差，σ_y表示纬度标准差。

本发明的有益效果是：该产品应用于物品监控系统中，其中的稳压涓流充电电路模式和睡眠状态看门狗切换模式能够极大的降低对系统电源的功率要求和节省整个系统的功耗，使产品能够长时间工作。内部通过对于虚警漏警最小概率的自主判断模式和自适应初始化经纬度和报警门限为新的开拓性发明，将GPSONE室内定位的效果通过后期的数据处理得到了大大的改善，使得通过GPSONE室内定位后、自主监控，是否移动一段距离的判断成为可能，很好的解决了由于CDMA+GPSONE室内定位造成的系统误差，这一分析的方法和思路具有普遍性，也适合于其他定位误差概率等分析情况；本方法的作用非常明显，将带来定位技术稳定性、精确性的大幅提高。

附图说明

下面结合附图说明和实施例对本发明进一步说明。

附图1为本发明整体结构方框图；

附图2为本发明电源模块方框图；

附图3为本发明电池充电电路原理图；

附图4为本发明恒压涓流充电电路原理图；

附图5为本发明看门狗和复位电路方框图；

附图6为本发明看门狗开关设计电路原理图；

附图7为本发明的自适应自主监控方法程序流程图；

附图8为本发明虚警概率计算示意图；

附图9为本发明漏警概率计算示意图；

附图标号说明：

1-存储模块；

2-RS232串口；

3-控制模块CPU                           301-看门狗开关；

4-通信模块；                            302-复位输出脚；

5-晶振；                                303-喂狗输入脚；

6-监测电路；                            304-光耦管；

7-充电电路；                            701-直流电压输入；

8-电池；                                702-充电控制开关；

9-供电电源；                            703-U101模块；

10-控制监测模块；                       704-电池电压输出；

11-天线；                               705-电池电压检测；

12-开关；

13-复位脚；

14-喂狗；

20-电源管理；                           101-直流输入12V1A

30-看门狗芯片；                         102-电源模块6V输出A；

40-初始化；                             103-电源模块6V输出B；

41-比较；                               104-电源模块输出3.3V；

42-报警门限；                           105-电源模块输出4.2V；

43-睡眠模式；                           106-数字控制电路；

44-中断唤醒；

45-设置RTC定时；

46-定位；

47-上报中心；

具体实施方式：

请参阅附图1、2、3、4、5、6、7、8、9所示，本发明由通信模块、存储模块、传感器、开关、CPU、接口、晶振及电源等部件组成，其还包括：控制监测模块(10)和电源管理(20)模块，其间通过接口信号线相互连接，整个终端通过CDMA1X链路与中心控制端口相互连接，其中：

控制监测模块(10)由存储模块(1)、RS232串口(2)、控制模块CPU(3)、通信模块(4)、晶振(5)和监测电路(6)等组成，存储模块(1)和RS232串口(2)的输入输出端口分别与控制模块CPU(3)的输出输入端口相连接，控制模块CPU(3)的输入输出端口分别与通信模块(4)的输出输入端口相连接，晶振(5)和监测电路(6)的输出端口分别与控制模块CPU(3)的输入端口相连接，通信模块(4)的输出端口与天线(11)的输入端口相连接；

电源管理(20)模块由充电电路(7)、电池(8)和供电电源(9)等组成，充电电路(7)的输入端口与外接直流输入信号线相连接，充电电路(7)的输出端口分别与电池(8)和供电电源(9)的输入端口相连接。

请参阅附图5所示，所述的基于室内定位的自适应自主监控装置的控制模块CPU(3)的输入输出端口或与看门狗芯片(30)的输出输入端口相连接，控制模块CPU(3)的一输出端经由开关(12)后与看门狗芯片(30)的一看门狗开关(301)电路的输入端相连接，控制模块CPU(3)的另一输出端经由喂狗(14)信号线与喂狗输入脚(303)相连接，看门狗芯片(30)的复位输出脚(302)与控制模块CPU(3)的复位脚(13)相连接。

请参阅附图6所示，所述的基于室内定位的自适应自主监控装置的看门狗开关(301)电路的控制模块CPU(3)引脚1与看门狗芯片(30)的引脚7相互连接；控制模块CPU(3)引脚2的一路与看门狗芯片(30)的引脚6相互连接，另一路经由电阻R213后接地；控制模块CPU(3)引脚3经由电阻R210后与光耦管(304)引脚1相连接；光耦管(304)引脚2接地，光耦管(304)引脚3与看门狗芯片(30)的引脚8相连接，光耦管(304)引脚4经由电阻R211后与看门狗芯片(30)的引脚1相连接；看门狗芯片(30)的引脚3接地；看门狗芯片(30)的引脚2接电源。

请参阅附图2所示，所述的基于室内定位的自适应自主监控装置的电源分别与电源模块、电池(8)、数字控制电路(106)和通信模块(4)的端口相连接，其中：

直流输入12V1A(101)信号分两路输出，一路经由电源模块6V输出A(102)和电源模块输出3.3V(104)后与数字控制电路(106)的一输入端相连接；另一路经由电源模块6V输出B(103)和电池(8)电路后与电源模块输出3.3V(104)的一输入端相连接；电源模块6V输出A(102)的另一输出端经由电源模块输出4.2V(105)后与通信模块(4)的一输入端相连接。

请参阅附图3所示，所述的基于室内定位的自适应自主监控装置的电池(8)电路U101模块(703)的引脚1与直流电压输入(701)信号线相连接；

引脚5与充电控制开关(702)信号线相连接；

引脚3的一路经由电阻R111后与充电控制开关(702)信号线相连接，另一路接地；

引脚2的一路经电感L101后有四路输出信号，第一路反馈经由电阻R104与引脚4相连接，第二路经由肖特基二极管D104和电阻R105后与电池电压检测(705)的输出端口相连接，第三路经由电容C106后接地，第四路经由电容C105后接地；引脚2的另一路经由肖特基二极管D103后接地；

引脚4的一路经由电阻R103后接地，另一路经由电阻R104后有二路输出信号，第一路经由肖特基二极管D104和电阻R105后又分为两路，一路经由肖特基二极管D105后与电池电压输出(704)信号线相连接，另一路经由开关和电池(8)后接地，在开关和电池(8)之间的引出线为电池电压检测(705)信号线；第二路经由电容C105后接地。

请参阅附图7所示，一种基于室内定位的自适应自主监控方法，其特征在于：该方法通过定位数据数学分布的分析结合概率论，将虚警、漏警概率这对矛盾的参数调节到最适当的比例；并通过自适应算法，不断的实时更新数据参数，达到解决室内定位造成的系统误差；该方法包括：被监控设备初始经纬度设置；初始报警门限设置；当前的均值偏差监测；当前的定位误差监测及自适应改变报警门限；其具体工作步骤是：

步骤1.初始化(40)

首先进行系统模块初始化(40)，通过CDMA/GPSONE模块串口输出得到定位数据，连续定位30次后取均值并将该定位数据写入终端内部闪存FLASH，设置为终端的初始化经纬度；

步骤2.定位监控

系统模块初始化(40)的输出信号分为两路，一路为进入比较(41)模块，将定位结果与报警门限相比较；另一路进入定位(46)模块，将监控终端按照客户的需求每间隔固定时间定位一次，将每次定位后得到的数据保存在闪存FLASH中，并且通过两点距离公式计算该数据同初始化经纬度之间的距离；

步骤3.比较(41)

比较(41)模块的输出信号分为两路，一路为进入上报中心(47)模块，当计算的距离超过报警门限后，则认为被监控物品移动了一定的范围且上报中心(47)；

另一路进入报警门限(42)模块，当计算的距离没有超出报警门限，则认为被监控物品为不移动，获取前一工作日的定位结果，自适应更改报警门限(42)，则终端待机休眠，若为无外电，则设置实时时钟RTC定时，关看门狗，进入睡眠模式(43)，再经实时时钟RTC中断信号后，进入实时时钟RTC中断唤醒(44)，开看门狗，再进入定位(46)模块，直到下一次定位；

若为有外电，则设置实时时钟RTC定时(45)，再经实时时钟RTC中断信号后，再进入定位(46)模块；

步骤4.移动且上报中心(47)

移动信号进入上报中心(47)模块的输出信号分为两路，一路为无外电，则设置实时时钟RTC定时，关看门狗，进入睡眠模式(43)，再经实时时钟RTC中断后，进入实时时钟RTC中断唤醒(44)，开看门狗，再进入定位(46)模块；

若为有外电，则设置实时时钟RTC定时(45)，再经实时时钟RTC中断信号后，再进入定位(46)模块；

步骤5.设置自适应初始化经纬度

以每一天为一时间单位，进行初始化经纬度调整；

如果当天没有发生报警情况，将当天保存的经纬度数据进行统计，计算该天N次定位结果的平均值E，将该E替换原E，即计算出新的初始化经纬度并替换原来的，以此每天更新，达到自适应初始化经纬度调整；

步骤6.设置自适应报警门限

以每天为一单位，进行自适应报警门限调整；

如果当天没有发生报警情况，将当天保存的经纬度数据进行统计，计算该天N次定位结果标准差σ，将该标准差σ替换原σ，计算出新的报警门限值并替换原来的，以此每天更新，达到自适应报警门限调整。

请参阅附图8所示，所述的基于室内定位的自适应自主监控方法的报警门限为通过计算获得相应报警门限的数值，其具体计算步骤是：

步骤1.若为正态分布

以终端固定参考点O为二维坐标的原点，假设终端定位结果相对于原点的坐标X和Y都属于正态分布，且两者独立，方差分别为σ_x，σ_y；则其联合概率密度函数为：

$f(x,y)=\frac{1}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\σ}}_x{\mathrm{\σ}}_y}{e}^{\frac{x^2{{\mathrm{\σ}}_y}^2+y^2{{\mathrm{\σ}}_x}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2{{\mathrm{\σ}}^2}_y}}$

步骤2.若定位结果超出半径

若定位结果超出半径为R的圆，则表示已经发生了虚警，其概率计算公式是：

其中：设σ_x表示经度的标准差，σ_y表示纬度的标准差，取σ_x＝200，σ_y＝120，R是报警门限；

请参阅附图9所示，所述的基于室内定位的自适应自主监控方法，其特征在于：所述的漏警概率的具体计算步骤是：

步骤1.若为正态分布

以点O表示二维正态分布的均值，左侧半径为R的圆表示漏警范围，一旦测试点落在此区域，就表示发生了漏警；

步骤2.计算公式

其概率的计算公式如下：

$\mathrm{fu}\left(d\right):=\left[{\∫}_{-R}^R{\∫}_{-\sqrt{R^2-x^2}}^{\sqrt{R^2-x^2}}\frac{{1\·e}^{\left[\frac{{{\mathrm{\σ}}_x}^2{y}^2+{(x-d)}^2\·{{\mathrm{\σ}}_y}^2}{-2\·{{\mathrm{\σ}}_x}^2\·{{\mathrm{\σ}}_y}^2}\right]}}{2\·\mathrm{\π}{\·\mathrm{\σ}}_x{\·\mathrm{\σ}}_y}\mathrm{dydx}\right]$

其中，R表示报警门限，d表示测试距离，σ_x表示经度标准差，σ_y表示纬度标准差。

本发明的硬件系统包括：

监控终端主要是由嵌入式CPU、存储器、CDMA通信与定位模块、电源管理模块、接口模块以及监测与传感模块组成。整个终端完成自主判断是否有外电存在功能，如有则进入直流工作状态，给内部电池充电，同时通过CDMA1X链路同中心保持连接，由中心控制终端；如无则进入睡眠状态，并每隔一定的时间自动唤醒，进行定位判断。判断的定位值与初始化经纬度间距是否超越报警门限，如无则再次进入睡眠状态，如有则立刻连接中心并报警。

本发明的充放电设计包括：

由于电池容量较大，如果使用电源管理芯片进行充电会需

要较大功率的输入电源且长时间工作会影响电池寿命，因此使用U101 LM2596芯片通过反馈精密电阻R103和R104调节电压输出，通过调整R111电阻阻值和CPU I/O口管脚来确定是否需要关断该充电芯片(如焊接0欧姆电阻始终打开充电管理芯片；如不焊接电阻，则认为通过CPU控制该充电芯片)，D103为1N5822肖特基二极管、L101为功率电感、C105为铝电解电容、C106为贴片陶瓷电容，这4个器件是为了减小充电电压输出的噪声而设计的。恒定电压输出为6.33V，通过D104 1N5822肖特基二极管后，根据该二极管的特性曲线，充电电流通过该二极管的电压降约为0.3V。因此在R105 1欧姆2W的功率电阻前电压为6.03V。由于设计计算4节镍氢电池最高电压为6V左右，因此镍氢电池初始状态约为1×4V，此时根据电路公式(电池内阻忽略不计)可得充电电流为(6.03-4)/1A≈2A，随着电池充电后电压的升高，充电电流将不断的减小，直至电池达到约为6V左右，充电电流小于50mA。后端D105 1N5822肖特基二极管的设计是为了防止后端电压在直流工作时大于前端电压而造成电流反灌。当整个系统无外电时，充电电压变为0，此时电池电压大于后端电路电压(后端无外电情况下，初始电压为0)，电池则通过D105 1N5822肖特基二极管向后端供电。从而达到了自主切换进入电池工作状态的目的。

本发明的看门狗和复位电路设计内容包括：

当终端检测到无直流电源而使用内部电池工作时，会进入睡眠状态。该状态为低功耗状态，需要关闭喂狗程序，由于看门狗没有喂狗信号会让CPU重启，因此需要在进入睡眠状态前先关闭看门狗模块。具体设计如下：

SWDOG为CPU上一个I/O口，用来控制看门狗的开关/MR。当SWDOG为高电平时，U203即光耦TLP打开，此时/MR和/WDO导通，开门狗就打开了，系统如果程序跑飞，WDI脚无电平跳变。复位芯片U200即MAX706N就会通过RST脚给CPU复位。当终端需要进入睡眠状态时，SWDOG脚转为低电平，此时U203光耦关闭，/MR和/WDO断开，此时看门狗就关闭了。终端进入睡眠状态后，WDI脚无电平跳变，U200就不会给CPU造成复位。

本发明的CDMA定位和通信设计：

CDMA/GPSONE定位通信模块同CPU通过UART口连接，完成数据之间的收发。

在充电和省电等功能完备的硬件平台上，通过先进的自适应算法和完成自主定位监控功能。

本发明的相关机器移动虚警漏警的概念：

1)机器移动

机器移动指的是，机器偏离了正常位置。机器被安装在某个位置上，如果某次检测中发现机器不在这个位置上，那么监控终端就会发出机器移动的报警信息。

2)虚警

如果定位性能很好，没有定位误差，那么，从理论上说，机器如果一直处于某个位置，监控终端不应该报告机器移动状态。但实际上，机器即使一直处于某个位置上，由于定位误差的原因，监控终端得到的定位数据也有可能偏离了正常位置范围，这种情况称为虚警(误报)。误警概率的大小取决于系统定位精度和报警门限这两个参数。

3)漏警

同样，如果没有定位误差，从理论上说，机器哪怕被移动了一米，终端也会发出机器移动报警信息。但实际上，由于定位误差较大，即使机器被移动了一段距离，监控终端也有可能无法检测出来，这种情况称为漏警(漏报)。漏警概率的大小取决于系统定位精度、报警门限和移动距离这三个参数。当设定完报警门限后，终端已经移动一段距离，但是由于定位结果没有超出报警门限范围，但是实际终端已经移出规定的距离，则该情况就判为漏警。漏警概率和误警概率是一对矛盾的参数。要减小误警概率，必须增大报警门限；增大报警门限，又增大了漏警概率。

本发明的报警门限的确定：

为了进行机器移动判断，除了获得初始经纬度(参考点坐标)以外，还必须确定报警门限。根据实际测试的定位性能，在不同的虚警概率下，可以通过计算获得相应报警门限的数值。

以终端固定参考点O为二维坐标的原点，假设终端定位结果相对于原点的坐标X和Y都属于正态分布，且两者独立，方差分别为σ_x，σ_y。其联合概率密度函数为：

$f(x,y)=\frac{1}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\σ}}_x{\mathrm{\σ}}_y}{e}^{-\frac{x^2{{\mathrm{\σ}}_y}^2+y^2{{\mathrm{\σ}}_x}^2}{2{{\mathrm{\σ}}^2}_x{{\mathrm{\σ}}^2}_y}}$

参见图8，如果定位结果超出半径为R的圆(R是报警门限)，就表示已经发生了虚警，其概率计算公式是：

其中，设σ_x表示经度的标准差，σ_y表示纬度的标准差。取σ_x＝200，σ_y＝120

经纬度的标准差(米)	σx＝200，σy＝120
						报警门限(米)	100	200	300	400	500
虚警概率	81.4％	45.4％	18.7％	6.1％	1.6％

由图标可见，随着报警门限的加大，虚警概率不断的减小。如果允许的虚警概率为2％以下，那么选取适当的报警门限应设置为500米。

特别注意：上述虚警概率的数值是基于基本推论而获得的，仅作为实际应用的参考。在实际中可能要考虑以下的问题：

1、上述计算结果假设定位结果的经度、纬度数值都属于正态分布，而且两者独立；这是对实际情况的一种近似；

2、上述计算结果是基于伽利略公司内的实测数据统计值获得的，其他地方的数值可能与此不同，因此实测概率可能与上述结果有差异；

3、上述结果是基于理想初始化经纬度的情况下获得的，实际中不可能获得完全理想的初始化经纬度数值，因此实测概率可能与上述结果稍有差异

本发明的漏警概率计算：

衡量系统的性能，除了考虑虚警概率以外，还必须考虑漏警概率。

在当前的定位性能条件下，给定了比较门限，在不同的距离下的漏警概率不同。其可以通过计算获得，计算过程如下。

参见图2，点O表示二维正态分布的均值，左侧半径为R的圆

表示漏警范围。一旦测试点落在此区域，就表示发生了漏警，其概率的计算公式如下：

$\mathrm{fu}\left(d\right):=\left[{\∫}_{-R}^R{\∫}_{-\sqrt{R^2-x^2}}^{\sqrt{R^2-x^2}}\frac{{1\·e}^{\left[\frac{{{\mathrm{\σ}}_x}^2{y}^2+{(x-d)}^2-{{\mathrm{\σ}}_y}^2}{-2-{{\mathrm{\σ}}_x}^2-{{\mathrm{\σ}}_y}^2}\right]}}{2-\mathrm{\π}{-\mathrm{\σ}}_x{-\mathrm{\σ}}_y}\mathrm{dydx}\right]$

其中，R表示报警门限，d表示测试距离，σ_x表示经度标准差，σ_y表示纬度标准差。

在给定报警门限条件下计算不同测试距离的漏警概率，结果如下：

经纬度的标准差(米)	σx＝200，σy＝120(伽利略实测结果)
						报警门限R(米)	500
测试距离d(米)	100	200	300	400	500
						漏警概率P	16.5％	11.6％	6.5％	2.8％	0.99％

由图表可以看出，随着测试距离的不断加大，漏警概率不断的缩小。可以判定当移动距离为500米时，漏警的概率小于1％。报警说明该终端定到的实际位置已经超出标准经纬度500米远了。

特别注意：上述漏警概率的数值是基于一些基本推论而获得的，仅作为实际应用的参考。在实际中可能应考虑以下的问题：

1、上述计算结果假设定位结果的经度、纬度数值都属于正态分布，而且两者独立；这是对实际情况的一种近似；

2、上述计算结果是基于伽利略公司内的实测数据统计值获得的，其他地方的数值可能与此不同，因此实测概率可能与上述结果有差异；

3、上述结果是基于理想初始化经纬度的情况下获得的，实际中不可能获得完全理想的初始化经纬度数值，因此实测概率可能与上述结果稍有差异

根据客户提出的要求，结合GPSONE的定位精度，可接受的虚警概率、漏警概率和移动距离，确定一个报警门限。

①被监控终端的初始经纬度设置

通过CDMA/GPSONE模块串口输出得到定位数据，连续定位30次后取均值并将该定位数据写入终端内部FLASH，设置为终端的初始化经纬度。

②定位监控

监控终端按照客户的需求每间隔固定时间定位一次，将每次定位后得到的数据保存在FLASH冲，并且通过两点距离公式计算该数据同初始化经纬度之间的距离。

当计算的距离超过报警门限后，则认为被监控物品移动了一定的范围且上报中心；如果没有超出报警门限，则终端待机休眠直到下一次定位。

③自适应初始化经纬度设置

以每一天为一时间单位，进行初始化经纬度调整。

如果当天没有发生报警情况，将当天保存的经纬度数据进行统计。计算该天N次定位结果的平均值E，将该E替换原E，即计算出新的初始化经纬度并替换原来的，以此每天更新，达到自适应初始化经纬度调整。

④自适应报警门限设置

以每天为一单位，进行自适应报警门限调整。

如果当天没有发生报警情况，将当天保存的经纬度数据进行统计。计算该天N次定位结果标准差σ，将该标准差σ替换原σ，计算出新的报警门限值并替换原来的，以此每天更新，达到自适应报警门限调整。

说明：该发明中的数据为客户特殊需求下产生的，并经过实际产品验证的。其中自适应初始化经纬度和自适应报警门限的发明对于监控类产品的虚警漏警概率的下降有明显的改善效果，且其中的算法具有普遍意义。可以随着不同的需要，选用不同的参数计算出不同的数值，来达到自适应的设置。

本发明的保护说明：

该产品现开始应用于物品监控系统中，其中的稳压涓流充电电路模式和睡眠状态看门狗切换模式能够极大的降低对系统电源的功率要求和节省整个系统的功耗，使产品能够长时间工作。内部通过对于虚警漏警最小概率的自主判断模式和自适应初始化经纬度和报警门限为新的开拓性发明，将GPSONE室内定位的效果通过后期的数据处理得到了大大的改善，使得通过GPSONE室内定位后、自主监控，是否移动一段距离的判断成为可能。

本发明的具体实施方式：

基于室内定位的自主设备监控技术的具体实施方式如下：

1)被监控设备初始经纬度设置；

2)初始报警门限设置；

3)当前的均值偏差监测；

4)当前的定位误差监测；

5)自适应改变报警门限。

Claims (8)

1、一种基于室内定位的自适应自主监控装置，该装置有通信模块、存储模块、传感器、开关、CPU、接口、晶振及电源，其特征在于包括：控制监测模块(10)和电源管理(20)模块，其间通过接口信号线相互连接，整个终端通过CDMA1X链路与中心控制端口相互连接，其中：

控制监测模块(10)由存储模块(1)、RS232串口(2)、控制模块CPU(3)、通信模块(4)、晶振(5)和监测电路(6)组成，存储模块(1)和RS232串口(2)的输入输出端口分别与控制模块CPU(3)的输出输入端口相连接，控制模块CPU(3)的输入输出端口分别与通信模块(4)的输出输入端口相连接，晶振(5)和监测电路(6)的输出端口分别与控制模块CPU(3)的输入端口相连接，通信模块(4)的输出端口与天线(11)的输入端口相连接；

电源管理(20)模块由充电电路(7)、电池(8)和供电电源(9)组成，充电电路(7)的输入端口与外接直流输入信号线相连接，充电电路(7)的输出端口分别与电池(8)和供电电源(9)的输入端口相连接。

2、根据权利要求1所述的基于室内定位的自适应自主监控装置，其特征在于：所述的控制模块CPU(3)的输入输出端口或与看门狗芯片(30)的输出输入端口相连接，控制模块CPU(3)的一输出端经由开关(12)后与看门狗芯片(30)的一看门狗开关(301)电路的输入端相连接，控制模块CPU(3)的另一输出端经由喂狗(14)信号线与喂狗输入脚(303)相连接，看门狗芯片(30)的复位输出脚(302)与控制模块CPU(3)的复位脚(13)相连接。

3、根据权利要求2所述的基于室内定位的自适应自主监控装置，其特征在于：所述的看门狗开关(301)电路的控制模块CPU(3)引脚1与看门狗芯片(30)的引脚7相互连接；控制模块CPU(3)引脚2的一路与看门狗芯片(30)的引脚6相互连接，另一路经由电阻R213后接地；控制模块CPU(3)引脚3经由电阻R210后与光耦管(304)引脚1相连接；光耦管(304)引脚2接地，光耦管(304)引脚3与看门狗芯片(30)的引脚8相连接，光耦管(304)引脚4经由电阻R211后与看门狗芯片(30)的引脚1相连接；看门狗芯片(30)的引脚3接地；看门狗芯片(30)的引脚2接电源。

4、根据权利要求1所述的基于室内定位的自适应自主监控装置，其特征在于：所述的电源分别与电源模块、电池(8)、数字控制电路(106)和通信模块(4)的端口相连接，其中：

直流输入12V1A(101)信号分两路输出，一路经由电源模块6V输出A(102)和电源模块输出3.3V(104)后与数字控制电路(106)的一输入端相连接；另一路经由电源模块6V输出B(103)和电池(8)电路后与电源模块输出3.3V(104)的一输入端相连接；电源模块6V输出A(102)的另一输出端经由电源模块输出4.2V(105)后与通信模块(4)的一输入端相连接。

5、根据权利要求4所述的基于室内定位的自适应自主监控装置，其特征在于：所述的电池(8)电路U101模块(703)的引脚1与直流电压输入(701)信号线相连接；

引脚5与充电控制开关(702)信号线相连接；

引脚3的一路经由电阻R111后与充电控制开关(702)信号线相连接，另一路接地；

引脚2的一路经电感L101后有四路输出信号，第一路反馈经由电阻R104与引脚4相连接，第二路经由肖特基二极管D104和电阻R105后与电池电压检测(705)的输出端口相连接，第三路经由电容C106后接地，第四路经由电容C105后接地；引脚2的另一路经由肖特基二极管D103后接地；

引脚4的一路经由电阻R103后接地，另一路经由电阻R104后有二路输出信号，第一路经由肖特基二极管D104和电阻R105后又分为两路，一路经由肖特基二极管D105后与电池电压输出(704)信号线相连接，另一路经由开关和电池(8)后接地，在开关和电池(8)之间的引出线为电池电压检测(705)信号线；第二路经由电容C105后接地。

6、一种基于室内定位的自适应自主监控方法，其特征在于：该方法通过定位数据数学分布的分析结合概率论，将虚警、漏警概率这对矛盾的参数调节到最适当的比例；并通过自适应算法，不断的实时更新数据参数，达到解决室内定位造成的系统误差；该方法包括：被监控设备初始经纬度设置；初始报警门限设置；当前的均值偏差监测；当前的定位误差监测及自适应改变报警门限；其具体工作步骤是：

步骤1.初始化(40)

首先进行系统模块初始化(40)，通过CDMA/GPSONE模块串口输出得到定位数据，连续定位30次后取均值并将该定位数据写入终端内部闪存FLASH，设置为终端的初始化经纬度；

步骤2.定位监控

系统模块初始化(40)的输出信号分为两路，一路为进入比较(41)模块，将定位结果与报警门限相比较；另一路进入定位(46)模块，将监控终端按照客户的需求每间隔固定时间定位一次，将每次定位后得到的数据保存在闪存FLASH中，并且通过两点距离公式计算该数据同初始化经纬度之间的距离；

步骤3.比较(41)

比较(41)模块的输出信号分为两路，一路为进入上报中心(47)模块，当计算的距离超过报警门限后，则认为被监控物品移动了一定的范围且上报中心(47)；

另一路进入报警门限(42)模块，当计算的距离没有超出报警门限，则认为被监控物品为不移动，获取前一工作日的定位结果，自适应更改报警门限(42)，则终端待机休眠，若为无外电，则设置实时时钟RTC定时，关看门狗，进入睡眠模式(43)，再经实时时钟RTC中断信号后，进入实时时钟RTC中断唤醒(44)，开看门狗，再进入定位(46)模块，直到下一次定位；

若为有外电，则设置实时时钟RTC定时(45)，再经实时时钟RTC中断信号后，再进入定位(46)模块；

步骤4.移动且上报中心(47)

移动信号进入上报中心(47)模块的输出信号分为两路，一路为无外电，则设置实时时钟RTC定时，关看门狗，进入睡眠模式(43)，再经实时时钟RTC中断后，进入实时时钟RTC中断唤醒(44)，开看门狗，再进入定位(46)模块；

若为有外电，则设置实时时钟RTC定时(45)，再经实时时钟RTC中断信号后，再进入定位(46)模块；

步骤5.设置自适应初始化经纬度

以每一天为一时间单位，进行初始化经纬度调整；

如果当天没有发生报警情况，将当天保存的经纬度数据进行统计，计算该天N次定位结果的平均值E，将该E替换原E，即计算出新的初始化经纬度并替换原来的，以此每天更新，达到自适应初始化经纬度调整；

步骤6.设置自适应报警门限

以每天为一单位，进行自适应报警门限调整；

如果当天没有发生报警情况，将当天保存的经纬度数据进行统计，计算该天N次定位结果标准差σ，将该标准差σ替换原σ，计算出新的报警门限值并替换原来的，以此每天更新，达到自适应报警门限调整。

7、根据权利要求6所述的基于室内定位的自适应自主监控方法，其特征在于：所述的报警门限为通过计算获得相应报警门限的数值，其具体计算步骤是：

步骤1.若为正态分布

以终端固定参考点O为二维坐标的原点，假设终端定位结果相对于原点的坐标X和Y都属于正态分布，且两者独立，方差分别为σ_x，σ_y；则其联合概率密度函数为：

$f(x,y)=\frac{1}{2{\mathrm{\π\σ}}_x{\mathrm{\σ}}_y}{e}^{-\frac{x^2{{\mathrm{\σ}}_y}^2+y^2{{\mathrm{\σ}}_x}^2}{2{{\mathrm{\σ}}^2}_x{{\mathrm{\σ}}^2}_y}}$

步骤2.若定位结果超出半径

若定位结果超出半径为R的圆，则表示已经发生了虚警，其概率计算公式是：

$1c\left(R\right):={[1-{\∫}_{-R}^R{\∫}_{-\sqrt{R^2-x^2}}^{\sqrt{R^2-x^2}}\frac{1\·e^{\left(\frac{{{\mathrm{\σ}}_x}^2{y}^2+x^2{{\·\mathrm{\σ}}_y}^2}{-2{{\·\mathrm{\σ}}_x}^2{{\·\mathrm{\σ}}_y}^2}\right)}}{2{\·\mathrm{\π}\·\mathrm{\σ}}_x{\·\mathrm{\σ}}_y}\mathrm{dy\; dx}]}^1$

其中：设σ_x表示经度的标准差，σ_y表示纬度的标准差，取σ_x＝200，σ_y＝120，R是报警门限；

8、根据权利要求6所述的基于室内定位的自适应自主监控方法，其特征在于：所述的漏警概率的具体计算步骤是：

步骤1.若为正态分布

以点O表示二维正态分布的均值，左侧半径为R的圆表示漏警范围，一旦测试点落在此区域，就表示发生了漏警；

步骤2.计算公式

其概率的计算公式如下：

$\mathrm{func}\left(d\right)=\left[{\∫}_{-R}^R{\∫}_{-\sqrt{R^2-x^2}}^{\sqrt{R^2-x^2}}\frac{1-e^{\left[\frac{{{\mathrm{\σ}}_x}^2{y}^2+{(x-d)}^2{{\·\mathrm{\σ}}_y}^2}{-2{{\·\mathrm{\σ}}_x}^2{{\·\mathrm{\σ}}_y}^2}\right]}}{2\·x{\·\mathrm{\σ}}_x{\·\mathrm{\σ}}_y}\mathrm{dy\; dx}\right]$

其中，R表示报警门限，d表示测试距离，σ_x表示经度标准差，σ_y表示纬度标准差。

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