CN101459870A - 基于无线传感网的室内定位系统和实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线传感器网络的室内定位系统和实现方法，所述的系统是由信标节点和盲节点构成的平面定位网络。所述的方法包括：步骤A，组网初始化阶段，信标节点之间进行信息交互，实现整个定位网络的网络组建；步骤B，分布式定位阶段，盲节点和信标节点之间进行定位信息交互，盲节点实现分布式自定位；步骤C，定位结果传输阶段，盲节点将自定位的结果发送给距离自己最近的信标节点，该信标节点通过路由和其它信标节点的转发，将定位结果传送给汇聚节点。本发明适用于包括门、窗、各种障碍物的室内环境中的盲节点的实时定位，可以提供展馆中移动用户的导航服务、医院中病人的位置监控、商店或超市中顾客的寻找等各种位置信息服务。

Description

基于无线传感网的室内定位系统和实现方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，特别涉及基于无线传感器网络的定位系统和实现方法，主要针对室内定位的应用。

背景技术

无线传感器网络(WSN)能够协作地实时检测、跟踪和采集网络布设区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行协同、融合处理，获得较为准确的结论，然后传送至用户。它在军事、目标跟踪、环境监测、医疗卫生、工业自动化、公共安全等应用领域具有广泛的应用前景。对于大部分无线传感器网络而言，不知道传感器位置而感知的数据是没有意义的。另外用于提供位置感知服务的无线传感器网络，包括位置导航、位置安全监控、依赖于位置的信息存储和查询、位置感知的人机交互等方面，例如展馆内的导航和咨询查询服务，医院内病人的实时监护、矿井下人员的安全监测、超市或商场内顾客的位置查询等应用，更需要提供传感器节点的实时位置信息。这些服务都需要定位技术的支撑，虽然GPS在基于位置的室外定位服务中得到了广泛的应用，但每个传感器节点都安装GPS接收器会受到成本、功耗和扩展性等问题的限制，加上在需要提供位置感知服务的无线传感器网络的大部分应用中，使用环境都是在室内，无法接收到GPS信号，所以需要设计一定的机制与算法来实现无线传感器网络节点的自定位。

定位算法就是将收集到的各节点信息进行一定的运算得出盲节点的位置，但真正适合应用的定位系统除了定位算法外，合适的组网和通信机制是必不可少的。

由于室内定位有着广大的应用前景，研究者们一直致力于这一领域的研究，事实上，已有许多成功的室内定位系统。1992年AT&T Laboratories Cambridge开发出Active Badge定位系统是最早为大楼内定位而设计的室内定位系统，便携设备Badge发出红外光进行定位。因为红外光不能穿过墙壁，所以每个房间就是Badge所能分辨的最小单位，定位精度不高。Ward等人研究的Active Office系统使用的超声波定位，定位精度非常高，但需要设置超声波接收器阵列，硬件成本高，不适合大规模的一般应用。Radar定位系统采用了情景分析技术，将接收到的信标节点的信号特征和事先测量的特征相比较，来对盲节点进行定位。但这种系统需要提前离线完成，但是对实际应用，往往不容易实现。Cricket定位系统也是基于超声波和射频信号的到达时间差来实现定位的，采用被动模式定位，即由信标节点发射信号，盲节点接收信号并在节点上实现自定位。在Cricket定位系统中，盲节点只知道自身的位置，但无法获取其它盲节点的位置。但是这些系统的应用场景都有其局限性，而且这些室内定位系统更注重的是对定位算法的研究，较少研究如何选择合适的组网和通信机制来构建真正可用的、可扩展的室内定位网络。

本发明即针对这种现状，结合现在各种室内定位系统的优缺点和室内定位应用的特点，制定出一种结合传感器网络的特点，并能有效实现室内定位的系统实现和通信机制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于无线传感器网络的室内定位系统及其实现方法，适合各种规模的基于传感器网络的室内定位应用。此系统的实现主要包括组网建立维护和定位实现两部分，分别在网络层和MAC层实现，可有效实现室内移动或静止无线传感器节点的定位。

本发明提供的是一种基于RSSI测距的主动模式的室内定位系统，系统的基本组成和工作原理如图1所示。

如图1所示，基于无线传感器网络的室内定位系统主要由信标节点、盲节点和汇聚节点三部分组成，盲节点由需要定位的目标携带或安装在该目标上，节点之间通过射频信号进行信息交。信标节点统一固定布设在室内环境的天花板上或地板上，其位置已预先测的，并存储在节点内部。由于信号强度的衰减与距离存在一定的关系，所以根据接收信号强度(RSSI)可以推算出节点之间的距离。盲节点1根据接收到的多个信标节点的RSSI值推算出盲节点与各信标节点之间的距离和获取的各信标节点位置坐标应用定位算法算出本盲节点的位置，然后再将定位结果传递给离盲节点最近的信标节点A，信标节点A选择路由经由其它信标节点将定位结果传递给汇聚节点3。

本系统中的信标节点、盲节点和汇聚节点都是传感器节点。

本发明所述的基于无线传感器网点室内定位系统实现方法包括以下步骤：

步骤A，组网初始化，信标节点之间进行信息交互，实现整个定位网络的网络组建；

可以使用各种适用于无线传感器网络的路由协议，如地理位置的路由、能量路由、标号路由等等，步骤A的具体实施步骤根据所选用的路由协议的不同而不同，最终在步骤A中实现所有信标节点构成的无线传感器室内定位网络的组网过程。

根据本发明的特点(采用固定拓扑的信标节点)，实际应用时可以采用较为简单的路由，这样可以降低节点的存储资源、通信成本和功耗。

步骤A的设计实现在网络层。

步骤B，分布式定位，盲节点和信标节点之间进行定位信息交互，盲节点实现分布式自定位；

步骤B1，盲节点按一定的周期T_loc广播定位请求消息；

盲节点内部设置一个周期为T_loc的定时器，每当定时器计时满时，就发送一个广播消息，消息的类型为RequestFrame，即为定位请求帧。

步骤B2，接收到定位请求消息的信标节点回送定位应答消息；

信标节点根据接收到信号强度(Received Signal Strength Indicator，RSSI)来判断，如果RSSI值大于预设门限R_th则执行应答，否则不做任何处理。这样做的好处是控制网络中信标节点应答的个数，避免定位网络中过多的信标节点应答盲节点的定位请求而造成网络拥塞。

需要应答的信标节点随机退避一个时间再发送单播应答消息，这样可以减少各信标节点应答同一个盲节点定位请求时的碰撞概率。

向盲节点发送的单播应答消息中应包含信标节点接收到的定位请求消息的RSSI值、信标节点的节点ID号和信标节点的位置坐标值。

步骤B3，盲节点接收到满足预设个数M的信标节点的应答消息后通过定位算法计算出盲节点的位置坐标，并传送给距离盲节点最近的信标节点。

盲节点接收到信标节点的应答消息后，判断接收信号的RSSI值和接收数据包中提取出的RSSI信息，如果两者相差超过预设容差R_error，则丢弃接收到的消息，继续等待其它的信标节点应答消息。否则计算接收应答消息的RSSI和应答消息中的RSSI的平均值，根据此平均值计算出盲节点与应答的信标节点之间的距离值，并存储此距离值和对应的信标节点的节点ID号、位置坐标。

当盲节点上存储的信标节点信息的个数超过预设的个数M时执行定位算法，计算出盲节点的坐标。其中的定位算法可以使用各种现有定位算法，如三边定位、极大似然估计定位等算法。

最后，盲节点根据存储的各信标节点信息，寻找距离自己最近的(即RSSI值最小)的信标节点，将定位结果发送给该信标节点。

步骤B的设计实现在MAC层。

步骤C，定位结果传输。

接收到定位结果的信标节点查找该节点中存储的路由表，如果存在从该节点到汇聚节点的路径，则按此路径转发出去。如果不存在合适的路径，该信标节点发起寻路数据包，与周围节点之间进行信息交互，寻找一条从该信标节点到汇聚节点的传播路径，然后再按此路径将定位结果传送给汇聚节点。

步骤C的设计实现在网络层。

在本发明中，每个步骤需要发送数据包时，均采用CSMA-CA方式，即发送数据包之前先探测物理信道，若信道忙则进入退避状态，当退避定时器记时到，进行下一次物理信道的探测，如果信道忙则继续进入退避，一直这样循环下去，知道探测到物理信道空闲时即发送数据包；对于盲节点而言，如果直到下一次定位请求消息的发送周期到来时，仍未将需要发送的数据包发送出去时，则直接丢弃待发送的数据包，转而发送下一个数据包。这样做的好处是，重传分组会增加能量消耗，而对于提供位置服务的定位系统而言，定位是连续循环进行的一个过程，少数的数据包丢失不会对最后的定位造成很大的影响，所以直接采用退避机制。

本发明的特点在于能有效的均衡网络负载和节省网络能耗。

本发明的特点还在于将组网路由维护部分和分布式定位部分分离开来，可以直接使用现有的各种分布式定位算法来实现盲节点的定位，可以直接使用各种现有的路由算法来实现定位网络的组网和数据包的转发，也即本发明提供的组网和通信方案对现有技术的兼容性非常好，可以根据不同应用场景选取各种合适的定位算法或路由协议，可扩展性强。

本发明提供的通信机制能很好的支持网络中的定位信息交互和定位结果的传输，且兼顾网络负载均衡和网络规模、拓扑甚至路由的扩展性，对节点的时钟同步要求不高，适合各种规模的室内定位系统。

附图说明

图1为本发明的应用场景示意图；

图2为本发明定位请求帧结构图；

图3为本发明定位应答帧结构图；

图4为本发明定位结果帧结构图；

图5为本发明MAC层流程图。

所述图1中的各标号说明如下：1 盲节点，2 信标节点，3 汇聚节点，4 定位信息交互，5 定位结果转发，6 不同规格房间，7 零散障碍物，8 门窗。

具体实施方式

为使本发明的应用、方案和优点更加清楚，以下结合附图及实施例，对本发明的基于无线传感器网点室内定位系统及其实现进行进一步详细说明。

针对室内定位环境的特点，即室内定位环境复杂，可能存在如图1中所示的6表示的不同规格房间、7表示的零散障碍物和8表示的门窗等室内建筑结构对信号传播的影响等，本发明设计了一种基于无线传感网点室内定位系统，以及实现该系统的方法。

本发明的基于无线传感网点室内定位系统包括信标节点、盲节点和汇聚节点；信标节点是位置已知的传感器节点；盲节点是位置未知的传感器节点，盲节点通过与邻近的信标节点通信，获得相关信息并根据一定的定位算法计算自身的位置；汇聚节点是传感器网络的中心节点，传感器网络中的其它节点均通过汇聚节点和用户和其它网络通信；信标节点固定布设，按固定矩形(或正方形)拓扑布设在室内环境中的天花板或地板上。

本发明的基于无线传感网点室内定位系统的实现包括下列步骤：

步骤A，组网初始化，信标节点之间进行信息交互，实现整个定位网络的网络组建，设计和实现在网络层；

可以使用各种适用于无线传感器网络的路由协议，如地理位置的路由、能量路由、标号路由等等，步骤A的具体实施步骤根据所选用的路由协议的不同而不同，最终在步骤A中实现所有信标节点构成的无线传感器室内定位网络的组网过程。

根据本发明的特点(采用固定拓扑的信标节点)，实际应用时可以采用较为简单的路由，这样可以降低节点的存储资源、通信成本和功耗。

步骤B，分布式定位，盲节点和信标节点之间进行定位信息交互，盲节点实现分布式自定位，设计实现在MAC层；

步骤B1，盲节点按一定的周期T_loc广播定位请求消息；

盲节点内部设置一个周期为T_loc的定时器，每当定时器计时满时，就发送一个广播消息，消息的类型为RequestFrame，即为定位请求帧。定位请求帧的结构如图2所示。

步骤B2，接收到定位请求消息的信标节点回送定位应答消息；

信标节点根据接收到信号强度(Received Signal Strength Indicator，RSSI)来判断，如果RSSI值大于预设门限R_th则执行应答，否则不做任何处理。这样做的好处是控制网络中信标节点应答的个数，避免定位网络中过多的信标节点应答盲节点的定位请求而造成网络拥塞。

需要应答的信标节点随机退避一个时间再发送单播应答消息ResponseFrame，这样可以减少各信标节点应答同一个盲节点定位请求时的碰撞概率。

向盲节点发送的单播应答消息ResponseFrame中应包含信标节点接收到的定位请求消息的RSSI值、信标节点的节点ID号和信标节点的位置坐标值，帧结构如图3所示。

步骤B3，盲节点接收到满足预设个数M的信标节点的应答消息后通过定位算法计算出盲节点的位置坐标，并传送给距离盲节点最近的信标节点。

盲节点接收到信标节点的应答消息后，判断接收信号的RSSI值和接收数据包中提取出的RSSI信息，如果两者相差超过预设容差R_error，则丢弃接收到的消息，继续等待其它的信标节点应答消息。否则计算接收应答消息的RSSI和应答消息中的RSSI的平均值，根据此平均值计算出盲节点与应答的信标节点之间的距离值，并存储此距离值和对应的信标节点的节点ID号、位置坐标。

当盲节点上存储的信标节点信息的个数超过预设的个数M时执行定位算法，计算出盲节点的坐标。其中的定位算法可以使用各种现有定位算法，如三边定位、极大似然估计定位等算法。

最后，盲节点根据存储的各信标节点信息，寻找距离自己最近的(即RSSI值最小)的信标节点，将定位结果发送给该信标节点。定位结果包括盲节点的节点ID号、定位坐标，帧结构如图4所示。

步骤C，定位结果传输。

接收到定位结果的信标节点查找该节点中存储的路由表，如果存在从该节点到汇聚节点的路径，则按此路径转发出去。如果不存在合适的路径，该信标节点发起寻路数据包，与周围节点之间进行信息交互，寻找一条从该信标节点到汇聚节点的传播路径，然后再按此路径将定位结果传送给汇聚节点。

步骤C的设计实现在网络层。

Claims (9)

1、一种基于无线传感器网络的室内定位系统，其特征在于该系统包括信标节点、盲节点和汇聚节点；信标节点是位置已知的传感器节点；盲节点是位置未知的传感器节点，盲节点通过与邻近的信标节点通信，获得相关信息并根据一定的定位算法计算自身的位置；汇聚节点是传感器网络的中心节点，传感器网络中的其它节点均通过汇聚节点和用户和其它网络通信；信标节点固定布设，按固定矩形(或正方形)拓扑布设在室内环境中的天花板或地板上。

2、根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的室内定位系统的实现方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤A，组网初始化阶段，信标节点之间进行信息交互，实现整个定位网络的网络组建；

步骤B，分布式定位阶段，盲节点和信标节点之间进行定位信息交互，盲节点实现分布式自定位；

步骤C，定位结果传输阶段，盲节点将自定位的结果发送给距离自己最近的信标节点，该信标节点通过路由和其它信标节点的转发，将定位结果传送给汇聚节点。

3、根据权利2所述的基于无线传感器网络的室内定位系统的实现方法，其特征在于其中的组网初始化阶段(步骤A)可以使用各种适用于无线传感器网络的路由协议，如地理位置的路由、能量路由、标号路由，使得本发明所述的基于无线传感器网点室内定位系统具有更好的扩展性；步骤A的具体实施步骤根据所选用的路由协议的不同而不同，最终在步骤A中实现所有信标节点构成的无线传感器网络的组网过程。

4、根据权利要求2所述的基于无线传感器网络的室内定位系统的实现方法，其特征在于分布式定位阶段(步骤B)包括下列步骤：

步骤B1，盲节点按一定的周期T_loc广播定位请求消息；

步骤B2，接收到定位请求消息的信标节点回送定位应答消息；

步骤B3，盲节点接收到满足预设个数M的信标节点的应答消息后通过定位算法计算出盲节点的位置坐标，并传送给距离盲节点最近的信标节点。

5、根据权利要求2所述的基于无线传感器网络的室内定位系统的实现方法，其特征在于其中的定位结果传输阶段(步骤C)包括下列步骤：

步骤C1，接收到定位结果的信标节点查找该节点中存储的路由表，如果存在从该节点到汇聚节点的路径，则按此路径转发出去，如果不存在合适的路径，执行步骤C2；

步骤C2，该信标节点发起寻路数据包，与周围节点之间进行信息交互，寻找一条从该信标节点到汇聚节点的传播路径，然后再按此路径将定位结果传送给汇聚节点。

6、根据权利要求4所述的无线传感器网络的室内定位系统的实现方法，其特征在于所述步骤B2后还包括下列步骤：

步骤B21，信标节点根据接收到信号强度(Received Signal Strength Indicator，RSSI)来判断，如果RSSI值大于预设门限R_th则执行应答(步骤B22)，否则不做任何处理，这样做的好处是控制网络中信标节点应答的个数，避免定位网络中过多的信标节点应答盲节点的定位请求而造成网络拥塞。

步骤B22，信标节点向盲节点发送单播应答消息，应答消息中应包含信标节点接收到的定位请求消息的RSSI值、信标节点的节点ID号和信标节点的位置坐标值。

7、根据权利要求6所述的无线传感器网络的室内定位系统的实现方法，其特征在于所描述的信标节点应答定位请求过程中，需要应答的信标节点不是接收到定位请求消息后立即回送定位应答，而是随机退避一个时间再发送应答消息，以减少各信标节点应答同一个盲节点定位请求时的碰撞概率。

8、根据权利要求4所述的无线传感器网络的室内定位系统的实现方法，其特征在于分布式定位阶段(步骤B)步骤B3后还包括下列步骤：

步骤B31，盲节点接收到信标节点的应答消息后，判断接收信号的RSSI值和数据包中的RSSI信息，如果两者相差超过预设容差R_error，则丢弃接收到的消息，否则执行步骤B32；

步骤B32，盲节点根据接收应答消息的RSSI和应答消息中的RSSI的平均值计算出盲节点与应答的信标节点之间的距离值，并存储该信标节点的信息。当存储的信标节点的个数超过预设的个数M时执行定位算法，计算出盲节点的坐标，并执行步骤B33；

步骤B33，盲节点根据存储的各信标节点信息，寻找距离自己最近的(即RSSI值最小)的信标节点，将定位结果发送给该信标节点。

9、根据权利要求4所述的基于无线传感器网络的室内定位系统的实现方法，其特征在于所述的每个步骤中需要发送数据包时，均采用CSMA-CA方式，即发送数据包之前先探测物理信道，若信道忙则进入退避状态，当退避定时器记时到，进行下一次物理信道的探测，如果信道忙则继续进入退避，一直这样循环下去，知道探测到物理信道空闲时即发送数据包；对于盲节点，如果直到下一次定位请求消息的发送周期到来时，仍未将需要发送的数据包发送出去时，则直接丢弃待发送的数据包，转而发送下一个数据包。

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