CN101635880A - 基于无线传感网络的三维精确定位方法 - Google Patents

基于无线传感网络的三维精确定位方法 Download PDF

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本发明涉及一种基于无线传感网络的三维精确定位方法，其方法是：在需要定位的场所预先布置一定数量的固定节点，每个点的坐标X、Y、Z通过定位系统软件进行配置。需要定位的人员或设备配备移动节点，每个移动节点至少需要和它附近4个固定节点通信，固定节点将定期从移动节点收到的无线信号强度通过各个节点和网关转发给定位系统软件，并通过三维精确定位算法计算出该移动节点的实时坐标，然后导入三维建筑或地图模型，用户通过远程PC、手机或手持终端查看人员或装备的位置。本发明实现了无线自组织网络支持下的、地面无线三维精确定位系统。

Description

基于无线传感网络的三维精确定位方法
技术领域
本发明涉及无线网络通信领域，具体地讲是一种基于无线传感网络的三维精确定位方法。
背景技术
目前，在采矿业、人员监护、紧急救援、车辆管理等许多领域都存在着对移动设备和人员进行无线定位的需求。
近年来，在我国矿井坍塌、瓦斯爆炸事故时有发生，给人民群众的生命和财产安全造成了严重影响。如果井下的人员都配备了三位精确定位系统，一旦发生矿难事故，这些确切的位置信息能够给救援工作带来极大的帮助；在急救中心，因为正在抢救一位重病患者，需要一种特殊的医疗仪器，但是一时不知道其具体位置，如果在每台仪器上配备一个无线定位芯片，就能够在电脑中准确地显示出该仪器的精确位置，从而为急救工作赢得时间，挽救患者的生命。
现有的无线定位技术可分为GPS卫星无线定位和地面无线定位。
GPS卫星无线定位在户外运转良好，但在室内或卫星信号无法覆盖的地方效果较差，主要用于导航。因此GPS卫星定位不适合应用在采矿业、人员监护、紧急救援、车辆管理等领域。
地面无线定位技术是通过测量无线电波的传播时间、信号强度、相位、入射角度等参数实现对移动目标的二维(X，Y方向)定位。而现有的地面三维定位系统是在二维定位的基础上加上楼层或者一个相对固定的高度坐标，还没有一种能够直接计算三维坐标的定位方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以在地面对人员和设备进行无线三维定位的基于无线传感器网络的三维精确定位方法，以克服上述现有技术的缺点和不足。
为了实现上述目的，本发明包括：固定节点、移动节点、手持终端、定位系统软件、无线网关、服务器平台、远程PC和手机用户，所述的固定节点与移动节点组成一个无线自组织、多跳网络；所述的无线网关与服务器平台相连；所述的手持终端通过无线自组织网络与移动节点和固定节点通信；所述的手机用户通过GSM/CDMA/3G网络与服务器平台相连；所述的远程PC通过Internet与服务器平台相连；所述的服务器平台包括Tomcat Web服务器、SQL2000数据库服务器和定位系统软件，其具体方法是：在需要定位的场所预先布置一定数量的固定节点，每个点的坐标X、Y、Z通过定位系统软件进行配置，需要定位的人员或设备配备移动节点，每个移动节点至少需要和它附近4个固定节点通信，固定节点将定期从移动节点收到的无线信号强度通过各个节点和网关转发给定位系统软件，并通过三维精确定位算法计算出该移动节点的实时坐标，然后导入三维建筑或地图模型，用户通过远程PC、手机或手持终端查看人员或装备的位置。本发明实现了无线自组织网络支持下的、地面无线三维精确定位系统。
所述移动节点的三维坐标是根据至少4个固定节点的三维坐标，并通过移动节点与各个固定节点之间的信号强度值计算出距离而得到的；
所述的固定节点的三维坐标保持不变，通过定位系统软件配置得到；
所述的移动节点的三维坐标随着移动节点位置的变化而改变，通过三维精确定位算法计算得到；
所述的固定节点和移动节点组成一个无线自组织、多跳网络，当移动节点附近的固定节点数目小于4个时，其他移动节点可暂时充当固定节点，移动节点和固定节点本身又都是路由节点；
所述的定位系统软件能够直接导入三维建筑模型，可以直观显示人员或设备在建筑物内的具体位置；
所述的定位系统软件能够直接导入需要定位场所的电子地图，并完成三维坐标与经纬度坐标和高度之间的转换，将人员或装备在地图上的位置以二维平面和高度的形式表示出来。
所述用户可以通过任何具有浏览器并接入Internet的设备访问精确定位系统，在Web上通过电子地图和三维建筑模型显示移动节点的位置。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、节点的位置直接利用三维坐标表示，与二维坐标加上楼层高度的三维定位系统相比较，提高了定位精度，扩大了应用范围；
2、三维坐标的存储和计算均在定位系统软件上进行，有效地降低了对节点软硬件资源的要求，减小了网络负荷，增强了网络可靠性和实时性；
3、通过建立和导入三维模型，将节点在建筑物中的位置以立体可视化的形式呈现给用户，增强了用户体验效果；
4、通过建立和导入电子地图，并完成三维坐标和经纬度坐标之间的转换，将节点的位置和高度实时标注在地图上，进一步扩大了系统的应用范围；
5、节点之间角色的自动转换，可以有效地减小固定节点分布不均所带来的影响，提高了资源利用率，降低了组网成本；
6、节点之间自由组网，完成多跳、多路径传输，可以有效扩大定位范围，而且不会积累误差，提高了定位精度；
7、用户可以通过任何接入Internet和带浏览器的终端访问无线三维定位系统，大大增强了系统灵活性。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的无线节点结构示意图；
图3是本发明的无线网关结构示意图；
图4是本发明的手持终端结构示意图；
图5是本发明的控制结构流程图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
本发明移动节点和固定节点组成一个2.4G的无线传感网络，固定节点的位置保持不变，其坐标通过定位系统软件配置得到，移动节点的坐标通过固定节点获取的信号强度值并计算出与每个固定节点之间的距离，然后结合固定节点的三维坐标调用精确定位算法计算出移动节点的坐标(图1)。运行在服务器平台和手持终端上的定位系统软件自动搜索网络，等待用户对固定节点的配置，根据应用场所的不同调用三维建筑模型或三维地图模型将移动节点的坐标实时直观地显示给用户。再结合Web服务器和数据库服务器，远程PC和手机用户通过浏览器便可以实时查看移动节点的运动轨迹。
Tomcat因为其技术先进、性能稳定，而且免费，因而深受Java爱好者的喜爱并得到了部分软件开发商的认可，成为目前比较流行的Web应用服务器。SQL Server是一个关系数据库管理系统，具有使用方便可伸缩性好与相关软件集成程度高等优点。
如图2所示，CC2430完成对无线数据的收发和系统控制功能；JTAG接口电路方便用户下载程序；固定节点采用电源供电，而移动节点采用电池供电。CC2430是Chipcon公司推出的用来实现嵌入式ZigBee应用的片上系统，支持2.4G Hz IEEE 802.15.4/ZigBee协议。
如图3所示，C8051F320完成系统控制和任务调度功能，并通过USB接口电路和RS232接口电路与PC机交换数据；CC2430完成无线数据的收发。C8051F320是Cygnal公司推出的一款具有全速USB功能的混合信号微控制芯片。与其他型号芯片相比，C8051F320带有USB接口，片内的USB功能控制模块符合USB2.0规范，可以与PC机即插即用。
如图4所示，手持终端的主控芯片采用S3C2440，LCD显示电路方便将移动节点的坐标实时显示出来，SD卡接口电路和USB接口电路方便用户导入三维建筑或地图模型。
S3C2440是Samsung公司推出的基于ARM920T内核的16/32位RISC处理器，并可以支持WINCE.net、Linux和uCOS-II等多种业内主流的操作系统。本设计采用两片Samsung公司的K4S561632A芯片，组成容量为64MByte的SDRAM。LCD采用日本日电华(NEC)牌3.5英寸240×320点阵QVGA真彩液晶屏(含触摸屏)，型号：NL2432DR22-12B。
本发明的访问控制方法的具体步骤(图5)是：
A、在需要定位的场所布上一定数量的无线节点，而每个需要定位的人员或装备配备一个移动节点；
B、定位系统软件搜索整个无线网络，并记录固定节点和移动节点的数目和地址；
C、等待用户输入固定节点的X、Y、Z坐标或直接从文件导入三维坐标；
D、将移动节点放到一个三维坐标已知的点，每个移动节点广播指定数目的数据帧，收到数据帧的固定节点记录其信号强度值(RSSI值)，接收完成以后去掉最大值和最小值并取平均，然后将其转发给定位系统软件；
E、将移动节点改放到另一个三维坐标已知的点，然后重复上一步的工作；
F、定位系统软件根据收到的信号强度值和用户配置的固定节点坐标以及先后两次移动节点的坐标，计算参数(a，b)。信号强度值和发射功率之间满足：ax+b＝c，a为无线信号衰减系数，b为移动节点的发射功率，c为固定节点收到的信号强度值；
G、当所有固定节点的参数a，b计算完毕以后，移动节点以一定的时间间隔广播指定数目的数据帧，收到数据帧的固定节点记录其信号强度值(RSSI值)，接收完成以后去掉最大值和最小值并取平均，然后将其转发给定位系统软件；
H、定位系统软件收到信号强度值以后分析单个移动节点周围固定节点的数目，如果大于等于4则调用精确定位算法计算出移动节点的三维坐标；
I、如果单个移动节点周围固定节点的数目小于4，则不能一次完成定位，定位系统软件通知移动节点，移动节点收到数据帧后广播一定数量带参数的数据帧。收到数据帧的其他移动节点暂时充当固定节点，并和固定节点一样记录其收到的信号强度值(RSSI值)，接收完成以后去掉最大值和最小值并取平均，然后将信号值转发给定位系统软件；
J、定位系统软件再次根据收到的信号强度值和固定节点的坐标、移动节点的瞬时坐标调用精确定位算法计算出该移动节点坐标，如果此时该移动节点周围的固定节点和移动节点的数目之和仍小于4则提示用户该移动节点无法完成定位；
K、定位系统软件根据用户定位应用的场所(室内或室外)将移动节点的坐标实时地在三维模型或地图中动态显示出来；
L、服务器上的定位系统软件还需要将所有固定节点和移动节点的位置坐标和控制信息写入数据库，整个服务器平台通过GSM/CDMA/3G网络接入Internet，远程PC或手机用户通过浏览器访问服务器平台，服务器平台实时读取数据库内容并通过浏览器返回给用户。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1、一种基于无线传感网络的三维精确定位方法，包括固定节点、移动节点、手持终端、定位系统软件、无线网关、服务器平台、远程PC和手机用户，所述的固定节点与移动节点组成一个无线自组织、多跳网络；所述的无线网关与服务器平台相连；所述的手持终端通过无线自组织网络与移动节点和固定节点通信；所述的手机用户通过GSM/CDMA/3G网络与服务器平台相连；所述的远程PC通过Internet与服务器平台相连；所述的服务器平台包括Tomcat Web服务器、SQL2000数据库服务器和定位系统软件，其具体方法是：在需要定位的场所预先布置一定数量的固定节点，每个点的坐标X、Y、Z通过定位系统软件进行配置，需要定位的人员或设备配备移动节点，每个移动节点至少需要和它附近4个固定节点通信，固定节点将定期从移动节点收到的无线信号强度通过各个节点和网关转发给定位系统软件，并通过三维精确定位算法计算出该移动节点的实时坐标，然后导入三维建筑或地图模型，用户通过远程PC、手机或手持终端查看人员或装备的位置。
2、如权利要求1所述的基于无线传感网络的三维精确定位方法，其特征在于：所述移动节点的三维坐标是根据至少4个固定节点的三维坐标，并通过移动节点与各个固定节点之间的信号强度值计算出距离而得到的。
3、如权利要求1所述的基于无线传感网络的三维精确定位方法，其特征在于：所述的固定节点的三维坐标保持不变，通过定位系统软件配置得到。
4、如权利要求1所述的基于无线传感网络的三维精确定位方法，其特征在于：所述的移动节点的三维坐标随着移动节点位置的变化而改变，通过三维精确定位算法计算得到。
5、如权利要求1所述的基于无线传感网络的三维精确定位方法，其特征在于：所述的固定节点和移动节点组成一个无线自组织、多跳网络，当移动节点附近的固定节点数目小于4个时，其他移动节点可暂时充当固定节点，移动节点和固定节点本身又都是路由节点。
6、如权利要求1所述的基于无线传感网络的三维精确定位方法，其特征在于：所述的定位系统软件能够直接导入三维建筑模型，可以直观显示人员或设备在建筑物内的具体位置。
7、如权利要求1所述的基于无线传感网络的三维精确定位方法，其特征在于：所述的定位系统软件能够直接导入需要定位场所的电子地图，并完成三维坐标与经纬度坐标和高度之间的转换，将人员或装备在地图上的位置以二维平面和高度的形式表示出来。
8、如权利要求1所述的基于无线传感网络的三维精确定位方法，其特征在于：所述用户可以通过任何具有浏览器并接入Internet的设备访问精确定位系统，在Web上通过电子地图和三维建筑模型显示移动节点的位置。
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