CN102682572B - 一种基于无线传感器网络定位的人员智能看护方法 - Google Patents

Abstract

传统的GPS定位在室内环境下定位造价昂贵并且GPS信号在室内传播时多径现象严重，不适合于室内定位。考虑到传感器网络在室内定位的优势，本发明提出了一种基于无线传感器网络定位的人员智能看护方法，以协助家庭看护老幼家庭成员。该方法一方面通过将传感器网络与以太网相连将数据处理交由定位服务器处理不仅增强了网络功能而且减少了传感器节点的网络能耗，另一方面该方法通过使用子区域划分，环境监测器等方式来达到环境适应的功能，提高定位的准确性，同时该方法采用投票选举以及信号强度的信息来求得目标节点的坐标，不需要依赖额外的硬件，经济方便。

Description

一种基于无线传感器网络定位的人员智能看护方法

技术领域

本发明为基于无线传感器网络定位的人员智能看护方法，主要用来解决家庭成员在老人及儿童看护方面存在的一些问题，如人手不足以及由于不能实时跟踪看护和一时疏忽等造成的意外伤害等。该方法不仅可以减轻看护者的负担，而且能够减少意外的发生，更好为各个家庭服务。该方法属于无线传感器网络技术领域。

背景技术

随着中国社会老龄化人口数量的增多以及相关人口政策等的原因，中年人在老人和儿童看护方面的负担也逐渐的加重。对于那些活泼好动而缺乏安全意识的儿童以及视力退化需要照顾的老年人来说，他们的行动安全问题时常困扰着家人。每年由于疏于看护造成的意外也时有发生，给家人带来极大的痛苦。本发明拟采用无线传感器网络中的定位技术，协助家庭看护这些需要照顾的人群，从而尽可能的减轻家人在看护方面的体力负担，同时能够减少意外的发生。

近年来随着无线通信技术、微电子技术和嵌入式计算技术的进步，具有低功耗、低成本和多功能特点的传感器节点逐渐发展起来，它在微小的体积内集成了信息的采集、处理以及无线通信的功能。WSN(Wireless Sensor Networks，无线传感器网络)是由散布在监测区域内的大量的传感器节点通过自组织的方式形成的网络，它是目前计算机领域的研究热点。

目前已经有许多定位技术，比较著名的有传统的GPS(Global Positioning System,全球定位系统)，但是GPS用于室内定位时，由于射频信号穿透建筑物后，信号会变得非常的弱，室内的障碍物较多，多径现象也会比较的严重，同时考虑到其使用的成本，限制了它在室内定位的使用。传感器网络由于网络规模大，部署迅速，节点的成本低廉，非常适合于室内定位。

因此，本发明针对家庭中老人和儿童看护方面遇到的问题，提出了一种新型的基于无线传感器网络定位的人员智能看护方法，该方法实施简单，适合用于家庭人员智能看护。

发明内容

技术问题： 本发明的目的是通过无线传感器网络中的定位技术解决家庭在老人和儿童看护方面遇到的一些实际难题，从而有助于减轻家人的负担，减少人工

看护因疏忽而造成的意外发生的次数。

技术方案：

首先给出几个定义：

信标节点：坐标位置已知的传感器节点，其位置是固定的，其坐标位置可通过其上的GPS等定位装置获得，信标节点造价较高，不适合大规模部署使用。

盲节点：坐标位置未知的传感器节点，在该方法中其位置也是固定的，它由于没有特殊的定位装置，造价低廉，适合大规模部署使用。

参考节点：该方法中我们将信标节点和盲节点统称为参考节点。

目标节点：坐标位置未知的待测传感器节点，在该方法中目标节点特指附着在移动的人或物体上的传感器节点。

基站：固定在室内各个角落的信号发送接收器，该基站由WiFi模块，信号读取模块以及控制模块组成，如图1。

方法流程

针对盲节点和目标节点所处环境的不同采用不同的定位方法，鉴于盲节点位于天花板平面上，信号在此传播时受障碍物影响较小，因此在盲节点定位中，将盲节点广播请求获得的一系列坐标信息进行算术平均作为盲节点的坐标，该方法简单可行；目标节点的定位中，采用投票、子区域划分、加权的手段提高定位的准确度，具体流程如下：

步骤1）设计基于无线传感器网络定位的人员智能看护系统，该系统主要包括各类无线传感器节点，数据库，环境监测器以及定位服务器；

    步骤2） 首先在天花板平面上建立合适的平面坐标系并将室内存在安全隐患的危险区域的坐标信息通过定位服务器录入到数据库中；

步骤3） 参考节点的安装与配置：初始时，给参考节点分配相应的标识信息                                                

，其中

代表节点编号，

是节点类型标识字段，该系统是应用在室内的定位人员看护系统，因此将参考节点中的信标节点和盲节点通过人工的方式合理搭配均匀部署在室内的天花板上；

步骤4） 参考节点地理位置的数字化过程：由于参考节点中的信标节点的坐标位置是已知的，该过程仅需要获得盲节点的坐标位置，为后续的目标节点的定位做准备；考虑到信号在天花板平面传播时较少的受到障碍物的影响，在数字化过程中，使用一种简单可行的方法，具体为，盲节点广播一个请求获得自身位置

的hello广播包，收该广播包的信标节点将自己的位置坐标信息写入响应包中返回给相应的盲节点，盲节点将接收到的坐标信息进行算术平均的结果作为自己的位置坐标，已经获得位置坐标的盲节点标记自己为新的信标节点，如此下去，直至所有的盲节点都变为新的信标节点，这样数字化过程结束，

步骤5）依赖于步骤4 ),信标节点将自己的坐标位置信息发送给基站，基站通过其WiFi模块将坐标信息给无线接入点AP，无线接入点AP通过与现有的以太网相连，将信息传送到数据库中；

步骤6）子区域划分：考虑到室内复杂的传播特性，在整个的室内空间信号的空间分布可能是大不相同的，因此将室内区域划分成若干小区域，这样每个区域内的信号特征认为是相同的，以此来提高定位的准确性；具体的划分方式为，定位服务器根据数据库中的坐标信息设定一个表征子区域大小的

值，以及表征子区域数量的N值，假设数据库中

坐标的取值范围为，

的取值范围为

，则

；子区域采用一个表征其范围的向量

表示。具体说来就是对于某个信标节点，如果它的坐标

满足

则该节点便被划分到子区域 

中，数据库存储它们的划分结果；

步骤7）目标节点投票选举阶段：佩戴在人身上的目标节点在工作状态下，每隔一定的时间间隔周期性的发送包含目标节点唯一标识的投票信号，位于天花板上的参考节点在一个给定的极短的统计周期T内，每收到一次来自目标节点的投票信号，其计数增1，在该阶段，参考节点仅仅接收信号，并不发送信号，以便节省能量；

步骤8）候选节点集的确定：统计周期结束后，基站获取参考节点的投票统计计数，那些投票数大于某个阙值的节点称其为候选节点；若候选节点集不为空，则基站将候选节点的标识

及其投票数

信息通过其WiFi模块和接入点AP传送给定位服务器，定位服务器将区分候选节点所处的子区域，并统计每个相关子区域的投票计数

；否则转步骤13 ) ；

步骤9）基站向候选节点发送命令，候选节点收到命令后向目标节点发送射频信号，目标节点获取候选节点的标识

以及信号强度值，并将其反馈给定位服务器；

步骤10）定位服务器根据步骤9 )所得到的相关信息，从数据库中调取每个候选节点对应的坐标信息，对于位于某一个子区域

的候选节点我们记

则目标节点坐落在该子区域的坐标分量为

则取目标节点的坐标为：

其中

步骤11）定位服务器判断目标节点的坐标位置

是否位于定位服务器的

危险区域中，如果是，则启动报警提醒；

步骤12）考虑到室内信号传播受到室内环境信息的严重影响，采用监测器对室内的环境信息如温度，湿度以及光照，噪声等的信息进行实时的采集，监测器与定位服务器相连，如果定位发现环境信息明显发生变化便需要转步骤4）对整个定位系统进行数据的更新；否则转步骤7）继续进行跟踪；

 步骤13）系统休眠：根据步骤8 )如果候选节点集为空，则基站发送休眠信号给系统，使系统处于休眠状态。

有益效果：本发明提出了一种基于无线传感器网络定位的人员智能看护方法，该方法具有如下优点：

（1）该方法采用了无线传感器网络，该网络易于部署，节点价格低廉，采用无线通信的方式，避免了布线的麻烦。

（2）该方法针对不同的节点以及环境，采用不同的坐标获取方式。符合实际情况的同时简单易行，便于迅速获得目标节点的位置，进行定位。

（3）考虑到室内定位受室内环境影响严重，在该方法中我们采用子区域的划分，投票以及监测器等手段尽量提高定位的精度。

（4）通过给基站加入WiFi模块，实现了无线传感器网络与现有以太网的结合，可以将信息及时的传送到定位服务器中，由定位服务器完成大量数据的处理，不仅增强了网络的功能还减少了节点的能耗。

（5）该方法协助家人看护需要被看护的人员，减少了安全隐患带来的问题，

同时会减轻家人的负担以及由于疏忽带来的安全问题。

附图说明

图1 是基站的组成结构图。

图2 基于无线传感器网络定位的人员智能看护系统结构图。 

图3 子区域的划分示意图。

图4 基于无线传感器网络定位的人员智能看护方法工作流程图。

具体实施方式

本发明的基于无线传感器网络定位的人员智能看护方法具体流程如下：

步骤1）设计基于无线传感器网络定位的人员智能看护系统，如图2所示，

该系统主要包括各类无线传感器节点(信标节点、盲节点、目标节点)，数据库，环境监测器以及定位服务器。

    步骤2）首先在天花板平面上建立合适的平面坐标系(在家庭室内定位方法中，危险区域通过平面坐标系即可很好的表征)并将室内存在安全隐患的危险区域的坐标信息通过定位服务器录入到数据库中。

步骤3）参考节点的安装与配置：初始时，给参考节点分配相应的标识信息

，其中

代表节点编号，

是节点类型标识字段，该系统是应用在室内的定位人员看护系统，因此可将参考节点中的信标节点和盲节点通过人工的方式合理搭配均匀部署在室内的天花板上。

步骤4）参考节点地理位置的数字化过程：由于参考节点中的信标节点的坐标位置是已知的，该过程仅需要获得盲节点的坐标位置，为后续的目标节点的定位做准备。考虑到信号在天花板平面传播时较少的受到障碍物的影响，在数字化过程中，使用了一种简单可行的方法，具体为，盲节点广播一个请求获得自身位置的hello广播包，收该广播包的信标节点将自己的位置坐标信息写入响应包中返回给相应的盲节点，盲节点将接收到的坐标信息进行算术平均的结果作为自己的位置坐标，已经获得位置坐标的盲节点标记自己为新的信标节点。如此下去，直至所有的盲节点都变为新的信标节点，这样数字化过程结束。

步骤5）依赖于步骤4 ),信标节点将自己的坐标位置信息发送给基站，基站通

过其WiFi模块将坐标信息给无线接入点AP(Access Point)，接入点AP通过与现有的以太网相连，将信息传送到数据库中。

步骤6）子区域划分：考虑到室内复杂的传播特性，在整个的室内空间信号的空间分布可能是大不相同的，因此将室内区域划分成若干小区域，这样每个区域内的信号特征可认为是相同的，以此来提高定位的准确性。具体的划分方式为，定位服务器根据数据库中的坐标信息设定一个表征子区域大小的

值，以及表征子区域数量的N值，假设数据库中

坐标的取值范围为

，

的取值范围为

，则

。子区域采用一个表征其范围的向量

表示。具体说来就是对于某个信标节点，如果它的坐标

满足

则该节点便被划分到子区域 

中，如图3所示。数据库存储它们的划分结果。

步骤7）目标节点投票选举阶段：佩戴在人身上的目标节点在工作状态下，每隔一定的时间间隔周期性的发送包含目标节点唯一标识的投票信号。位于天花板上的参考节点在一个给定的极短的统计周期T内，每收到一次来自目标节点的投票信号，其计数增1，在该阶段，参考节点仅仅接收信号，并不发送信号，以便节省能量。

步骤8）候选节点集的确定：统计周期结束后，基站获取参考节点的投票统计计数，那些投票数大于某个阙值

(其值可以根据所处环境设定)的节点我们称其为候选节点。若候选节点集不为空，则基站将候选节点的标识

及其投票数

信息通过其WiFi模块和接入点AP传送给定位服务器，定位服务器将区分候选节点所处的子区域，并统计每个相关子区域的投票计数 ；否则转步骤13 ) 。

步骤9）基站向候选节点发送命令，候选节点收到命令后向目标节点发送射频信号，目标节点获取候选节点的标识

以及信号强度值

，并将其反馈给定位服务器。

步骤10）定位服务器根据步骤9 )所得到的相关信息，从数据库中调取每个

候选节点对应的坐标信息，对于位于某一个子区域

的候选节点记录如下

则目标节点坐落在该子区域的坐标分量为

则取目标节点的坐标为：

其中

步骤11）定位服务器判断目标节点的坐标位置

是否位于定位服务器的危险区域中，如果是，则启动报警提醒。

步骤12）考虑到室内信号传播受到室内环境信息的严重影响，采用监测器对室内的环境信息如温度，湿度以及光照，噪声等的信息进行实时的采集，监测器与定位服务器相连，如果定位发现环境信息明显发生变化便需要转步骤4）对整个定位系统进行数据的更新；否则转步骤7）继续进行跟踪。

 步骤13）系统休眠：根据步骤8 )如果候选节点集为空，则基站发送休眠信号给系统，使系统处于休眠状态，上述定位过程如图4所示。

实例：

本发明采用无线传感器网络中的的定位技术实现家庭中弱势群体的智能看护。以A家庭为例，该家庭共有3位成员，爸爸，妈妈和小明，小明只有3岁，活泼好动，无安全意识；家里对小明可能有安全隐患的地方有厨房，电源等。具体的实施步骤如下：

步骤1）根据图2所示构建基于无线传感器网络定位的人员智能看护系统，该系统包括参考节点(盲节点，信标节点)，目标节点，数据库，环境监测器，定位服务器以及已有的以太网。

步骤2）根据所建立的平面坐标系，父母预先将厨房，电源等的危险区域范围的坐标信息通过定位服务器录入到数据库中。

步骤3）参考节点的安装与配置：初始时，给参考节点分配相应的ID编号(

)以及节点类型标识码Type(0标识盲节点，1标识信标节点)，然后可通过人工的方式将参考节点中的信标节点和盲节点合理搭配均匀的部署在室内的天花板上。

步骤4）参考节点地理位置的数字化过程：参考节点中的信标节点的坐标位置是已知的，该过程是为了获得盲节点的坐标位置，为后续的目标节点的定位做准备。具体过程为，比如盲节点

广播一个请求获得自身位置的hello广播包，假设收到该Hello广播请求的信标节点有四个，分别是

)，那么这4个节点将自己的位置坐标信息写入响应包中返回给相应的盲节点，盲节点将对接收到的坐标信息进行算术平均的结果作为自己的位置坐标，即

，

；盲节点

将自己的

字段的值更改为

表示自己成为新的信标节点。如此下去，直至所有的盲节点都变为信标节点，这样数字化过程结束。

步骤5）依赖于步骤4),所有的信标节点将自己的坐标位置信息发送给基站，基站通过其WiFi模块将坐标信息给无线接入点AP(Access Point)，接入点AP通过与现有的以太网相连，将信息传送到数据库中。

步骤6）子区域划分：假设定位服务器根据数据库中的坐标信息设定

，数据库中

坐标的取值范围为

，

的取值范围为

，则

=10。假设信标节点的坐标为

由于

则该节点便被划分到子区域 

中，如图3。数据库存储它们的划分结果。

步骤7）佩戴在小明身上的目标节点每隔一定的时间间隔周期性的发送包含目标节点唯一的标识

的投票信号。位于天花板上的参考节点在一个给定的极短的统计周期T=0.1s内，每收到一次来自目标节点的投票信号，其计数增1，在该阶段，参考节点仅仅接收信号，并不发送信号，以便节省能量。

步骤8）候选节点集的确定：在一个统计周期结束后，假设基站获取的候选节点集不为空，候选节点集合为

对应的投票数

，基站将上述信息传送给定位服务器，定位服务器从数据库中获取它们的坐标信息，假设

，定位服务器区分候选节点所处的子区域，其中

位于子区域，

位于子区域并统计每个相关子区域的投票计数为

，

 ；若候选节点集为空，则转步骤13)。

步骤9）基站向候选节点发送命令，候选节点收到命令后向目标节点发送射频信号，目标节点获取候选节点的标识

以及相应的信号强度值

，假设

(此处的数值并不代表信号强度的实际大小，仅仅用来表示接受信号强度的大小关系)并将其反馈给定位服务器。

步骤10）定位服务器根据步骤9)所得相关信息，从数据库中调取每个候选节点对应的坐标信息，对于位于子区域

的候选节点

，，

；那么目标节点坐落在子区域的坐标分量为

，同样的方式可以求得可以求

得目标节点位于子区域的坐标分量

，

，

则目标节点的坐标

步骤11）定位服务器判断目标节点的坐标位置

是否位于定位服务器的危险区域中，如果是那么启动报警提醒。

步骤12）监测器对室内的环境信息如温度，湿度以及光照，噪声等的信息进行实时的采集，并与定位服务器相连，如果定位服务器发现环境信息明显发生变

化便需要转步骤4）对整个定位系统进行数据的更新；否则转步骤7）继续进行跟

踪。

步骤13）系统休眠：根据步骤8 )如果候选节点集为空，则基站发送休眠信号给系统，使系统处于休眠状态，上述定位过程如图4所示。

Claims (1)

1.一种基于无线传感器网络定位的人员智能看护方法，针对盲节点和目标节点所处环境的不同采用不同的定位方法，鉴于盲节点位于天花板平面上，信号在此传播时受障碍物影响较小，因此在盲节点定位中，将盲节点广播请求获得的一系列坐标信息进行算术平均作为盲节点的坐标，；目标节点的定位中，采用投票、子区域划分、加权的手段提高定位的准确度，其特征在于该方法具体流程如下：

步骤1）设计基于无线传感器网络定位的人员智能看护系统，该系统主要包括各类无线传感器节点，数据库，环境监测器以及定位服务器；

步骤2）首先在天花板平面上建立合适的平面坐标系并将室内存在安全隐患的危险区域的坐标信息通过定位服务器录入到数据库中；

步骤3）参考节点的安装与配置：初始时，给参考节点分配相应的标识信息(ID,Type)，其中ID代表节点编号，Type是节点类型标识字段，该系统是应用在室内的定位人员看护系统，因此将参考节点中的信标节点和盲节点通过人工的方式合理搭配均匀部署在室内的天花板上；

步骤4）参考节点地理位置的数字化过程：由于参考节点中的信标节点的坐标位置是已知的，该过程仅需要获得盲节点的坐标位置，为后续的目标节点的定位做准备；考虑到信号在天花板平面传播时较少的受到障碍物的影响，在数字化过程中，使用一种简单可行的方法，具体为，盲节点广播一个请求获得自身位置的hello广播包，收该广播包的信标节点将自己的位置坐标信息写入响应包中返回给相应的盲节点，盲节点将接收到的坐标信息进行算术平均的结果作为自己的位置坐标，已经获得位置坐标的盲节点标记自己为新的信标节点，如此下去，直至所有的盲节点都变为新的信标节点，这样数字化过程结束；

步骤5）依赖于步骤4),信标节点将自己的坐标位置信息发送给基站，基站通过其WiFi模块将坐标信息给无线接入点AP，无线接入点AP通过与现有的以太网相连，将信息传送到数据库中；

步骤6）子区域划分：考虑到室内复杂的传播特性，在整个的室内空间信号的空间分布可能是大不相同的，因此将室内区域划分成若干小区域，这样每个区域内的信号特征认为是相同的，以此来提高定位的准确性；具体的划分方式为，定位服务器根据数据库中的坐标信息设定一个表征子区域大小的α值，以及表征子区域数量的N值，假设数据库中x坐标的取值范围为a≤x≤b，y的取值范围为c≤y≤d，则子区域采用一个表征其范围的向量

表示；

具体说来就是对于某个信标节点，如果它的坐标(x,y)满足

则该节点便被划分到子区域中，数据库存储它们的划分结果；

步骤7）目标节点投票选举阶段：佩戴在人身上的目标节点在工作状态下，每隔一定的时间间隔周期性的发送包含目标节点唯一标识的投票信号，位于天花板上的参考节点在一个给定的极短的统计周期T内，每收到一次来自目标节点的投票信号，其计数增1，在该阶段，参考节点仅仅接收信号，并不发送信号，以便节省能量；

步骤8）候选节点集的确定：统计周期结束后，基站获取参考节点的投票统计计数，那些投票数大于某个阙值λ的节点称其为候选节点；若候选节点集不为空，则基站将候选节点的标识ID(i)及其投票数V(i)信息通过其WiFi模块和接入点AP传送给定位服务器，定位服务器将区分候选节点所处的子区域，并统计每个相关子区域的投票计数

否则转步骤13)；

步骤9）基站向候选节点发送命令，候选节点收到命令后向目标节点发送射频信号，目标节点获取候选节点的标识ID(i)以及信号强度值Ti，并将其反馈给定位服务器；

步骤10）定位服务器根据步骤9)所得到的相关信息，从数据库中调取每个候选节点对应的坐标信息，对于位于某一个子区域

的候选节点我们记

$S=\mathrm{\Σ}{T}_i,w_i=\frac{T_i}{S};$ 其中 $\mathrm{ID}\left(i\right)\∈{\stackrel{\→}{A}}_{(m,n)}$

则目标节点坐落在该子区域的坐标分量为

${(x,y)}_{(m,n)}=\mathrm{\Σ}{w}_i(x_i,y_i)$

则取目标节点的坐标为：

$(x,y)=\mathrm{\Σ}{\mathrm{\μ}}_{(m,n)}{(x,y)}_{(m,n)}$

其中 ${\mathrm{\μ}}_{(m,n)}=\frac{\mathrm{Num}(m,n)}{\mathrm{\ΣNum}(m,n)}$

；

步骤11）定位服务器判断目标节点的坐标位置(x,y)是否位于定位服务器的危险区域中，如果是，则启动报警提醒；

步骤12）考虑到室内信号传播受到室内环境信息的严重影响，采用监测器对室内的环境信息如温度，湿度以及光照，噪声的信息进行实时的采集，监测器与定位服务器相连，如果定位发现环境信息明显发生变化便需要转步骤4）对整个定位系统进行数据的更新；否则转步骤7）继续进行跟踪；

步骤13）系统休眠：根据步骤8)如果候选节点集为空，则基站发送休眠信号给系统，使系统处于休眠状态。

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