CN102970748A

CN102970748A - 无线人员区域定位方法

Info

Publication number: CN102970748A
Application number: CN2012104439235A
Authority: CN
Inventors: 林子怀; 刘扬
Original assignee: Individual
Current assignee: Hangzhou Ruierlang Information Technology Co ltd
Priority date: 2012-11-08
Filing date: 2012-11-08
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2032-11-08
Also published as: CN102970748B

Abstract

本发明提供一种无线人员区域定位方法，首先定位区域建立参考节点，其次在无线传感器网络中，根据在参考节点接收到标签的信号强度指示，利用信号强度的变化趋势与距离之间的关系进行定位。本发明硬件成本低，可作为室内环境复杂、定位精度要求不高，而且要求低成本的定位需求的可行选择。本发明已经投入试验性使用，并达到了预期效果。

Description

无线人员区域定位方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，特别涉及一种适用于室内等复杂地形环境中的无线人员区域定位方法。

背景技术

随着移动处理技术的飞速发展，人们对室内定位信息的需求与日俱增，机场、展厅、写字楼、仓库、地下停车场等都需要使用准确的室内定位信息。与户外环境相比，室内环境要复杂的多。建筑物的布局、内部结构、材料、装饰装修情况等都会对室内定位的效果产生影响。因此，虽然室内定位和室外定位有一定的共性，但是室内环境的复杂性和对定位精度和安全性的特殊要求，使得室内无线定位技术和室外定位技术也有很大的不同。GPS可以提供非常精确的定位信息，但在高楼密布的城市和室内，由于阻隔太多，接收不到卫星信号，GPS定位困难，因此需要其他室内定位技术。

在无线通信网络中，与位置信息相关的服务和应用渐渐广泛为人们所用，人员定位跟踪就是其中一例。定位技术也是无线通信领域的关键技术之一，目前无线定位技术中存在以下问题：1、有些特殊地形，受环境限制，不能任意布置参考节点。2、定位精度的提高需要增加参考节点和基站，这样成本会比较高。3、现有的定位算法计算量比较大，定位速度会受限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于RSSI（Received Signal Strength Indicator，接收到标签的信号强度指示）的无线人员区域定位方法，主要适用于复杂的地形环境中的人员定位。

本发明的技术方案如下：

一种无线人员区域定位方法，包括以下步骤：

1）在定位区域布置参考节点，并设定相邻参考节点之间的阈值；

2）处于定位区域的标签Tag周围存在一个或者多个参考节点Ref接受其发送的数据帧信号，每个参考节点所接受到的标签Tag的n个数据帧信号为一组，用refk[1，2，3，...n]表示，其中k代表第k个参考节点，k>=1；

3）当至少有一个参考节点Ref接收到标签Tag的5个数据帧信号时，设定关于标签Tag的数据帧集合为：

Array={ref1[1，2,3，...，n]，ref2[1，2，3，...，n]，...，refk[1，2,3，...，n]}(n<=5)；

4）对Array中的每组数据帧分别按照信号强度从大到小排序，得到：

Array’＝{ref1[1’，2’，3’，...，n’]，ref2[1’，2’，3’，...，n’]，...，refk[1’，2’，3’，...，n’]}(n<=5)；

5）采用中位值滤波方法获得Array中每个参考节点的数据帧组的标志性数据帧refk[n/2]，得到新的数据帧集合：

RssiArray={ref1[n/2]，ref2[n/2]，...，refk[n/2]}(n<=5)；

6）对RssiArray中的标志性数据帧按照信号强度从大到小排序，得到：RssiArray’＝{ref1’[n/2]，ref2’[n/2]，...，refk’[n/2]}(n<=5)；

7）取RssiArray中信号强度最大的数据帧所属的节点作为临时领导节点temLeader，在RssiArray中寻找与临时领导节点temLeader相邻的节点，并根据该两个节点之间设定的阈值T进行比较；若临时领导节点temLeader与相邻节点的信号强度差大于阈值T，则保持临时领导节点temLeader不变，重复本步骤的运算，将临时领导节点temLeader继续与其他相邻的节点比较；若临时领导节点temLeader与相邻节点的信号强度差小于等于阈值T，则将该相邻节点设为新的临时领导节点temLeader，依据上述判断原则对标签Tag周围的临时领导节点重复本步骤的比较，做递归判断；

8）经过步骤7的运算得到最终的领导节点temLeader，则判断标签Tag目前属于最终的领导节点temLeader所在的区域。

其进一步的技术方案为：所述阈值为标签在区域边界时相邻两个参考节点所接受到的该标签的信号强度的差值。

本发明的有益技术效果是：

本发明综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术，信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端。利用RSSI的变化趋势与距离之间的关系进行定位，硬件成本低，可作为室内环境复杂、定位精度要求不高，而且要求低成本的定位需求的可行选择。本发明已经在小学校、福利院等场所试验性应用并取得良好效果。

本发明附加的方面和优点将在下面具体实施方式部分的描述中给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是基于本发明所开发的一个无线定位系统的信息管理界面的实施例。

图3是基于本发明所开发的一个无线定位系统的阈值设置界面的实施例。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

一、关于术语的说明

邻居节点：参考节点周围节点的集合。

领导节点：每个标签进入定位区域后，周围的几个邻居节点中有一个领导节点，也就是此时标签就定位在它附近，标签在短时间内在其周围邻居节点覆盖的区域内移动，这组节点群是动态变化的，同样随着时间的变化标签的移动，领导节点也是变化的。

二、参考节点的布置原则

步骤1：首先，要建立参考节点（Reference Point，RP）的布点方案。

当满足下面假设时：

a）定位空间是有限的；

b）所有参考节点是无差异的。

参考节点布点方案需要达到以下要求：

a）参考节点的作用范围应覆盖整个室内空间；

b）在满足性能要求的情况下，尽可能的减少硬件的安装成本。

参考节点的布点方案，即参考节点的位置，对本发明的无线定位方法的性能具有影响。以下结合实际环境情况，得出一种可参考的布点原则：

1、在要区分区域的边界墙壁的两侧空间顶部的中间位置布置参考节点。例如以墙壁为对称中线，在天花板上等距布置两个参考节点。

2、在走廊拐点布置参考节点。

3、在一层或者多层建筑中，节点布置在人无法够到的高处。

4、对于多楼层的建筑，确保不同楼层均布有参考节点，且采用上下楼层对应布置的原则，尽可能保证将参考节点布置在同一垂直线上。例如每个楼层的参考节点都布置在正上方，且都处在一条垂直线上。

此外，参考节点（定位设备）需选择体积小、成本低且安全性高的设备，使系统可以实现实时定位、历史运动轨迹回放，且不给管理员增加额外工作量。

在布置参考节点的基础上，进行阈值的设定。阈值的引入是为了解决判断标签位置时候，会出现的在两个区域内来回跳动带来的不准确性的问题。在本发明的一个实施例中，可将阈值设定为标签在区域边界时相邻两个参考节点的RSSI强度的差值。

例如，当参考节点布置以墙壁为中轴线对称布置时，将阈值设置为0。在有较大玻璃嵌在墙壁或者地形不是对称形状的情况下，参考节点依据具体地形环境的不同而无法对称设置时，阈值要相应调整设置。

三、定位算法流程

如图1所示，

步骤2：标签Tag设置于被定位人员的身上，相当于被定位人员。处于定位区域的标签Tag周围存在一个或者多个参考节点Ref接受标签Tag发送的数据帧信号。对于标签周围的每个参考节点，将其接受到标签Tag的n个数据帧信号为一组，用refk[1，2，3，...n]表示，其中k代表第k个参考节点，k>=1。

步骤3：当满足条件至少有一个参考节点Ref接收到标签Tag的5个数据帧信号时，设定关于标签Tag的数据帧集合为：

Array={ref1[1，2,3，...，n]，ref2[1，2，3，...，n]，...，refk[1，2,3，...，n]}(n<=5)。

由于采集数据越多，定位时间会延时越多，因此n不能设置为任意大。此处当n=5时，数据采集时间是一般客户可以接受的，否则无法达到实时定位的效果。

步骤4：对Array中的每组数据帧分别按照信号强度从大到小排序，排序后的每个参考节点的数据帧组用refk[1’，2’，3’，...，n’]表示，得到：

Array’＝{ref1[1’，2’，3’，...，n’]，ref2[1’，2’，3’，...，n’]，...，refk[1’，2’，3’，...，n’]}(n<=5)

步骤5：采用中位值滤波方法获得Array中每个参考节点的数据帧组的标志性数据帧（或称有效值）refk[n/2]，得到新的数据帧集合：

RssiArray={ref1[n/2]，ref2[n/2]，...，refk[n/2]}(n<=5)。

步骤6：对RssiArray中的标志性数据帧按照信号强度从大到小排序，得到排序后的数据帧集合：RssiArray’={ref1’[n/2]，ref2’[n/2]，...，refk’[n/2]}(n<=5)。

在无线传感器网络中，参考节点接收到标签的信号强度指示（RSSI），这个参数的值是随着区域的变化而变化，甚至同一区域中，不同时刻时这些参数的值也是不同的，即当某基站收到移动点的信号强度值总体在递增时，那么就认为移动点正在向该基站靠近，反之远离。

但是，上述步骤完成后，并不能简单地根据信号强度来判断标签Tag处于哪个区域。例如，假设只有两个节点返回信号，设：r1为最强信号强度，r2为另外一个信号强度。信号强度可能因为环境因素出现波动，即当r1和r2差值很小的时候，不能简单的根据信号强度判断在哪个区域。在这种情况下，信号波动是个很大的干扰源。因此要通过下面的步骤，给该两个节点设定阈值来进行判断，这是根据两个节点收发周围环境考虑的。

步骤7：取RssiArray中信号强度最大的数据帧所属的节点作为临时领导节点temLeader（或称为首节点），在RssiArray中寻找与临时领导节点temLeader相邻的节点（或称为次节点），并根据首节点和次节点之间设定的阈值T进行比较；若满足临时领导节点temLeader与相邻节点的信号强度差大于阈值T，则保持临时领导节点temLeader不变，重复本步骤的运算临时领导节点temLeader继续与其他相邻的节点比较；若临时领导节点temLeader与相邻节点的信号强度差小于等于阈值T，则将该相邻节点设为新的临时领导节点temLeader，依据这个判断原则对标签Tag周围的临时领导节点重复本步骤的比较，做递归判断，直到找到最终真正的领导节点。

步骤8：经过步骤7的运算得到最终的领导节点temLeader，那么就可以判断标签Tag目前属于最终的领导节点temLeader所在的区域。

四、方案总结

上述基于RSSI变化趋势的室内无线定位方案抛开了所有复杂的定位模型，借助特定的地理环境，利用RSSI的变化趋势与距离之间的关系进行定位。该方案已经投入实际使用，并达到预期的效果。虽然此方案的定位精度不是很高，但已经可以满足一般的室内定位需求了，且成本是比较低的，采用很简单的设备就可以实现。

五、系统展示

基于本发明的室内无线定位系统已经开发完毕，并已经有用户使用，实际使用效果已达到客户的需求。图2和图3是为一小学校设计的无线定位系统中的实时定位画面。图2是在线人员在电子地图中的位置，及显示节点和标签的信息管理界面。其中黑色圆点表示参考节点，白色圆点表示标签（定位人员）。标签所表示的人员“张三”被检测到正处于“国际大班”区域，与实际情况相吻合。图3是阈值设置功能显示。其中首节点和次节点之间的阈值分别设置为0、-2、-4等多个数值。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的基本构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种无线人员区域定位方法，其特征在于包括以下步骤：

RssiArray={ref1[n/2]，ref2[n/2]，...，refk[n/2]}(n<=5)；

2.根据权利要求1所述无线人员区域定位方法，其特征在于：所述阈值为标签在区域边界时相邻两个参考节点所接受到的该标签的信号强度的差值。