CN103688188B - 用于在无线网络中确定节点的位置的方法和节点 - Google Patents

用于在无线网络中确定节点的位置的方法和节点 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于在无线网络中确定节点的位置的方法，该方法包括：接收由信标节点传输的位置信号，位置信号包括关于相应的信标节点的位置的信息；检测所接收的位置信号的相应的接收信号强度；获得关于所述信标节点能够进行传输的不同信号电平的信息；研究所接收的位置信号；基于对所接收的信号的研究，确定信标节点中的信标节点针对位置信号的传输使用的信号电平；基于所检测的信号强度和所确定的信号电平，计算到信标节点中的每个信标节点的距离；以及利用所接收的位置信息和所计算的距离，确定节点的位置。本发明还涉及节点和无线网络。

Description

用于在无线网络中确定节点的位置的方法和节点
技术领域
本发明涉及节点的用于在工业厂房的无线网络中确定节点的位置的方法，以及节点和无线网络。
背景技术
在工业厂房中，可能使用可移动的无线传感器。可能期望能够在工厂中定位这些传感器。为此，可以使用已知位置的固定的信标节点（beacon）。然后，可以例如经由三角测量，或者通过测量信标节点信号中的每个信号在它到达传感器时的衰减来估计信标节点中的每个节点和传感器之间的距离，来计算传感器的位置。信号越弱，信标节点越远。
无线传感器网络在专利公开WO2011/040346、US7,812,718和US2010/085242中有所公开。
US2011/0105142作为其中的现有技术公开了一种方法，在该方法中，无线通信设备通过使用从基站规则地传输的信标的接收强度以及包括在信标中的基站的位置信息基于三角测量来估计其自身的位置。根据该方法，无线通信设备必须从至少三个基站接收信标。
发明内容
根据一个方面，本发明涉及一种节点的用于在工业厂房的无线网络中确定节点的位置的方法，该方法包括：接收由至少三个信标节点中的每个信标节点传输的位置信号，位置信号包括关于相应的信标节点的位置的信息，其中来自信标节点中的至少一个信标节点的位置信号由信标节点使用动态传输功率进行传输，由此信标节点能够在多个不同的预先确定的发送信号电平传输所述位置信号；检测所接收的位置信号的相应的接收信号强度；获得关于信标节点能够进行传输的不同信号电平的信息；研究所接收的位置信号；基于对所接收的信号的研究，确定信标节点中的每个信标节点针对位置信号的传输使用的信号电平；基于所检测的信号强度和所确定的信号电平，计算到信标节点中的每个信标节点的距离；以及利用所接收的位置信息和所计算的距离，确定节点的位置。
根据另一个方面，本发明涉及用于无线网络的节点，该节点包括：接收器，被适配为接收由至少三个信标节点中的每个信标节点传输的位置信号，位置信号包括关于相应的信标节点的位置的信息，其中位置信号由信标节点使用动态传输功率传输，由此信标节点能够在多个不同的预先确定的信号电平传输位置信号；检测器，被适配为检测所接收的位置信号的相应的接收信号强度；存储单元，被适配为存储关于信标节点能够进行传输的不同信号电平的信息；处理单元，被适配为研究所接收的位置信号，基于对所接收的信号的研究，确定信标节点中的每个信标节点针对位置信号的传输使用的信号电平，基于所检测的信号强度和所确定的信号电平，计算到信标节点中的每个信标节点的距离，以及利用所接收的位置信息和所计算的距离，确定节点的位置。
根据另一个方面，本发明涉及工业厂房的无线网络，该网络包括：根据以上方面所述的节点；至少三个信标节点，被适配为向节点无线地传输位置信号；以及控制单元，被适配为与节点和信标节点二者进行无线通信。
与本发明的上述方面中的任何方面相关的以上和以下的讨论，在适用的情况下也是与其他方面中的任何方面有关的部分。
通过确定信标节点中的每个信标节点传输位置信息的信号电平，例如功率水平或幅度水平，节点可以确定自身的位置，甚至在信标节点使用例如自适应功率调整（APA）的用于它们的传输的动态功率协议时。根据本发明，可以基于对所接收的位置信号的研究结合获得的关于每个信标节点能够进行传输的信息，例如关于所使用的动态功率协议的信息，来确定信标节点使用的传输信号电平。
通常，除非本文另有明确定义，否则在权利要求中使用的所有术语将根据它们在技术领域中的普通含义来解释。除非另外明确指出，否则对“一个/一/所述（该）元件、设备、部件、装置、步骤等”的所有引用将开放式地解释为引用元件、设备、部件、装置、步骤等的至少一个实例。除非明确指出，否则并非必须以公开的确切顺序执行本文公开的任何方法的步骤。
附图说明
参照附图，现在通过例子的方式描述本发明，在附图中：
图1是根据本发明的一个实施例的无线网络的示意性顶视图。
图2是根据本发明的一个实施例的节点的示意图。
图3是根据本发明的一个实施例的方法的示意性流程图。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更为全面地对本发明进行描述，在附图中示出了本发明的某些实施例。然而，本发明可以用许多不同形式来实现并且不应当被理解为局限于本文所阐述的实施例；而是通过例子的方式提供这些实施例以使得本文的公开将变得透彻并且完整，并且将向本领域的普通技术人员完整地传达本发明的范围。相同的编号在说明书全文涉及相同的元件。
网络可以是诸如无线传感器网络的任何无线网络，其包括节点，例如传感器节点和信标节点。网络可以例如是局域网（LAN），使用例如蓝牙、无线HART、WiFi和/或Zigbee。网络可以包括中央控制单元，但也考虑到了没有中央控制单元的网络。
术语“工业厂房”意图在广义上进行解释，包括任何大型设施，其中可能期望在所述设施内定位节点。
节点可以是任何类型的节点，例如传感器节点。在下文中，节点被例举为传感器节点，但是应该指出的是还可以使用无线网络的其他节点。通常，节点是可移动的，从而增加了确定它的位置的需要。它可以例如被安装在卡车或人类个体上，或安装在工厂中到处移动的任何其他对象上。传感器节点可以例如包括感测单元（也称为传感器）、处理单元（如低功率处理器）、存储单元（如存储器）、和无线通信模块。节点可以测量环境条件，预先计算、聚合、并且将数据传输到基站或中央控制单元。数百个这样的节点可以形成大的无线网络来监视大型工厂。
传感器节点可以包括传感器，例如包括用于测量潜在危险气体的辐射或出现的传感器，或运动传感器。传感器节点可能包括报警功能，例如向其附近的人员警告辐射或气体水平过高，或向中央控制单元或其他人提醒传感器所安装的人员已经停止移动。然而，也设想到了其它类型的传感器。通常，多个传感器节点处于工厂内，并且可能需要被确定位置。
信标节点（也称为锚节点或锚）可以是分布在工厂各处并且能够向传感器节点发送它们各自的位置的任何信标节点。信标节点可以是仅用作用于确定传感器节点的位置的信标节点的节点，或者它可以是无线网络内的也用作信标节点的任何节点，例如传感器节点。通常，信标节点是固定的，但可替换地，它也可以是可移动的。如果信标节点当其被用于确定传感器节点的位置时是基本固定的，则可以是方便的。信标节点被配置为通过位置信号向将被确定位置的传感器节点传输关于它的位置的信息。这种传输可以连续地、周期性地、按照预先设定的时间表、或在来自例如传感器节点或中央控制单元的请求后进行。信标节点可以知道它自己的位置，例如，通过操作员直接地确定并将位置存储到它（通常在信标节点是固定的情况下使用），或者通过包括GPS单元或类似物（通常在信标节点是可移动的情况下使用）。为了完全地确定传感器节点的位置，优选地使用全部位于传感器节点的范围内的至少三个信标节点，使得包括由信标节点中的每个信标节点传输的位置信息可以被传感器节点接收。然而，也可能方便的是使用三个以上的信标节点，例如4个或5个信标节点，或多至10个或20个信标节点。传感器节点的范围内的更多的信标节点可能意味着传感器节点的更高精确的位置确定。如果将在三个维度确定传感器节点的位置，例如除了在水平平面确定位置外还相对于它的高度，则可能方便的是使用至少四个信标节点，优选地所述信标节点中的至少两个被定位在不同的高度。
位置信号包括位置信息，即关于发送位置信号的信标节点的位置/地点的信息。位置信号可以是通常的通信信号。位置信息可以例如包括给出在工业厂房的平面中的信标节点的位置的X和Y坐标。平面可以例如是工厂的地面。可能希望在三个维度中确定传感器节点的位置，在这种情况下，位置信息可以例如还包括给出工厂地面上方的高度的Z坐标。坐标可以是工厂的局部坐标系统，或者它们可以是全球定位系统。附加地或备选地，位置信息可以包括坐标之外的其他位置信息，例如关于信标节点被定位在工厂的哪个部分或者它关于工厂中的具体地点（例如，相距的距离）被定位在何处、或者可以允许传感器节点得出关于信标节点的位置的结论的任何其他信息的信息。
信标节点中的至少一个信标节点，方便时是所有的，在传输位置信号时使用动态传输功率。这意味着在传输位置信号时使用的传输功率可能随着时间的推移而改变。信标节点因此可以在不同的信号电平（例如不同的功率水平）连续地进行传输，但通常不同时在不同的信号电平进行传输。通常，信标节点可以在小于其最大信号电平的信号电平进行传输，以便节省能量，减少与其它传输的干扰，减少对信标节点传输器的关注等。如果传感器节点，或者信标节点所传输的信号的任何其它接收器，没有足够清楚地接收到传输，则它可以例如通过向信标节点发送否定确认NACK来请求重新发送信号，来将这一情况通知给信标节点。信标节点然后可以选择增加信号传输的信号电平。通常，信标节点具有针对它的传输它可以使用的许多不同的预先确定的信号电平，并且当它接收到针对传输的NACK时，它可以使用下一个更高的信号电平来重新发送该传输。附加的NACK可以导致进一步增加的信号电平，直到最大传输功率被信标节点使用。可以与本发明一起使用的一个具有动态传输功率的协议是自适应功率调整（APA）协议。
传感器节点包括用于检测来自信标节点中的每个信标节点的位置信号中的每个位置信号的信号强度的检测器。接收信号强度可以被检测为实际接收信号强度（RSS）或者例如接收信号强度指示（RSSI）。接收信号强度取决于信标节点针对信号传输使用的功率，以及传输信号的衰减。衰减可以取决于传感器节点和信标节点之间的距离，但是也取决于它们之间的障碍物、反射、干扰等。因此，衰减可以给出传感器节点和信标节点之间的距离的指示，但也可能方便的是考虑其它因素对衰减的影响。当计算传感器节点和信标节点之间的估计的距离时，因此可能方便地是考虑工厂的通常的传播和衰减环境。
传感器节点获得关于信标节点中的每个信标节点可以进行传输的不同的信号电平的信息。如上所述，信标节点中的至少一个信标节点使用动态传输功率。信息可以是允许传感器节点得出关于信标节点可以使用哪个预先设定的信号电平的结论的信息。该信息然后可以被用于确定信标节点在哪个功率传输位置信号。其它信标节点可以使用固定传输功率，或者它们也可以使用动态传输功率，使用与至少一个信标节点相同或不同的信号电平。此外，传感器节点可以获得关于使用固定传输功率的任何信标节点的传输功率的信息。例如通过向传感器节点传输信号电平信息的相应信标节点或中央控制单元，或者凭经验通过随着时间推移跟踪接收信号强度，传感器节点可以获得信号电平信息。
传感器节点可以研究接收到的位置信号，以便确定信标节点在哪个（动态）信号电平传输相应的位置信号。研究可以包括找出关于在位置信号自身中使用了哪个信号电平的信息。信标节点例如可以包括关于在位置信号的分组头中使用的传输功率的信息。因此，位置信号还可以包括关于信标节点中的每个信标节点对于所述位置信号的传输使用了哪个信号电平的功率信息，并且其中对位置信号的研究包括获得所述功率信息。
备选地或者负附加地，对接收的位置信号的研究可以包括在每个信标节点使用动态传输功率在多个它的信号电平进行传输的时间期间随着时间推移监视位置信号，使得可以得出关于信标节点中的每个信标节点的哪个信号电平对应于该接收到的信号强度的结论。当使用例如APA的动态传输功率时，取决于传输和接收条件，信标节点可以在不同的信号电平进行传输。对此进行监视的传感器节点可以最终已经看出信标节点可用的全部、或者至少大部分的传输信号电平，由此，传感器节点可以以足够的准确度将具体的接收信号强度与传输信号电平中的一个信号电平相关联。方便地，传感器节点所看见的传输信号电平中的一个信号电平是信标节点的最大传输功率，允许传感器节点以高确定性将该接收信号强度与信标节点的最大传输功率相关联，如以上讨论所得到的。
取代仅仅被动地研究位置信号的信号强度，传感器节点可以主动地促使至少一个信标节点在不同的信号电平进行传输，例如，通过以上讨论的发送否定确认，优选地，直到信标节点已经达到其最大传输功率，允许传感器节点以高确定性将该接收信号强度与信标节点的最大传输功率相关联，如以上讨论所得到的。因此，本发明的方法可以包括响应于接收到位置信号，向至少一个信标节点发送否定确认NACK，由此促使信标节点在多个信号电平进行传输。优选地，响应于接收到的位置信号发送NACK，直到来在至少一个信标节点的位置信号已经在最大信号电平被发送。
基于所检测的来自信标节点中的每个信标节点的位置信号的接收信号强度和相应地确定的信标节点的传输功率，可以计算从传感器节点到信标节点中的每个信标节点的估计的距离。可以通过比较位置信号的接收信号强度和使用来发送信号的传输功率来计算传感器节点和信标节点之一之间的估计的距离。如上所述，当估计距离时，还可以考虑工厂的特殊衰减条件。简言之，信号的衰减程度对应于发送信号的信标节点和接收信号的传感器节点之间的距离。
有了估计的到信标节点的距离，传感器节点可以确定它自己的位置，因为信标节点的相应位置以及到它们中的每一个的距离是已知的。然而，由于存在错误源，例如信标节点和传感器节点之间的信号的干扰，不能找到满足由上述条件所形成的方程的一个精确的点。相反，没有点或多个点可能被找到。因此，在确定传感器节点的位置时，不同的信标节点的位置可以被赋予权重，例如，使得最靠近的信标节点（根据估计的距离）针对其位置信息（例如坐标）被给予最高权重。剩余的信标节点也可以以与传感器节点的靠近度的次序被赋予权重，使得估计的离传感器节点最远的信标节点的位置信息被给予最低重量。在二维系统中的权重化的位置确定计算的一个例子由下面的方程1给出。
P i ( x , y ) = Σ j = 1 n ( w ij × B j ( x , y ) ) Σ j = 1 n w ij 方程1
Pi(x,y)是传感器节点i的位置，x和y是其坐标，Pj(x,y)是信标节点j的位置，x和y是其坐标，wij是传感器节点i和信标节点j之间的距离的权重，并且n是使用来确定位置的信标节点的数目，即在传感器节点的范围中的信标节点的数目。
权重（wij）可以具有与传感器节点i和信标节点j之间的估计的距离（dij）的直接关系，例如，wij可能是1/dij。因此，本发明的确定位置可以包括根据相应的计算的到所述信标节点的距离来对从信标节点中的每个信标节点所接收的位置信息进行赋予权重。
现在将参考附图讨论本发明的具体实施例。
参考图1，无线网络1包括中央控制单元或基站2和多个节点3和信标节点4。中央控制单元2能够以无线方式与节点3和信标节点4这二者进行通信并对它们进行控制。为简单起见，在图中仅示出了两个节点3a-3b，但无线网络1可以包括许多更多的节点3，例如超过一百个节点3。通常，无线网络1可以包括比信标节点4更多的许多节点3。
节点3a在通信范围（如由图1中的虚线所示）内有3个信标节点4a-4c中，利用它们，节点3a可以根据本发明确定其自身的位置。
节点3b在通信范围（如由图1中的虚线所示）内有5个信标节点4a-4g中，利用它们，节点3b可以根据本发明确定其自身的位置。对于提高的位置确定定位精度可以有利的是，节点3在范围内具有尽可能多的信标节点4。节点3b因此可以比节点3a更精确地被确定位置。然而，其他因素也可能影响位置确定精度。应当注意，信标节点4c在其范围内有节点3a和3b二者。
设想到一旦节点3已经确定了自身的位置，则它可以充当用于其它节点3的信标节点4。
现在转到图2，节点3可以包括接收器5、检测器6、存储单元7和处理单元8。接收器5被适配为接收由至少三个信标节点4中的每个信标节点（图1）所传输的位置信号。检测器6被适配为检测由信标节点4传输的位置信号的接收信号强度。存储单元7被适配为存储关于不同的信号电平的信息，信标节点4可以在该不同的信号电平进行传输。处理单元8被适配为处理由接收器5、检测器6和存储单元7所接收的、所检测的和所存储的信息，以确定节点3的位置。因此，处理单元8被适配为研究所接收的位置信号，基于对所接收的信号的研究，确定对于位置信号的传输的信标节点4中的每个信标节点所使用的信号电平，基于所检测的信号强度和所确定的信号电平，计算到信标节点4中的每个信标节点的距离，以及利用所接收的位置信息和所计算的距离，确定节点3的位置。应当注意，处理单元可以包括能够相互进行通信的、定位在节点3的不同部分的多个子单元。
图3是本发明的具体方法10的示意性流程图。
节点3利用接收器5接收（方法步骤11）由至少三个信标节点4中的每个信标节点传输的位置信号，位置信号包括关于相应信标节点的位置的信息，其中来自信标节点中的至少一个信标节点的位置信号由该信标节点使用动态传输功率传输，由此信标节点可以在多个不同的预先确定的信号电平连续地传输位置信号。
当接收到位置信号，节点3还利用检测器6检测（步骤12）相应所接收的位置信号的接收信号强度，即测量并且因此检测由至少一个信标节点使用动态传输功率传输的位置信号的接收信号强度，以及其他至少三个信标节点4中的每个信标节点传输的位置信号的接收信号强度，其中其他至少三个信标节点4中的每个信标节点可以使用动态传输功率或者使用静态传输功率。
节点3获得（步骤13）关于信标节点4可以传输的不同的信号电平的信息。节点3中利用存储单元7存储信息。功率信息可以在前述步骤11和12的任一个以及以下的步骤14之前、期间或之后被获得。功率信息可以例如包括信标节点4中的每个信标节点进行传输的实际信号电平，或者对应于信标节点4中的每个信标节点进行传输的实际信号电平的索引号或之类的。在至少一个信标节点4以及其他信标节点4中的任一个使用动态传输功率的情况下，信息包括它可以使用的预先设定的信号电平。
节点3研究（步骤14）所接收的位置信号。如以上所讨论的，该研究可以例如包括，对于至少三个信标节点4中的每个信标节点，获得位置信号中所包括的关于信标节点4针对它的位置信号的它的传输所使用的信号电平的信息（例如，实际传输功率，或者对应于实际传输功率的索引号），或通过研究随着时间的推移来自信标节点4的接收信号强度。
根据步骤14的研究，节点3利用处理单元8确定（步骤15）信标节点4中的每个信标节点针对位置信号的传输使用的信号电平。再次，这些信号电平针对使用静态传输功率的任何信标节点4可以是固定信号电平（一个信号电平用于每个信标节点），并且针对使用例如APA的动态传输功率的信标节点4中的每个信标节点可以是多个预先设定的信号电平中的一个。
基于所检测的信号强度和所确定的信号电平，节点3利用处理单元8计算（步骤16）到信标节点4中的每个信标节点的距离，即到每个信标节点4的一个距离。由于信号在它们在信标节点4和节点3之间的距离上的传播时的衰减，这个距离可以被计算。
最后，节点3具有利用处理单元8通过使用所接收的位置信息和所计算的距离来确定其自身位置（步骤17）所需要的信息。当节点3知道至少三个信标节点4中的每个信标节点的位置以及到所述信标节点4中的每个信标节点的距离，所述节点可以被确定位置。如以上所讨论的，可以使用加权的方案。
根据本发明的具体方面，它涉及用于在无线网络中确定节点的位置的方法，所述方法包括：接收由信标节点传输的位置信号，位置信号包括关于相应的信标节点的位置的信息；检测所接收的位置信号的相应的接收信号强度；获得关于信标节点能够进行传输的不同信号电平的信息；研究所接收的位置信号；基于对所接收的信号的研究，确定由信标节点中的每个信标节点针对位置信号的传输使用的信号电平；基于所检测的信号强度和所确定的信号电平，计算到信标节点中的每个信标节点的距离；以及利用所接收的位置信息和所计算的距离，确定节点的位置。本发明还涉及节点和无线网络。
以上已经参考几个实施例主要描述了本发明。然而，本领域技术人员容易理解，上文公开的实施例以外的其它实施例同样是有可能位于由所附专利权利要求书所限定的本发明范围内。

Claims (9)

1.一种节点(3)中的用于在工业厂房的无线网络(1)中确定所述节点(3)的位置的方法(10)，所述方法(10)包括：
接收(11)由至少三个信标节点(4)中的每个信标节点传输的位置信号，所述位置信号包括关于相应的信标节点(4)的位置的信息，其中来自所述信标节点(4)中的至少一个信标节点的位置信号由所述信标节点(4)使用动态传输功率传输，由此所述信标节点(4)能够在多个不同的预先确定的信号电平连续地传输所述位置信号；
检测(12)所接收的位置信号的相应的接收信号强度；
获得(13)关于所述信标节点(4)能够进行传输的所述不同信号电平的信息；
研究(14)所接收的位置信号；
基于对所接收的信号的所述研究(14)，确定(15)所述信标节点(4)中的每个信标节点针对所述位置信号的传输使用的所述信号电平；
基于所检测(12)的信号强度和所确定(15)的信号电平，计算(16)到所述信标节点(4)中的每个信标节点的距离；以及
利用所接收(11)的位置信息和所计算(16)的距离，确定所述节点(3)的位置(17)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述确定位置(17)包括根据相应的计算的到所述信标节点的距离给从所述信标节点(4)中的每个信标节点接收的所述位置信息赋予权重。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述位置信号进一步包括关于所述信号电平中的哪个信号电平被所述至少一个信标节点(4)针对所述位置信号的传输使用的功率信息,并且其中对所述位置信号的所述研究(14)包括获得所述功率信息。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中对所接收的位置信号的所述研究(14)包括在所述至少一个信标节点(4)在多个它的信号电平进行传输的时间期间，随着时间的推移监视所述位置信号，使得能够得出关于所述至少一个信标节点(4)的所述信号电平中的哪个信号电平对应于该接收信号强度的结论。
5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括：
响应于接收到来自所述信标节点(4)的所述位置信号，向所述至少一个信标节点(4)发送否定确认NACK，由此促使所述信标节点(4)在所述多个信号电平进行传输。
6.根据权利要求5所述的方法，其中响应于所接收的位置信号发送NACK，直到已经在最大信号电平发送了来自所述至少一个信标节点(4)的位置信号。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述节点(3)被安装到人类个体上。
8.一种用于无线网络(1)的节点(3)，所述节点(3)包括：
接收器(5)，被适配为接收(11)由至少三个信标节点(4)中的每个信标节点传输的位置信号，所述位置信号包括关于相应的信标节点(4)的位置的信息，其中所述位置信号由所述信标节点(4)中的至少一个信标节点使用动态传输功率传输，由此所述信标节点(4)能够在多个不同的预先确定的信号电平连续地传输所述位置信号；
检测器(6)，被适配为检测(12)所接收的位置信号的相应的接收信号强度；
存储单元(7)，被适配为存储关于所述信标节点(4)能够进行传输的所述不同信号电平的信息；以及
处理单元(8)，被适配为研究(14)所接收的位置信号，基于对所接收的信号的所述研究(14)，确定(15)所述信标节点(4)中的每个信标节点针对所述位置信号的传输使用的所述信号电平，基于所检测(12)的信号强度和所确定(15)的信号电平，计算(16)到所述信标节点(4)中的每个信标节点的距离，以及利用所接收(11)的位置信息和所计算(16)的距离，确定所述节点(3)的位置(17)。
9.一种工业厂房的无线网络(1)，所述网络(1)包括：
根据权利要求8所述的节点(3)，
至少三个信标节点(4)，被适配为向所述节点(3)无线地传输所述位置信号，其中所述信标节点(4)中至少一个信标节点被配置为使用动态传输功率。
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