CN103889052A - 基于特定信标传感节点的智能楼宇定位方法 - Google Patents

基于特定信标传感节点的智能楼宇定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于特定信标传感节点的智能楼宇定位方法，通过多类型无线传感器节点采集的信号，包括红外传感和超声波传感，进行协作感知，并采用Zigbee连同IPV6地址协议栈进行通信，从最大程度上减少能耗，并实现精确定位；该种基于特定信标传感节点的智能楼宇定位方法，采用了轻量级的多类型无线传感器网络实现定位，通过各种节点之间的智能协作感知以及支持IPV6协议栈的数据通信，提供了实现智能楼宇的绿色定位应用的方法，有效地解决定位精度不高、能耗过大以及实时性差等问题。

Description

基于特定信标传感节点的智能楼宇定位方法
技术领域
本发明涉及一种基于特定信标传感节点的智能楼宇定位方法。
背景技术
信息化社会在改变人们生活习惯和工作方式的同时，也对我们的传统生活方式提出了挑战。绿色计算和节能环保已经成为当今世界的主题。同时，不论是小区还是办公区域，人们对楼宇的要求早已不再只是简单的物质空间，更为关注的是一个有着先进的通信设施，完备高效的信息终端，自动智能的电气控制，网络化的资源管理等的智能楼宇环境。其中，实现楼宇内移动目标的准确定位是实现以上智能环境的一个重要组成部分，例如工作人员和外来人员。
智能楼宇的移动目标定位不失一般性，具体实施方式中将以人作为例子，定位则是寻找该移动目标在该楼宇中的具体某个位置。智能楼宇的移动目标定位属于无线短距离通信的范畴，其目标在于对楼宇内的移动目标实现实时的精确的定位，并将定位信息通过即时通信方式发送给授权的发起者。实时性的要求决定了定位的时间要短，精确性的要求则决定了定位的精度要高，定位误差应尽量控制在0.5m之内。
目前实现楼宇内移动目标的定位方法有很多，例如通用的全球定位系统GPS定位技术，优点在于该技术是历经多年商用且非常成熟稳定的定位技术，缺点是价格昂贵且定位精度不能达到要求，基本无法实现准确的室内定位；而基于蓝牙的定位技术，优点是实现简单、通信速率快，缺点是通信距离太短不适合有一定距离落差的楼宇，最多用于室内定位；基于WiFi的定位技术，不易受到物理障碍物的干扰，不需要额外增加定位的硬件设备，缺点是信号此起彼伏或者衰减时无法满足实时性和准确性的要求且定位计算难度大。
目前，基于无线传感器网络的定位方法有很多，基本上都要借助于信标节点，否则难以实现精确的定位。例如三边测距算法、经典的RSSI(Received SignalStrength Indication，接收信号强度)定位算法、三角定位算法等等，但这些方法本身都存在一些问题：(1)借助于信标节点时的定位计算过于复杂；(2)在网络信号不理想的情况下可能会有较大的时延和丢包率；(3)这些算法往往只局限于本算法内考虑传感器节点的功耗，然后优化该算法，并未考虑借助于其他手段或者介质作为算法的有益补充；(4)这些算法无法利用IPV6协议栈通信的优势。
因此，如何选择出一种适合于智能楼宇的定位技术是应当要解决的问题。
发明内容
本发明针对传统的定位技术存在的缺陷，解决定位的精度、实时性和高效性等问题。同时，基于“绿色计算”的理念，通过全面的节能考虑，借助于特定的信标节点以及IPV6的地址通信，实现快速高效环保的智能楼宇定位，提出一种基于特定信标和IPV6传感节点的智能楼宇定位方法。
本发明是一种基于特定信标和支持互联网协议[版本6]的传感节点的智能楼宇定位方法，随着近年来物联网与无线传感器网络技术在智能楼宇领域的应用逐渐开展，定位技术成为智能楼宇不可或缺的重要功能。而目前大部分的定位方法及其系统要么成本高昂，要么存在定位精度不高、实时性差或者能耗要求高等缺陷。针对这些缺陷，本发明采用了轻量级的多类型无线传感器网络实现定位，通过各种节点之间的智能协作感知以及支持IPV6协议栈的数据通信，提供了实现智能楼宇的绿色定位应用的方法，有效地解决定位精度不高、能耗过大以及实时性差等问题。
本发明的技术解决方案是：
一种基于特定信标传感节点的智能楼宇定位方法，
对智能楼宇进行区域划分，根据需求初始部署多类型传感器节点，包括红外传感器节点、超声波传感节点、普通传感节点，且至少存在一个基站节点能完成全网的数据汇聚同时接入IPV6网关，划分出的每一区域至少存在两个传感节点，其中至少有一个用于智能定位的传感节点，且该区域能被其中某一传感节点全覆盖；
移动目标进入楼宇前需要随身配备微型无线通信传感器节点，该节点能够支持智能楼宇中部署的无线传感器网络的通信协议，位于Internet终端或者基站端的定位发起者将发起对该移动目标位置信息的追踪；
根据定位发起者的请求，传感器节点确定感应范围内的移动目标的位置信息，将该位置信息发送给基站或者通过IPV6网关将信息发送到Internet中，最终传递给定位发起者。
优选地，每个传感节点均配备有支持6LowPAN结构的IPV6地址，直接与基站节点，或通过基站节点与IPV6网关，进行数据交换和通信；
在各区域的初始部署完成后，针对红外传感器节点进行位置调整，将红外传感器节点调整至移动目标出现最为频繁的位置，固定红外传感器节点，存储具体的方位信息，并最终确认红外传感器节点的感应距离。
优选地，移动目标进入智能楼宇的某一区域后，在某一具体位置停留X秒钟及以上，X为某一正整数，将开始为其进行智能定位，若移动目标在被智能定位计算期间再次移动，则该次定位失败，根据定位发起者的需求，重新执行或结束智能定位。
优选地，若移动目标恰处于某位置固定的红外传感器节点的感应范围之内，则该红外传感器节点调出事先已经存储好的位置信息，选择出一条通信路径将该位置信息发送给基站或者通过IPV6网关将信息发送到Internet中，最终传递给定位发起者。
优选地，移动目标所在区域至少存在两个传感节点，其中至少有一个用于智能定位的传感节点，若该用于智能定位的节点是超声波传感器节点，且覆盖移动目标，则该超声波传感节点通过发射超声波来确定该移动目标的位置，得到具体位置信息后选择出一条通信路径将该位置信息发送给基站或者通过IPV6网关将信息发送到Internet中，最终传递给定位发起者；若该智能定位节点无法覆盖到移动目标，则移动目标必然被i个普通传感节点所覆盖，i为正整数。
优选地，覆盖移动目标的i个普通传感节点通过协作通信将(x,y)发送给基站或者经由IPV6路由发送给定位发起者。
优选地，覆盖移动目标的i个普通传感器节点采用协作感知通信的方式，将自身的位置信息(xi,yi)与各自到移动目标的距离值di作为输入，采用方程式(xi-x)2+(yi-y)2=di并采用最小二乘法计算出移动目标的精确位置信息(x,y)。
特别地，当i=1时，方程式有无穷多解，将借助该唯一普通传感器节点的天线方向对移动目标的位置信息(x,y)进行估计定位，此时该普通传感器节点将通过IPV6路由发出定位误差告警。
优选地，覆盖移动目标的i个普通传感器节点向携有传感节点的移动目标发送一个请求数据包，直接采取Zigbee通信并记录发送数据时的天线方向，并各自记录发送时间Tsi，移动目标接收到i个请求数据包后，依次向各自的发送节点回复数据包，i个发送节点接收到移动目标的回复数据包之后记录下接收时间Tri并保持接收回复数据时的天线方向与发送数据时一致，i个普通传感器节点将分别采用公式(Tri-Tsi)/δ，其中，δ为数据包的传播速率，计算移动目标到各自位置的距离值di。
本发明是一种基于特定信标和IPV6传感节点的智能楼宇定位方法，属于物联网技术、无线传感网技术和下一代网络IPV6技术的交叉领域，发明内容还涉及到“绿色计算”和定位技术等，综合性较强。主要解决智能楼宇中的移动目标定位的准确性、高效性和实时性等问题，通过节能的方法，能实现快速高效环保的智能楼宇定位。
本发明采用物联网和无线传感器网络技术，通过具有IPV6地址的传感器节点网络辅助其它手段来制定能同时满足实时性和准确性的定位技术，针对现有技术中无线传感器网络的定位方法存在的问题，设计基于特定信标和IPV6地址通信的定位方法，使得整个方法的总功耗有所下降，从而真正实现绿色计算。
本发明的有益效果是：本发明一种基于特定信标传感节点的智能楼宇定位方法，具有如下优点：
采用成本低廉的传感器节点组成传感网络，即便是较大规模的部署，也比GPS定位设备等节约了成本；
采用红外传感节点作为特定信标，在其感应范围内不仅能实现精确定位而且能瞬间读出精准位置信息，避免了大量的通信和计算，符合绿色计算的理念；
采用传播速度较慢的超声波实现高精度定位，优点是易于实现、成本低、定位精度好、也保证了实时性；
即便移动目标仅被普通传感节点覆盖，也能通过节点之间的协作感知通信，并采用RSSI和最小二乘法计算出精确的位置信息；
IPV6地址协议栈的支持使得定位信息不仅可以在网内通过Zigbee协议传输，也能通过IP路由直接传送至Internet，确保了实时性的要求。
附图说明
图1是多类型无线传感器节点协作感知通信的示意图；
图2是智能楼宇定位平面剖析示意图；
图3是本发明实施例的定位流程图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
本实施例基于特定的信标节点，通过多类型无线传感器节点采集的信号，包括红外传感和超声波传感，进行协作感知，并采用Zigbee连同IPV6地址协议栈进行通信，从最大程度上减少能耗，并实现精确定位。
Zigbee通信协议：Zigbee是一种低速短距离传输的无线网络协议，被认为是当前无线传感器网络最适用的协议之一。Zigbee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)和应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE802.15.4标准的规定。基于Zigbee的无线传感器网络的主要特点是低功耗、低成本、低速率、支持大量节点、支持多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。与此同时，Zigbee作为一种短距离无线通信技术，由于其网络可以便捷的为用户提供无线数据传输功能，目前的通信芯片多为CC2420/30/40等系列芯片。RSSI(Received Signal Strength Indication，接收信号强度)值通常用于反映Zigbee通信协议中数据包的传播速率，该传播速率可用符号δ表示。
多类型的无线传感器节点的协作感知通信：如图1所示，在本发明专利中使用到了四种多类型的传感器节点，用于辅助智能定位或汇聚信息，分别是直接参与智能定位的超声波传感节点、红外传感节点、采集与位置信息无关的标量或者媒体信息的普通传感节点以及汇聚信息的基站节点(另有学名“Sink节点”)，所有节点均装载了CC2420/30/40等系列芯片中的某一种，以实现彼此间的无线通信。每个虚线圈是根据智能楼宇的楼道或者房间的区域进行划分的，各虚线圈内根据需求布置了各种类型的传感器节点，一般情况下是根据数据采集的必要性(例如需要布置一个光感传感节点在窗户边采集光强信息)、定位信标的必要性或者其他类似于中继和协调等功能需求来部署这些节点。特别地，区域的划分方法和各种节点的覆盖控制方法中，要保证每一划分区域都被至少一个传感节点全覆盖。由于各种类型的节点之间可能存在通信链路，可能是双向通信，也可能是单向通信：发送节点可以发送数据给接收节点，然而接收节点由于信号屏蔽、阴影或者衰减等原因无法发送数据给发送节点，或者相反亦然，因此，这些节点可以通过协作通信的方式进行智能化的定位。此外，智能楼宇中的所有传感节点都支持IPV6通信，并能够选择出一条路径通过IPV6网关接入Internet互联网。
特定信标辅助：传统的无线传感器网络定位技术时常借助于地理位置已知的信标节点，通常也称之为锚节点，例如基于三边测距法的定位算法就需要在初始定位时已知多个锚节点的地理坐标，地理坐标通常用二维的(x,y)坐标的形式来表示。然而这种借助于锚节点的方法往往需要消耗大量的时间和能量进行计算和通信。而本发明专利将充分利用智能楼宇中兼有计算和通信功能的红外传感器节点，这些节点被固定在具体的位置充当信标节点，这些位置往往是移动目标出现最为频繁的位置，例如公共洗手间等，由于位置已经固定，具体地理信息都已经存储在这些红外传感器节点中，只要移动目标接近这些节点，位置信息立刻被读出，而不需要再通过频繁计算和通信获取定位信息。
IPV6通信技术：为了实现下一代全IP通信的无线传感器网络，本发明专利基于6LowPAN体系，引入适配层实现IPV6数据包的分片与重组，传感节点的IPV6地址由全局路由前缀和自身ID（Identification，身份）两部分组成。每个传感节点可以通过基站节点或者直接通过IPV6网关节点获取IPV6地址。在无线传感器网络内部，即采用链路层的Zigbee协议进行数据通信，一旦要将定位信息传送到网外或者要实现传感节点与其它异构通信设备的数据通信，将采用网络层的IPV6通信协议。具体的IPV6通信路由协议不是本发明专利研究和所要保护的内容。
IPV6，Internet Protocol Version6，即互联网协议[版本6]。
6LowPAN，基于IEEE802.15.4标准实现IPV6通信的草案标准，由国际互联网工程任务组IETF提出。
南邮大厦是南京市鼓楼区物联网科技园，是一座以物联网络技术为核心打造的智能楼宇。南邮大厦的安保人员通过手持的PDA经由wifi网络接入Internet，对进入大厦的陌生人或者可疑人物进行必要的监控和追踪是他们的职责所在。由于不可能在楼宇中的每个角落都装上视频摄像头，且为了实现绿色节能的目标，通过物联网和无线传感器网络的智能定位是南邮大厦需要实现的一个重要功能。
一、在智能楼宇中部署无线传感器网络
步骤1：首先将每一楼层作为一个独立区域，在每一楼层再根据房间的功能性以及公用区间的功能性对南邮大厦进行区域划分，划分出办公室、楼道、电梯、会议室等公用区，如图2所示的“1-5所标识的区域划分”为南邮大厦某一楼层划分的一个片段。各区域再根据应用需求或者功能需求初始部署多类型传感器节点，这些节点均安装了CC2430芯片以实现数据链路层的数据交换和通信，包括红外传感器节点、超声波传感节点和普通传感节点，红外传感器节点根据南邮大厦要求的定位精度误差不能多于0.5米，此处设置其红外感应距离为0.5米，且保证至少存在一个基站节点能完成全网的数据汇聚同时接入IPV6网关，划分出的每一区域至少存在两个传感节点，其中至少有一个可用于智能定位的传感节点，且该区域能被其中某一传感节点全覆盖；如图2所示，该区域片段共部署了A-L等12个传感器节点，M为基站节点，N为IPV6网关节点；例如在区域2，由A、E、G三个传感节点完成对该区域的全覆盖，A为红外传感节点，G为超声波传感节点，E为采集窗户光照的普通光感节点；而在区域4，仅由超声波节点J完成对该区域的全覆盖。
步骤2：每个传感节点都配备有支持6LowPAN结构的IPV6地址，并能通过基站节点M或者直接与IPV6网关N进行数据交换和通信。
步骤3：在各区域的初始部署完成后，针对红外传感器节点进行位置调整，将其调整至移动目标出现最为频繁的位置，移动目标最为频繁的出现位置应根据南邮大厦的人群集中位置经过长时间统计之后确定，例如区域3复印机边的H节点、区域2主任办公室门口的A节点和区域5中楼梯口的K节点，并固定红外传感器节点，存储具体的方位信息，并最终确认其感应距离为0.5米。
某天送货员小曹到南邮大厦10楼保密室配送一台PC机，见图2中区域4，安保人员老李对其进入信息进行登记，并为小曹配备了具有通信、传感和呼叫提醒功能的ID卡，进楼时间为上午9:10，预计离开时间为上午10:20。然而到了10:30，老李仍然不见小曹下楼，于是他发起了对小曹的智能定位搜寻，如图3所示。
二、在智能楼宇中实现智能定位方法
步骤4：小曹携带了ID卡进入了南邮大厦，十点半恰好才将保密室的电脑装好，于是他离开区域4时，老李发起对其的智能定位。
步骤5：移动目标进入南邮大厦的某一区域后，在某一具体位置停留8秒钟及以上才会真正启动对移动目标的定位功能；然而小曹离开保密室后一直在寻找洗手间，他在不停的连续运动，在任何一处都没有停留8秒钟，因此老李的定位失败，老李选择了30秒后重新发起智能定位。
步骤6：30秒后小曹恰好来到了区域2的主任办公室门口询问洗手间的位置，此时在红外传感器节点A的感应范围之内，为了进一步细节化，此种情况也可参考图1中移动目标1在红外节点A的感应范围之内，则红外传感器节点A立刻调出事先已经存储好的位置信息，选择出一条通信路径将该位置信息发送给基站M或者通过IPV6网关N将信息发送到Internet中，最终传递给定位发起者老李，老李获得位置信息后得知小曹已经离开了保密室在主任办公室门口，于是发起呼叫提醒功能；两分钟后，老李仍不见小曹下楼，于是再次发起对小曹的智能定位。
步骤7：小曹获得主任提示之后，来到了配有最近洗手间的公用会议室门口，恰好被区域1门口的超声波传感器节点B所覆盖，然而小曹并不确认该区域就是公用会议室，于是停留在区域1门口等待楼道中走来的工作人员询问确认，停留时间超过了10秒钟，此时超声波传感节点通过发射超声波来确定小曹的位置，得到具体位置信息后选择出一条通信路径将该位置信息发送给基站或者通过IPV6网关将信息发送到Internet中(为了进一步细节化，此种情况也可参考图1中移动目标2在超声波节点B的感应范围之内)，最终传递给老李，老李再次获得小曹的位置信息是在公用会议室门口；老李再次发起呼叫提醒，然而等待了两分钟之后仍然不见小曹身影，老李再次发起智能定位。
步骤8：此时的小曹已经确认自己来到了公用会议室，于是进门走入了洗手间，然而此时他仅被2个普通传感器节点所覆盖，具体如区域1中的C和D；C和D采取Zigbee通信协议分别向携有传感ID节点的小曹发送一个请求数据包，并各自记录发送数据时的天线方向和发送时间Tsc和Tsd，小曹接收到2个请求数据包后，依次向C节点和D节点回复数据包，2个发送节点接收到来自小曹的回复数据包之后记录下接收时间Trc和Trd，并保持接收回复数据时的天线方向与发送数据时一致，C节点和D节点将分别采用公式(Trc-Tsc)/δ以及(Trd-Tsd)/δ计算小曹到各自位置的距离值dc和dd，为了进一步细节化，此种情况也可参考图1中移动目标3仅在普通传感节点C和D的感应范围之内。
步骤9：节点C和节点D采用协作感知通信的方式，分别将自身的位置信息(xc,yc)和(xd,yd)与各自到小曹的距离值dc和dd作为输入，采用方程组(xc-x)2+(yc-y)2=dc，(xd-x)2+(yd-y)2=dd并采用最小二乘法计算出小曹的精确位置信息(x,y)；特别地，当节点C失效时，将出现小曹仅被唯一的普通传感节点D所覆盖的情况，此时仅有唯一的方程(xd-x)2+(yd-y)2=dd有无穷多解，D节点将根据天线方向和距离值dd对小曹的位置信息(x,y)进行估计定位，此时节点D将通过IPV6路由发出定位误差告警，通知相关人员进一步采取相关措施例如补充节点；
步骤10：节点C和D(或者仅有节点D)通过协作通信将(x,y)发送给基站M或者经由IPV6路由N发送给老李，此时老李得知原来小曹这段时间在找洗手间。步骤11：老李不再发起智能定位，定位结束直至小曹下楼离开南邮大厦。

Claims (9)

1.一种基于特定信标传感节点的智能楼宇定位方法，其特征在于：
对智能楼宇进行区域划分，根据需求初始部署多类型传感器节点，包括红外传感器节点、超声波传感节点、普通传感节点，且至少存在一个基站节点能完成全网的数据汇聚同时接入IPV6网关，划分出的每一区域至少存在两个传感节点，其中至少有一个用于智能定位的传感节点，且该区域能被其中某一传感节点全覆盖；
移动目标进入楼宇前需要随身配备微型无线通信传感器节点，该节点能够支持智能楼宇中部署的无线传感器网络的通信协议，位于Internet终端或者基站端的定位发起者将发起对该移动目标位置信息的追踪；
根据定位发起者的请求，传感器节点确定感应范围内的移动目标的位置信息，将该位置信息发送给基站或者通过IPV6网关将信息发送到Internet中，最终传递给定位发起者。
2.如权利要求1所述的基于特定信标传感节点的智能楼宇定位方法，其特征在于：每个传感节点均配备有支持6LowPAN结构的IPV6地址，直接与基站节点，或通过基站节点与IPV6网关，进行数据交换和通信；
在各区域的初始部署完成后，针对红外传感器节点进行位置调整，将红外传感器节点调整至移动目标出现最为频繁的位置，固定红外传感器节点，存储具体的方位信息，并最终确认红外传感器节点的感应距离。
3.如权利要求1所述的基于特定信标传感节点的智能楼宇定位方法，其特征在于：移动目标进入智能楼宇的某一区域后，在某一具体位置停留X秒钟及以上，X为某一正整数，将开始为其进行智能定位，若移动目标在被智能定位计算期间再次移动，则该次定位失败，根据定位发起者的需求，重新执行或结束智能定位。
4.如权利要求1所述的基于特定信标传感节点的智能楼宇定位方法，其特征在于：若移动目标恰处于某位置固定的红外传感器节点的感应范围之内，则该红外传感器节点调出事先已经存储好的位置信息，选择出一条通信路径将该位置信息发送给基站或者通过IPV6网关将信息发送到Internet中，最终传递给定位发起者。
5.如权利要求1-4任一项所述的基于特定信标传感节点的智能楼宇定位方法，其特征在于：移动目标所在区域至少存在两个传感节点，其中至少有一个用于智能定位的传感节点，若该用于智能定位的节点是超声波传感器节点，且覆盖移动目标，则该超声波传感节点通过发射超声波来确定该移动目标的位置，得到具体位置信息后选择出一条通信路径将该位置信息发送给基站或者通过IPV6网关将信息发送到Internet中，最终传递给定位发起者；若该智能定位节点无法覆盖到移动目标，则移动目标必然被i个普通传感节点所覆盖，i为正整数。
6.如权利要求1所述的基于特定信标传感节点的智能楼宇定位方法，其特征在于：覆盖移动目标的i个普通传感节点通过协作通信将(x,y)发送给基站或者经由IPV6路由发送给定位发起者。
7.如权利要求6所述的基于特定信标传感节点的智能楼宇定位方法，其特征在于：覆盖移动目标的i个普通传感器节点采用协作感知通信的方式，将自身的位置信息(xi,yi)与各自到移动目标的距离值di作为输入，采用方程式(xi-x)2+(yi-y)2=di并采用最小二乘法计算出移动目标的精确位置信息(x,y)。
8.如权利要求7所述的基于特定信标传感节点的智能楼宇定位方法，其特征在于：当i=1时，方程式有无穷多解，将借助该唯一普通传感器节点的天线方向对移动目标的位置信息(x,y)进行估计定位，此时该普通传感器节点将通过IPV6路由发出定位误差告警。
9.如权利要求7所述的基于特定信标传感节点的智能楼宇定位方法，其特征在于：覆盖移动目标的i个普通传感器节点向携有传感节点的移动目标发送一个请求数据包，直接采取Zigbee通信并记录发送数据时的天线方向，并各自记录发送时间Tsi，移动目标接收到i个请求数据包后，依次向各自的发送节点回复数据包，i个发送节点接收到移动目标的回复数据包之后记录下接收时间Tri并保持接收回复数据时的天线方向与发送数据时一致，i个普通传感器节点将分别采用公式(Tri-Tsi)/δ，其中，δ为数据包的传播速率，计算移动目标到各自位置的距离值di。
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