CN106358149B - 基于无线网络测距的动态粒子群监控方法 - Google Patents

基于无线网络测距的动态粒子群监控方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于无线网络测距的粒子群动态位置监控方法及系统，其方法包括步骤：S1、协调器接受每个粒子所测量到的其他粒子信号强度信息，生成距离值并构造拓扑网络，确定边沿处的粒子作为终端，边沿内的粒子作为路由器，配置网络的信道和网络标示符，完成网络地址分配；S2、路由器承担中转和中继功能，使得位于边沿处的终端粒子以及边缘内粒子的动态信息能够传输到协调器；S3、在整个粒子群中选定三个粒子装载GPS定位装置，根据这三个粒子的GPS绝对位置确定整个网络的绝对位置，推导出每个粒子的绝对位置信息。针对处于移动状态的粒子群，如牧群、运动物体或者人群中计算每个粒子相对于协调器的距离以及各个粒子之间的相对位置，可获取每个粒子精确的经纬度位置，可以实时监控粒子群的动态。

Description

基于无线网络测距的动态粒子群监控方法
技术领域
本发明涉及无线网络测距技术领域，更具体地说，涉及一种基于无线网络测距的动态粒子群监控方法。
背景技术
我国做为畜牧业大国，随着畜牧业规模不断扩大，实现牧群的集体现代化、智能化管理是社会发展的必然趋势。在大规模农业放牧中，对牛群、羊群的位置监控是最为耗时、耗力的一个环节，传统放牧的方式依赖人和犬只对牛羊群位置进行监控，往往需要放牧人员跟随牧群移动，这要求人员时时刻刻都要保证对牧群的监控。当牧群中个体数量超过一定数时，需要更多的放牧人员进行实时监控，大大增加了对劳动力的需求，对于监控的准确度取决于放牧人员本身的经验和状态。
为了解决上述问题，对动态粒子群的各类定位方法应运而生。传统方法是让主粒子携带GPS定位装置，但是这种方法有如下缺陷：监控人员只能通过主粒子的位置信息去估计整个动态粒子群的大致位置，无法对每一个粒子进行有效监控。如果让粒子群中每一个粒子都携带GPS定位装置，GPS设备价格较高，会增加成本。且GPS设备之间无法组织成有效网络，针对大规模粒子群时，无法形成有效管理。另一种方法是设置电子围栏，当有粒子触碰边界时发出信号，从而控制粒子在规定范围内。这种方法显然不适合动态移动的粒子群。
因此，现有技术亟待有很大的进步。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述的缺陷，提供一种基于无线网络测距的动态粒子群监控方法，包括步骤：
S1、协调器接受每个粒子所测量到的其他粒子信号强度信息，生成距离值并构造拓扑网络，确定边沿处的粒子作为终端，边沿内的粒子作为路由器，配置网络的信道和网络标示符，完成网络地址分配；
S2、路由器绑定节点，承担中转和中继功能，使边沿信息能够传输到协调器；
S3、在整个粒子群中三个粒子以上增添GPS定位装置，根据这三个粒子的GPS绝对位置确定整个网络的绝对位置，推导出每个粒子的绝对位置信息。
在本发明所述的基于无线网络测距的动态粒子群监控方法中，所述步骤S1包括步骤：
S11、协调器按周期T1进行广播发出自身编号信息，并负责接收每个子路由器所发送本身的信号强度值与其编号信息，还需要接受每个子路由器所发送的其接受收到的其余子路由器的信号强度值和成员编号，然后将该信息发送至嵌入式平台上。
在本发明所述的基于无线网络测距的动态粒子群监控方法中，所述步骤S2包括步骤：
S21、路由器按周期T1进行广播发出自身编号信息，接受其余子路由器和协调器所发出编号信息，并读取接收信号强度值(RSSI)，然后将其接受收到的其余子路由器的信号强度值和路由器编号按周期T2发送至协调器上；
S22、子成员携带的LED模块，在其供电模块电量低于20％时，以f1频率进行闪烁，提示用户更换供电模块，当个体脱离群体时LED模块以f2频率进行闪烁。
在本发明所述的基于无线网络测距的动态粒子群监控方法中，所述嵌入式平台安装在首领粒子成员处，所述嵌入式平台携带有GPS模块、GPRS模块、LCD模块，负责将信号强度值和成员编码信息进行校验，如果从协调A到子路由器B的信号强度值P(AB)与从子路由器B到协调A的信号强度值P′(BA)两者差值的绝对值大小超过阈值ΔR，则舍弃该两项的信号强度值，否则保留两项接近的信号强度值并取平均值Pr做为从A端点到B端点的信号强度值，以此类推，每两个成员之间的信号强度值都将得到校验并获得平均的信号强度值。
在本发明所述的基于无线网络测距的动态粒子群监控方法中，所述动态粒子工作状态为周期性地向周围发射无线信号，其它粒子根据测距算法测量与本粒子的距离。
在本发明所述的基于无线网络测距的动态粒子群监控方法中，所述动态粒子工作状态为把与其它粒子的距离发送到网络中协调器，以构造拓扑网络。
在本发明所述的基于无线网络测距的动态粒子群监控方法中，所述终端用于周期性地向周围发射无线信号。
相应地，本发明还公开了一种基于无线网络测距的动态粒子群监控方法的系统，包括：依次网络连接的协调器节点、路由器节点和终端节点、GPS定位装置，所述协调器负责接受每个粒子所测量到的其他粒子信号强度信息，生成距离值并构造拓扑网络，确定边沿处的粒子作为终端，边沿内的粒子作为路由器，配置网络的信道和网络标示符，完成网络地址分配；所述路由器绑定节点，承担中转和中继功能，使边沿信息能够传输到协调器；所述GPS定位装置设于整个粒子群中三个粒子上。
在本发明所述的基于无线网络测距的动态粒子群监控系统中，还包括通过网络连接的Zigbee CC2530模块、GSM/GPRS模块、嵌入式模块、LCD模块、LED模块、电源模块，所述Zigbee CC2530模块在粒子群体中包括1个协调器首领粒子成员携带1个协调器，其余大于1个子粒子体成员分别携带大于1个路由器。
在本发明所述的基于无线网络测距的动态粒子群监控系统中，所述终端、协调器的工作状态为周期性地向周围发射无线信号，所述协调器的工作状态为周期性地向周围发射无线信号或把与其它粒子的距离发送到网络中协调器。
实施本发明的基于无线网络测距的动态粒子群监控方法，具有以下有益效果：可以在群体移动的牧群或集体中计算每个路由器相对于协调器的距离和路由器之间的距离，可获取群体精确的经纬度位置，为群体定位提供参考，用户可以实时监控牧群状态。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明基于无线网络测距的动态粒子群监控方法的拓扑结构示意图。
具体实施方式
为了解决牛羊群在放牧过程中，集体中的每个个体都处于不断且没有规律的移动中，并需要保证任意个体都能够将信息有效的传输至用户处，防止某个个体的丢失从而造成网络通讯的中断，因此选择支持多跳、多路径和可修复的Zigbee网状网络。网状网络与树状网络类似，网状网络中任意两个路由器能够直接通信，且具有路由功能的节点不用沿着树节点来通信而直接可以把信息发送给其他路由节点，保证信息传输的有效性，使得每一个节点都能将信息传递至目的节点处。增加了网络的健壮性，当某个节点丢失时，从源节点到达目的节点会有多条备用路径，也可以有效增加网络传播范围，满足放牧时，牧群中个体之间的距离随机变化的影响。
请参阅图1，为本发明基于无线网络测距的动态粒子群监控方法的拓扑结构示意图。如图1所示，在本发明第一实施例提供的基于无线网络测距的动态粒子群监控方法中，一种基于无线网络测距的动态粒子群监控方法，其特征在于，包括步骤：
S1、协调器接受每个粒子所测量到的其他粒子信号强度信息，生成距离值并构造拓扑网络，确定边沿处的粒子作为终端，边沿内的粒子作为路由器，配置网络的信道和网络标示符，完成网络地址分配；
S11、协调器按周期T1进行广播发出自身编号信息，并负责接收每个子路由器所发送本身的信号强度值与其编号信息，还需要接受每个子路由器所发送的其接受收到的其余子路由器的信号强度值和成员编号，然后将该信息发送至嵌入式平台上；
S2、路由器绑定节点，承担中转和中继功能，使边沿信息能够传输到协调器；
S21、路由器按周期T1进行广播发出自身编号信息，接受其余子路由器和协调器所发出编号信息，并读取接收信号强度值(RSSI)，然后将其接受收到的其余子路由器的信号强度值和路由器编号按周期T2发送至协调器上；
S22、子成员携带的LED模块，在其供电模块电量低于20％时，以f1频率进行闪烁，提示用户更换供电模块，当个体脱离群体时LED模块以f2频率进行闪烁；
S3、在整个粒子群中三个粒子以上增添GPS定位装置，根据这三个粒子的GPS绝对位置确定整个网络的绝对位置，推导出每个粒子的绝对位置信息。
嵌入式平台是该系统的核心控制部分，优选地，嵌入式平台安装在首领粒子处，平台携带有GPS模块、GPRS模块、LCD模块，负责将信号强度值和成员编码信息进行校验，如果从协调A到子路由器B的信号强度值P(AB)与从子路由器B到协调A的信号强度值P′(BA)两者差值的绝对值大小超过阈值ΔR，则舍弃该两项的信号强度值，否则保留两项接近的信号强度值并取平均值Pr做为从A端点到B端点的信号强度值，以此类推，每两个成员之间的信号强度值都将得到校验并获得平均的信号强度值。
利用3个子成员其编码为B、C、D，并获取完成校验后的成员间的信号强度值Pr(BC)、Pr(CD)、Pr(BD)。
将校验完成后的信号强度平均值Pr(BC)、Pr(CD)、Pr(BD)转换为BC、CD、BD两个成员(发射端与接收端)间的距离值d(BC)、d(CD)、d(BD)。d由下列计算式得
Pr(d)＝PA-10nlgd
式中，PA为信号传输1m远接收端接收的信号功率(dBm)，n为路径损耗指数，其值与定位环境相关，d为发射端与接收端之间的距离(m)，Pr(d0)为接收节点的信号功率(dBm)。
根据距离值d(BC)、d(CD)、d(BD)，带入下列计算式，可得子成员B、C、D组成的三角形的内角∠B、∠C、∠D的角度大小。
Figure BDA0001086685890000061
同理利用3个子路由器C、D、E与D、E、F最终到F、G、H得到相应的三角形，最终组成的拓扑结构示意图参阅图1所示的协调器与子路由器所构成的网状结构。
利用下列三种情况判断子成员状态：
a)参阅图1所示子路由器B，当t1时刻从协调器A到子路由器B的距离为d1(AB)，下一个时刻t2＝t1+T2时两个成员A到B的距离为d1(AB)，当d1大于警戒距离Dr，但子路由器B搜索的其余成员信号数量多于等于3个时，如果两个时刻距离之差Δd＝d1-d1大于0时，则向用户发出预警信息，信息内容包括当前时间、经纬度位置，以及即将丢失子成员编号B。
b)当t1时刻从协调器A到子路由器的距离为d1，当d1大于警戒距离Dr，且子路由器搜索的其余路由器信号数量少于3个时，向用户发出预警信息，信息内容包括当前时间、经纬度位置，以及即将丢失路由器编号，参阅图1所示子路由器K。
c)当前t1时刻与下一时刻t2＝t1+T2，首领A通过任意路由器无法检测到子成员的广播信号，则认为子成员处于脱离群体状态，参阅图1所示子成员G。
GPS模块采集经纬度位置信息，全球标准时间，确定牧群中协调器以及部分路由器的位置。并按周期T3进行刷新存储在嵌入式芯片上。
参阅图1，在路由器D、E、H上分别安装1部GPS模块，用来检测整个群体的运动方向如图1所示箭头，以及其余节点的绝对位置。
LCD模块负责显示经纬度位置信息，全球标准时间，组网信息，以及供电模块电量。其中组网信息包括所有路由器编号与协调器的距离、成员拓扑关系、丢失成员编号、即将丢失成员编号。
GPRS模块负责将放牧群体和远端的客户连接起来，实现用户的远程实时监控，当用户通过GPRS向嵌入式芯片发出查询组网信息、经纬度信息、标准时间指令时，则将相关信息发至用户手机上，当嵌入式平台供电模块电量少于20％，通过短信向用户发出嵌入式平台低电量警示。
本发明还公开了一种基于无线网络测距的动态粒子群监控方法的系统，包括：依次网络连接的协调器节点、路由器节点和终端节点、GPS定位装置，所述协调器负责接受每个粒子所测量到的其他粒子信号强度信息，生成距离值并构造拓扑网络，确定边沿处的粒子作为终端，边沿内的粒子作为路由器，配置网络的信道和网络标示符，完成网络地址分配；所述路由器绑定节点，承担中转和中继功能，使边沿信息能够传输到协调器；所述GPS定位装置设于整个粒子群中三个粒子上。
优选地，所述基于无线网络测距的动态粒子群监控系统还包括通过网络连接的Zigbee CC2530模块、GSM/GPRS模块、嵌入式模块、LCD模块、LED模块、电源模块，所述ZigbeeCC2530模块在粒子群体中包括1个协调器首领粒子成员携带1个协调器，其余大于1个子粒子体成员分别携带大于1个路由器。所述终端、协调器的工作状态为周期性地向周围发射无线信号，所述协调器的工作状态为周期性地向周围发射无线信号或把与其它粒子的距离发送到网络中协调器。
本发明有如下创新点：
(1)使用了Zibgee网状网络技术，传感器网络的节点随机分布,不依靠全局的基础设施例如锚节点等协助测距，加大了测距范围。自组织网络也适应目标和环境的变化。
(2)子成员之间可以通过互相读取信号,能够通过节点之间的信号强度值校验来排除非正常信号值，从而减小误差的影响,提高子成员间测距精度和可靠性。
(3)利用成员与成员的信息互相采集，在子成员间建立多个三角形结构，有多个三角形组成较为稳定的拓扑结构，最后得到的成员间的拓扑结构很稳定。
本发明通过以上实施例的设计，可以做到在群体移动的牧群或集体中计算每个路由器相对于协调器的距离和路由器之间的距离，可获取群体精确的经纬度位置，为群体定位提供参考，用户可以实时监控牧群状态。
本发明是根据特定实施例进行描述的，但本领域的技术人员应明白在不脱离本发明范围时，可进行各种变化和等同替换。此外，为适应本发明技术的特定场合，可对本发明进行诸多修改而不脱离其保护范围。因此，本发明并不限于在此公开的特定实施例，而包括所有落入到权利要求保护范围的实施例。

Claims (1)

1.一种基于无线网络测距的动态粒子群监控方法，其特征在于，包括步骤：
S1、协调器接受每个粒子所测量到的其他粒子信号强度信息，生成距离值并构造拓扑网络，确定边沿处的粒子作为终端，边沿内的粒子作为路由器，配置网络的信道和网络标示符，完成网络地址分配；
S2、路由器承担中转和中继功能，使得位于边沿处的终端粒子以及边缘内粒子的动态信息能够传输到协调器；
S3、在整个粒子群中三个以上粒子增添GPS定位装置，根据这三个粒子的GPS绝对位置确定整个网络的绝对位置，推导出每个粒子的绝对位置信息；
所述步骤S1包括步骤：
S11、协调器按周期T1进行广播发出自身编号信息，并负责接收每个子路由器所发送本身的信号强度值与其编号信息，还需要接受每个子路由器所发送的其接受收到的其余子路由器的信号强度值和成员编号，然后将该信息发送至嵌入式平台上；
所述步骤S2包括步骤：
S21、路由器按周期T1进行广播发出自身编号信息，接受其余子路由器和协调器所发出编号信息，并读取接收信号强度值(RSSI)，然后将其接受收到的其余子路由器的信号强度值和路由器编号按周期T2发送至协调器上；
S22、子成员携带的LED模块，在其供电模块电量低于20％时，以f1频率进行闪烁，提示用户更换供电模块，当个体脱离群体时LED模块以f2频率进行闪烁；
所述嵌入式平台安装在首领粒子成员处，所述嵌入式平台携带有GPS模块、GPRS模块、LCD模块，负责将信号强度值和成员编码信息进行校验，如果从协调A到子路由器B的信号强度值P(AB)与从子路由器B到协调A的信号强度值P′(BA)两者差值的绝对值大小超过阈值ΔR，则舍弃该两项的信号强度值，否则保留两项接近的信号强度值并取平均值Pr做为从A端点到B端点的信号强度值，以此类推，每两个成员之间的信号强度值都将得到校验并获得平均的信号强度值；
利用3个子成员，将三个子成员编码为B、C、D，并获取完成校验后的成员间的信号强度值Pr(BC)、Pr(CD)、Pr(BD)；
将校验完成后的信号强度平均值Pr(BC)、Pr(CD)、Pr(BD)转换为BC、CD、BD两个成员间的距离值d(BC)、d(CD)、d(BD)，距离d由下列计算式计算：
Pr(d)＝PA-10nlgd
式中，PA为信号传输1m远接收端接收的信号功率，单位为dBm，n为路径损耗指数，其值与定位环境相关，d为发射端与接收端之间的距离，单位为米，Pr(d0)为接收节点的信号功率，单位为dBm；
根据距离值d(BC)、d(CD)、d(BD)，带入下列计算式，可得子成员B、C、D组成的三角形的内角∠B、∠C、∠D的角度大小：
Figure FDF0000007129050000021
利用3个子路由器C、D、E与D、E、F最终到F、G、H得到相应的三角形，最终组成拓扑结构；
利用下列三种情况判断子成员状态：
a)当t1时刻从协调器A到子路由器B的距离为d1(AB)，下一个时刻t2＝t1+T2时两个成员A到B的距离为d1(AB)，当d1大于警戒距离Dr，但子路由器B搜索的其余成员信号数量多于等于3个时，如果两个时刻距离之差Δd＝d1-d1大于0时，则向用户发出预警信息，信息内容包括当前时间、经纬度位置，以及即将丢失子成员编号B；
b)当t1时刻从协调器A到子路由器的距离为d1，当d1大于警戒距离Dr，且子路由器搜索的其余路由器信号数量少于3个时，向用户发出预警信息，信息内容包括当前时间、经纬度位置，以及即将丢失路由器编号；
c)当前t1时刻与下一时刻t2＝t1+T2，首领A通过任意路由器无法检测到子成员的广播信号，则认为子成员处于脱离群体状态。
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