基于特定信標(biāo)傳感節(jié)點(diǎn)的智能樓宇定位方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于特定信標(biāo)傳感節(jié)點(diǎn)的智能樓宇定位方法，通過多類型無線傳感器節(jié)點(diǎn)采集的信號(hào)，包括紅外傳感和超聲波傳感，進(jìn)行協(xié)作感知，并采用Zigbee連同IPV6地址協(xié)議棧進(jìn)行通信，從最大程度上減少能耗，并實(shí)現(xiàn)精確定位；該種基于特定信標(biāo)傳感節(jié)點(diǎn)的智能樓宇定位方法，采用了輕量級(jí)的多類型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)定位，通過各種節(jié)點(diǎn)之間的智能協(xié)作感知以及支持IPV6協(xié)議棧的數(shù)據(jù)通信，提供了實(shí)現(xiàn)智能樓宇的綠色定位應(yīng)用的方法，有效地解決定位精度不高、能耗過大以及實(shí)時(shí)性差等問題。
【專利說明】基于特定信標(biāo)傳感節(jié)點(diǎn)的智能樓宇定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于特定信標(biāo)傳感節(jié)點(diǎn)的智能樓宇定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002]信息化社會(huì)在改變?nèi)藗兩盍?xí)慣和工作方式的同時(shí)，也對(duì)我們的傳統(tǒng)生活方式提出了挑戰(zhàn)。綠色計(jì)算和節(jié)能環(huán)保已經(jīng)成為當(dāng)今世界的主題。同時(shí)，不論是小區(qū)還是辦公區(qū)域，人們對(duì)樓宇的要求早已不再只是簡(jiǎn)單的物質(zhì)空間，更為關(guān)注的是一個(gè)有著先進(jìn)的通信設(shè)施，完備高效的信息終端，自動(dòng)智能的電氣控制，網(wǎng)絡(luò)化的資源管理等的智能樓宇環(huán)境。其中，實(shí)現(xiàn)樓宇內(nèi)移動(dòng)目標(biāo)的準(zhǔn)確定位是實(shí)現(xiàn)以上智能環(huán)境的一個(gè)重要組成部分，例如工作人員和外來人員。
[0003]智能樓宇的移動(dòng)目標(biāo)定位不失一般性，【具體實(shí)施方式】中將以人作為例子，定位則是尋找該移動(dòng)目標(biāo)在該樓宇中的具體某個(gè)位置。智能樓宇的移動(dòng)目標(biāo)定位屬于無線短距離通信的范疇，其目標(biāo)在于對(duì)樓宇內(nèi)的移動(dòng)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的精確的定位，并將定位信息通過即時(shí)通信方式發(fā)送給授權(quán)的發(fā)起者。實(shí)時(shí)性的要求決定了定位的時(shí)間要短，精確性的要求則決定了定位的精度要高，定位誤差應(yīng)盡量控制在0.5m之內(nèi)。
[0004]目前實(shí)現(xiàn)樓宇內(nèi)移動(dòng)目標(biāo)的定位方法有很多，例如通用的全球定位系統(tǒng)GPS定位技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)在于該技術(shù)是歷經(jīng)多年商用且非常成熟穩(wěn)定的定位技術(shù)，缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴且定位精度不能達(dá)到要求，基本無法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的室內(nèi)定位；而基于藍(lán)牙的定位技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、通信速率快，缺點(diǎn)是通信距離太短不適合有一定距離落差的樓宇，最多用于室內(nèi)定位；基于WiFi的定位技術(shù)，不易受到物理障礙物的干擾，不需要額外增加定位的硬件設(shè)備，缺點(diǎn)是信號(hào)此起彼伏或者衰減時(shí)無法滿足實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的要求且定位計(jì)算難度大。
[0005]目前，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法有很多，基本上都要借助于信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，否則難以實(shí)現(xiàn)精確的定位。例如三邊測(cè)距算法、經(jīng)典的RSSI (Received Signal StrengthIndication，接收信號(hào)強(qiáng)度)定位算法、三角定位算法等等，但這些方法本身都存在一些問題:(I)借助于信標(biāo)節(jié)點(diǎn)時(shí)的定位計(jì)算過于復(fù)雜；(2)在網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不理想的情況下可能會(huì)有較大的時(shí)延和丟包率；(3)這些算法往往只局限于本算法內(nèi)考慮傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗，然后優(yōu)化該算法，并未考慮借助于其他手段或者介質(zhì)作為算法的有益補(bǔ)充；(4)這些算法無法利用IPV6協(xié)議棧通信的優(yōu)勢(shì)。
[0006]因此，如何選擇出一種適合于智能樓宇的定位技術(shù)是應(yīng)當(dāng)要解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明針對(duì)傳統(tǒng)的定位技術(shù)存在的缺陷，解決定位的精度、實(shí)時(shí)性和高效性等問題。同時(shí)，基于“綠色計(jì)算”的理念，通過全面的節(jié)能考慮，借助于特定的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)以及IPV6的地址通信，實(shí)現(xiàn)快速高效環(huán)保的智能樓宇定位，提出一種基于特定信標(biāo)和IPV6傳感節(jié)點(diǎn)的智能樓宇定位方法。
[0008]本發(fā)明是一種基于特定信標(biāo)和支持互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議[版本6]的傳感節(jié)點(diǎn)的智能樓宇定位方法，隨著近年來物聯(lián)網(wǎng)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能樓宇領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸開展，定位技術(shù)成為智能樓宇不可或缺的重要功能。而目前大部分的定位方法及其系統(tǒng)要么成本高昂，要么存在定位精度不高、實(shí)時(shí)性差或者能耗要求高等缺陷。針對(duì)這些缺陷，本發(fā)明采用了輕量級(jí)的多類型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)定位，通過各種節(jié)點(diǎn)之間的智能協(xié)作感知以及支持IPV6協(xié)議棧的數(shù)據(jù)通信，提供了實(shí)現(xiàn)智能樓宇的綠色定位應(yīng)用的方法，有效地解決定位精度不高、能耗過大以及實(shí)時(shí)性差等問題。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
[0010]一種基于特定信標(biāo)傳感節(jié)點(diǎn)的智能樓宇定位方法，
[0011]對(duì)智能樓宇進(jìn)行區(qū)域劃分，根據(jù)需求初始部署多類型傳感器節(jié)點(diǎn)，包括紅外傳感器節(jié)點(diǎn)、超聲波傳感節(jié)點(diǎn)、普通傳感節(jié)點(diǎn)，且至少存在一個(gè)基站節(jié)點(diǎn)能完成全網(wǎng)的數(shù)據(jù)匯聚同時(shí)接入IPV6網(wǎng)關(guān)，劃分出的每一區(qū)域至少存在兩個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)，其中至少有一個(gè)用于智能定位的傳感節(jié)點(diǎn)，且該區(qū)域能被其中某一傳感節(jié)點(diǎn)全覆蓋；
[0012]移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)入樓宇前需要隨身配備微型無線通信傳感器節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)能夠支持智能樓宇中部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議，位于Internet終端或者基站端的定位發(fā)起者將發(fā)起對(duì)該移動(dòng)目標(biāo)位置信息的追蹤；
[0013]根據(jù)定位發(fā)起者的請(qǐng)求，傳感器節(jié)點(diǎn)確定感應(yīng)范圍內(nèi)的移動(dòng)目標(biāo)的位置信息，將該位置信息發(fā)送給基站或者通過IPV6網(wǎng)關(guān)將信息發(fā)送到Internet中，最終傳遞給定位發(fā)起者。
[0014]優(yōu)選地，每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)均配備有支持6LowPAN結(jié)構(gòu)的IPV6地址，直接與基站節(jié)點(diǎn)，或通過基站節(jié)點(diǎn)與IPV6網(wǎng)關(guān)，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和通信；
[0015]在各區(qū)域的初始部署完成后，針對(duì)紅外傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行位置調(diào)整，將紅外傳感器節(jié)點(diǎn)調(diào)整至移動(dòng)目標(biāo)出現(xiàn)最為頻繁的位置，固定紅外傳感器節(jié)點(diǎn)，存儲(chǔ)具體的方位信息，并最終確認(rèn)紅外傳感器節(jié)點(diǎn)的感應(yīng)距離。
[0016]優(yōu)選地，移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)入智能樓宇的某一區(qū)域后，在某一具體位置停留X秒鐘及以上，X為某一正整數(shù)，將開始為其進(jìn)行智能定位，若移動(dòng)目標(biāo)在被智能定位計(jì)算期間再次移動(dòng)，則該次定位失敗，根據(jù)定位發(fā)起者的需求，重新執(zhí)行或結(jié)束智能定位。
[0017]優(yōu)選地，若移動(dòng)目標(biāo)恰處于某位置固定的紅外傳感器節(jié)點(diǎn)的感應(yīng)范圍之內(nèi)，則該紅外傳感器節(jié)點(diǎn)調(diào)出事先已經(jīng)存儲(chǔ)好的位置信息，選擇出一條通信路徑將該位置信息發(fā)送給基站或者通過IPV6網(wǎng)關(guān)將信息發(fā)送到Internet中，最終傳遞給定位發(fā)起者。
[0018]優(yōu)選地，移動(dòng)目標(biāo)所在區(qū)域至少存在兩個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)，其中至少有一個(gè)用于智能定位的傳感節(jié)點(diǎn)，若該用于智能定位的節(jié)點(diǎn)是超聲波傳感器節(jié)點(diǎn)，且覆蓋移動(dòng)目標(biāo)，則該超聲波傳感節(jié)點(diǎn)通過發(fā)射超聲波來確定該移動(dòng)目標(biāo)的位置，得到具體位置信息后選擇出一條通信路徑將該位置信息發(fā)送給基站或者通過IPV6網(wǎng)關(guān)將信息發(fā)送到Internet中，最終傳遞給定位發(fā)起者；若該智能定位節(jié)點(diǎn)無法覆蓋到移動(dòng)目標(biāo)，則移動(dòng)目標(biāo)必然被i個(gè)普通傳感節(jié)點(diǎn)所覆蓋，i為正整數(shù)。
[0019]優(yōu)選地，覆蓋移動(dòng)目標(biāo)的i個(gè)普通傳感節(jié)點(diǎn)通過協(xié)作通信將U，y)發(fā)送給基站或者經(jīng)由IPV6路由發(fā)送給定位發(fā)起者。
[0020]優(yōu)選地，覆蓋移動(dòng)目標(biāo)的i個(gè)普通傳感器節(jié)點(diǎn)采用協(xié)作感知通信的方式，將自身的位置信息(xi，yi)與各自到移動(dòng)目標(biāo)的距離值di作為輸入，采用方程式(X1-X)2+(y1-y)2=di并采用最小二乘法計(jì)算出移動(dòng)目標(biāo)的精確位置信息(X，y)。
[0021]特別地，當(dāng)i=l時(shí)，方程式有無窮多解，將借助該唯一普通傳感器節(jié)點(diǎn)的天線方向?qū)σ苿?dòng)目標(biāo)的位置信息(X，y)進(jìn)行估計(jì)定位，此時(shí)該普通傳感器節(jié)點(diǎn)將通過IPV6路由發(fā)出
定位誤差告警。
[0022]優(yōu)選地，覆蓋移動(dòng)目標(biāo)的i個(gè)普通傳感器節(jié)點(diǎn)向攜有傳感節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)目標(biāo)發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，直接采取Zigbee通信并記錄發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的天線方向，并各自記錄發(fā)送時(shí)間Tsi，移動(dòng)目標(biāo)接收到i個(gè)請(qǐng)求數(shù)據(jù)包后，依次向各自的發(fā)送節(jié)點(diǎn)回復(fù)數(shù)據(jù)包，i個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)接收到移動(dòng)目標(biāo)的回復(fù)數(shù)據(jù)包之后記錄下接收時(shí)間Tri并保持接收回復(fù)數(shù)據(jù)時(shí)的天線方向與發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)一致，i個(gè)普通傳感器節(jié)點(diǎn)將分別采用公式(Tr1-Tsi)/δ，其中，δ為數(shù)據(jù)包的傳播速率，計(jì)算移動(dòng)目標(biāo)到各自位置的距離值di。
[0023]本發(fā)明是一種基于特定信標(biāo)和IPV6傳感節(jié)點(diǎn)的智能樓宇定位方法，屬于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線傳感網(wǎng)技術(shù)和下一代網(wǎng)絡(luò)IPV6技術(shù)的交叉領(lǐng)域，
【發(fā)明內(nèi)容】
還涉及到“綠色計(jì)算”和定位技術(shù)等，綜合性較強(qiáng)。主要解決智能樓宇中的移動(dòng)目標(biāo)定位的準(zhǔn)確性、高效性和實(shí)時(shí)性等問題，通過節(jié)能的方法，能實(shí)現(xiàn)快速高效環(huán)保的智能樓宇定位。
[0024]本發(fā)明采用物聯(lián)網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過具有IPV6地址的傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)輔助其它手段來制定能同時(shí)滿足實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的定位技術(shù)，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法存在的問題，設(shè)計(jì)基于特定信標(biāo)和IPV6地址通信的定位方法，使得整個(gè)方法的總功耗有所下降，從而真正實(shí)現(xiàn)綠色計(jì)算。
[0025]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明一種基于特定信標(biāo)傳感節(jié)點(diǎn)的智能樓宇定位方法，具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0026]采用成本低廉的傳感器節(jié)點(diǎn)組成傳感網(wǎng)絡(luò)，即便是較大規(guī)模的部署，也比GPS定位設(shè)備等節(jié)約了成本；
[0027]采用紅外傳感節(jié)點(diǎn)作為特定信標(biāo)，在其感應(yīng)范圍內(nèi)不僅能實(shí)現(xiàn)精確定位而且能瞬間讀出精準(zhǔn)位置信息，避免了大量的通信和計(jì)算，符合綠色計(jì)算的理念；
[0028]采用傳播速度較慢的超聲波實(shí)現(xiàn)高精度定位，優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)、成本低、定位精度好、也保證了實(shí)時(shí)性；
[0029]即便移動(dòng)目標(biāo)僅被普通傳感節(jié)點(diǎn)覆蓋，也能通過節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)作感知通信，并采用RSSI和最小二乘法計(jì)算出精確的位置信息；
[0030]IPV6地址協(xié)議棧的支持使得定位信息不僅可以在網(wǎng)內(nèi)通過Zigbee協(xié)議傳輸，也能通過IP路由直接傳送至Internet，確保了實(shí)時(shí)性的要求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1是多類型無線傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)作感知通信的示意圖；
[0032]圖2是智能樓宇定位平面剖析示意圖；
[0033]圖3是本發(fā)明實(shí)施例的定位流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
[0035]本實(shí)施例基于特定的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，通過多類型無線傳感器節(jié)點(diǎn)采集的信號(hào)，包括紅外傳感和超聲波傳感，進(jìn)行協(xié)作感知，并采用Zigbee連同IPV6地址協(xié)議棧進(jìn)行通信，從最大程度上減少能耗，并實(shí)現(xiàn)精確定位。
[0036]Zigbee通信協(xié)議=Zigbee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，被認(rèn)為是當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最適用的協(xié)議之一。Zigbee協(xié)議從下到上分別為物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和應(yīng)用層(APL)等。其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定?；赯igbee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)是低功耗、低成本、低速率、支持大量節(jié)點(diǎn)、支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、低?fù)雜度、快速、可靠、安全。與此同時(shí)，Zigbee作為一種短距離無線通信技術(shù)，由于其網(wǎng)絡(luò)可以便捷的為用戶提供無線數(shù)據(jù)傳輸功能，目前的通信芯片多為CC2420/30/40等系列芯片。RSSI (Received Signal StrengthIndication，接收信號(hào)強(qiáng)度)值通常用于反映Zigbee通信協(xié)議中數(shù)據(jù)包的傳播速率，該傳播速率可用符號(hào)δ表示。
[0037]多類型的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的協(xié)作感知通信:如圖1所示，在本發(fā)明專利中使用到了四種多類型的傳感器節(jié)點(diǎn)，用于輔助智能定位或匯聚信息，分別是直接參與智能定位的超聲波傳感節(jié)點(diǎn)、紅外傳感節(jié)點(diǎn)、采集與位置信息無關(guān)的標(biāo)量或者媒體信息的普通傳感節(jié)點(diǎn)以及匯聚信息的基站節(jié)點(diǎn)(另有學(xué)名“Sink節(jié)點(diǎn)”)，所有節(jié)點(diǎn)均裝載了 CC2420/30/40等系列芯片中的某一種，以實(shí)現(xiàn)彼此間的無線通信。每個(gè)虛線圈是根據(jù)智能樓宇的樓道或者房間的區(qū)域進(jìn)行劃分的，各虛線圈內(nèi)根據(jù)需求布置了各種類型的傳感器節(jié)點(diǎn)，一般情況下是根據(jù)數(shù)據(jù)采集的必要性(例如需要布置一個(gè)光感傳感節(jié)點(diǎn)在窗戶邊采集光強(qiáng)信息)、定位信標(biāo)的必要性或者其他類似于中繼和協(xié)調(diào)等功能需求來部署這些節(jié)點(diǎn)。特別地，區(qū)域的劃分方法和各種節(jié)點(diǎn)的覆蓋控制方法中，要保證每一劃分區(qū)域都被至少一個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)全覆蓋。由于各種類型的節(jié)點(diǎn)之間可能存在通信鏈路，可能是雙向通信，也可能是單向通信:發(fā)送節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送數(shù)據(jù)給接收節(jié)點(diǎn)，然而接收節(jié)點(diǎn)由于信號(hào)屏蔽、陰影或者衰減等原因無法發(fā)送數(shù)據(jù)給發(fā)送節(jié)點(diǎn)，或者相反亦然，因此，這些節(jié)點(diǎn)可以通過協(xié)作通信的方式進(jìn)行智能化的定位。此外,智能樓宇中的所有傳感節(jié)點(diǎn)都支持IPV6通信，并能夠選擇出一條路徑通過IPV6網(wǎng)關(guān)接入Internet互聯(lián)網(wǎng)。
[0038]特定信標(biāo)輔助:傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)時(shí)常借助于地理位置已知的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，通常也稱之為錨節(jié)點(diǎn)，例如基于三邊測(cè)距法的定位算法就需要在初始定位時(shí)已知多個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的地理坐標(biāo)，地理坐標(biāo)通常用二維的(x，y)坐標(biāo)的形式來表示。然而這種借助于錨節(jié)點(diǎn)的方法往往需要消耗大量的時(shí)間和能量進(jìn)行計(jì)算和通信。而本發(fā)明專利將充分利用智能樓宇中兼有計(jì)算和通信功能的紅外傳感器節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)被固定在具體的位置充當(dāng)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，這些位置往往是移動(dòng)目標(biāo)出現(xiàn)最為頻繁的位置，例如公共洗手間等，由于位置已經(jīng)固定，具體地理信息都已經(jīng)存儲(chǔ)在這些紅外傳感器節(jié)點(diǎn)中，只要移動(dòng)目標(biāo)接近這些節(jié)點(diǎn)，位置信息立刻被讀出，而不需要再通過頻繁計(jì)算和通信獲取定位信息。
[0039]IPV6通信技術(shù):為了實(shí)現(xiàn)下一代全I(xiàn)P通信的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，本發(fā)明專利基于6LowPAN體系，引入適配層實(shí)現(xiàn)IPV6數(shù)據(jù)包的分片與重組，傳感節(jié)點(diǎn)的IPV6地址由全局路由前綴和自身ID( Identification,身份)兩部分組成。每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)可以通過基站節(jié)點(diǎn)或者直接通過IPV6網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)獲取IPV6地址。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，即采用鏈路層的Zigbee協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，一旦要將定位信息傳送到網(wǎng)外或者要實(shí)現(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)與其它異構(gòu)通信設(shè)備的數(shù)據(jù)通信，將采用網(wǎng)絡(luò)層的IPV6通信協(xié)議。具體的IPV6通信路由協(xié)議不是本發(fā)明專利研究和所要保護(hù)的內(nèi)容。
[0040]IPV6, Internet Protocol Version6,即互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議[版本 6]。
[0041]6LowPAN，基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)IPV6通信的草案標(biāo)準(zhǔn)，由國際互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組IETF提出。
[0042]南郵大廈是南京市鼓樓區(qū)物聯(lián)網(wǎng)科技園，是一座以物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心打造的智能樓宇。南郵大廈的安保人員通過手持的PDA經(jīng)由wifi網(wǎng)絡(luò)接入Internet,對(duì)進(jìn)入大廈的陌生人或者可疑人物進(jìn)行必要的監(jiān)控和追蹤是他們的職責(zé)所在。由于不可能在樓宇中的每個(gè)角落都裝上視頻攝像頭，且為了實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能的目標(biāo)，通過物聯(lián)網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能定位是南郵大廈需要實(shí)現(xiàn)的一個(gè)重要功能。
[0043]一、在智能樓宇中部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
[0044]步驟1:首先將每一樓層作為一個(gè)獨(dú)立區(qū)域，在每一樓層再根據(jù)房間的功能性以及公用區(qū)間的功能性對(duì)南郵大廈進(jìn)行區(qū)域劃分，劃分出辦公室、樓道、電梯、會(huì)議室等公用區(qū)，如圖2所示的“1-5所標(biāo)識(shí)的區(qū)域劃分”為南郵大廈某一樓層劃分的一個(gè)片段。各區(qū)域再根據(jù)應(yīng)用需求或者功能需求初始部署多類型傳感器節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)均安裝了 CC2430芯片以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)交換和通信，包括紅外傳感器節(jié)點(diǎn)、超聲波傳感節(jié)點(diǎn)和普通傳感節(jié)點(diǎn)，紅外傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)南郵大廈要求的定位精度誤差不能多于0.5米，此處設(shè)置其紅外感應(yīng)距離為0.5米，且保證至少存在一個(gè)基站節(jié)點(diǎn)能完成全網(wǎng)的數(shù)據(jù)匯聚同時(shí)接入IPV6網(wǎng)關(guān)，劃分出的每一區(qū)域至少存在兩個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)，其中至少有一個(gè)可用于智能定位的傳感節(jié)點(diǎn)，且該區(qū)域能被其中某一傳感節(jié)點(diǎn)全覆蓋；如圖2所示，該區(qū)域片段共部署了 A-L等12個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，M為基站節(jié)點(diǎn)，N為IPV6網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；例如在區(qū)域2，由A、E、G三個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)完成對(duì)該區(qū)域的全覆蓋，A為紅外傳感節(jié)點(diǎn)，G為超聲波傳感節(jié)點(diǎn)，E為采集窗戶光照的普通光感節(jié)點(diǎn)；而在區(qū)域4，僅由超聲波節(jié)點(diǎn)J完成對(duì)該區(qū)域的全覆蓋。
[0045]步驟2:每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)都配備有支持6LowPAN結(jié)構(gòu)的IPV6地址，并能通過基站節(jié)點(diǎn)M或者直接與IPV6網(wǎng)關(guān)N進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和通信。
[0046]步驟3:在各區(qū)域的初始部署完成后，針對(duì)紅外傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行位置調(diào)整，將其調(diào)整至移動(dòng)目標(biāo)出現(xiàn)最為頻繁的位置，移動(dòng)目標(biāo)最為頻繁的出現(xiàn)位置應(yīng)根據(jù)南郵大廈的人群集中位置經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間統(tǒng)計(jì)之后確定，例如區(qū)域3復(fù)印機(jī)邊的H節(jié)點(diǎn)、區(qū)域2主任辦公室門口的A節(jié)點(diǎn)和區(qū)域5中樓梯口的K節(jié)點(diǎn)，并固定紅外傳感器節(jié)點(diǎn)，存儲(chǔ)具體的方位信息，并最終確認(rèn)其感應(yīng)距離為0.5米。
[0047]某天送貨員小曹到南郵大廈10樓保密室配送一臺(tái)PC機(jī)，見圖2中區(qū)域4，安保人員老李對(duì)其進(jìn)入信息進(jìn)行登記，并為小曹配備了具有通信、傳感和呼叫提醒功能的ID卡，進(jìn)樓時(shí)間為上午9:10，預(yù)計(jì)離開時(shí)間為上午10:20。然而到了 10:30，老李仍然不見小曹下樓，于是他發(fā)起了對(duì)小曹的智能定位搜尋，如圖3所示。
[0048]二、在智能樓宇中實(shí)現(xiàn)智能定位方法
[0049]步驟4:小曹攜帶了 ID卡進(jìn)入了南郵大廈，十點(diǎn)半恰好才將保密室的電腦裝好，于是他離開區(qū)域4時(shí),老李發(fā)起對(duì)其的智能定位。
[0050]步驟5:移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)入南郵大廈的某一區(qū)域后，在某一具體位置停留8秒鐘及以上才會(huì)真正啟動(dòng)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的定位功能；然而小曹離開保密室后一直在尋找洗手間，他在不停的連續(xù)運(yùn)動(dòng)，在任何一處都沒有停留8秒鐘，因此老李的定位失敗，老李選擇了 30秒后重新發(fā)起智能定位。
[0051]步驟6:30秒后小曹恰好來到了區(qū)域2的主任辦公室門口詢問洗手間的位置，此時(shí)在紅外傳感器節(jié)點(diǎn)A的感應(yīng)范圍之內(nèi)，為了進(jìn)一步細(xì)節(jié)化，此種情況也可參考圖1中移動(dòng)目標(biāo)I在紅外節(jié)點(diǎn)A的感應(yīng)范圍之內(nèi)，則紅外傳感器節(jié)點(diǎn)A立刻調(diào)出事先已經(jīng)存儲(chǔ)好的位置信息，選擇出一條通信路徑將該位置信息發(fā)送給基站M或者通過IPV6網(wǎng)關(guān)N將信息發(fā)送到Internet中，最終傳遞給定位發(fā)起者老李，老李獲得位置信息后得知小曹已經(jīng)離開了保密室在主任辦公室門口，于是發(fā)起呼叫提醒功能；兩分鐘后，老李仍不見小曹下樓，于是再次發(fā)起對(duì)小曹的智能定位。
[0052]步驟7:小曹獲得主任提示之后，來到了配有最近洗手間的公用會(huì)議室門口，恰好被區(qū)域I門口的超聲波傳感器節(jié)點(diǎn)B所覆蓋，然而小曹并不確認(rèn)該區(qū)域就是公用會(huì)議室，于是停留在區(qū)域I門口等待樓道中走來的工作人員詢問確認(rèn)，停留時(shí)間超過了 10秒鐘，此時(shí)超聲波傳感節(jié)點(diǎn)通過發(fā)射超聲波來確定小曹的位置，得到具體位置信息后選擇出一條通信路徑將該位置信息發(fā)送給基站或者通過IPV6網(wǎng)關(guān)將信息發(fā)送到Internet中(為了進(jìn)一步細(xì)節(jié)化，此種情況也可參考圖1中移動(dòng)目標(biāo)2在超聲波節(jié)點(diǎn)B的感應(yīng)范圍之內(nèi))，最終傳遞給老李，老李再次獲得小曹的位置信息是在公用會(huì)議室門口 ；老李再次發(fā)起呼叫提醒，然而等待了兩分鐘之后仍然不見小曹身影，老李再次發(fā)起智能定位。
[0053]步驟8:此時(shí)的小曹已經(jīng)確認(rèn)自己來到了公用會(huì)議室，于是進(jìn)門走入了洗手間，然而此時(shí)他僅被2個(gè)普通傳感器節(jié)點(diǎn)所覆蓋，具體如區(qū)域I中的C和D ;C和D采取Zigbee通信協(xié)議分別向攜有傳感ID節(jié)點(diǎn)的小曹發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，并各自記錄發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的天線方向和發(fā)送時(shí)間Tsc和Tsd，小曹接收到2個(gè)請(qǐng)求數(shù)據(jù)包后，依次向C節(jié)點(diǎn)和D節(jié)點(diǎn)回復(fù)數(shù)據(jù)包,2個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)接收到來自小曹的回復(fù)數(shù)據(jù)包之后記錄下接收時(shí)間Trc和Trd,并保持接收回復(fù)數(shù)據(jù)時(shí)的天線方向與發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)一致，C節(jié)點(diǎn)和D節(jié)點(diǎn)將分別采用公式(Trc-Tsc)/δ以及(Trd-TscO/δ計(jì)算小曹到各自位置的距離值dc和dd，為了進(jìn)一步細(xì)節(jié)化，此種情況也可參考圖1中移動(dòng)目標(biāo)3僅在普通傳感節(jié)點(diǎn)C和D的感應(yīng)范圍之內(nèi)。
[0054]步驟9:節(jié)點(diǎn)C和節(jié)點(diǎn)D采用協(xié)作感知通信的方式，分別將自身的位置信息(Xc，yc)和(xd，yd)與各自到小曹的距離值dc和dd作為輸入，采用方程組(XC-X)2+ (yc-y) 2=dc, (xd_x)2+ (yd-y) 2=dd并采用最小二乘法計(jì)算出小曹的精確位置信息(X，y);特別地，當(dāng)節(jié)點(diǎn)C失效時(shí),將出現(xiàn)小曹僅被唯一的普通傳感節(jié)點(diǎn)D所覆蓋的情況,此時(shí)僅有唯一的方程(xd-x)2+(yd_y)2=dd有無窮多解,D節(jié)點(diǎn)將根據(jù)天線方向和距離值dd對(duì)小曹的位置信息(x，y)進(jìn)行估計(jì)定位，此時(shí)節(jié)點(diǎn)D將通過IPV6路由發(fā)出定位誤差告警，通知相關(guān)人員進(jìn)一步采取相關(guān)措施例如補(bǔ)充節(jié)點(diǎn)；
[0055]步驟10:節(jié)點(diǎn)C和D (或者僅有節(jié)點(diǎn)D)通過協(xié)作通信將(X，y)發(fā)送給基站M或者經(jīng)由IPV6路由N發(fā)送給老李，此時(shí)老李得知原來小曹這段時(shí)間在找洗手間。步驟11:老李不再發(fā)起智能定位，定位結(jié)束直至小曹下樓離開南郵大廈。
【權(quán)利要求】
1.一種基于特定信標(biāo)傳感節(jié)點(diǎn)的智能樓宇定位方法，其特征在于: 對(duì)智能樓宇進(jìn)行區(qū)域劃分，根據(jù)需求初始部署多類型傳感器節(jié)點(diǎn)，包括紅外傳感器節(jié)點(diǎn)、超聲波傳感節(jié)點(diǎn)、普通傳感節(jié)點(diǎn)，且至少存在一個(gè)基站節(jié)點(diǎn)能完成全網(wǎng)的數(shù)據(jù)匯聚同時(shí)接入IPV6網(wǎng)關(guān)，劃分出的每一區(qū)域至少存在兩個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)，其中至少有一個(gè)用于智能定位的傳感節(jié)點(diǎn)，且該區(qū)域能被其中某一傳感節(jié)點(diǎn)全覆蓋； 移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)入樓宇前需要隨身配備微型無線通信傳感器節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)能夠支持智能樓宇中部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議，位于Internet終端或者基站端的定位發(fā)起者將發(fā)起對(duì)該移動(dòng)目標(biāo)位置信息的追蹤； 根據(jù)定位發(fā)起者的請(qǐng)求，傳感器節(jié)點(diǎn)確定感應(yīng)范圍內(nèi)的移動(dòng)目標(biāo)的位置信息，將該位置信息發(fā)送給基站或者通過IPV6網(wǎng)關(guān)將信息發(fā)送到Internet中，最終傳遞給定位發(fā)起者。
2.如權(quán)利要求1所述的基于特定信標(biāo)傳感節(jié)點(diǎn)的智能樓宇定位方法，其特征在于:每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)均配備有支持6LowPAN結(jié)構(gòu)的IPV6地址，直接與基站節(jié)點(diǎn)，或通過基站節(jié)點(diǎn)與IPV6網(wǎng)關(guān)，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和通信； 在各區(qū)域的初始部署完成后，針對(duì)紅外傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行位置調(diào)整，將紅外傳感器節(jié)點(diǎn)調(diào)整至移動(dòng)目標(biāo)出現(xiàn)最為頻繁的位置，固定紅外傳感器節(jié)點(diǎn)，存儲(chǔ)具體的方位信息，并最終確認(rèn)紅外傳感器節(jié)點(diǎn)的感應(yīng)距離。
3.如權(quán)利要求1所述的基于特定信標(biāo)傳感節(jié)點(diǎn)的智能樓宇定位方法，其特征在于:移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)入智能樓宇的某一區(qū)域后，在某一具體位置停留X秒鐘及以上，X為某一正整數(shù)，將開始為其進(jìn)行智能定位，若移動(dòng)目標(biāo)在被智能定位計(jì)算期間再次移動(dòng)，則該次定位失敗，根據(jù)定位發(fā)起者的需求，重新執(zhí)行或結(jié)束智能定位。
4.如權(quán)利要求1所述的基于特定信標(biāo)傳感節(jié)點(diǎn)的智能樓宇定位方法，其特征在于:若移動(dòng)目標(biāo)恰處于某位置固定 的紅外傳感器節(jié)點(diǎn)的感應(yīng)范圍之內(nèi)，則該紅外傳感器節(jié)點(diǎn)調(diào)出事先已經(jīng)存儲(chǔ)好的位置信息，選擇出一條通信路徑將該位置信息發(fā)送給基站或者通過IPV6網(wǎng)關(guān)將信息發(fā)送到Internet中，最終傳遞給定位發(fā)起者。
5.如權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的基于特定信標(biāo)傳感節(jié)點(diǎn)的智能樓宇定位方法，其特征在于:移動(dòng)目標(biāo)所在區(qū)域至少存在兩個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)，其中至少有一個(gè)用于智能定位的傳感節(jié)點(diǎn)，若該用于智能定位的節(jié)點(diǎn)是超聲波傳感器節(jié)點(diǎn)，且覆蓋移動(dòng)目標(biāo)，則該超聲波傳感節(jié)點(diǎn)通過發(fā)射超聲波來確定該移動(dòng)目標(biāo)的位置，得到具體位置信息后選擇出一條通信路徑將該位置信息發(fā)送給基站或者通過IPV6網(wǎng)關(guān)將信息發(fā)送到Internet中，最終傳遞給定位發(fā)起者；若該智能定位節(jié)點(diǎn)無法覆蓋到移動(dòng)目標(biāo)，則移動(dòng)目標(biāo)必然被i個(gè)普通傳感節(jié)點(diǎn)所覆蓋，i為正整數(shù)。
6.如權(quán)利要求1所述的基于特定信標(biāo)傳感節(jié)點(diǎn)的智能樓宇定位方法，其特征在于--覆蓋移動(dòng)目標(biāo)的i個(gè)普通傳感節(jié)點(diǎn)通過協(xié)作通信將(x，y)發(fā)送給基站或者經(jīng)由IPV6路由發(fā)送給定位發(fā)起者。
7.如權(quán)利要求6所述的基于特定信標(biāo)傳感節(jié)點(diǎn)的智能樓宇定位方法，其特征在于:覆蓋移動(dòng)目標(biāo)的i個(gè)普通傳感器節(jié)點(diǎn)采用協(xié)作感知通信的方式，將自身的位置信息(xi，yi)與各自到移動(dòng)目標(biāo)的距離值di作為輸入，采用方程式(x1-x)2+ (y1-y) 2=di并采用最小二乘法計(jì)算出移動(dòng)目標(biāo)的精確位置信息(x，y)。
8.如權(quán)利要求7所述的基 于特定信標(biāo)傳感節(jié)點(diǎn)的智能樓宇定位方法，其特征在于:當(dāng)1=1時(shí)，方程式有無窮多解，將借助該唯一普通傳感器節(jié)點(diǎn)的天線方向?qū)σ苿?dòng)目標(biāo)的位置信息(X，y)進(jìn)行估計(jì)定位，此時(shí)該普通傳感器節(jié)點(diǎn)將通過IPV6路由發(fā)出定位誤差告警。
9.如權(quán)利要求7所述的基于特定信標(biāo)傳感節(jié)點(diǎn)的智能樓宇定位方法，其特征在于:覆蓋移動(dòng)目標(biāo)的i個(gè)普通傳感器節(jié)點(diǎn)向攜有傳感節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)目標(biāo)發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，直接采取Zigbee通信并記錄發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的天線方向，并各自記錄發(fā)送時(shí)間Tsi，移動(dòng)目標(biāo)接收到i個(gè)請(qǐng)求數(shù)據(jù)包后，依次向各自的發(fā)送節(jié)點(diǎn)回復(fù)數(shù)據(jù)包，i個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)接收到移動(dòng)目標(biāo)的回復(fù)數(shù)據(jù)包之后記錄下接收時(shí)間Tri并保持接收回復(fù)數(shù)據(jù)時(shí)的天線方向與發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)一致，i個(gè)普通傳感器節(jié)點(diǎn)將分別采用公式(Tr1-Tsi)/δ，其中，δ為數(shù)據(jù)包的傳播速率，計(jì)算移動(dòng)目標(biāo)到各自位置的距離值di。`
【文檔編號(hào)】H04L29/08GK103889052SQ201410087027
【公開日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2014年3月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月11日
【發(fā)明者】黃海平, 曹雍, 王汝傳, 沙超, 楊耀, 李仕勇, 王凱, 宮天何 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)