一種分布式室內(nèi)移動目標(biāo)導(dǎo)航系統(tǒng)及其工作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種分布式室內(nèi)移動目標(biāo)導(dǎo)航系統(tǒng)及其工作方法。系統(tǒng)硬件包括部署在室內(nèi)關(guān)鍵位置的射頻識別標(biāo)簽，每個標(biāo)簽對應(yīng)物理空間的一個位置，標(biāo)簽通過存儲事件消息來記錄移動個體的位置信息、發(fā)生時刻；通過存儲請求消息來記錄搜索的目標(biāo)、發(fā)起時刻。每個移動個體攜帶一個微型射頻識別讀寫器。當(dāng)移動個體從標(biāo)簽旁經(jīng)過，讀寫器將事件消息寫入標(biāo)簽，當(dāng)需要尋找一個移動目標(biāo)時，讀寫器將請求消息寫入標(biāo)簽。其他移動個體經(jīng)過標(biāo)簽時，讀出消息，并攜帶、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)到其他標(biāo)簽。消息在由射頻識別標(biāo)簽組成的網(wǎng)絡(luò)中傳輸。本發(fā)明利用射頻識別標(biāo)簽具有計算和存儲能力的特點，實現(xiàn)基于機(jī)會傳輸?shù)氖覂?nèi)移動目標(biāo)導(dǎo)航。
【專利說明】一種分布式室內(nèi)移動目標(biāo)導(dǎo)航系統(tǒng)及其工作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及室內(nèi)移動目標(biāo)導(dǎo)航【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種基于射頻識別技術(shù)的室內(nèi)移動目標(biāo)導(dǎo)航系統(tǒng)及其工作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]室內(nèi)導(dǎo)航一直是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注的焦點和難點問題。傳統(tǒng)應(yīng)用于室外的全球定位系統(tǒng)(Global Position System)在室內(nèi)環(huán)境下會受到建筑物(如高樓、墻壁反射等)的影響，定位誤差難以滿足室內(nèi)定位的需求。而現(xiàn)有室內(nèi)定位與導(dǎo)航技術(shù)，如W1-F1、Bluetooth技術(shù)則具有節(jié)點部署成本高、節(jié)點消耗電池能量大的缺點；紅外線技術(shù)受限于視距范圍探測等缺點。因此，傳統(tǒng)應(yīng)用于室外以及現(xiàn)有應(yīng)用于室內(nèi)的定位和導(dǎo)航技術(shù)，都沒有很好地解決在局部性、異構(gòu)性和復(fù)雜性高度集中的室內(nèi)環(huán)境下定位和導(dǎo)航問題。近年來，隨著“物聯(lián)網(wǎng)”、“群智感知”等概念的提出，以及射頻識別技術(shù)的迅速發(fā)展，借助大量分布在環(huán)境中成本低廉的射頻識別標(biāo)簽，很多傳統(tǒng)問題有了新的解決思路，尤其是結(jié)合射頻識別技術(shù)和傳統(tǒng)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的各種創(chuàng)新應(yīng)用受到廣泛關(guān)注。本發(fā)明基于上述背景，面向室內(nèi)移動目標(biāo)導(dǎo)航問題，設(shè)計并實現(xiàn)一個基于機(jī)會傳輸?shù)氖覂?nèi)移動目標(biāo)導(dǎo)航系統(tǒng)框架，通過利用由射頻識別標(biāo)簽和移動個體組成的特殊機(jī)會網(wǎng)絡(luò)，來實現(xiàn)目標(biāo)運動信息記錄、位置估算和追蹤，為室內(nèi)環(huán)境的移動目標(biāo)導(dǎo)航提供了一種分布式的解決方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種分布式的室內(nèi)移動目標(biāo)導(dǎo)航系統(tǒng)及其工作方法，本發(fā)明通過充分利用射頻識別標(biāo)簽具有計算和存儲能力的特點，結(jié)合分布式、機(jī)會性、群體智能實現(xiàn)室內(nèi)移動目標(biāo)的導(dǎo)航。
[0004]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種分布式室內(nèi)移動目標(biāo)導(dǎo)航系統(tǒng)，其包括:
[0005]射頻識別標(biāo)簽:大量射頻識別標(biāo)簽被部署在室內(nèi)的關(guān)鍵位置，每個射頻識別標(biāo)簽都對應(yīng)物理空間中的一個位置，通過射頻識別標(biāo)簽的唯一標(biāo)識符來表示位置信息；射頻識別標(biāo)簽還具有存儲能力，通過存儲事件消息來記錄每個經(jīng)過其附近的移動個體的位置信息、發(fā)生時刻；通過存儲請求消息來記錄要搜索的目標(biāo)個體、發(fā)起時刻；
[0006]微型射頻識別讀寫器:每個移動個體都攜帶一個微型射頻識別讀寫器，當(dāng)移動個體從射頻識別標(biāo)簽旁經(jīng)過時，微型射頻識別讀寫器將一個事件消息寫入射頻識別標(biāo)簽，以記錄一次經(jīng)過事件，表示在某個時刻的位置信息；當(dāng)某個移動個體需要尋找一個目標(biāo)個體時，微型射頻識別讀寫器將一個請求消息寫入射頻識別標(biāo)簽，請求消息記錄了目標(biāo)個體的標(biāo)識符以及發(fā)起時刻；當(dāng)系統(tǒng)中其他移動個體經(jīng)過相同的射頻識別標(biāo)簽時，其攜帶的微型射頻識別讀寫器就會讀出標(biāo)簽內(nèi)存儲的事件消息和請求消息，并攜帶、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)到其他射頻識別標(biāo)簽上。
[0007]本系統(tǒng)中的消息類型分為兩種:
[0008](I)事件消息:事件消息是一個三元組，表示一次經(jīng)過事件，其中包括移動的人或物體的唯一標(biāo)識符、射頻識別標(biāo)簽的唯一標(biāo)示符和發(fā)生事件的時刻；
[0009](2)請求消息:請求消息也是一個三元組,表示一次搜索請求,其中包括請求發(fā)起者的唯一標(biāo)示符、目標(biāo)人或物體的唯一標(biāo)示符和發(fā)起請求的時刻。
[0010]移動個體有三種不同類型的角色:
[0011](I)搜索角色:搜索角色是指那些已經(jīng)在系統(tǒng)中發(fā)布了請求消息，并正在搜索目標(biāo)人個體的移動個體，其不斷在系統(tǒng)中搜索目標(biāo)個體留下的事件消息，并利用這些信息對目標(biāo)位置進(jìn)行估算；
[0012](2)目標(biāo)角色:目標(biāo)角色是指那些被其他移動個體作為尋找目標(biāo)的個體。
[0013](3)幫助角色:幫助角色是指那些接收到請求消息的移動個體，系統(tǒng)中的每個移動個體的初始狀態(tài)都是處于幫助角色，幫助角色的移動個體負(fù)責(zé)收集環(huán)境中的事件消息，并在需要的情況下，將這些事件消息轉(zhuǎn)發(fā)給需要幫助的搜索角色。
[0014]本發(fā)明還提供了該分布式室內(nèi)移動目標(biāo)導(dǎo)航系統(tǒng)的工作方法，包括以下步驟:
[0015]I)當(dāng)系統(tǒng)中的每個移動個體從射頻識別標(biāo)簽旁經(jīng)過時，其所攜帶的微型射頻讀寫器將該移動個體該次經(jīng)過事件以事件消息的形式寫入該標(biāo)簽；同時，將該射頻識別標(biāo)簽上存儲的所有事件消息讀取出來，按照最近消息價值最高的原則，同步更新移動個體和射頻識別標(biāo)簽上的事件消息；
[0016]2)當(dāng)系統(tǒng)中的某個移動個體需要尋找另一個移動個體時，即搜索角色尋找目標(biāo)角色時，搜索角色所攜帶的微型射頻識別讀寫器將一個請求消息寫入其經(jīng)過的每一個射頻識別標(biāo)簽中，該請求消息記錄了目標(biāo)角色的標(biāo)識符以及該請求的發(fā)起時刻；
[0017]3)當(dāng)系統(tǒng)中其他的移動個體從某個射頻識別標(biāo)簽中讀出上述請求消息后，從之前的事件消息記錄中檢索與目標(biāo)匹配事件消息，并將匹配的事件消息寫入周圍的標(biāo)簽；
[0018]4)搜索角色不斷地收集目標(biāo)角色的事件消息，并根據(jù)收集到的事件消息估算目標(biāo)角色的位置區(qū)域，計算導(dǎo)航路徑代價，選擇逼近目標(biāo)角色的下一步移動路徑直至找到目標(biāo)角色。
[0019]步驟I)在寫入射頻識別標(biāo)簽過程中，如果該標(biāo)簽存儲空間已滿，按照標(biāo)簽存儲空間的管理方法進(jìn)行相應(yīng)的替換操作；具體為:
[0020](I)事件消息最近替換機(jī)制:即對同一個移動個體，在標(biāo)簽上只存儲該移動個體最新的事件消息，標(biāo)簽上有關(guān)該移動個體更早的事件消息將會被替換；
[0021](2)事件消息先進(jìn)先出替換機(jī)制:即對射頻識別標(biāo)簽上存儲的事件消息按照最早被存儲、最先被替換的原則進(jìn)行替換；
[0022](3)信息量衰減淘汰機(jī)制:當(dāng)系統(tǒng)中的事件和請求消息的時間戳大于一定閾值后，被當(dāng)作無效消息，所占用的存儲空間被釋放作為可用存儲資源；
[0023](4)概率轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制:系統(tǒng)中的消息以概率的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)概率和當(dāng)前標(biāo)簽的可用存儲空間比例呈正相關(guān)性。
[0024] 步驟4)中估算目標(biāo)角色的位置區(qū)域的過程為:根據(jù)收集到的事件消息，利用公式-1計算被選擇作為目標(biāo)位置估算的事件消息的重要程度。在公式-1中，變量a i表示目標(biāo)事件消息event的重要程度，變量\表示事件消息^enti的發(fā)生時間，變量tn?表示當(dāng)前時間。顯然，\與當(dāng)前時間tnOT越接近，該消息的重要性就越大；
【權(quán)利要求】
1.一種分布式室內(nèi)移動目標(biāo)導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于包括: 射頻識別標(biāo)簽:大量射頻識別標(biāo)簽被部署在室內(nèi)的關(guān)鍵位置，每個射頻識別標(biāo)簽都對應(yīng)物理空間中的一個位置，通過射頻識別標(biāo)簽的唯一標(biāo)識符來表示位置信息；射頻識別標(biāo)簽還具有存儲能力，通過存儲事件消息來記錄每個經(jīng)過其附近的移動個體的位置信息、發(fā)生時刻；通過存儲請求消息來記錄要搜索的目標(biāo)個體、發(fā)起時刻； 微型射頻識別讀寫器:每個移動個體都攜帶一個微型射頻識別讀寫器，當(dāng)移動個體從射頻識別標(biāo)簽旁經(jīng)過時，微型射頻識別讀寫器將一個事件消息寫入射頻識別標(biāo)簽，以記錄一次經(jīng)過事件，表示在某個時刻的位置信息；當(dāng)某個移動個體需要尋找一個目標(biāo)個體時，微型射頻識別讀寫器將一個請求消息寫入射頻識別標(biāo)簽，請求消息記錄了目標(biāo)個體的標(biāo)識符以及發(fā)起時刻；當(dāng)系統(tǒng)中其他移動個體經(jīng)過相同的射頻識別標(biāo)簽時，其攜帶的微型射頻識別讀寫器就會讀出標(biāo)簽內(nèi)存儲的事件消息和請求消息，并攜帶、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)到其他射頻識別標(biāo)簽上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式室內(nèi)移動目標(biāo)導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，本系統(tǒng)中的消息類型分為兩種: (1)事件消息:事件消息是一個三元組，表示一次經(jīng)過事件，其中包括移動的人或物體的唯一標(biāo)識符、射頻識別標(biāo)簽的唯一標(biāo)示符和發(fā)生事件的時刻； (2)請求消息:請求消息也是一個三元組,表示一次搜索請求,其中包括請求發(fā)起者的唯一標(biāo)示符、目標(biāo)人或物體的唯一標(biāo)示符和發(fā)起請求的時刻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的分布式室內(nèi)移動目標(biāo)導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，移動個體有三種不同類型的角色: (1)搜索角色:搜索角色是指那些已經(jīng)在系統(tǒng)中發(fā)布了請求消息，并正在搜索目標(biāo)人個體的移動個體，其不斷在系統(tǒng)中搜索目標(biāo)個體留下的事件消息，并利用這些信息對目標(biāo)位置進(jìn)行估算； (2)目標(biāo)角色:目標(biāo)角色是指那些被其他移動個體作為尋找目標(biāo)的個體。 (3)幫助角色:幫助角色是指那些接收到請求消息的移動個體，系統(tǒng)中的每個移動個體的初始狀態(tài)都是處于幫助角色，幫助角色的移動個體負(fù)責(zé)收集環(huán)境中的事件消息，并在需要的情況下，將這些事件消息轉(zhuǎn)發(fā)給需要幫助的搜索角色。
4.權(quán)利要求1至3任何一項所述的分布式室內(nèi)移動目標(biāo)導(dǎo)航系統(tǒng)的工作方法，其特征在于包括以下步驟: 1)當(dāng)系統(tǒng)中的每個移動個體從射頻識別標(biāo)簽旁經(jīng)過時，其所攜帶的微型射頻讀寫器將該移動個體該次經(jīng)過事件以事件消息的形式寫入該標(biāo)簽；同時，將該射頻識別標(biāo)簽上存儲的所有事件消息讀取出來，按照最近消息價值最高的原則，同步更新移動個體和射頻識別標(biāo)簽上的事件消息； 2)當(dāng)系統(tǒng)中的某個移動個體需要尋找另一個移動個體時，即搜索角色尋找目標(biāo)角色時，搜索角色所攜帶的微型射頻識別讀寫器將一個請求消息寫入其經(jīng)過的每一個射頻識別標(biāo)簽中，該請求消息記錄了目標(biāo)角色的標(biāo)識符以及該請求的發(fā)起時刻； 3)當(dāng)系統(tǒng)中其他的移動個體從某個射頻識別標(biāo)簽中讀出上述請求消息后，從之前的事件消息記錄中檢索與目標(biāo)匹配事件消息，并將匹配的事件消息寫入周圍的標(biāo)簽； 4)搜索角色不斷地收集目標(biāo)角色的事件消息，并根據(jù)收集到的事件消息估算目標(biāo)角色的位置區(qū)域，計算導(dǎo)航路徑代價，選擇逼近目標(biāo)角色的下一步移動路徑直至找到目標(biāo)角色。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的分布式室內(nèi)移動目標(biāo)導(dǎo)航系統(tǒng)的工作方法，其特征在于，步驟I)在寫入射頻識別標(biāo)簽過程中，如果該標(biāo)簽存儲空間已滿，按照標(biāo)簽存儲空間的管理方法進(jìn)行相應(yīng)的替換操作；具體為: (1)事件消息最近替換機(jī)制:即對同一個移動個體，在標(biāo)簽上只存儲該移動個體最新的事件消息，標(biāo)簽上有關(guān)該移動個體更早的事件消息將會被替換； (2)事件消息先進(jìn)先出替換機(jī)制:即對射頻識別標(biāo)簽上存儲的事件消息按照最早被存儲、最先被替換的原則進(jìn)行替換； (3)信息量衰減淘汰機(jī)制:當(dāng)系統(tǒng)中的事件和請求消息的時間戳大于一定閾值后，被當(dāng)作無效消息，所占用的存儲空間被釋放作為可用存儲資源； (4)概率轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制:系統(tǒng)中的消息以概率的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)概率和當(dāng)前標(biāo)簽的可用存儲空間比例呈正相關(guān)性。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的分布式室內(nèi)移動目標(biāo)導(dǎo)航系統(tǒng)的工作方法，其特征在于步驟4)中估算目標(biāo)角色的位置區(qū)域方法為:根據(jù)收集到的事件消息，利用公式-1計算被選擇作為目標(biāo)位置估算的事件消息的重要程度。在公式-1中，變量Cii表示目標(biāo)事件消息eventi的重要程度，變量\表示事件消息event的發(fā)生時間，變量tnOT表示當(dāng)前時間。顯然，\與當(dāng)前時間tnOT越接近，該消息的重要性就越大。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的分布式室內(nèi)移動目標(biāo)導(dǎo)航系統(tǒng)的工作方法，其特征在于，步驟4)計算導(dǎo)航路徑代價，選擇逼近目標(biāo)角色的下一步移動路徑直至找到目標(biāo)角色的具體過程為:使用公式-2實時地計算路徑代價，選擇代價最小的鄰居節(jié)點作為下一步搜索方向
【文檔編號】G06K17/00GK103971144SQ201410204597
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月14日
【發(fā)明者】謝磊, 姬浩, 殷亞鳳, 陸桑璐 申請人:南京大學(xué)