專(zhuān)利名稱(chēng)：：無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)節(jié)點(diǎn)區(qū)域的判定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種基于接收信號(hào)強(qiáng)度(ReceivedSignalStrength,RSS)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)節(jié)點(diǎn)區(qū)域的判定方法。
背景技術(shù)：
：在基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)物體或人員的定位跟蹤應(yīng)用中，該類(lèi)系統(tǒng)通常包含一定數(shù)量的錨節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。其中錨節(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)中已知自身物理位置信息的節(jié)點(diǎn)，如預(yù)先布置于給定的位置等，這些節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中通常保持靜止。錨節(jié)點(diǎn)周期性地發(fā)送信號(hào)探測(cè)包，而移動(dòng)節(jié)點(diǎn)則根據(jù)接收到的探測(cè)包來(lái)計(jì)算接收信號(hào)強(qiáng)度指示(ReceivedSignalStrengthIndicator,RSSI)信息，并將收到的多個(gè)RSSI信息組裝成一個(gè)數(shù)據(jù)包通過(guò)多跳路由發(fā)送至服務(wù)器，由服務(wù)器來(lái)計(jì)算每個(gè)移動(dòng)物體當(dāng)前的實(shí)時(shí)位置。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在室內(nèi)(如展覽館、辦公室等)多個(gè)區(qū)域(如房間、隔間、走廊等)間運(yùn)動(dòng)時(shí)，將接收到位于不同區(qū)域的錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)探測(cè)包。然而室內(nèi)區(qū)域間是由墻壁、擋板、玻璃門(mén)等障礙物隔開(kāi)的，因此位于不同區(qū)域的錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送的探測(cè)包需經(jīng)過(guò)障礙物到達(dá)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致了這些RSSI值波動(dòng)(Fluctuate)較大。若直接用于移動(dòng)目標(biāo)的定位跟蹤，所得的跟蹤誤差較大。針對(duì)室內(nèi)定位中存在的該問(wèn)題，我們采用先通過(guò)RSSI信息確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)所處的區(qū)域，再利用區(qū)域內(nèi)錨節(jié)點(diǎn)的RSSI信息實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的定位，這種方法的關(guān)鍵在于能否正確地判定節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域。在文獻(xiàn)[Yui-WahLee，ErichStuntebeck，andScottC.Miller,"MERIT:MeshofRFSensorsforIndoorTracking，，，Secon'06，2006;中提出了基于RSSI信息的區(qū)域判定算法，該算法首先收集每個(gè)區(qū)域內(nèi)的錨節(jié)點(diǎn)到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的RSSI值，再計(jì)算該區(qū)域內(nèi)錨節(jié)點(diǎn)RSSI值的平均值，平均值最大的區(qū)域即判定為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域。該算法的優(yōu)點(diǎn)在于考慮到無(wú)線信號(hào)的穿墻時(shí)的信號(hào)衰減特性，但是在實(shí)際系統(tǒng)中若碰到墻壁對(duì)無(wú)線信號(hào)削弱不大(例如現(xiàn)代樓宇中很多的空心墻)、兩個(gè)相通的區(qū)域(如走廊)或區(qū)域大小不一致等情況時(shí)，該算法的定位精度將大大降低。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是提供一種無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)節(jié)點(diǎn)區(qū)域的判定方法，以移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收到的附近錨節(jié)點(diǎn)的RSSI信息作為參考，通過(guò)對(duì)RSSI信息的點(diǎn)過(guò)濾機(jī)制和面濾機(jī)制實(shí)時(shí)地確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)屬于哪個(gè)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在多區(qū)域之間移動(dòng)時(shí)的精確定位，為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在多區(qū)域之間移動(dòng)時(shí)的定位與跟蹤提供了一種有效的方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)節(jié)點(diǎn)區(qū)域的判定方法，其中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(或物體)收集臨近錨節(jié)點(diǎn)的RSSI信息，然后由跟蹤服務(wù)器通過(guò)點(diǎn)過(guò)濾機(jī)制和面過(guò)濾機(jī)制實(shí)時(shí)地確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)所處區(qū)域，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的定位跟蹤，具體包括如下步驟步驟一構(gòu)造錨節(jié)點(diǎn)與區(qū)域的隸屬關(guān)系數(shù)組A[idl[2]中(由于錨節(jié)點(diǎn)可能處于區(qū)域內(nèi)部或兩個(gè)區(qū)域交界處，故每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)將隸屬于1-2個(gè)區(qū)域)；為每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)"構(gòu)造臨近節(jié)點(diǎn)集C4M，即在其他區(qū)域且離該錨節(jié)點(diǎn)最近的錨節(jié)點(diǎn)集合。將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)收集的RSSI信息按從大到小的順序保存于數(shù)組RSSInBeaconl[2]中，其中nBeacon表示錨節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，iSS/["5eaco"]存儲(chǔ)錨節(jié)點(diǎn)的Id，i5S/[^S^cow][1]存儲(chǔ)相應(yīng)的RSSI信息。步驟二如果最大RSSI值大于等于常數(shù)Mi，則直接將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位在最大RSSI值所對(duì)應(yīng)的錨節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域，稱(chēng)為點(diǎn)過(guò)濾機(jī)制。步驟三如果RSSI值最大的兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)位于同一個(gè)區(qū)域"則判定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)處于該區(qū)域s，算法終止。否則，記最大的RSSI值為《，選擇接收信號(hào)強(qiáng)度大于c^-5對(duì)應(yīng)的錨節(jié)點(diǎn)集合，記為/ffiS;將/^S中的每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的區(qū)域加入到集合/MS中；若最終集合iMS只包含一個(gè)元素，則判定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)處于該區(qū)域。步驟四對(duì)于一些RSSI值較小的錨節(jié)點(diǎn)，我們認(rèn)為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)并不在這些錨節(jié)點(diǎn)所在的區(qū)域，據(jù)此對(duì)步驟三計(jì)算的區(qū)域集合進(jìn)行篩選。具體的方法如下設(shè)定另一個(gè)閥值M,選擇接收信號(hào)強(qiáng)度小于該閥值的節(jié)點(diǎn)集合，記為丄朋；將集合i:5S中節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的區(qū)域從集合^4S中篩除。若篩選過(guò)后集合iMS只包含一個(gè)區(qū)域，則判定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)處于該區(qū)域。步驟五若此時(shí)區(qū)域集合中存在鄰接區(qū)域不能判別，則采用一種基于鄰接錨節(jié)點(diǎn)信息的綜合判別機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域的精確判定。具體的方法如下對(duì)i^S中每個(gè)區(qū)域J，從集合/Z5S中找出屬于J的錨節(jié)點(diǎn)，計(jì)算這些錨節(jié)點(diǎn)的鄰近節(jié)點(diǎn)中最大的RSSI值，記為wi^S/,得到數(shù)對(duì)(」，miWS/);對(duì)所有的數(shù)對(duì)按照wiSS/進(jìn)行排序，最大值對(duì)應(yīng)的區(qū)域^存于集合s。若最后的集合S只有一個(gè)元素，則判定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)處于該區(qū)域；否則放棄該包，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)區(qū)域不變。上述步驟三至五稱(chēng)為面過(guò)濾機(jī)制。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1.點(diǎn)過(guò)濾機(jī)制利用接收信號(hào)強(qiáng)度在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)距離很近的情況下大于某個(gè)閥值的特性進(jìn)行定位，定位結(jié)果誤差極小；2.面過(guò)濾機(jī)制利用RSSI值較大的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造候選區(qū)域，再通過(guò)RSSI較小值及鄰接節(jié)點(diǎn)RSSI值進(jìn)行篩選，其區(qū)域判定結(jié)果出錯(cuò)概率較小。3.本發(fā)明特別適合于移動(dòng)目標(biāo)在室內(nèi)多個(gè)區(qū)域間移動(dòng)的定位與跟蹤應(yīng)用，如辦公室人員定位管理系統(tǒng)、監(jiān)獄人員實(shí)時(shí)管理系統(tǒng)等。由此可見(jiàn)，本發(fā)明為本領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步拓展了空間，實(shí)施效果好。下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述圖1為il4S集合計(jì)算的實(shí)施方式；圖2為PAS集合篩選實(shí)施方式；圖3為鄰接區(qū)域判定實(shí)施方式；圖4為實(shí)施例中的錨節(jié)點(diǎn)放置位置示意圖5為實(shí)施例中的測(cè)試位置及定位結(jié)果示意圖。具體實(shí)施例方式實(shí)施例一種無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)節(jié)點(diǎn)區(qū)域的判定方法，首先進(jìn)行RSSI信息收集，然后將收集的RSSI信息組裝成一個(gè)信息包發(fā)送至定位服務(wù)器，接著由服務(wù)器對(duì)RSSI信息進(jìn)行處理，最后得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的區(qū)域位置，其特別之處在于采用點(diǎn)過(guò)濾機(jī)制和面過(guò)濾機(jī)制來(lái)對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域判定。具體來(lái)說(shuō)，RSSI信息收集是指錨節(jié)點(diǎn)周期地(例如周期為2秒)廣播信號(hào)探測(cè)包，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)收到錨節(jié)點(diǎn)的探測(cè)包后獲取RSSI信息，將多個(gè)RSSI信息組裝成一個(gè)數(shù)據(jù)包通過(guò)多跳路由機(jī)制發(fā)送至基站節(jié)點(diǎn)，并最終傳輸至跟蹤系統(tǒng)服務(wù)器。進(jìn)一步來(lái)看，定位服務(wù)器每收到一個(gè)RSSI數(shù)據(jù)包，便對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位計(jì)算。由于RF信號(hào)在傳播過(guò)程中存在衰減及多路徑干擾，因此我們對(duì)收集到的RSSI信息采用點(diǎn)過(guò)濾機(jī)制和面過(guò)濾機(jī)制進(jìn)行區(qū)域判定，提高室內(nèi)定位跟蹤的正確率。在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)距離很近的情況下，接收信號(hào)較強(qiáng)，其RSSI值也較大。因此，對(duì)于那些比較特殊的極強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度值，即如果最大RSSI值大于等于常數(shù)Mi(在系統(tǒng)中取195)，可以認(rèn)為兩個(gè)節(jié)點(diǎn)相距很近，則直接將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位在最大RSSI值對(duì)應(yīng)的錨節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域，該方法稱(chēng)為點(diǎn)過(guò)濾機(jī)制。然而，在多數(shù)情況下，收集的RSSI信息并不滿足極強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度判斷條件，因此接下來(lái)采用面過(guò)濾機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)區(qū)域判定。首先，構(gòu)造錨節(jié)點(diǎn)與區(qū)域的對(duì)應(yīng)數(shù)組A[id[2]中(由于錨節(jié)點(diǎn)可能位于區(qū)域內(nèi)部或兩個(gè)區(qū)域交界處，故每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)l-2個(gè)區(qū)域)；并為每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)"構(gòu)造最近錨節(jié)點(diǎn)集C4M，即在其他區(qū)域且離該錨節(jié)點(diǎn)最近的錨節(jié)點(diǎn)集合。MS/[W隱ow][2]數(shù)組則按序保存移動(dòng)節(jié)點(diǎn)收集的RSSI信息，其中nBeacoii是收集的RSSI信息數(shù)，/WS/[Weaco"]存儲(chǔ)錨節(jié)點(diǎn)的id，iSS/["&aco"][l]存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)的RSSI。緊接著，如果RSSI值最大的二個(gè)錨節(jié)點(diǎn)位于同一個(gè)區(qū)域"則判定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)處于該區(qū)域"否則，我們認(rèn)為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位于RSSI值較大的某個(gè)錨節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域。具體實(shí)施方式如下記最大的RSSI值為c^，然后選擇接收信號(hào)強(qiáng)度大于c^-5對(duì)應(yīng)的錐節(jié)點(diǎn)集合，記為/ffiS。在具體實(shí)施時(shí)，如果am>=190時(shí)，5取8;當(dāng)《<190時(shí)，則5取5。將中的每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的區(qū)域加入集合i^S中；若最終集合A4S只包含一個(gè)元素，則判定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)處于區(qū)域，見(jiàn)圖1所述。隨后，我們認(rèn)為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)不可能位于RSSI值較小的錨節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域，據(jù)此對(duì)區(qū)域集合i^S進(jìn)行篩選。具體實(shí)施方式如下設(shè)定另一個(gè)閥值丄i(系統(tǒng)實(shí)施時(shí)取170，甚至更小)，選擇接收信號(hào)強(qiáng)度小于該閥值的節(jié)點(diǎn)集合，記為丄M。然后將集合ZAS中節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的區(qū)域從集合il4S中篩除。若最終PAS只包含一個(gè)區(qū)域，則判定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)處于該區(qū)域，見(jiàn)圖2所描述。最后，若此時(shí)區(qū)域集合P^S中還包含多個(gè)區(qū)域時(shí)，則采用一種基于鄰接錨節(jié)點(diǎn)信息的綜合判定機(jī)制，實(shí)現(xiàn)精確的區(qū)域判定。具體實(shí)施方式如下對(duì)PJS中每個(gè)區(qū)域"從集合/Z5S中找出屬于s的錨節(jié)點(diǎn)，計(jì)算這些錨節(jié)點(diǎn)的鄰近錨節(jié)點(diǎn)中最大的RSSI值，記為miSS/，得到數(shù)對(duì)("miSS/);對(duì)所有的數(shù)對(duì)按照wiWS/進(jìn)行排序，最大值對(duì)應(yīng)的區(qū)域s存于集合S。若最后的集合S只有一個(gè)元素，則判定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)處于該區(qū)域。否則丟棄該包，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)區(qū)域不變，實(shí)施方式見(jiàn)圖3所述。本實(shí)施例的測(cè)試程序是基于TinyOS1.1.10系統(tǒng)，在micaZ平臺(tái)上利用NesC語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序，其中RF能量級(jí)設(shè)為T(mén)XPOWER—MAX。實(shí)驗(yàn)是在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)蘇州研究院親民樓三樓進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)中使用了24個(gè)crossbow公司的MicaZ節(jié)點(diǎn)，其中22個(gè)作為錨節(jié)點(diǎn)(位置見(jiàn)圖4所示)，1個(gè)用作基站通過(guò)串口與服務(wù)器相連，1個(gè)用作移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(可擴(kuò)展至多個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn))。算法實(shí)現(xiàn)分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段是RSSI信息收集，錨節(jié)點(diǎn)廣播信號(hào)探測(cè)包的周期為1.5s，我們記錄下移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收到的各個(gè)錐節(jié)點(diǎn)的RSSI值，并發(fā)送到基站，基站再通過(guò)串口發(fā)送到計(jì)算機(jī)端的服務(wù)器程序；第二個(gè)階段是服務(wù)器程序利用區(qū)域判定算法對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行室內(nèi)定位跟蹤。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)處于位置1-4時(shí)，收集的RSSI信號(hào)見(jiàn)表1-4所示，該算法計(jì)算得到的位置分別位于A，B，C和D處，從圖上顯示可知該算法的區(qū)域判定結(jié)果較準(zhǔn)確。表1位置1處收集的RSSI信息<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表2位置2處收集的RSSI信息<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表4位置4處收集的RSSI信息<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>本發(fā)明為基于TinyOS的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork,WSN)開(kāi)發(fā)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)區(qū)域判定算法。其中，該協(xié)議的支撐平臺(tái)的節(jié)點(diǎn)類(lèi)型為CrossBow公司生產(chǎn)的Mica系列節(jié)點(diǎn)，如Mica2、MicaZ等，基站采用CrossBow公司生產(chǎn)的MIB510板。該定位算法為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在多區(qū)域之間移動(dòng)時(shí)的定位與跟蹤提供了一種有效的方法。綜上所述，采用本發(fā)明后，能夠以移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收到的附近錨節(jié)點(diǎn)的RSSI信息作為參考，通過(guò)對(duì)RSSI信息的點(diǎn)過(guò)濾機(jī)制和面濾機(jī)制實(shí)時(shí)地確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)屬于哪個(gè)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在多區(qū)域之間移動(dòng)時(shí)的精確定位，為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在多區(qū)域之間移動(dòng)時(shí)的定位與跟蹤提供了一種有效的方法。由此可見(jiàn)，本發(fā)明具有實(shí)質(zhì)性技術(shù)特點(diǎn)和顯著的技術(shù)進(jìn)步，其應(yīng)用前景非常廣闊。權(quán)利要求1.一種無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)節(jié)點(diǎn)區(qū)域的判定方法，其特征在于跟蹤服務(wù)器在接收到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)之間的RSSI信息后，采用點(diǎn)過(guò)濾機(jī)制和面過(guò)濾機(jī)制來(lái)判定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)物體或人員的跟蹤與管理，包括以下步驟步驟一構(gòu)建錨節(jié)點(diǎn)與區(qū)域的隸屬關(guān)系數(shù)組A，構(gòu)造鄰接錨節(jié)點(diǎn)集，并將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)收集的RSSI信息進(jìn)行排序預(yù)處理；步驟二如果最大RSSI值大于等于某個(gè)常數(shù)MR，則直接將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位在最大RSSI值對(duì)應(yīng)的錨節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域，稱(chēng)為點(diǎn)過(guò)濾機(jī)制；步驟三選擇RSSI值大于某個(gè)閥值的錨節(jié)點(diǎn)，并以此構(gòu)造候選區(qū)域集合PAS，如果該集合只包含一個(gè)區(qū)域，則返回該區(qū)域；步驟四將RSSI值較小的節(jié)點(diǎn)所在的區(qū)域從候選區(qū)域集PAS中刪除，經(jīng)過(guò)篩選后若PAS中只包含一個(gè)區(qū)域，則返回該區(qū)域；步驟五利用鄰接錨節(jié)點(diǎn)集為集合PAS中的每個(gè)區(qū)域分配一個(gè)權(quán)值，返回最大權(quán)值對(duì)應(yīng)的區(qū)域；上述步驟三至五，稱(chēng)為面過(guò)濾機(jī)制。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)節(jié)點(diǎn)區(qū)域的判定方法，以移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收到的附近錨節(jié)點(diǎn)的RSSI信息作為參考，通過(guò)對(duì)RSSI信息的點(diǎn)過(guò)濾機(jī)制和面過(guò)濾機(jī)制實(shí)時(shí)地確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)屬于哪個(gè)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在多區(qū)域之間移動(dòng)時(shí)的精確定位，為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在多區(qū)域之間移動(dòng)時(shí)的定位與跟蹤提供了一種有效的方法。文檔編號(hào)H04W64/00GK101420749SQ200810136400公開(kāi)日2009年4月29日申請(qǐng)日期2008年12月2日優(yōu)先權(quán)日2008年12月2日發(fā)明者濤徐,犇徐,徐宏力,霍永凱,黃劉生申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)蘇州研究院