專利名稱：一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的實時定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的實時定位方法，屬于無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
利用無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)來實現(xiàn)跟蹤定位，是當(dāng)今無線通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。為了達(dá)到上述目的，需要較高的通信技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)被廣泛應(yīng)用于環(huán)境探測、天氣預(yù)報、安全、監(jiān)控以及分布式計算和目標(biāo)區(qū)域成像等領(lǐng)域，在軍事、醫(yī)療和民用等方面的應(yīng)用具有深遠(yuǎn)意義。確定事件發(fā)生的位置或獲取消息的節(jié)點(diǎn)位置是傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的功能之一，對傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的有效性起著關(guān)鍵作用。ZigBee技術(shù)是一個具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無線通信技術(shù)，其PHY層和 MAC層協(xié)議為IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)?；诖思夹g(shù)的定位方法應(yīng)用廣泛。如專利號為 CN200910047503. 3、發(fā)明名稱為“一種具有精確定位功能的車輛導(dǎo)航儀及其導(dǎo)航方法”的專利即屬于此列。與藍(lán)牙或802. 11等同屬于短距離無線通信的技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)具有先天優(yōu)勢。ZigBee設(shè)備為低功耗設(shè)備，具有能量檢測和鏈路質(zhì)量指示的功能。同時，由于采用了碰撞避免機(jī)制(CSMA-CA)，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的沖突。在網(wǎng)絡(luò)安全方面，采用了密鑰長度為128bit的加密算法，對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行加密處理，保證了數(shù)據(jù)傳輸時的高可靠性和安全性。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，按節(jié)點(diǎn)位置估測機(jī)制，根據(jù)定位過程中是否測量節(jié)點(diǎn)間的實際距離或角度，可分為基于距離(Range-based)的定位算法和距離無關(guān)(Range-free) 的定位算法。前者需要測量節(jié)點(diǎn)間的實際距離；后者是利用節(jié)點(diǎn)間的估計距離來計算末知節(jié)點(diǎn)的位置。在基于距離的定位算法中，測量節(jié)點(diǎn)間距離或方位時采用的方法有TOA(Time of Arrival), TDOA(Time Difference of Arrival), RSSI(ReceivedSignal Strength Indication)和AOA (Angle of Arri-val)。距離無關(guān)的算法主要有質(zhì)心算法、DV_hop算法等。相比之下，基于距離的定位算法測量精度較高，距離無關(guān)的定位算法對硬件要求較低。比較各種基于距離的測距算法，TOA需要精確的時鐘同步，TDOA需要節(jié)點(diǎn)配備超聲波收發(fā)裝置，AOA需要有天線陣列或麥克風(fēng)陣列，這三種算法對硬件要求較高。RSSI技術(shù)主要是用RF信號，而節(jié)點(diǎn)本身就具有無線通信能力，故其是一種低功耗、廉價的測距技術(shù)。接收信號強(qiáng)度指示RSSI的定位方法，是在已知發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號強(qiáng)度，根據(jù)接收節(jié)點(diǎn)收到的信號強(qiáng)度，計算出信號的傳播損耗，再利用理論和經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯鬏敁p耗轉(zhuǎn)化為距離，最后計算節(jié)點(diǎn)的位置。因為理論和經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷墓罍y性質(zhì)，故而RSSI具有較大定位誤差。因此單純基于RSSI的定位技術(shù)存在較大的誤差。

發(fā)明內(nèi)容
針對背景技術(shù)存在的缺陷和不足，本發(fā)明提供了一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的實時定位方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的實時定位方法，由以下系統(tǒng)來實現(xiàn)，該系統(tǒng)包括參考節(jié)點(diǎn)、移動節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和嵌入式Web服務(wù)器，先在監(jiān)測區(qū)域布置相應(yīng)的參考節(jié)點(diǎn)，使其在定位過程中起參考點(diǎn)的作用，不參與定位；移動節(jié)點(diǎn)就是定位節(jié)點(diǎn)，它通過參考節(jié)點(diǎn)來確定自己的位置；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)一方面配置參考節(jié)點(diǎn)的位置信息，同時接收移動節(jié)點(diǎn)的位置信息發(fā)送給嵌入式Web服務(wù)器，嵌入式Web服務(wù)器接入網(wǎng)絡(luò)以實現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問和控制，該定位方法步驟如下(1)嵌入式Web服務(wù)器通過網(wǎng)口與網(wǎng)絡(luò)連接，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過串口線與嵌入式Web服務(wù)器連接，然后將參考節(jié)點(diǎn)布置在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，參考節(jié)點(diǎn)內(nèi)部存儲自身的ID和位置信息， 移動節(jié)點(diǎn)在布有參考節(jié)點(diǎn)的區(qū)域內(nèi)任意移動；(2)當(dāng)定位開始后，參考節(jié)點(diǎn)周期性向周圍廣播信息，信息中包括自身節(jié)點(diǎn)ID及坐標(biāo)，移動節(jié)點(diǎn)收到該信息后，對同一參考節(jié)點(diǎn)的RSSI值取均值；(3)當(dāng)移動節(jié)點(diǎn)收集到預(yù)定數(shù)量的參考節(jié)點(diǎn)信息時，不再接收新信息，根據(jù)RSSI 原則，移動節(jié)點(diǎn)對參考節(jié)點(diǎn)按照接收到的信號強(qiáng)度從強(qiáng)到弱排序，并建立RSSI值與移動節(jié)點(diǎn)到參考節(jié)點(diǎn)距離的映射，建立3個集合參考節(jié)點(diǎn)序號集合B_set = Ia1, ，···，an}；其中α丨，α 2……是參考節(jié)點(diǎn)的序號；移動節(jié)點(diǎn)到參考節(jié)點(diǎn)的距離集合D_set = Id1, d2，. . .，dj，Cl1 < d2 < . . . < dn ；其中屯，d2……分別是移動節(jié)點(diǎn)到序號為Q1, α2……的參考節(jié)點(diǎn)的距離；參考節(jié)點(diǎn)自身位置集合P_set = {(X1, Y1)，(X2, Y2)，…，(Xn, Yn)}；其中 X1、Y1……依次是參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)；(4)選取RSSI值大的前三個參考節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自身定位計算并確定移動節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)在參考節(jié)點(diǎn)序號集合B_set中優(yōu)先選擇RSSI值大的三個參考節(jié)點(diǎn)組合成下面的參考節(jié)點(diǎn)序號集合T_set = Ka1, a2, a3), (a” a2, a4), . . . , (a” a3, a4), (a” a3, a5). . . }其中 α ” α2……是參考節(jié)點(diǎn)的序號；對參考節(jié)點(diǎn)集合，根據(jù)下面的公式依次算出參考節(jié)點(diǎn)集合乙8討中RSSI值最大的一組的三個參考節(jié)點(diǎn)Α、B、C到移動節(jié)點(diǎn)的距離ra、rb、rc A 處的 RSSI 值 a = - (10nlogra+A)B 處的 RSSI 值 b = - (10nlogrb+A)C 處的 RSSI 值 c = -(10nlogrc+A)其中，射頻參數(shù)A被定義為距離發(fā)送節(jié)點(diǎn)Im處接收到的平均能量絕對值，也就是距發(fā)射節(jié)點(diǎn)Im處的接收信號強(qiáng)度；η為信號傳輸常數(shù)，與信號傳輸環(huán)境有關(guān)；ra、rb、r。為參考節(jié)點(diǎn)到移動節(jié)點(diǎn)的距離；求出三點(diǎn)到移動節(jié)點(diǎn)的距離ra、rb、rc后，再根據(jù)三角形質(zhì)心定位模型求出移動節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，三個參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為A (xa、ya)，B (xb, yb)，C (χ。、y。)，移動節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)D (xd、yd)為未知待求，根據(jù)RSSI模型計算出的參考節(jié)點(diǎn)A、B、C和移動節(jié)點(diǎn)D之間的距離分別為ra、rb、r。，分別以A，B, C為圓心；依次以ra、rb、rc為半徑畫圓，可得到三個圓的交疊區(qū)域，該交疊區(qū)域的邊界弧線相交構(gòu)成三個點(diǎn)E、F、G，，被定義為特征點(diǎn)，計算三個特征點(diǎn)的坐標(biāo)即E (xe、 ye)、F(xf、yf)、G(xg、yg)點(diǎn)的坐標(biāo)xe、ye、xf、yf、xg、yg，以這三個點(diǎn)為三角形的頂點(diǎn)，該三角形質(zhì)心的位置坐標(biāo)就是移動節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，特征點(diǎn)E、F、G的坐標(biāo)值由以下三個公式確定
權(quán)利要求
1. 一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的實時定位方法，由以下系統(tǒng)來實現(xiàn)，該系統(tǒng)包括參考節(jié)點(diǎn)、 移動節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和嵌入式Web服務(wù)器，先在監(jiān)測區(qū)域布置相應(yīng)的參考節(jié)點(diǎn)，使其在定位過程中起參考點(diǎn)的作用，不參與定位；移動節(jié)點(diǎn)就是定位節(jié)點(diǎn)，它通過參考節(jié)點(diǎn)來確定自己的位置；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)一方面配置參考節(jié)點(diǎn)的位置信息，同時接收移動節(jié)點(diǎn)的位置信息發(fā)送給嵌入式Web服務(wù)器，嵌入式Web服務(wù)器接入網(wǎng)絡(luò)以實現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問和控制，該定位方法步驟如下(1)嵌入式Web服務(wù)器通過網(wǎng)口與網(wǎng)絡(luò)連接，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過串口線與嵌入式Web服務(wù)器連接，然后將參考節(jié)點(diǎn)布置在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，參考節(jié)點(diǎn)內(nèi)部存儲自身的ID和位置信息，移動節(jié)點(diǎn)在布有參考節(jié)點(diǎn)的區(qū)域內(nèi)任意移動；(2)當(dāng)定位開始后，參考節(jié)點(diǎn)周期性向周圍廣播信息，信息中包括自身節(jié)點(diǎn)ID及坐標(biāo)， 移動節(jié)點(diǎn)收到該信息后，對同一參考節(jié)點(diǎn)的RSSI值取均值；(3)當(dāng)移動節(jié)點(diǎn)收集到預(yù)定數(shù)量的參考節(jié)點(diǎn)信息時，不再接收新信息，根據(jù)RSSI原則， 移動節(jié)點(diǎn)對參考節(jié)點(diǎn)按照接收到的信號強(qiáng)度從強(qiáng)到弱排序，并建立RSSI值與移動節(jié)點(diǎn)到參考節(jié)點(diǎn)距離的映射，建立3個集合參考節(jié)點(diǎn)序號集合B_set = Ia1, ，···，aj ；其中α ” α 2……是參考節(jié)點(diǎn)的序號； 移動節(jié)點(diǎn)到參考節(jié)點(diǎn)的距離集合D_set = W1, d2，. . .，dn}，Cl1 < d2 < . . . < dn ；其中屯，d2……分別是移動節(jié)點(diǎn)到序號為Q1, α2……的參考節(jié)點(diǎn)的距離； 參考節(jié)點(diǎn)自身位置集合P_set = {(X1, Y1)，(X2, Y2)，…，(Xn, Yn)}；其中X1J1……依次是參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)；(4)選取RSSI值大的前三個參考節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自身定位計算并確定移動節(jié)點(diǎn)坐標(biāo) 在參考節(jié)點(diǎn)序號集合B_set中優(yōu)先選擇RSSI值大的三個參考節(jié)點(diǎn)組合成下面的參考節(jié)點(diǎn)序號集合T—set — { ( ，B2 ‘ ，( ，已2，已4)，· · ·，( ，已4)，( ，已3，已5) · · · } 中。工，Ct 2......是參考節(jié)點(diǎn)的序號；對參考節(jié)點(diǎn)集合，根據(jù)下面的公式依次算出參考節(jié)點(diǎn)集合T_set中RSSI值最大的一組的三個參考節(jié)點(diǎn)A、B、C到移動節(jié)點(diǎn)的距離ra、rb、rc A 處的 RSSI 值 a = -(IOnlogra+A) B 處的 RSSI 值 b = -(10nlogrb+A) C 處的 RSSI 值 c = -(10nlogrc+A)其中，射頻參數(shù)A被定義為距離發(fā)送節(jié)點(diǎn)Im處接收到的平均能量絕對值，也就是距發(fā)射節(jié)點(diǎn)Im處的接收信號強(qiáng)度；η為信號傳輸常數(shù)，與信號傳輸環(huán)境有關(guān)；ra、rb、r。為參考節(jié)點(diǎn)到移動節(jié)點(diǎn)的距離；求出三點(diǎn)到移動節(jié)點(diǎn)的距離ra、rb、rc后，再根據(jù)三角形質(zhì)心定位模型求出移動節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，三個參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為A (xa、ya)，B (xb、yb)，C (χ。、y。)，移動節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)D (xd、yd)為未知待求，根據(jù)RSSI模型計算出的參考節(jié)點(diǎn)A、B、C和移動節(jié)點(diǎn)D之間的距離分別為ra、rb、rc, 分別以A，B，C為圓心；依次以ra、rb、r。為半徑畫圓，可得到三個圓的交疊區(qū)域，該交疊區(qū)域的邊界弧線相交構(gòu)成三個點(diǎn)E、F、G，，被定義為特征點(diǎn)，計算三個特征點(diǎn)的坐標(biāo)即E0ce、ye)、F(xf、yf)、G(xg、yg)點(diǎn)的坐標(biāo)xe、ye、xf、yf、xg、yg，以這三個點(diǎn)為三角形的頂點(diǎn)，該三角形質(zhì)心的位置坐標(biāo)就是移動節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，特征點(diǎn)的坐標(biāo)值由以下三個公式確定
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的實時定位方法，其中步驟(2)中參考節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行方法，步驟如下a.開始；b.判斷是否收到數(shù)據(jù)，如果是則轉(zhuǎn)入下一步，如果不是則轉(zhuǎn)入上一步；c.判斷是否是RSSI請求，如果是則轉(zhuǎn)入步驟g，如果不是則轉(zhuǎn)入下一步；d.判斷是否是參考節(jié)點(diǎn)配置，如果是則轉(zhuǎn)入步驟h，如果不是則轉(zhuǎn)入下一步；e.判斷是否是參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送配置信息，如果是則轉(zhuǎn)入步驟i，如果不是則轉(zhuǎn)入下一步；f.判斷是否收集RSSI，如果是則轉(zhuǎn)入步驟j，如果不是則轉(zhuǎn)入步驟k；g.發(fā)送RSSI平均值，轉(zhuǎn)入步驟k;h.取出位置信息寫入FLASH，轉(zhuǎn)入步驟k；i.將配置信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)入步驟k; j.收集RSSI值，轉(zhuǎn)入步驟k;k.結(jié)束。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的實時定位方法，其中步驟(3)中移動節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行方法，步驟如下a.開始；b.判斷是否收到數(shù)據(jù)，如果是則轉(zhuǎn)入下一步，如果不是則轉(zhuǎn)入上一步；c.判斷是否是RSSI請求，如果是則轉(zhuǎn)入步驟g，如果不是則轉(zhuǎn)入下一步；d.判斷是否是移動節(jié)點(diǎn)發(fā)送請求，如果是則轉(zhuǎn)入步驟h，如果不是則轉(zhuǎn)入下一步；e.判斷是否是移動節(jié)點(diǎn)配置，如果是則轉(zhuǎn)入步驟i，如果不是則轉(zhuǎn)入下一步；f.判斷是否收集RSSI，如果是則轉(zhuǎn)入步驟j，如果不是則轉(zhuǎn)入步驟k；g.執(zhí)行強(qiáng)制位置發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)入步驟k;h.發(fā)送請求信息，轉(zhuǎn)入步驟k;i.將配置信息寫入FLASH，轉(zhuǎn)入步驟k； j.接收平均RSSI值，轉(zhuǎn)入步驟k;k.結(jié)束ο
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的實時定位方法，其中步驟(5)中的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行方法，步驟如下a.開始；b.網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)請求發(fā)送接受信息數(shù)據(jù)；c.判斷信息數(shù)據(jù)是來自服務(wù)器還是移動節(jié)點(diǎn)，如果是來自服務(wù)器則轉(zhuǎn)入下一步，若是來自移動節(jié)點(diǎn)則轉(zhuǎn)入步驟f;d.服務(wù)器信息數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗，判斷是否正確，如是則轉(zhuǎn)入下一步，否則轉(zhuǎn)入步驟b；e.網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將信息數(shù)據(jù)發(fā)送至各移動節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)入步驟i；f.判斷是否是通過串口發(fā)送，如是則轉(zhuǎn)入下一步，否則轉(zhuǎn)入步驟f；g.計算移動節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)校驗值；h.把移動節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)校驗值發(fā)送給嵌入式Web服務(wù)器，轉(zhuǎn)入下一步；i.結(jié)束ο
全文摘要
一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的實時定位方法，屬于無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)領(lǐng)域。該系統(tǒng)由參考節(jié)點(diǎn)、移動節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和嵌入式Web服務(wù)器組成，本發(fā)明方法是先在監(jiān)測區(qū)域布置一定數(shù)量的參考節(jié)點(diǎn)，其作用是在定位過程中起參考點(diǎn)的作用，不參與定位；移動節(jié)點(diǎn)就是定位節(jié)點(diǎn)，通過參考節(jié)點(diǎn)來確定自己的位置；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)一方面配置參考節(jié)點(diǎn)的位置信息，同時接收移動節(jié)點(diǎn)的位置信息發(fā)送給Web服務(wù)器，Web服務(wù)器接入網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問和控制。同時提出了一種實時定位的方法，利用ZigBee節(jié)點(diǎn)之間傳輸?shù)腞SSI值來實現(xiàn)實時準(zhǔn)確定位。本發(fā)明與其他定位算法與實現(xiàn)相比具有準(zhǔn)確度高、功耗低、安全可靠的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H04W64/00GK102348282SQ201110302719
公開日2012年2月8日 申請日期2011年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月9日
發(fā)明者單小明, 徐偉濤, 楊剛震, 王磊, 王鏡偉, 紀(jì)洪亮, 袁東風(fēng) 申請人:山東大學(xué)