專利名稱：基于路徑規(guī)則和預(yù)測的室內(nèi)人員定位系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)環(huán)境中人和物的定位系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
隨著傳感器技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用越來越廣泛。定位是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要支撐技術(shù)，引入位置信息，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測數(shù)據(jù)變得更有意義。現(xiàn)有的位置服務(wù)系統(tǒng)，大多應(yīng)用在室外，如GPS系統(tǒng)。但在實際應(yīng)用過程中，常常需要對室內(nèi)情況下的人和物體進行定位，如礦道求災(zāi)、醫(yī)療護理(老人/小孩監(jiān)護)、室內(nèi)導(dǎo)游、監(jiān)所管理、人員物品跟蹤、機器人定位、倉庫管理、軍事、物流等。因 此，對室內(nèi)環(huán)境中的人和物體的定位具有重要的意義?，F(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位系統(tǒng)及方法，如2012年3月28日公布(公布號為CN102395195A)的“一種提高非視距環(huán)境下定位精度的方法”專利，公開的方法是在信號傳輸?shù)慕?jīng)驗?zāi)Ｐ突A(chǔ)之上，通過增加隔墻因子和傳輸因子得到信號的傳輸模型；然后計算移動臺的信號與固定基站的定位偏差，進而得到移動臺的信號對應(yīng)于固定基站的定位圓環(huán)；通過定位圓環(huán)之間的重疊區(qū)域得到移動基站的位置估計區(qū)域；最后，對信號的傳輸路徑損耗取平均值，并用多元線性回歸的方法對移動臺的信號強度估計得到移動臺的位置。該專利存在的主要缺點1)定位方法單一，適用能力差。該專利中，采用的定位方法的實質(zhì)是基于RSSI的多邊定位方法，即通過對室內(nèi)RSSI測距的精確建模來提高測距，并用多元線性回歸進行數(shù)值處理，減小誤差。該定位精度提高的根本因素是依賴于對室內(nèi)的RSSI建模是否準確。在對RSSI建模時，該專利通過增加隔墻因子和傳輸因子對經(jīng)典模型進行改進。但隔墻因子具有不確定性，很難在多個場合內(nèi)適用，且由于各個建筑墻體對無線信號的衰減作用各不相同，很難用統(tǒng)一的模型來刻畫。即使在某一種建筑室內(nèi)中，墻體的種類也有多種，并且除了墻體外，室內(nèi)的其它物體也會對RSSI造成很大的干擾。2)定位精度不高，定位一致性不好。該專利的定位系統(tǒng)，在實際應(yīng)用中，在某個房間或大廳內(nèi)的定位精度可能較好，但在由多個房間構(gòu)成的室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下，定位精度不高。且由于室內(nèi)環(huán)境對RSSI的強干擾的影響，導(dǎo)致定位的一致性極差，常出現(xiàn)時而定位較好，時而偏差很大的情況。3)對動態(tài)物體的定位性能較差，不能反映目標的運動軌跡。該專利由于定位精度和一致性不高，在室內(nèi)情況下，由于室內(nèi)人員的運動特性，定位結(jié)果無法很好的顯示人員的位置變動情況，且常出現(xiàn)其運動軌跡與實際格局不符合的情況，例如，定位結(jié)果上一時刻顯示人的位置在走道，而下一時刻則直接穿墻而過，顯示在房間里了，與實際應(yīng)用不符，定位的準確性差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)的定位系統(tǒng)及方法的不足，提供一種基于路徑規(guī)劃和預(yù)測的室內(nèi)人員定位系統(tǒng)和方法，實現(xiàn)了對室內(nèi)環(huán)境中的人和物體的準確定位。具有定位精確高，定位結(jié)果穩(wěn)定、適用性強、應(yīng)用范圍廣等特點。
實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是一種基于路徑規(guī)則和預(yù)測的室內(nèi)人員定位系統(tǒng)，主要包括定位控制中心、定位信息匯集設(shè)備、參考節(jié)點設(shè)備、未知節(jié)點設(shè)備。所述的定位控制中心通過因特網(wǎng)(Internet)或USB與所述的信息匯集設(shè)備連接，并通過所述的信息匯集設(shè)備以無線通信方式與所述的參 考節(jié)點設(shè)備進行連接，所述的參考節(jié)點設(shè)備通過無線通信與所述的未知節(jié)點設(shè)備連接。所述的定位控制中心為裝載有計算機程序的定位環(huán)境地圖設(shè)置模塊、定位路徑設(shè)置模塊、定位修正點設(shè)置模塊、定位信息處理模塊和數(shù)據(jù)庫管理模塊的PC機。所述PC機中各個計算機程序模塊完成的功能如下
I)所述定位環(huán)境地圖設(shè)置模塊的功能為通過程序，將定位環(huán)境以圖片的形式，直觀的顯示在用戶面前，圖片相當(dāng)于定位環(huán)境的平面地圖，所有的所述的參考節(jié)點設(shè)備、所述的未知節(jié)點設(shè)備都顯示在地圖中對應(yīng)的位置，方便用戶實時了解定位情況。所述的定位環(huán)境地圖設(shè)置模塊的實現(xiàn)方法為首先，通過繪圖軟件(如Visio/CAD)制作環(huán)境的平面地圖(即圖片，格式為jpg、bmp、png等)；然后，將該圖片加載到本系統(tǒng)的安裝目錄下，供所述的定位環(huán)境地圖設(shè)置模塊調(diào)用；其次，根據(jù)地圖尺寸與實際尺寸的比例關(guān)系設(shè)置比例尺；再次，將所述的參考節(jié)點設(shè)備在實際中的位置對應(yīng)標示在地圖相應(yīng)的位置，方便用戶直觀了解節(jié)點布局；最后，將定位算法計算的結(jié)果顯示在地圖中。這樣，用戶能很直觀的了解定位的情況。2)所述的定位路徑設(shè)置模塊的功能為通過程序，設(shè)置人或者物體在室內(nèi)的運動路徑，對定位結(jié)果進行約束，并直觀的顯示在定位后臺界面的地圖上。在所述的定位環(huán)境地圖設(shè)置模塊實施完成以后，通過程序，輸入路徑關(guān)鍵點，來表示這條路徑。室內(nèi)的任何路徑都分解成多段直線段的組合，當(dāng)是曲線段路徑時，用多段直線段的組合來表示。所述的定位路徑設(shè)置模塊的實現(xiàn)方法為首先，根據(jù)實際室內(nèi)建筑格局，選擇一條路徑，其次，在地圖對應(yīng)位置設(shè)置該路徑的起點和終點，即在系統(tǒng)中輸入起點的坐標和終點的坐標就能完成這條直線段路徑的設(shè)置，最后，定位路徑設(shè)置模型通過程序，根據(jù)輸入的起點和終點坐標生成該條路徑的路徑函數(shù)，以用于定位，提高定位精度。3)所述的定位修正點設(shè)置模塊的功能為通過程序，對定位結(jié)果進行修正，提高定位精度。所述的定位修正點設(shè)置模塊的實現(xiàn)方法為首先，在地圖與路徑設(shè)置完成以后，在各個路徑的拐點處和各個房間的中心位置，設(shè)置關(guān)鍵點，設(shè)置方法為輸入該點的坐標。其次，在實際環(huán)境中，在與各個關(guān)鍵點對應(yīng)的位置進行采樣(采集各個所述的參考節(jié)點設(shè)備的RSSI值)，建立修正點匹配庫，修正點匹配庫的建立方法在本發(fā)明中定位方法部分中有所闡述。最后，設(shè)置修正門限值。4)所述的定位信息處理模塊的功能為通過程序，將所述的定位信息匯集設(shè)備上傳上來的數(shù)據(jù)進行解析、分析、與計算。根據(jù)系統(tǒng)約定的協(xié)議，解析數(shù)據(jù)包，提取與定位計算有用的相關(guān)數(shù)據(jù)，利用本發(fā)明提供的定位方法，分析數(shù)據(jù)，計算并輸出定位結(jié)果。5)所述的數(shù)據(jù)庫管理模塊的功能為通過程序，存儲和讀寫已構(gòu)造的路徑函數(shù)及相關(guān)信息、已設(shè)置的定位修正點及相關(guān)信息及一段時間內(nèi)的定位結(jié)果數(shù)據(jù)。所述的定位控制中心通過所述的定位信息匯集設(shè)備，以無線通信方式與所述的參考節(jié)點設(shè)備進行信息交互。所述的定位信息匯集設(shè)備為市購的無線通信設(shè)備，用來收集各個所述的參考節(jié)點設(shè)備上傳的定位信息，并將該信息轉(zhuǎn)發(fā)給所述的定位控制中心的中轉(zhuǎn)設(shè)備。所述定位信息匯集設(shè)備能夠與所述的參考節(jié)點設(shè)備進行2. 4GHz (2. 405GHz-2. 485GHz)無線通信，并以因特網(wǎng)(Internet)或USB形式與所述的定位控制中心進行信息交換。所述的參考節(jié)點設(shè)備為市購的具有RSSI測距功能的設(shè)備。所述的參考節(jié)點設(shè)備的數(shù)量與定位區(qū)域的面積相關(guān)，一般每個房間的數(shù)量為31個，分別裝設(shè)在定位環(huán)境(即室內(nèi))內(nèi)反映室內(nèi)建筑格局特點的各處(如房間的四個角),作為定位的已知的固定坐標點。每個所述的參考節(jié)點設(shè)備分別以無線通信方式，分別與所述的定位信息匯集設(shè)備和所述的未知節(jié)點設(shè)備進行信息交互，確保對定位環(huán)境中的人或物體進行準確定位。所述的未知節(jié)點設(shè)備為市購的與定位目標(即人或物體)綁定在一起的能夠周期性廣播RSSI信號的設(shè)備，作為所述的未知坐標點。所述的未知節(jié)點設(shè)備數(shù)量與被定位目標數(shù)量一致，但最多不超過1000個(受系統(tǒng)處理能力影響)。所述的未知節(jié)點設(shè)備的作用是用來反映人或物體的位置。每個所述的未知節(jié)點設(shè)備分別通過無線通信，與每個所述的參考 節(jié)點設(shè)備進行信息交互，用以對定位目標進行定位，確保定位的準確性。一種基于路徑規(guī)劃和預(yù)測的室內(nèi)人員定位方法，利用PC機和本發(fā)明定位系統(tǒng)，通過程序，基于無線網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過系統(tǒng)準備階段(即通過構(gòu)建定位環(huán)境及其對應(yīng)的地圖，在所述的定位控制中心中建立反映實際環(huán)境的可視化定位界面，并根據(jù)室內(nèi)建筑格局，對路徑進行規(guī)劃，最后通過采樣，建立修正點匹配庫)和系統(tǒng)運行階段(即利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過建立與該系統(tǒng)相適應(yīng)的通信協(xié)議，進行定位相關(guān)數(shù)據(jù)的測量和傳輸，并在后臺中進行信息處理，最后，求解出目標的位置)進行室內(nèi)人員或物體的定位。所述方法的具體步驟如下
(I)系統(tǒng)準備 I)系統(tǒng)定位環(huán)境構(gòu)建
將各所述的參考節(jié)點設(shè)備布置在定位環(huán)境中，布置后任意時刻都有三個及以上所述的參考節(jié)點設(shè)備與所述的未知節(jié)點設(shè)備進行通信(通過將所述的未知節(jié)點設(shè)備放在環(huán)境中，發(fā)送數(shù)據(jù)包進行測試，滿足能夠與三個以上的所述的參考節(jié)點設(shè)備通信)。通過構(gòu)建滿足通信要求的定位環(huán)境，使系統(tǒng)在定位過程中能夠正常的進行信息交換和傳輸，最后才能將信息傳到PC機中，供定位計算使用。2)定位環(huán)境地圖構(gòu)造
第(1)-1)步完成后，按照實際定位環(huán)境中各個對象的比例關(guān)系，畫出實際定位環(huán)境的圖片表示形式，并將圖片導(dǎo)入系統(tǒng)中，構(gòu)建定位時所需要的地圖界面。通過定位環(huán)境地圖構(gòu)造，將實際定位環(huán)境直觀的反映到PC機定位界面中，便于人機交互。3)路徑函數(shù)庫構(gòu)造
弟(I)~2)步完成后，根據(jù)室內(nèi)建筑格局對人在室內(nèi)運動的限制特點，對人的運動路徑進行規(guī)則，建立如下路徑函數(shù)
..I (U)
/ (X. V)
F(x.r) = {-' * ,xe ,YiyeY
(I)式中，X，Y分別為定位區(qū)域的兩個正交方向上的最大定位范圍，/mCr，_F)為第m段路徑的函數(shù)表示形式(簡稱該段的路徑子函數(shù))。各段路徑子函數(shù)的集合構(gòu)成人員在整個定位環(huán)境中應(yīng)該遵循的路徑函數(shù)A(H)。根據(jù)實際應(yīng)用中大多數(shù)室內(nèi)格局的路徑特點，定義路徑子函數(shù)的類型為直線段(當(dāng)實際中的路徑是曲線段時，則用分段的幾段直線段來表示)。直線段/(H)的確定為設(shè)置該直線段的起點(Ha)和終點Crb，_Fb)，生成該直線段，其方程為
權(quán)利要求
1.一種基于路徑規(guī)則和預(yù)測的室內(nèi)人員定位系統(tǒng)，其特征在于所述的定位系統(tǒng)包括定位控制中心(I)、定位信息匯集設(shè)備(2)、參考節(jié)點設(shè)備(3)、未知節(jié)點設(shè)備(4)，所述的定位控制中心(I)通過因特網(wǎng)或USB與所述的信息匯集設(shè)備(2)連接，并通過所述的信息匯集設(shè)備(2)以無線通信方式與所述的參考節(jié)點設(shè)備(3)進行連接，所述的參考節(jié)點設(shè)備(3)通過無線通信與所述的未知節(jié)點設(shè)備(4)連接； 所述的定位控制中心(I)為裝載有計算機程序的定位環(huán)境地圖設(shè)置模塊、定位路徑設(shè)置模塊、定位修正點設(shè)置模塊、定位信息處理模塊和數(shù)據(jù)庫管理模塊的PC機，所述PC機中各個計算機程序模塊完成的功能如下 1)所述定位環(huán)境地圖設(shè)置模塊的功能為通過程序，將定位環(huán)境以圖片的形式，直觀的顯示在用戶面前，圖片相當(dāng)于定位環(huán)境的平面 地圖，所有的所述的參考節(jié)點設(shè)備(3)、所述的未知節(jié)點設(shè)備(4)都顯示在地圖中對應(yīng)的位置，方便用戶實時了解定位情況，所述的定位環(huán)境地圖設(shè)置模塊的實現(xiàn)方法為首先，通過繪圖軟件制作環(huán)境的平面地圖，即圖片，格式為jpg、bmp、png ;然后，將該圖片加載到本系統(tǒng)的安裝目錄下，供所述的定位環(huán)境地圖設(shè)置模塊調(diào)用；其次，根據(jù)地圖尺寸與實際尺寸的比例關(guān)系設(shè)置比例尺；再次，將所述的參考節(jié)點設(shè)備(3)在實際中的位置對應(yīng)標示在地圖相應(yīng)的位置，方便用戶直觀了解節(jié)點布局；最后，將定位算法計算的結(jié)果顯示在地圖中，這樣，用戶能很直觀的了解定位的情況； 2)所述的定位路徑設(shè)置模塊的功能為通過程序，設(shè)置人或者物體在室內(nèi)的運動路徑，對定位結(jié)果進行約束，并直觀的顯示在定位后臺界面的地圖上，在所述的定位環(huán)境地圖設(shè)置模塊實施完成以后，通過程序，輸入路徑關(guān)鍵點，來表示這條路徑，室內(nèi)的任何路徑都能分解成多段直線段的組合，當(dāng)為曲線段路徑時，用多段直線段的組合來表示，所述的定位路徑設(shè)置模塊的實現(xiàn)方法為首先，根據(jù)實際室內(nèi)建筑格局，選擇一條路徑，其次，在地圖對應(yīng)位置設(shè)置該路徑的起點和終點，即在系統(tǒng)中輸入起點的坐標和終點的坐標就能完成這條直線段路徑的設(shè)置，最后，定位路徑設(shè)置模型通過程序，根據(jù)輸入的起點和終點坐標生成該條路徑的路徑函數(shù)，以用于定位，提聞定位精度； 3)所述的定位修正點設(shè)置模塊的功能為通過程序，對定位結(jié)果進行修正，提高定位精度，所述的定位修正點設(shè)置模塊的實現(xiàn)方法為首先，在地圖與路徑設(shè)置完成以后，在各個路徑的拐點處和各個房間的中心位置，設(shè)置關(guān)鍵點，設(shè)置方法為輸入該點的坐標，其次，在實際環(huán)境中，在與各個關(guān)鍵點對應(yīng)的位置進行采樣，即采集各個所述的參考節(jié)點設(shè)備(3)的RSSI值，建立修正點匹配庫，修正點匹配庫的建立方法在本發(fā)明中定位方法部分中有所闡述，最后，設(shè)置修正門限值； 4)所述的定位信息處理模塊的功能為通過程序，將所述的定位信息匯集設(shè)備(2)上傳上來的數(shù)據(jù)進行解析、分析、與計算，根據(jù)系統(tǒng)約定的協(xié)議，解析數(shù)據(jù)包，提取與定位計算有用的相關(guān)數(shù)據(jù)，利用本發(fā)明提供的定位方法，分析數(shù)據(jù)，計算并輸出定位結(jié)果； 5)所述的數(shù)據(jù)庫管理模塊的功能為通過程序，存儲和讀寫已構(gòu)造的路徑函數(shù)及相關(guān)信息、已設(shè)置的定位修正點及相關(guān)信息及一段時間內(nèi)的定位結(jié)果數(shù)據(jù)； 所述的定位控制中心(I)通過所述的定位信息匯集設(shè)備(2)，以無線通信方式與所述的參考節(jié)點設(shè)備(3)進行信息交互； 所述的定位信息匯集設(shè)備(2)為無線通信設(shè)備，用來收集各個所述的參考節(jié)點設(shè)備(3)上傳的定位信息，并將該信息轉(zhuǎn)發(fā)給所述的定位控制中心(I)的中轉(zhuǎn)設(shè)備，所述定位信息匯集設(shè)備(2)設(shè)備能夠與所述的參考節(jié)點設(shè)備(3)進行2. 4GHz,即2. 405GHz-2. 485GHz無線通信，并以因特網(wǎng)或USB形式與所述的定位控制中心(I)進行信息交換； 所述的參考節(jié)點設(shè)備(3)為具有RSSI測距功能的設(shè)備，所述的參考節(jié)點設(shè)備(3)的數(shù)量與定位區(qū)域的面積相關(guān)，一般每個房間的數(shù)量為31個，分別裝設(shè)在定位環(huán)境內(nèi)反映室內(nèi)建筑格局特點的各處，作為定位的已知的固定坐標點，每個所述的參考節(jié)點設(shè)備(3)分別以無線通信方式，分別與所述的定位信息匯集設(shè)備(2)和所述的未知節(jié)點設(shè)備(4)進行信息交互，確保對定位環(huán)境中的人或物體進行準確定位； 所述的未知節(jié)點設(shè)備(4)為與定位目標綁定在一起的能夠周期性廣播RSSI信號的設(shè)備，作為所述的未知坐標點，所述的未知節(jié)點設(shè)備(4)數(shù)量與被定位目標數(shù)量一致，但最多不超過1000個，所述的未知節(jié)點設(shè)備(4)的作用是用來反映人或物體的位置，每個所述的未知節(jié)點設(shè)備(4)分別通過無線通信，與每個所述的參考節(jié)點設(shè)備(3)進行信息交互，用以對定位目標進行定位，確保定位的準確性。
2.一種基于路徑規(guī)劃和預(yù)測的室內(nèi)人員定位方法，利用PC機和權(quán)利要求I所述的定位系統(tǒng)，通過程序，進行室內(nèi)人員和物體的定位，其特征在于所述方法的具體步驟如下 (I)系統(tǒng)準備 1)系統(tǒng)定位環(huán)境構(gòu)建 將各所述的參考節(jié)點設(shè)備(3)布置在定位環(huán)境中，布置后任意時刻都有三個及以上所述的參考節(jié)點與所述的未知節(jié)點設(shè)備(4)進行通信，即通過將所述的未知節(jié)點設(shè)備(4)放在環(huán)境中，發(fā)送數(shù)據(jù)包進行測試，滿足能夠與三個以上的所述的參考節(jié)點設(shè)備(3)通信，通過構(gòu)建滿足通信要求的定位環(huán)境，使系統(tǒng)在定位過程中能夠正常的進行信息交換和傳輸，最后才能將信息傳到PC機中，供定位計算使用； 2)定位環(huán)境地圖構(gòu)造 第(1)-1)步完成后，按照實際定位環(huán)境中各個對象的比例關(guān)系，畫出實際定位環(huán)境的圖片表示形式，并將圖片導(dǎo)入系統(tǒng)中，構(gòu)建定位時所需要的地圖界面，通過定位環(huán)境地圖構(gòu)造，將實際定位環(huán)境直觀的反映到PC機定位界面中，便于人機交互； 3)路徑函數(shù)庫構(gòu)造 弟(I)~2)步完成后，根據(jù)室內(nèi)建筑格局對人在室內(nèi)運動的限制特點，對人的運動路徑進行規(guī)則，建立如下路徑函數(shù)
全文摘要
一種基于路徑規(guī)劃和預(yù)測的室內(nèi)人員定位系統(tǒng)及方法，涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)人和物的定位系統(tǒng)及方法。本發(fā)明系統(tǒng)包括定位控制中心、定位信息匯集設(shè)備、參考節(jié)點設(shè)備、未知節(jié)點設(shè)備；本發(fā)明方法是利用PC機和本發(fā)明定位系統(tǒng)，通過程序，基于無線網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過系統(tǒng)準備階段和系統(tǒng)運行階段進行室內(nèi)人員或物體的定位。本發(fā)明具有操作簡單，定位準確性高，定位精度高，應(yīng)用范圍廣，適用性強，便于推廣應(yīng)用等特點。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于室內(nèi)人員的靜、動態(tài)定位，也適應(yīng)于室內(nèi)物品的靜、動態(tài)定位。
文檔編號H04W64/00GK102752855SQ201210269419
公開日2012年10月24日 申請日期2012年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月1日
發(fā)明者印愛民, 宋寧博, 李艷萍, 柏蕩, 王楷, 石為人, 謝思佳, 雷璐寧, 高鵬 申請人:重慶大學(xué)