專利名稱：一種三維空間下目標定位的3d-pmwsn模型的制作方法
—種三維空間下目標定位的3D-PMWSN模型技術領域
本發(fā)明基于無線傳感器網(wǎng)絡技術，在三維空間中，利用提出的“一種在三維環(huán)境下的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位模型(3D-PMWSN) ”和算法，對安裝RFID標簽的物體進行定位。 并且把此模型和算法與建筑工地的材料管理相結合，提出了一種對三維空間中建筑材料位置跟蹤方法。
背景技術：
無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network,簡稱WSN)經(jīng)常需要大量的分布式計算，WSN的節(jié)點一般比較簡單，依靠自帶電池供電，要求最大限度節(jié)約使用能量，延長電池使用時間。對大多數(shù)WSN應用，采用一定機制或算法實現(xiàn)節(jié)點定位很重要。定位算法要求1、 算法簡單，以便最大限度地減少運算量，從而盡可能節(jié)約有限的能量。2、模型與實際網(wǎng)絡盡量一致，具有實用性。3、便于實現(xiàn)，硬件成本低。
對于Simic 和 Sastry 在論文“Distributed Localization in Wireless Ad Hoc Networks，，(Technical Report UCB/ERL M02/26,Department of Electrical Engineering and Computer Sciences, University of California, Berkeley, CA, 2002.1.)提出的在無線Ad Hoc網(wǎng)中的分布式定位模型(以下簡稱分布式定位模型)，具有 算法簡單、運算量小的特點，適合無線傳感器網(wǎng)絡對運算量和節(jié)能方面的要求，Jongchul Song等人利用該模型和算法成功在建筑項目的材料管理中得到應用。但該模型的局限性在于，它是在建立在二維的基礎上的，而真實的無傳感器網(wǎng)絡的信號是分布在三維空間上的，例如對于紅外、雷達、RFID等有源信號，它們的信號輻射范圍顯然呈現(xiàn)三維狀態(tài)分布，即通訊有效范圍分布在三維空間中，所以建立三維模型更有接近實際，并且也非常具有實用價值。本文提出的 3D-PMWSN(3D-based Positioning Model in Wireless Sensor Networks)模型的最大創(chuàng)新點就是把Simic和Sastry提出的二維空間下的定位模型擴展到三維空間。
隨著我國現(xiàn)代化進程不斷向新的高度和深度拓展，建筑產(chǎn)業(yè)在未來數(shù)十年還將是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)。人們對精細建筑、低碳建筑、節(jié)能建筑的要求越來越高。建筑項目的管理必定從粗放型變?yōu)榧s型和經(jīng)濟型。其中，利用技術手段對建筑材料的入庫、出庫、數(shù)量和位置等信息進行實時管理，具有非常重要的意義。而根據(jù)調(diào)研，國外在這方面的探討雖然已經(jīng)有近十年的時間了，但真正適應的還很少，而國內(nèi)還未見此方面的報道。利用此方法可以從宏觀實時了解建筑工地的材料的數(shù)量、位置等信息，大大節(jié)約管理成本，提高建筑工地的管理效率。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對以上國內(nèi)外現(xiàn)有的相關定位技術存在的局限性和不足， 提出一種在三維空間下的基于無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點定位方法，實現(xiàn)在空間范圍內(nèi)的目標定位。并且嘗試把該方法運用到建筑工地的材料管理中，以實現(xiàn)實時跟蹤建筑材料的位置。 據(jù)統(tǒng)計，建筑材料成本占整個建筑項目總成本的50…60%，材料的使用狀況直接反映項目的狀況。通過自動跟蹤建筑材料的收發(fā)和位置等動態(tài)信息，可以改進現(xiàn)有的項目管理水平和效率。另外，隨著近年來自動數(shù)據(jù)采集技術(ADC)的發(fā)展，為在建筑工地現(xiàn)場對材料的收發(fā)和位置進行跟蹤提供了可能。但是，根據(jù)調(diào)研，目前在國外這方面雖然已經(jīng)有一些探討， 但在國內(nèi)，目前這方面的研究和應用還是空白。
該方法的基本思想是從建筑材料進入工地開始，利用附著在其上的RFID標簽， 與預先在工地空間設置的READER —起構成一個無線網(wǎng)絡，另外，還建立監(jiān)控中心，實現(xiàn)材料的的入場、搬運、存放和使用的全程三維位置跟蹤，減少人力管理成本，避免各種浪費，提高管理的實效性，更好的滿足人們對于建筑材料管理效率的需求。
本技術發(fā)明除了給出詳細的三維定位模型外，還對基于此模型的建筑工地材料跟蹤方法進行了描述
1、3D-PMWSN 模型簡介
在空間建立三維直角坐標系，把該坐標系下的一個研究空間進行量化。所有的研究對象都分布在這個研究空間中。研究對象主要有兩種一個是被定位對象，一個是檢測設備(Reader)。被定位對象在一定范圍內(nèi)可以感應到檢測設備發(fā)出的信號。為了研究方便， 被定位對象和探測設備進行簡化，不考慮自身大小，只考慮物理性能。利用多個探測設備對同一個被定位對象感應的空間性質，就可以實現(xiàn)定位。
下面介紹模型框架、用到的術語以及定義的符號。
首先，選取邊長為S的正方體Q(見

圖1)，下面所有的研究都在Q中進行。通過把 Q的每個邊η等分，從而把整個Q分為η3個小正方體，每個小正方體稱為一個cell (網(wǎng)格)， 作為將來節(jié)點定位的最小單位。定義η3為Q的分辨率。按照圖1所示方式對分割后的Q進行空間位置標識，每個cell都有自己的唯一坐標一網(wǎng)格坐標(x，y，z)，(I < = X < = η, l<=y<=n,l<=z<=n),分布在空間Q中的研究對象占據(jù)至少I個cell的空間大小，研究對象的位置可以通過cell的坐標進行描述。
現(xiàn)在在Q中放置m個位置已知的Reader，假設每個Reader的可以發(fā)出覆蓋范圍是半徑r的分布在球形空間的信號，不同Reader具有不同的網(wǎng)格坐標，還假設這里的網(wǎng)格坐標可以預先得知。同時，把需要定位的物體看成是一個Tag，Tag只要位于某個Reader發(fā)射的信號的有效覆蓋范圍內(nèi)，它就可以被該Reader感知，即該Tag被該Reader捕獲?，F(xiàn)在的目的是要通過若干個位置已知的Reader來確定在Q中的位置未知的物體Tag的坐標。 一般情況下，某個Tag可能被多個Reader捕獲，即該Tag應該位于這些Reader的有效信號覆蓋空間的交集中，通過對這些Reader的信號的空間覆蓋范圍交集的運算，便 可以得到該 Tag所在的區(qū)域。如果要對Q內(nèi)任意位置的Tag進行定位，只要在Q中的適當位置安置適當數(shù)量的Reader即可。分辨率的選擇主要依據(jù)被定位對象的最小尺寸。Reader位置和數(shù)量的選擇可以決定定位的精度(顯然，分辨率的最佳值是I個cell)。
以下是對該模型中對定義的幾個符號的說明
Q-操作空間(space of operations)
Q = [O, s] X
X
，是邊長為s的一個正方體區(qū)域，所有研究都在該三維空間區(qū)域內(nèi)進行。
S，表示Q的邊長
η,把Q的每邊η等分,從而把Q分為η3個小正方形,被稱為η3個cells。每個cell的網(wǎng)格坐標為(x,y,z) (2<= X <= η, 1 <= y <= η, I <= z <= η),是定位的最小量 化単位，這樣就把Q離散化。N-表示在Q中的節(jié)點數(shù)，假設每個節(jié)點(node)都對應ー個cell，即ー個節(jié)點對應 ー個唯一的網(wǎng)格坐標。N個節(jié)點又分為位置已知節(jié)點和位置未知節(jié)點，位置已知節(jié)點放置 的是Reader，位置未知節(jié)點放置的是Tag。在實際應用環(huán)境中，已知位置的節(jié)點可以通過預 先測定好特定位置的坐標，然后在該位置放置固定的Reader實現(xiàn)，也可以利用帶GPS功能 的Reader實現(xiàn),這樣Reader即是移動中，也可以知道自己的位置。通過多個Reader對在Q 中同一個Tag的同時感應，利用它們射頻有效覆蓋范圍的運算關系就可以實現(xiàn)對Tag的定 位。G-表示每個Reader的RF的信號有效覆蓋區(qū)域，可以被近似地視為半徑為r的球 G,因為姆個Reader的有效RF覆蓋范圍可以近似的看成是ー個半徑為r的球體,那么，分布 在G內(nèi)的所有Tag都可以被該Reader感應到。S-表示球G的最大內(nèi)包正方體，被定義為Reader的通訊范圍(communication range)。選取S作為通訊范圍，而不直接選取球G作為通訊范圍，目的是為了簡化計算(從 下面的運算可知正方體之間的運算要比球體之間的運算簡單地多)，節(jié)約運算開銷，符合 無線傳感器網(wǎng)絡對節(jié)能方面的特殊要求。2 3D-PMWSN 定位算法針對上面定義的摸型，再做如下假設⑴操作空間Q確定不變，即Q的邊長s是 常數(shù)；Q的網(wǎng)格分割方式確定，即η確定；Q中姆個Reader的信號有效覆蓋區(qū)域G完全一祥, 即G的半徑；r確定,這樣，Reader的通訊范圍S確定。在Q中安放若干個網(wǎng)格坐標已知的 Reader和隨機分布著若干個位置待定的Tag。那么，姆個cell的大小可以計算出來,Reader 的通訊范圍S可以用cell的數(shù)量表示。如果某個Tag可以同時被兩個Reader檢測到，那么 該Tag的位置就應該在兩個Reader的通訊范圍交集中，交集的大小和位置可以計算出來。 同樣地，若某個Tag如果能夠同時被多個Reader “捕獲”,那么，多個Reader的通訊范圍有 交集，交集的大小和位置也可以計算出來，從而實現(xiàn)Tag的定位，具體方法如下2. I Reader的通訊范圍及多個Reader的空間表示首先分析Reader的信號的空間性質(如圖2所示)。在n，r，s確定的情況下，令 最大內(nèi)包正方體S的邊長為2x，顯然，3x2 = r2，可以得到
權利要求
1.一種三維空間下目標定位的3D-PMWSN模型，其特征在于是一種在三維空間下的基于無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點定位方法。
2.根據(jù)權利要求1所述一種三維空間下目標定位的3D-PMWSN模型，其特征在于實現(xiàn)在空間范圍內(nèi)的目標定位。
3.根據(jù)權利要求1所述一種三維空間下目標定位的3D-PMWSN模型，其特征在于運用在建筑工地的材料管理中。
4.根據(jù)權利要求1所述一種三維空間下目標定位的3D-PMWSN模型，其特征在于實時跟蹤建筑材料的位置。
5.根據(jù)權利要求1所述一種三維空間下目標定位的3D-PMWSN模型，其特征在于對安裝 RFID標簽的物體進行定位。
6.根據(jù)權利要求1所述一種三維空間下目標定位的3D-PMWSN模型，其特征在于是一種對三維空間中建筑材料位置跟蹤方法。
7.根據(jù)權利要求1所述一種三維空間下目標定位的3D-PMWSN模型，其特征在于使用 3D-PMWSN 模型。
8.根據(jù)權利要求1所述一種三維空間下目標定位的3D-PMWSN模型，其特征在于使用 3D-PMWSN定位算法。
9.根據(jù)權利要求1所述一種三維空間下目標定位的3D-PMWSN模型，其特征在于使用定位算法誤差分析。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種三維空間下目標定位的3D-PMWSN模型，實現(xiàn)在建筑工地環(huán)境中建進行筑建筑材料的跟蹤。分布式無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點的定位是一個重要而基本的問題，在諸如搜救、目標跟蹤、供應鏈管理、減災以及智能環(huán)境等領域具有重要的應用價值。本發(fā)明通過分布在建筑工地中位置固定的READER構成的自組網(wǎng)，不需要特定的通訊設施，就可以感知和傳送周圍附著在建筑材料上的RFID信息。并通過自組網(wǎng)傳送的監(jiān)控中心。在建筑項目的管理中，材料管理在管理成本中占有很大的比例(56％到60％)，通過在建筑材料上安裝RFID，可以自動地實時地檢測建筑材料的進出和位置信息，及時了解材料的狀況，在很大程度上提高了生產(chǎn)效率和管理水平，降低了建筑企業(yè)的管理成本，為低碳、智能建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造條件。經(jīng)調(diào)研，目前國內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)在這方面的研究和應用。
文檔編號H04W84/18GK103067862SQ201110321268
公開日2013年4月24日 申請日期2011年10月21日 優(yōu)先權日2011年10月21日
發(fā)明者朱煒, 王志剛, 葉慎敏 申請人:鎮(zhèn)江雅迅軟件有限責任公司