物联网中的定位系统及其部署方法和装置

摘要

本发明公开了一种物联网中的定位系统及其部署方法和装置。所述方法包括，确定电子地标的覆盖度；根据电子地标的覆盖度确定电子地标的部署密度；根据电子地标的部署密度对电子地标进行部署。本发明还公开了一种装置，包括覆盖度确定模块，用于确定电子地标的覆盖度；部署密度确定模块，用于根据电子地标的覆盖度确定电子地标的部署密度；部署模块，用于根据电子地标的部署密度对电子地标进行部署。本发明还公开了一种定位系统，包括：无线网关、地标管理服务器及根据上述方法部署的电子地标节点。本发明针对物联网中物品数量巨大、流通领域广泛、位置变更频繁等特点，构建了一个全球范围内的物品定位系统，实现全球范围内物品的高精度、低成本定位。

说明书

技术领域

本发明涉及物联网技术领域，特别涉及一种物联网中的定位系统及其部署方法和装置。

背景技术

物联网是通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，借助已有的有线、无线通信协议，将任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。目前，物联网已在智能交通、环境监测、物流追踪与定位等领域得到广泛的应用，然而，所有的这些应用均离不开物品地理位置信息的支持，所以如何对物品定位，获取物品地理位置信息已成为物联网研究的重要方向。

现有技术中已有一些与物品定位的相关研究，然而这些研究集中于物品的定位算法。此外，物品的定位仅仅限于行业内部并不具有规模性，物联网的应用只有具备了规模，才能使大量物品信息的共享和使用成为可能。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

针对物联网中物品数量巨大、流通领域广泛、位置变更频繁等特点，需要构建一个全球范围内的物品定位系统，实现全球范围内物品的高精度、低成本定位。

发明内容

为了构建一个全球范围内的物品定位系统，实现全球范围内物品的高精度、低成本定位，本发明实施例提供了一种物联网中的定位系统的部署方法，所述方法包括：

确定电子地标的覆盖度；

根据所述电子地标的覆盖度确定所述电子地标的部署密度；

根据所述电子地标的部署密度对所述电子地标进行部署。

本发明实施例还提供了一种物联网中的定位系统的部署装置，所述装置包括：

覆盖度确定模块，用于确定电子地标的覆盖度；

部署密度确定模块，用于根据所述电子地标的覆盖度确定所述电子地标的部署密度；

部署模块，用于根据所述电子地标的部署密度对所述电子地标进行部署。

本发明实施例还提供了一种物联网中的定位系统，其特征在于，所述系统包括：无线网关、地标管理服务器及根据上述方法部署的电子地标节点。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过确定电子地标的覆盖度；根据该电子地标的覆盖度确定电子地标的部署密度最终实现对物联网中的定位系统的部署，进而实现了全球范围内物品的高精度、低成本定位。

附图说明

图1是本发明实施例1中提供的方法流程图；

图2是本发明实施例2中提供的方法流程图；

图3是本发明实施例3中提供的方法流程图；

图4是本发明实施例4中根据权值确定电子地标的覆盖度的方法流程图；

图5是本发明实施例5中提供的装置的结构示意图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种物联网中的定位系统的部署方法，该方法包括以下步骤：

S101：确定电子地标的覆盖度；

S102：根据电子地标的覆盖度确定电子地标的部署密度；

S103：根据电子地标的部署密度对电子地标进行部署。

本实施例提供的方法，通过确定电子地标的覆盖度；根据该电子地标覆盖度确定电子地标的部署密度最终实现对物联网中的定位系统的部署，进而实现了全球范围内物品的高精度、低成本定位。

本发明提供了一种物联网中的定位系统的部署装置，该装置包括：

覆盖度确定模块，用于确定电子地标的覆盖度；

部署密度确定模块，用于根据所述电子地标的覆盖度确定所述电子地标的部署密度；

部署模块，用于根据所述电子地标的部署密度对所述电子地标进行部署。

本发明提供了一种物联网中的定位系统，该系统包括：无线网关、地标管理服务器及根据上述方法部署的电子地标节点。地标管理服务器为室内地标管理服务器，该电子地标节点为室内电子地标节点；或地标管理服务器为室外地标管理服务器，该电子地标节点为室外电子地标节点。

实施例2

如图2所示，以物联网中的室内定位系统为例，室内物联网中的定位系统由不同组织、机构以及个人在室内部署的室内电子地标节点、无线网关和室内地标管理服务器组成。室内电子地标为存储地标信息即该电子地标所在地理位置的信息，且具有无线通信能力的智能终端。室内电子地标节点每隔一段时间向其通信范围内的区域发送地标信息，物品能够根据来自不同地标的地标信息计算其自身位置。室内电子地标以一定密度部署于室内以实现对室内区域的多重地标信息覆盖，即室内的任意位置均能够接收到来自多个电子地标发送的地标信息。物品在接收到来自不同室内电子地标的地标信息后，可通过已有的定位算法如TOA(Time of Arriving，到达时间算法)、TDOA(Time Difference OfArrival，到达时间差算法)进行自身位置的定位，优选的，该物品接收到的来自不同室内电子地标的地标信息至少为三个。室内电子地标通过无线网关与室内地标管理服务器进行通信。优选的，室内电子地标可与手机、识读器等其他无线终端组成ad hoc(多跳移动无线网络)网络，在电子地标与无线网关距离较远时，可通过其所在ad hoc网络中的手机、识读器与无线网关连接，从而增进了室内电子地标与无线网关的连接效果。室内地标管理服务器接收来自室内电子地标的信息，及时发现并报告故障的电子地标节点，维护室内电子地标系统的正常运行。

该室内物联网中的定位系统的部署方法具体包括：

S201：确定电子地标的覆盖度；

具体的，对于室内的任意位置P₀，P₀均能被h个不同的地标信号覆盖，则h为电子地标的覆盖度。其中，地标的通信半径为R₀。若将室内的任意位置P₀抽象为一个点，则以点P₀为圆心，R₀为半径的圆内应当至少部署有h个电子地标，优选的电子地标的覆盖度h大于等于3。

S202：根据确定电子地标的部署密度；

其中，R₀为电子地标的通信半径，h为电子地标的覆盖度，n₀为电子地标的部署密度。具体地，若电子地标均匀部署，电子地标的部署密度为n₀个/平方米，则即因此，满足h重覆盖的室内电子地标系统，电子地标的部署密度向上取整，至少为个/平方米。

S203：根据电子地标的部署密度对电子地标进行部署。

具体的，根据定位系统中不同区域的物品流通量调整电子地标的部署密度。由于地标信号是以电子地标为圆心的圆形覆盖，且实物距离电子地标越远，信号越弱，因此，对于实物流通数量较大的区域，为了保证实物均能接收到较强的地标信号，需要部署较多的电子地标以增强地标的信号强度。此外，对于实物流通数量较大的区域，需要更精确的物品位置信息，才能在大量的实物中更加准确地定位实物，而这需要地标信号的多重覆盖。因此，h值可根据实物的流通数量取不同的值，如普通家庭，优选的h＝3即可满足实物定位的要求，对于实物流通数量较大的工厂或商场，h可取较大的值，满足大量物品定位的需求。

本实施例根据室内物品的流通量，设置电子地标的部署密度，实现对室内区域的多重电子地标信息覆盖。因此，室内的物品能够以较高的精度计算自身的位置信息。

实施例3

如图3所示，以物联网中的室外定位系统为例，物联网中的室外定位系统由室外电子地标节点及公共地标管理服务器组成。室外电子地标为存储地标信息即该电子地标所在地理位置的信息，且具有无线通信能力的智能终端。室外电子地标节点每隔一段时间向通信半径内的区域发送地标信息，物品能够根据接收到的来自不同地标的地标信息计算自身位置。在城市中，室外物品的流通区域主要为道路，因此，室外电子地标以一定密度布置在城市的道路两侧实现对道路内任意位置的多重地标信息覆盖即道路内的任意位置均能接收到来自多个电子地标的地标信息。物品在接收到来自不同室外电子地标的地标信息后，可通过已有的定位算法如TOA、TDOA进行自身位置的定位，其中，该物品接收到的来自不同室外电子地标的地标信息至少为三个。室外电子地标通过无线网关与公共地标管理服务器进行通信。优选的，室外电子地标可与手机、识读器等其他无线终端组成ad hoc网络，在电子地标与无线网关距离较远时，可通过其所在ad hoc网络中的手机、识读器与无线网关连接，从而增进了室外电子地标与无线网关的连接效果。每隔一段时间，室外电子地标向公共地标管理服务器报告其工作状态。公共地标管理服务器接收来自室外电子地标的信息、及时发现并报告故障的电子地标节点，维护室外电子地标系统的正常运行。

若将定位系统中的道路抽象为边，道路的起点、终点以及转折点抽象为顶点，由边和顶点组成一个无向图G(V，E)，其中，V表示图中顶点的集合，E表示图中边的集合，N为图中顶点的个数，则如图2所示，该物联网中的室外定位系统的部署方法具体包括：

S301：确定定位系统中道路的权值，根据权值确定电子地标的覆盖度；

其中，确定定位系统中道路的权值具体包括：根据确定定位系统中道路的权值，e_ij表示顶点i和j之间边的长度，w_ij为长度为e_ij的边的权值，为边e_ij的度中心性，为边e_ij的邻近中心性，为边e_ij的介数中心性，为边e_ij的聚集中心性，为边e_ij的直线中心性，为边e_ij的信息中心性。

边e_ij的度中心性定义为用于表示边e_ij实际具有的邻边数，即e_ij两顶点所连接的边数之和与e_ij可能具有的邻边数的比值。边的度中心性越大，说明图中较多的边可直接与该边相连，因此，该边在整个图中处于较为中心的位置。例如，边e_ij的两个顶点为i和j，表示顶点i所连接的边数，表示顶点j所连接的边数，(e_ik+e_jk)表示边e_ij的两个顶点所实际连接的边数和。而在理想情况下，边e_ij最多可以连接2(N-2)条边，即顶点i可连接(N-2)条边，顶点j也可连接(N-2)条边，因为顶点i或j可以与图中除去i和j的N-2个顶点相连接。这个公式是不考虑边e_ij的，因为中没有考虑边e_ij，2(N-2)中也没有考虑边e_ij，所有的边在计算度中心性时都不考虑自身的边，则对所有的边都是公平的。

边e_ij的邻近中心性定义为表示网络的总边数与边e_ij到网络中其它边的最短距离之和的比值。其中，两条边的最短距离定义为从一条边到另一条边所要经过的最少的边数，若两条边相邻，则这两条边的的最短距离为2，表示边e_ij与边e_pq的最短距离。边的邻近中心性越大，说明该边与其它边的最短距离越小，即从网络中的任意位置到达该边越方便，因此，该边在整个网络中处于较为中心的位置，其中，两条边的最短距离定义为从一条边到另一条边所要经过的最少的边数，若两条边相邻，则这两条边的的最短距离为2，表示边e_ij与边e_pq的最短距离，表示边e_ij与网络中所有其他边的最短距离之和。

边e_ij的介数中心性定义为表示边e_ij出现在所有节点间的最短路径上的概率。其中，n_pq表示顶点p与q之间的最短路径数，m_pq(e_ij)表示顶点p与q之间的最短路径中经过边e_ij的最短路径数。边的介数中心性越大，表示该边存在于较多的最短路径中，因此承载的实物流量也较大，该边处于较为中心的位置，n_pq表示顶点p与q之间的最短路径数。例如，网络中有1，2，3，4四个顶点，那么从1到4的最短路径数可能有多条，比如从1直接到4，也可能从2直接到4。m_pq(e_ij)表示顶点p与q之间的最短路径中经过边e_ij的最短路径数，例如p与q之间有多条最短路径，但可能有些经过边e_ij，有些不经过边e_ij。m_pq(e_ij)/n_pq表示p与q之间的最短路径中经过边e_ij的概率。网络中任意一对顶点间的最短路径经过边e_ij的概率之和。然而，网络中共有N(N-1)/2对顶点，因此除以N(N-1)/2表示网络中平均每对顶点的最短路径经过边e_ij的概率。

边e_ij的聚集中心性定义为表示顶点i和j所有邻节点间实际存在的边数与可能具有的最大边数的比值。其中，k_ij表示顶点i与顶点j具有的邻节点的总数，EN_ij表示顶点i与j的邻节点间存在的边数。边的聚集中心性越大，表示顶点i和j的所有邻节点彼此相连的概率较低，因此，需要较多的邻边直接连接到该边，以保证城市路网的连通性，所以，该边处于较为中心的位置；若某个顶点s与顶点i间有边，则s为i的邻节点。k_ij表示顶点i与顶点j具有的邻节点的总数，k_ij个邻节点互联，最多具有k_ij(k_ij-1)/2条边，EN_ij表示顶点i与j的邻节点间实际存在的边数。表示顶点i和j所有邻节点间实际存在的边数EN_ij与可能具有的最大边数k_ij(k_ij-1)/2的比值。

边e_ij的直线中心性定义为表示顶点i与j到达网络中其他顶点的欧式距离与顶点i与j到达网络中其他顶点的最短路径的长度之比。其中，表示顶点i与k沿直线的欧氏距离，欧式距离表示两顶点间的直线距离，l_ik表示顶点i与k的最短路径长度，当路是直的时候，其路径长度为两顶点的欧式距离，当路是弯的时候，则计算路径长度了。边的直线中心性表示了边上的两顶点到达其他顶点的最短路径偏离直线的程度。边的直线中心性越大，表示到达该边越为快速、便利，因此该边的地理位置越为重要。具体的，表示顶点i到达网络中其他N-1个顶点的欧式距离与顶点i到达网络中其他N-1个顶点的最短路径的长度之比，对他们求和。良示顶点j到达网络中其他N-1个顶点的欧式距离与顶点j到达网络中其他N-1个顶点的最短路径的长度之比，对他们求和。之所以除以2(N-1)，是因为对上述这两个和求平均值，因为是N-1个比值相加，也是N-1个比值相加除以N-1，即得到均值。

边e_ij的信息中心性定义为表示删除边e_ij后，图中所有边的直线中心性的变化。其中，G’表示删除边e_ij后的图，若删除边e_ij后，顶点p与q间不可达，则定义边的信息中心性越大，则表示删除该边后，会造成不可达的顶点对较多或顶点间的最短路径长度增加较多，导致路网不完全连接或延时较长，因此，该边在整个路网中较为重要。表示顶点p与q间的欧式距离，l_pq表示顶点p与q的最短路径长度，表示网络中任意两个顶点间的欧式距离与这两个顶点间的最短路径的长度之比，对他们求和。因为共对N(N-1)/2对顶点求和，所以除以N(N-1)/2，得到任意两个顶点间的欧式距离与这两个顶点间的最短路径的长度之比的均值。E[G]-E[G’]表示网络中删除边e_ij后，任意两个顶点间的欧式距离与这两个顶点间的最短路径的长度之比的均值的变化，即减少了多少，除以E[G]表示变化率，即在E[G]的基础上减少了多少。

其中，如图4所述，根据权值确定电子地标的覆盖度具体包括以下步骤：

S3011：确定定位系统中权值最大边的覆盖度H(e_max)；

具体的，e_max为权值最大的边，e_max的覆盖度为H(e_max)，预设H(e_max)为3，根据S302的方法计算电子地标的部署密度，并在边e_max对应的道路Road_max上部署电子地标节点，实现对该边的H(e_max)重覆盖；

S3012：在道路Road_max中部署实物并测试H(e_max)重覆盖的地标系统是否能够满足实物定位的需求。若能，则执行S3015，否则执行S3013；

S3013：H(e_max)←H(e_max)+1，即在预设H(e_max)值的基础上加一，根据S302的方法在该道路上部署电子地标节点，实现对道路的H(e_max)重覆盖；

S3014：测试H(e_max)←H(e_max)+1时，地标系统是否可以满足实物定位的需求，如果可以，则执行S3015；如果不可以，则执行S3013.，通过反复的测试，直至确定出权值最大道路的最佳覆盖度H(e_max)；

S3015：对于任意的边，若e_ij≠0，则计算边e_ij的覆盖度H(e_ij)＝(H(e_max)w_ij)/w_max。其中，w_max为道路Road_max对应边的权值，即道路中的最大权值，H(e_max)为权值最大道路的覆盖度，w_ij为以i为起点j为终点或j为起点i为终点的道路的权值，H(e_ij)为以i为起点j为终点或j为起点i为终点的道路的电子地标的覆盖度。具体的，按照边的权值决定部署电子地标的密度，即边权值越大，部署密度越大，边权值越小，部署密度越小，部署电子地标的密度与边权值同比增长。

S302：确定电子地标的通信半径R₁和道路的宽度L，根据确定电子地标的部署密度，其中(R₁＞L/2)，n为电子地标的部署密度；

例如，若圆O与道路两侧的交点分别为C₁、C₂、C₃、C₄，则|C₁C₂|间与|C₃C₄|间至少部署H(e_ij)个电子地标节点。其中，|C₁C₂|表示在道路一侧，C₁与C₂间的路段长度，|C₃C₄|表示在道路另一侧，C₃与C₄间的路段长度。设P₁到C₁与C₂所在道路的距离为r，则P₁到C₃与C₄所在道路的距离为L-r，因此，因此，由于0≤r≤L，可以通过求导计算得出当r＝0时，|C₁C₂|+|C₃C₄|取最小值，最小值为因此，即在道路的两侧部署电子地标的密度向上取整，为

S303：根据电子地标的部署密度，实现对电子地标进行部署。

本实例提供的电子地标部署方法，根据城市中路网的结构，计算道路在城市中的中心性，对于不同中心性的道路以不同的密度部署电子地标，能够满足物品在不同道路上的定位需求。因此，多重覆盖的室外电子地标部署方法能够使得物品以较高的精度计算自身位置信息。

实施例4

如图5所示，本实施例提供了一种物联网中的定位系统的部署装置，该装置包括：

覆盖度确定模块401，用于确定电子地标的覆盖度；

其中，当系统中各区域物品流通量均衡时，优选的，电子地标的覆盖度大于等于3；

当系统中各区域物品流通量不均衡时，覆盖度确定模块401还包括：

权值确定单元4011，用于确定定位系统中道路的权值；

具体的，权值确定单元4011具体用于：根据确定定位系统中道路的权值，其中将定位系统中的道路抽象为边，道路的起点、终点以及转折点抽象为顶点，由边和顶点组成一个无向图，N为图中顶点的个数，e_ij表示顶点i和j之间边的长度，w_ij为长度为e_ij的边的权值，为边e_ij的度中心性，为边e_ij的邻近中心性，为边e_ij的介数中心性，为边e_ij的聚集中心性，为边e_ij的直线中心性，为边e_ij的信息中心性。

其中，权值确定单元4011具体包括：

度中心性子单元40111，用于根据确定边e_ij的度中心性；

邻近中心性子单元40112，用于根据确定边e_ij的邻近中心性；

介数中心性子单元40113，用于根据确定边e_ij的介数中心性；

聚集中心性子单元40114，用于根据确定边e_ij的聚集中心性；

直线中心性子单元40115，用于根据边e_ij的直线中心性，其中，表示顶点i与k之间的直线距离，l_ik表示顶点i与k的最短路径长度；

信息中心性子单元40116，用于根据确定边e_ij的信息中心性，其中，G′表示删除边e_ij后的无向图，表示顶点p与q之间的直线距离，l_pq表示顶点p与q之间的最短路径长度。

覆盖度确定单元4012，用于根据权值，确定电子地标的覆盖度。

具体的，覆盖度确定单元具体包括：

最大道路的覆盖度确定子单元40121，用于确定定位系统中权值最大道路的覆盖度，H(e_max)；

电子地标的覆盖度确定子单元40122，用于根据H(e_ij)＝(H(e_max)w_ij)/w_max确定电子地标的覆盖度；其中，w_max为最大权值，H(e_max)为权值最大道路的覆盖度，w_ij为以i为起点j为终点或j为起点i为终点的道路的权值，H(e_ij)为以i为起点j为终点或j为起点i为终点的道路的电子地标的覆盖度。

部署密度确定模块402，用于根据电子地标的覆盖度确定电子地标的部署密度；

其中，当系统中各区域物品流通量均衡时，部署密度确定模块402具体用于：根据确定所述电子地标的部署密度；其中，R₀为电子地标的通信半径，h为电子地标的覆盖度，n₀为电子地标的部署密度。

当系统中各区域物品流通量均衡时，部署密度确定模块402，具体包括：

参数确定单元4021，用于确定电子地标的通信半径R₁和道路的宽度L。

电子地标的部署密度确定单元4022，用于根据确定电子地标的部署密度，其中(R₁＞L/2)，n为电子地标的部署密度。

部署模块403，用于根据电子地标的部署密度对电子地标进行部署。

本实施例提供的部署装置，通过确定电子地标的覆盖度，根据电子地标的覆盖度确定电子地标的部署密度；最终实现对物联网中的定位系统的部署，进而实现了全球范围内物品的高精度、低成本定位。

本实例提供的部署装置，根据系统中物品的流通量对电子地标进行部署，满足了系统不同流通量的区域，对物品进行定位的需求，实现了电子地标对系统的多重覆盖，，从而能够使得物品以较高的精度计算自身位置信息。

本实施例提供的系统，与方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。

本实施例提供的系统，通过确定电子地标的覆盖度；根据该电子地标覆盖度确定电子地标的部署密度最终实现对物联网中的定位系统的部署，进而实现了全球范围内物品的高精度、低成本定位，同时，该系统能够自我监控并维护地标系统的正常运行，同时，物品只需配有廉价的电子标签即可通过室内或室外的电子地标系统完成自身的实时定位。

以上实施例提供的技术方案中的全部或部分内容可以通过软件编程实现，其软件程序存储在可读取的存储介质中，存储介质例如：计算机中的硬盘、光盘或软盘。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。