一种用于无线传感器网络的三维定位和远程查询系统

摘要

本发明公开了一种用于无线传感器网络的三维定位和远程查询系统，包括无线通信模块、传感器模块、运算模块、显示模块、存储模块和远程查询模块。其中：无线通信模块与传感器模块构成无线传感器网络，采集定位信息的原始数据；无线传感器网络、显示模块和运算模块构成三维定位系统，传输原始定位数据、进行运算处理并显示；运算模块、存储模块和远程查询模块组成定位信息的远程查询系统，将三维定位信息发布到网络，并由远程查询模块进行接收。本发明的用于无线传感器网络的三维定位和远程查询系统，运用模块化的思想，将整个系统的功能模块化，各个模块功能完善，可以独立开发，使得整个系统通用性强，易于搭建，并且整合了无线传感器网络的组建、三维定位、远程查询等各项技术，实现用于无线传感器网络的三维定位和远程查询系统。

说明书

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种用于无线传感器网络的三维定位 和远程查询系统。

背景技术

无线传感器网络集传感器技术、无线通信技术、嵌入式计算技术、微机电 系统技术和分布式信息处理技术于一体，通过传感器与外界交互，完成数据采 集、处理、通信及管理等功能，广泛应用于公共安全、国防军事、医疗卫生、 环境监测、智能家居、抢险救灾等诸多领域，具有广阔的应用前景。无线传感 器网络节点的三维定位作为无线传感器网络的关键支撑技术，对无线传感器网 络的应用有着重要的意义，没有位置信息的监测消息通常是毫无意义的，确定 事件发生的位置或采集数据的节点位置是传感器网络最基本的功能之一。

在近年来的研究中，人们对无线传感器网络的组建、三维定位的算法等问 题也提出了许多理论和方法，比如，中国专利申请号为：200710164581.2，名 称为：一种基于测距的无线传感器网络节点定位方法，该方法利用待测节点到 各个锚节点之间的距离差值来对待测节点的位置坐标进行定位。再比如，中国 专利申请号为：200810057495.6，名称为：三维空间中无线传感器网络基于 抽样的节点自身定位方法，该方法利用对三维空间随机抽样的方法，获取所需 样本点信息，并通过范围约束条件进行过滤得到成功样本点，取成功样本点 坐标平均值作为未知节点的初始坐标估计值。但是以上方法均偏重理论研究， 算法复杂度较高，对传感器节点硬件要求高，难以将其应用于构建实时的三维 定位系统。且现有的无线传感器网络的三维定位系统中没有整合远程查询功 能。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是从整体上整合无 线传感器网络的组建、三维定位、远程查询等各项技术，提供一种功能模块化 的、具有良好的通用性并且易搭建的用于无线传感器网络中的三维定位和远程查询 系统。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于无线传感器网络的三维定位和远程查 询系统，包括无线通信模块、传感器模块、运算模块、显示模块、存储模块和 远程查询模块，其中，所述无线通信模块与所述传感器模块组成无线传感器网 络，所述无线传感器网络与运算模块、显示模块组成三维定位系统，所述运算 模块、所述存储模块和所述远程查询模块组成三维定位信息的远程查询系统， 所述无线通信模块用于组建使各传感器可以互相通信的无线网络，并将所述传 感器模块采集的数据信息发送到所述运算模块；所述传感器模块用于采集数据 信息并将采集的数据信息发送到所述无线通信模块；所述运算模块用于对传 感器采集的数据信息进行运算，得到三维定位信息；所述显示模块用于显示来 自所述运算模块的所述三维定位信息；所述存储模块用于存储来自所述运算模 块的所述三维定位信息；所述远程查询模块用于提供所述储存模块中所存储的 所述三维信息的远程查询。

进一步地，所述无线通信模块包括网络组建子模块和信息处理子模块，所述网 络组建子模块用于组建使各传感器之间可以互相通信的无线网络，并分配所述 传感器模块中各传感器的身份，确定被定位的传感器和定位传感器；所述信息 处理子模块用于将所述传感器模块采集的数据信息打包并发送给所述运算模 块。

进一步地，所述网络组建子模块是采用Zigbee技术进行无线网络的组建的。

可选地，所述无线通信模块是由6个Crossbow公司生产的Iris系列无线 节点组成的。

进一步地，所述传感器模块是使用所述无线通信模块中的无线节点自带的信号 强度传感器进行数据信息采集的。

进一步地，所述运算模块进一步是通过如下步骤对传感器采集的数据信息进 行运算，得到三维定位信息的：

1)将所述传感器模块采集的数据信息经过计算转换为距离信息，得到被定 位的传感器和定位传感器之间的距离；

2)使用上述步骤1)计算的距离构建权值矩阵；

3)通过加权的最小二乘法求解所述被定位传感器的三维坐标；

4)通过所述被定位传感器的所述三维坐标计算所述被定位传感器到各 定位传感器的距离，并与所述步骤1)中得到的距离进行比较，并去 除比较的差值大于预定阀值的距离测量值；

5)使用剩余的距离测量值通过步骤3)再次计算所述被定位传感器的三 维坐标，并根据三维定位精度的要求判断是结束运算还是继续通过 步骤4)进行比较和去除。

所述运算模块通过上述运算得到三维定位信息后，将三维定位信息发送到 显示模块和存储模块。

进一步地，所述显示模块是以三维图像的形式显示来自所述运算模块的三维 定位信息的。

进一步地，所述存储模块是使用数据库来存储来自所述运算模块的三维定 位信息的。

进一步地，所述远程查询模块包括信息发布子模块和信息接收子模块，其 中信息发布子模块用于将来自所述存储模块的三维定位信息发布于互联网；信 息接收子模块通过互联网和信息发布子模块通信并显示三维定位信息。

进一步地，所述信息接收子模块是使用PDA终端作为载体，从互联网接收 三维定位信息的。

本发明的有益效果在于：将无线传感器网络中的三维定位和远程查询系统基于 功能进行模块化，通过各模块之间的协作实现整个系统的功能。各个模块功能完善， 可以独立开发，使得整个系统通用性强，易于搭建，并且整合了无线传感器网络 的组建、三维定位、远程查询等各项技术，实现用于无线传感器网络的三维定 位和远程查询系统。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明， 以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的用于无线传感器网络的三维定位和远程查询系统的构成图；

具体实施方式

下面结合附图来具体说明本发明的实施例。

如图1所示，一种用于无线传感器网络的三维定位和远程查询系统，包括无 线通信模块1、传感器模块2、运算模块3、显示模块4、存储模块5和远程查 询模块6，其中，所述无线通信模块1与所述传感器模块2组成无线传感器网 络，所述无线传感器网络与运算模块3、显示模块4组成三维定位系统，所述 运算模块3、所述存储模块5和所述远程查询模块6组成三维定位信息的远程 查询系统。所述无线通信模块1用于组建使各传感器可以互相通信的无线网络， 并将传感器模块2采集的数据信息发送到所述运算模块3；所述传感器模块2 用于采集数据信息并将采集的数据信息发送到所述无线通信模块1；所述运算 模块3用于对传感器采集的数据信息进行运算，得到三维定位信息；所述显示 模块4用于显示来自所述运算模块3的所述三维定位信息；所述存储模块5 用于存储来自所述运算模块3的所述三维定位信息；所述远程查询模块6用于 提供所述存储模块5中所存储的所述三维信息的远程查询；所述无线通信模块 1与所述传感器模块2组成无线传感器网络，采集数据信息，所述无线传感器 网络与运算模块3、显示模块4组成三维定位系统，传输所采集的数据信息， 根据采集的数据信息通过运算处理进行三维定位并显示三维定位信息，所述运 算模块3、所述存储模块5和所述远程查询模块6组成三维定位信息的远程查 询系统，将三维定位信息发布到互联网，并进行接收和显示。

其中，无线通信模块1包括网络组建子模块7和信息处理子模块8，网络 组建子模块7组建使各个传感器互相通信的无线网络，并对各个传感器的身份 进行分配，确定各个传感器是被定位的传感器还是定位传感器。而信息处理子 模块8则根据传感器的身份是被定位的传感器还是定位传感器，对传感器发送 和接收的数据信息进行特定方式的打包后，发送给运算模块3。

无线通信模块1可以是若干个无线节点，本实施例中，无线通信模块1是 由6个Crossbow公司生产的Iris系列无线节点组成，但是，本发明的系统中 的无线通信模块1并不仅限于此，可以根据实际情况选择其它公司的其它系列的无 线节点。

传感器模块2采集数据信息并定时将所采集的数据信息发送到无线通信模 块1的信息处理子模块8，本实施例中，传感器模块2使用上述无线通信模块 1的无线节点自带的信号强度传感器，采集接收信号的信号强度信息并量化为 数值信息，并将数值信息定时发送到无线通信模块1的信息处理子模块8。

运算模块3接收来自无线通信模块1的数据包，并采用特定的算法对数据 包中传感器模块2采集的相关信息进行处理，得到三维定位信息，并将处理所 得的三维定位信息打包发送至显示模块4和存储模块5。本实施例中所采用的 处理相关信息得到三维定位信息的方法如下：

1)将传感器模块2采集的信号强度信息，通过信道通信衰减模型转换为 距离信息，得到被定位的传感器和定位传感器之间的距离；

2)利用距离的二次方反比构建权值矩阵；

3)通过加权的最小二乘法求解被定位传感器的三维坐标；

4)通过被定位传感器的三维坐标计算被定位传感器到各定位传感器的距 离，并将计算结果与1)中得到的距离进行比较，去除掉比较差值大于预定阀 值的距离测量值；

5)使用剩余的距离测量值通过3)再次计算三维坐标，并根据系统三维定 位精度的要求判断是结束运算还是继续通过步骤4)进行比较和去除；

本实施例中，运算模块3采用基于Windows XP系统的软件平台来实现其 功能。其中，接收无线通信模块1定时发送的数据包并控制运算部分的功能用 C#语言编写的程序来实现，对数据进行处理并得到三维定位信息的运算部分用 Matlab2008a来实现，并在得到三维定位信息后将结果发送至由C#语言编写的 平台上，再由C#语言编写的程序所实现的发送数据的功能将三维定位信息打包 发送至其他模块，例如显示模块4或者存储模块5。

显示模块4接收来自运算模块3的三维定位信息，并实时显示三维定位信 息。本实施例中是通过三维图像的形式实时显示三维定位信息的，并且本实施 例的显示模块4是在基于Windows XP系统上的C#语言开发的程序来实现其功 能的。

存储模块5存储运算模块3产生的三维定位信息。本实施例中，存储模块 5是运用数据库来存储三维定位信息的。并且本实施例中，存储模块5是基于 Windows XP系统的数据库，使用Microsoft SQL Sever 2008布置和管理，来 存储运算模块3发送的三维定位信息，并与远程查询模块6进行通信。

远程查询模块6包括信息发布子模块9和信息接收子模块10，其中信息发 布子模块9从存储模块5提取三维定位信息并将其发布于互联网，使用TCP/IP 协议，信息接收子模块10从互联网接收并显示三维定位信息，并通过互联网 与信息发布子模块9通信。本实施例中，信息接收子模块10使用PDA终端作 为载体从互联网接收三维定位信息。并且本实施例中，信息发布子模块9是基 于Windows XP系统的网络平台，使用C#语言编写的程序来实现其功能。信息 接收子模块10为ipod-touch4G一台，并且是使用Object-C语言编写的客户 端程序来实现。

以上介绍了本发明的用于无线传感器网络的三维定位和远程查询系统的 一个实施例，为了对本发明的用于无线传感器网络的三维定位和远程查询系统 有一个更清楚的说明，下面对本实施例的工作方式说明如下：

在整个系统开始工作前，首先对系统的各个模块进行初始化，无线通信模 块1的初始化包括如下步骤：

1)分配每个无线传感器的角色是被定位的传感器还是定位传感器；

2)网络组建子模块7组建无线传感器网络；

3)信息处理子模块8与运算模块3建立通讯。

传感器模块2的初始化指启动各传感器接收信号强度的计量，开始定时将 信息发送给信息处理子模块8。

运算模块3的初始化包括以下步骤：

1)建立与信息处理子模块8的通讯；

2)启动显示模块4并初始化显示内容；

3)与存储模块5建立通信。

显示模块4的初始化由运算模块3来完成。

存储模块5的初始化指启动数据库。

远程查询模块6的初始化包括以下步骤：

1)信息发布子模块9与互联网连接；

2)信息发布子模块9从存储模块5得到初始化信息；

3)信息接收子模块10建立与信息发布子模块9的连接。

在系统的各个模块初始化完成后，各个模块的工作流程如下：

无线通信模块1和传感器模块2初始化后，循环执行以下步骤：

1)网络组建子模块7定时组织各无线节点进行通信；

2)传感器模块2中各传感器对发送和接收的通信信号检测通信的信号强 度；

3)传感器模块2中各传感器将检测结果量化成数值信息后发送给信息处 理子模块8；

4)信息处理子模块8对接收到的信息进行打包，并发送至运算模块3。

运算模块3初始化后循环执行以下步骤：

1)接收信息处理子模块8发送的数据信息；

2)运用相关算法计算被定位节点的三维定位信息；

3)将处理后的结果发送给显示模块4和储存模块5；

4)显示模块4显示三维定位结果。

存储模块5与远程查询模块6定时进行交互，循环执行以下步骤：

1)存储模块5将三维定位信息发送至信息发布子模块9；

2)信息发布子模块9将三维定位信息发送至互联网；

3)信息接收子模块10对信息发布子模块9进行查询，获取三维定位信息；

4)信息接收子模块10处理并显示三维定位信息。

本发明的用于无线传感器网络的三维定位和远程查询系统，基于功能进行模块 化，通过各模块之间的协作实现整个系统的功能，各个模块功能完善，可以独立开 发，使得整个系统通用性强，易于搭建，并且整合了无线传感器网络的组建、三 维定位、远程查询等各项技术，实现用于无线传感器网络的三维定位和远程查 询系统。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员 无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领 域的技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的 实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。