基于区域划分的无线传感器网络室内移动目标跟踪方法

摘要

本发明是一种基于区域划分的无线传感器网络室内移动目标跟踪方法，其特点是：包括基于多结构的损耗模型、基于三维空间划分的定位方法和基于交空间质心的跟踪方法。具有科学合理，适用性强，低时延，高精度，能够适用于复杂环境等优点。

说明书

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，涉及一种基于区域划分的无线传感器网络室内移动目标跟踪方法。

背景技术

室内移动目标的定位和跟踪是无线传感器网络的重要应用之一，目前已被广泛应用于商场、机场、医院等场所。但是现有的无线定位跟踪系统无法满足低成本、高精度的应用需求,在室内对移动目标进行大范围的定位时，由于地板、墙壁和障碍物等因素的影响，传统的定位算法必定会有较大的误差。因此，研究一种抗干扰性较强，能适应复杂环境的室内定位技术是必要的。由于室内环境的复杂多变性，使得室内无线定位技术有着不同于普通定位系统的鲜明特点，而且这些特点是户外定位技术所不具备的。室内是人类活动最密集且密切相关的场所。然而，一些因素制约着室内无线定位技术的深入发展。在室内环境下，对于不同的建筑物而言，室内的布置、材料结构、建筑物尺度的不同导致了信号的路径损耗大，建筑物的内在结构会引起信号的反射、绕射、折射和散射等，形成多径现象，使得接收信号的幅度，相位和到达时间发生变化，造成信号的损失，使定位的难度加大。

现阶段常见的用于定位和追踪的系统有GPS和北斗卫星定位系统。由于在室内环境中卫星信号衰减太快，所以无法用卫星定位系统对室内移动目标进行定位。室内定位与跟踪技术主要有两个方向——广域网和局域网。其中，广域网的代表是北邮的TC-OFDM系统、澳大利亚的Locata系统和美国高通公司的方案，都是承载到广域网上实现广域覆盖；局域室内定位跟踪技术的代表是Wi-Fi、蓝牙、ZigBee、RFID等方案，这些都是承载到局域网中实现局部区域的覆盖。广域室内定位跟踪技术通常需要改造基站及手机芯片等设备模块，成本巨大、时间周期较长。局域室内定位跟踪技术成本较低、周期短，是目前商业化推广运作较好的选择方案。但是它依然存在一些问题，主要体现在：

(1)定位技术分为基于测距的定位算法和无需测距的定位算法。其中基于测距的定位技术需要通过测量节点间的距离实现，因此，节点之间的测距精度会直接影响最终的跟踪结果。在复杂的定位跟踪空间内，信号在传播的过程中会受到墙壁、地板、障碍物的穿透、反射以及随机噪声的影响，最终导致定位精度的下降。

(2)在参考节点一定的情况下，定位空间范围的大小以及划分区域是否合理都直接影响着定位跟踪精度。如何将三维跟踪空间进行合理地划分已成为提高定位精度需要解决的问题。

(3)在室内随机噪声的影响下，四边定位方法中四个球有可能无法交于一点导致不能成功定位，导致定位成功率下降；也会有定位结果超出规定的范围的情况影响着定位的精度以及跟踪路径的拟合程度。

发明内容

本发明的目的是，在现实定位环境对移动目标实现实时跟踪的目的，针对现有的损耗模型不能够准确地将接收信号强度(RSSI)转换成距离、如何将三维空间进行划分以及存在的无法定位或者定位坐标超出规定范围等问题，提出一种科学合理，适用性强，低延时，高精度，能够适用于复杂环境的基于区域划分的无线传感器网络室内移动目标跟踪方法。

本发明的目的是由以下技术方案来优化的：一种基于区域划分的无线传感器网络室内移动目标跟踪方法，其特征是，它包括基于多结构的损耗模型、基于三维空间划分的定位和基于交空间质心的跟踪，

1)所述的基于多结构的损耗模型：根据室内障碍物的情况，将室内环境进行划分为小区域，在不同的实验区域内建立不同的损耗模型：未知节点和参考节点在同一个房间内通信时，采用经典的对数路径损耗模型；未知节点和参考节点不在同一房间内通信且不在同一楼层，信号会穿地板传播，此时，其损耗模型表示为(1)式：

其中，d为两节点之间的距离，PL(d)为接收端接收到的信号的功率，PL(d₀)为两节点之间的距离为d₀时的信号强度，n为信号传播过程中的损耗因子，X_σ是均值为0，方差为σ的高斯噪声，N_f为接收端与发射端之间第f类地板的数目，L_f为穿过第f类地板的损耗，m为地板的厚度；未知节点和参考节点不在同一房间内通信但在同一楼层，信号会穿墙壁传播，此时，其损耗模型表示为(2)式：

其中，d为两节点之间的距离，PL(d)为接收端接收到的信号的功率，d₀为两节点间的参考距离，PL(d₀)为两节点之间的距离为d₀时的信号强度，n为信号传播过程中的损耗因子，X_σ是均值为0，方差为σ的高斯噪声，N_j为接收端与发射端之间第j类墙的数目，L_j为穿过第j类墙的损耗，其计算为(3)式：

其中，a、a₁、a₂、a₃为常数，根据实际环境确定其值，d₁为未知节点在墙壁上的投影到门的距离，ρ为信号穿过不同材料墙壁的损耗因子，m₁为墙壁的厚度；

2)所述的基于三维空间划分的定位方法：首先选出与未知节点通信的RSSI值最大的4个参考节点，其次根据参考节点的序号和坐标将一栋楼的空间精确划分：

①若与未知节点通信的参考节点序号集中在某个房间内，则此时定义未知节点坐标的范围为该房间的长、宽和高；

②若与未知节点通信的参考节点序号不连续且不在一个楼层的一端，则此时规定未知节点x坐标的范围为参考节点所在房间之和，y坐标的范围为走廊的宽度，z坐标的范围为参考节点所在楼层的高度；

③若与未知节点通信的参考节点序号不连续但同在一个楼层的一端，则此时规定未知节点所处的环境为楼道，其坐标为楼道的长宽高；最后，利用上述范围检测定位坐标是否符合要求；

3)所述的基于交空间质心的跟踪方法：主要是对无法成功定位的点和定位坐标超出范围的点进行修正并完成滤波，其核心思想为：在k时刻的坐标位置只与k-1时刻有关，并影响k+1时刻坐标位置，设移动目标最大运动速度为v_max，相邻时刻之间的时间差为Δt，则以v_max·Δt为半径，以k-1时刻和k+1时刻的坐标为圆心画球，得到一相交区域，记为Q，该区域与上述所求的未知节点范围区域相交，得到了交区域P，则区域P的质心为k时刻的未知节点坐标，以此提高路径拟合程度。

本发明的基于区域划分的无线传感器网络室内移动目标跟踪方法，在测距阶段：提出了一种基于多结构的损耗模型，考虑实际环境中多种因素对室内信号传播的影响，并根据障碍物的不同提出用不同的信号损耗模型；在定位阶段：提出了基于区域划分的定位方法，根据参考节点和未知节点的位置关系以及参考节点的排列序号，将定位三维空间合理地划分，有效地减小了定位误差；在跟踪阶段：提出了基于交空间质心的跟踪方法，根据前后时刻成功定位出的坐标信息修正未成功定位或超出范围的点，提高了跟踪路径的拟合程度。具有科学合理，适用性强，低时延，高精度，能够适用于复杂环境等优点。

附图说明

图1为基于区域划分的无线传感器网络室内移动目标跟踪方法流程图

具体实施方式

下面利用附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明的一种基于区域划分的无线传感器网络室内移动目标跟踪方法，包括基于多结构的损耗模型、基于三维空间划分的定位方法和基于交空间质心的跟踪方法。

1)所述的基于多结构的损耗模型：根据室内障碍物的情况，将室内环境进行划分为小区域，在不同的实验区域内建立不同的损耗模型：未知节点和参考节点在同一个房间内通信时，采用经典的对数路径损耗模型；未知节点和参考节点不在同一房间内通信且不在同一楼层，信号会穿地板传播，此时，其损耗模型表示为(1)式：

其中，d为两节点之间的距离，PL(d)为接收端接收到的信号的功率，PL(d₀)为两节点之间的距离为d₀时的信号强度，n为信号传播过程中的损耗因子，X_σ是均值为0，方差为σ的高斯噪声，N_f为接收端与发射端之间第f类地板的数目，L_f为穿过第f类地板的损耗，m为地板的厚度；未知节点和参考节点不在同一房间内通信但在同一楼层，信号会穿墙壁传播，此时，其损耗模型表示为(2)式：

其中，d为两节点之间的距离，PL(d)为接收端接收到的信号的功率，d₀为两节点间的参考距离，PL(d₀)为两节点之间的距离为d₀时的信号强度，n为信号传播过程中的损耗因子，X_σ是均值为0，方差为σ的高斯噪声，N_j为接收端与发射端之间第j类墙的数目，L_j为穿过第j类墙的损耗，其计算为(3)式：

其中，a、a₁、a₂、a₃为常数，根据实际环境确定其值，d₁为未知节点在墙壁上的投影到门的距离，ρ为信号穿过不同材料墙壁的损耗因子，m₁为墙壁的厚度；

2)所述的基于三维空间划分的定位方法：首先选出与未知节点通信的RSSI值最大的4个参考节点，其次根据参考节点的序号和坐标将一栋楼的空间精确划分：

①若与未知节点通信的参考节点序号集中在某个房间内，则此时定义未知节点坐标的范围为该房间的长、宽和高；

②若与未知节点通信的参考节点序号不连续且不在一个楼层的一端，则此时规定未知节点x坐标的范围为参考节点所在房间之和，y坐标的范围为走廊的宽度，z坐标的范围为参考节点所在楼层的高度；

③若与未知节点通信的参考节点序号不连续但同在一个楼层的一端，则此时规定未知节点所处的环境为楼道，其坐标为楼道的长宽高；最后，利用上述范围检测定位坐标是否符合要求；

3)所述的基于交空间质心的跟踪方法：主要是对无法成功定位的点和定位坐标超出范围的点进行修正并完成滤波，其核心思想为：在k时刻的坐标位置只与k-1时刻有关，并影响k+1时刻坐标位置，设移动目标最大运动速度为v_max，相邻时刻之间的时间差为Δt，则以v_max·Δt为半径，以k-1时刻和k+1时刻的坐标为圆心画球，得到一相交区域，记为Q，该区域与上述所求的未知节点范围区域相交，得到了交区域P，则区域P的质心为k时刻的未知节点坐标，以此提高路径拟合程度。

参照图1，本发明的基于区域划分的无线传感器网络室内移动目标跟踪方法，包括的内容有：基于多结构的损耗模型、基于三维空间划分的定位方法和基于交空间质心的跟踪方法。

开始后，进行数据采集，四个参考节点同时给未知节点传输信息，根据数据RSSI和距离用软件拟合出信号损耗模型，从而确定模型中的参数。在跟踪空间内，采集三维空间划分的定位方法，参考节点和未知节点间的RSSI，并根据上述的模型将RSSI转换成两节点之间的距离，根据参考节点和未知节点的位置关系和参考节点的排列序号将跟踪空间进行划分，根据距离和参考节点的位置信息利用四边定位方法计算未知节点的坐标，判断所求的坐标是否在规定的区间内，若在区间内则进行滤波得到跟踪路径，若不在区间内则利用灰预测以及交空间质心方法计算出现问题的点。

本发明的软件程序依据自动化、网络和计算机处理技术编制，是本领域技术人员所熟悉的技术。

本发明的具体实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需对所有的实施方式予以穷举，而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。