專利名稱：分層定位系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及定位系統(tǒng)及方法，更具體地說，涉及一種分層定位系統(tǒng)和方法。
背景技術：
現(xiàn)在，需要確定那些被許多金屬物體(如集裝箱、倉庫、廠房等)所圍 繞的環(huán)境中的各種物體的位置。此外， 一些物資、設備、貨物需要被監(jiān)視。 實時的定位和其狀態(tài)的確定可以支持操作中的決策。
現(xiàn)有技術中的GPS和基于RFID (Radio Frequency Identification,射頻識 別)的RTLS (Real-Time Location System,實時定位系統(tǒng))不能很好地滿足 上述需求，因為這兩種技術都很容易被金屬環(huán)繞的環(huán)境所屏蔽、干擾，導致 不可靠的結果。而且這兩種技術的成本都較高，使用規(guī)模不適宜調整。
發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題之一在于，針對現(xiàn)有技術的上述可靠性低，成 本較高、規(guī)模不適宜調整的缺陷，提供一種可靠性好、成本低、規(guī)模易調整 的分層定位系統(tǒng)。
本發(fā)明要解決的技術問題之二在于，針對現(xiàn)有技術的上述可靠性低，成 本較高、規(guī)模不適宜調整的缺陷，提供一種可靠性好、成本低、規(guī)模易調整 的分層定位方法。
本發(fā)明解決其技術問題之一所采用的技術方案是根據本發(fā)明的一方
面，構造一種分層定位系統(tǒng)，包括
設置在主要物體上的主設備，所述主要物體在無線局域網絡所覆蓋的區(qū)
域內移動；
4設置在次要物體上的從設備，所述次要物體圍繞不同的主要物體移動； 通過無線局域網絡連接到多個主設備上的信息服務器。 在本發(fā)明所述分層定位系統(tǒng)中，所述主設備包括數據處理單元、定位模 塊和具有ID號碼的主ZigBee?！姥?；所述從設備包括傳感器模塊和具有ID 號碼的從ZigBee模塊；所述信息服務器包括位置信息數據庫、追蹤模塊和報 警模塊。
在本發(fā)明所述分層定位系統(tǒng)中，所述主ZigBee模塊啟動無線傳感器網絡 并連接到周圍的從設備的從ZigBee模塊；所述無線傳感器網絡可使部分從 ZigBee模塊直接連接到主ZigBee?！姥耄糠謴腪igBee模塊通過連接到在同 一個網絡中的另外的從ZigBee模塊而間接連接到主ZigBee模塊。
在本發(fā)明所述分層定位系統(tǒng)中，所述無線傳感器網絡將任何在同一個網 絡中的主ZigBee模塊和從ZigBee模塊視為節(jié)點；所述節(jié)點周期性地廣播到 與其相連接的每個節(jié)點；所述節(jié)點發(fā)送響應信息到啟動所述網絡的主ZigBee 模塊，以響應與其直接相連接的節(jié)點發(fā)來的請求信息。
在本發(fā)明所述分層定位系統(tǒng)中，所述響應信息包括請求發(fā)送者ID號碼、 響應信息發(fā)送者ID號碼、與請求信息發(fā)送者和響應信息發(fā)送者之間的信號 強度相關的數據、信道質量值和傳感器數據；所述傳感器數據是通過從設備 的傳感器模塊捕獲到的數據。
在本發(fā)明所述分層定位系統(tǒng)中，所述傳感器模塊連接到不同的傳感器來 捕獲連接到與次要物體上設置的從設備的相關的傳感器數據；所述傳感器包 括IR傳感器、超聲傳感器、熱傳感器。
在本發(fā)明所述分層定位系統(tǒng)中，所述定位模塊用GPS或DGPS技術測量 主設備的位置；所述數據處理單元從定位模塊和ZigBee模塊得到數據，并通 過無線局域網絡將數據發(fā)送到信息服務器中。
在本發(fā)明所述分層定位系統(tǒng)中，所述位置信息數據庫存儲來自主設備的 數據；所述追蹤模塊計算主設備的位置和狀態(tài)；報警模塊發(fā)出報警信息，如 果主要物體或次要物體的位置和狀態(tài)發(fā)生異常，包括過多的次要物體在主 設備周圍移動、某個次要物體超過預定的時間內沒有移動。本發(fā)明要解決的技術問題之二所采用的技術手段是，根據本發(fā)明的另一 方面，提供一種分層定位方法，包括
a. 通過定位模塊測量到的定位數據識別出主設備的位置；
b. 在每個特定的時隙確定主設備啟動的無線傳感器網絡中的節(jié)點的ID 號碼；
c. 計算與相對于主設備的最近的從設備的位置；并且將此位置與前一個 或前多個時隙的數據作比較，然后通過確定無線傳感器網絡中從設備的位置 的變化來計算次要物體的移動信息；
d. 根據傳感器模塊收集到的傳感器數據和運動信息確定次要物體的狀態(tài)。
在本發(fā)明所述分層定位方法中，在步驟b中還包括確定網絡中的節(jié)點的 ID號碼來得到圍繞主設備的從設備的分組；在步驟c中還包括通過査看其所 屬的傳感器網絡來計算從設備的位置，所述從設備被認為與啟動所述網絡的 包含所述從設備的主設備相鄰；在步驟c中還包括將當前時隙中的傳感器網 絡中的從設備的ID號碼與前一個或前幾個時隙的ID號碼作比較，以確定次 要物體的運動信息，包括圍繞主設備的從設備的到達、離開、等待時間； 在步驟d中所述確定次要物體的狀態(tài)包括通過根據傳感器區(qū)域的活動、溫度、 濕度和次要物體的運動信息來確定。
實施本發(fā)明的分層定位系統(tǒng)和方法，具有以下有益效果此系統(tǒng)和方法 的最大優(yōu)勢是不易被干擾、可靠性好、成本低、規(guī)模易調整、適宜大規(guī)模使 用，此外不需要新的導線，具有較低的功率消耗，低廉的運行成本，還由于 網絡的自動組織使得節(jié)點可以自由移動而不會從網絡中斷開，因此還可自由 移動本定位系統(tǒng)。
下面將結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中
圖1是本發(fā)明分層定位系統(tǒng)的系統(tǒng)結構示意圖2是本發(fā)明分層定位系統(tǒng)的信息服務器的結構示意圖；圖3是本發(fā)明分層定位系統(tǒng)的主設備的結構示意圖4是本發(fā)明分層定位系統(tǒng)的從設備的結構示意圖5是本發(fā)明分層定位系統(tǒng)的一個應用實例的結構示意圖之一；
圖6是本發(fā)明分層定位系統(tǒng)的一個應用實例的結構示意圖之二；
圖7是本發(fā)明分層定位系統(tǒng)的一個應用實例的結構示意圖之三。
具體實施例方式
如圖1所示的是本發(fā)明分層定位系統(tǒng)的系統(tǒng)結構示意圖。本發(fā)明的分層 定位系統(tǒng)包括信息服務器和與之相連接的多個主設備(圖1中以MD表示主 設備(Master Device)),以及與主設備相連接的多個從設備(圖1中以SD表示 從設備(Slave Device)),從設備還可與其他多個從設備相連接，構成樹狀結構。 主設備設置在主要物體上，主要物體在無線局域網絡所覆蓋的區(qū)域內移動； 信息服務器的結構如圖2所示，信息服務器包括位置信息數據庫和與信息數 據庫相連接的追蹤模塊和報警模塊，信息服務器通過無線局域網絡連接到多 個主設備上。主設備的結構如圖3所示，包括數據處理單元和與數據處理單 元相連接的定位模塊和主ZigBee模塊。數據處理單元連接到信息服務器，接 收來自定位模塊和ZigBee模塊的數據。定位模塊用于測量定位數據。主 ZigBee模塊連接到從設備。從設備的結構如圖4所示，從設備包括具有ID 號碼的從ZigBee模塊、與從ZigBee模塊相連接的傳感器模塊，傳感器模塊 包括多個傳感器，從設備還可通過從ZigBee模塊與其他同樣的從設備相通信 連接。從設備設置在次要物體上，所述次要物體圍繞不同的主要物體移動。
主ZigBee模塊啟動無線傳感器網絡并連接到周圍的從設備的從ZigBee 模塊。無線傳感器網絡可使部分從ZigBee模塊直接連接到主ZigBee模塊模 塊，部分從ZigBee模塊通過連接到在同一個網絡中的另外的從ZigBee模塊 而連接到主ZigBee模塊。
無線傳感器網絡將任何在同一個網絡中的主ZigBee模塊和從ZigBee模 塊視為節(jié)點。節(jié)點周期性地廣播到與其相連接的每個節(jié)點。節(jié)點為了響應與 其直接相連接的節(jié)點發(fā)來的請求信息，發(fā)送響應信息到啟動網絡的主ZigBee
7模塊。響應信息包括請求發(fā)送者ID號碼、響應信息發(fā)送者ID號碼、與請求 信息發(fā)送者和響應信息發(fā)送者之間的信號強度相關的數據、信道質量值和傳 感器數據。傳感器數據通過從設備的傳感器模塊捕獲數據。傳感器模塊連接 到不同的傳感器來捕獲連接到次要物體上放置的從設備的相關的傳感器數 據，上述傳感器包括IR (Infrared,紅外線)傳感器、超聲傳感器、熱傳感器 等。定位模塊通過但不限于用GPS (Global Position System,全球定位系統(tǒng)) 或DGPS (Differential Global Position System,差分全球定位系統(tǒng))技術來測 量主設備的位置。數據處理單元從定位模塊和ZigBee模塊得到數據，并通過 無線局域網絡將數據發(fā)送到信息服務器中。
本發(fā)明還提供一種分層定位方法，包括下列步驟
a. 通過定位模塊測量到的定位數據識別出主設備的位置；
b. 在每個特定的時隙確定主設備啟動的無線傳感器網絡中的節(jié)點的ID 號碼；
c. 計算與相對于主設備的最近的從設備的位置；并且將此位置與前一個 或前多個時隙的數據作比較，然后通過確定無線傳感器網絡中從設備的位置 的變化來計算次要物體的移動信息；
d. 根據傳感器模塊收集到的傳感器數據和運動信息確定次要物體的狀態(tài)。
在上述步驟b中還包括確定網絡中的節(jié)點的ID號碼來得到圍繞主設備的 從設備的分組。
在上述步驟c中還包括通過查看其所屬的傳感器網絡來計算從設備的位 置，所述從設備被認為與啟動所述網絡的包含所述從設備的主設備相鄰。
在上述步驟c中還包括將當前時隙中的傳感器網絡中的從設備的ID號碼 與前一個或前幾個時隙的ID號碼作比較，以確定次要物體的運動信息，包 括圍繞主設備的從設備的到達、離開、等待時間。
在上述步驟d中，確定次要物體的狀態(tài)包括通過根據傳感器區(qū)域的活動、 溫度、濕度和次要物體的運動信息來確定。
可通過各種技術，例如傳感器網絡，無線網絡等來實現(xiàn)分布式計算環(huán)境，它可用于監(jiān)測貨物或其他物體的過去的或當前的狀態(tài)信息。此信息可來自于
傳感器并可存儲來便于以后使用。以下將結合圖5和圖6所示出的一個應用 實例對本發(fā)明作出更詳細的說明。
參考圖5和圖6，在本發(fā)明的一個具體應用的實施例 一種遠程集裝箱 碼頭監(jiān)測系統(tǒng)中，用ZigBee和DGPS技術來形成USN (無所不在的傳感網 絡)系統(tǒng)來在集裝箱碼頭進行操作的實時監(jiān)測。
基于ZigBee的優(yōu)勢，本發(fā)明提供的分層定位系統(tǒng)的一個具體應用實例， 相對于其他現(xiàn)有的系統(tǒng)，它具有幾個優(yōu)勢，例如，不需要新的導線，具有較 低的功率消耗，可以自由移動(例如，網絡的自組織使得節(jié)點可以自由移動 而不會從網絡中斷開)，碼頭計劃者可得到實時狀態(tài)信息，易于控制。本發(fā)明 將DGPS與ZigBee技術整合到特殊的碼頭裝箱的應用中在任意時間任意地點 來跟蹤和定位裝載和卸載中的卡車和碼頭起重機(QC, Quay Cranes )、帶輪胎 的構臺起重機(RTGC， Rubber-Tired Gantry Cranes)。特別地，DGPS用于碼 頭起重機和帶輪胎的構臺起重機的定位，而安裝在碼頭起重機和帶輪胎的構 臺起重機的主設備和卡車內的從設備通過ZigBee模塊形成一個傳感器網絡 來幫助測定在承載集裝箱的碼頭起重機和帶輪胎的構臺起重機的排隊卡車的 到達時間、等待時間和離開時間這樣的數據。主設備將與圍繞它的從設備建 立無線傳感器網絡(如圖5中的點劃線所示)。主設備的定位模塊將通過DGPS 技術(參考圖5中的虛線和虛線連接的衛(wèi)星和地面接收器)來定位裝有從設 備的碼頭起重機或者帶輪胎的構臺起重機。在集裝箱碼頭，每個RTGC/QC 安裝有主設備。主設備將與圍繞它的從設備建立無線傳感器網絡。當卡車運 動時，它將連接到與它更近的RTG/QC的網絡中。
參考圖6， ZigBee協(xié)調器(ZC)和DGPS安裝在碼頭起重機上，而ZigBee 路由器(ZR)安裝在卡車上。 一旦任何卡車靠近碼頭起重機或帶輪胎的構臺 起重機，卡車上的ZR將加入碼頭起重機或帶輪胎的構臺起重機上的ZC所 啟動的網絡，此網絡采用的是網狀網結構。每個節(jié)點(ZR或ZC)周期性地 發(fā)送響應信息到安裝在碼頭起重機或帶輪胎的構臺起重機上的ZC。 ZC將把 此響應信息即坐標通過WiFi轉送到服務器。同時，紅外線傳感器安裝在卡車上，其用于檢測是否裝載了任何集裝箱。 紅外線傳感器的輸出將根據卡車上的集裝箱的存在與否而改變。由于紅外線
傳感器與每個卡車上的ZigBee模塊相連接，因此，紅外線傳感器的輸出數據
也包含在響應信息當中。
下面以一個例子來說明坐標和數據是如何被ZigBee捕獲到的。例如，碼 頭起重機上的ZC與其下面的排隊的6輛卡車上的ZR形成網絡(參考圖7)。
在每個時隙，每個節(jié)點將發(fā)送一個請求到它所有的相鄰節(jié)點，對于每一 個接收到的請求，ZR將測量其與請求發(fā)送者間的信號強度，并把信號測量 數據發(fā)送響應到ZC。而ZC接收到請求之后，亦會測量它自身和請求發(fā)送者 之間的信號相關數據。
響應信息包括如下的數據
請求發(fā)送者ID號碼發(fā)出請求的節(jié)點的ID號碼；
接收者ID號碼(即響應信息發(fā)送者ID號碼)接收請求并將響應發(fā)送 到ZC的節(jié)點的ID號碼；
接收到的信號的強度標志(RSSI， Received Signal Strength Indicator): 與請求信息發(fā)送者和響應信息發(fā)送者之間的信號強度相關的數據；
信道質量值(LQI， Link Quality Indication):與網絡中的相鄰節(jié)點的連
接質量和成功傳輸的可能性相關的數據；
傳感器數據(DATA): ZR從傳感器收集得到的數據，此數據是IR傳感器
的輸出。
以下是一個例子，節(jié)點003發(fā)送到ZC的響應， 發(fā)送者HX)01;接收者HX)03; RSSI=-57; LQI=255;DATA=10; 發(fā)送者ID-002;接收者HX)03; RSSI=-25; LQI=255;DATA=11; 發(fā)送者ID-005;接收者ID-003; RSSI=-70; LQI=255;DATA=10; 發(fā)送者ID-006;;接收者10=003; RSSI=-30; LQI=255;DATA=00。 除了ZigBee設備，DGPS接收器是另外的自動坐標捕獲設備，在碼頭起
重機和帶輪胎的構臺起重機上的接收器接收它們的經緯度坐標并用WiFi發(fā)
送到信息服務器并儲存在信息數據庫中。集裝箱場地分成許多區(qū)域，區(qū)域號被分配給每個區(qū)域。在每個區(qū)域，具 有多個隔間部分。信息服務器中的追蹤模塊根據區(qū)域和隔間的一一對應，坐
標操作單元可將經諱度坐標轉換成區(qū)域ID和隔間ID，可被系統(tǒng)識別出來， 并被人理解。網絡中的ID號碼，可用于確定排隊卡車的ID。網絡中ID號碼 的變化也可反映出碼頭起重機或帶輪胎的構臺起重機周圍的卡車的到來時間 和離開時間。紅外線傳感器的輸出可以使信息服務器計算集裝箱的數目和它 們于何時承載了或卸載。
如有異常情況，例如太多卡車停留在某碼頭起重機或帶輪胎的構臺起重 機周圍，卡車停留在某碼頭起重機或帶輪胎的構臺起重機周圍太久等，信息 服務器的報警模塊會發(fā)出報警信息。
以上所述僅僅是本發(fā)明的一個具體的應用實例，本領域的技術人員應當 理解，根據本發(fā)明的精神，還可以將本發(fā)明應用到其他的需要對物體進行定 位的場合。
權利要求
1、一種分層定位系統(tǒng)，其特征在于，包括設置在主要物體上的主設備，所述主要物體在無線局域網絡所覆蓋的區(qū)域內移動；設置在次要物體上的從設備，所述次要物體圍繞不同的主要物體移動；通過無線局域網絡連接到多個主設備上的信息服務器。
2、 根據權利要求l所述系統(tǒng)，其特征在于，所述主設備包括數據處理單 元、定位模塊和具有ID號碼的主ZigBee模塊；所述從設備包括傳感器模塊 和具有ID號碼的從ZigBee模±央；所述信息服務器包括位置信息數據庫、追 蹤模塊和報警模塊。
3、 根據權利要求2所述系統(tǒng)，其特征在于，所述主ZigBee模塊啟動無 線傳感器網絡并連接到周圍的從設備的從ZigBee模塊；所述無線傳感器網絡 可使部分從ZigBee模塊直接連接到主ZigBee?！姥耄糠謴腪igBee模塊通過 連接到在同一個網絡中的另外的從ZigBee模塊而間接連接到主ZigBee模塊。
4、 根據權利要求3所述系統(tǒng)，其特征在于，所述無線傳感器網絡將任何 在同一個網絡中的主ZigBee模塊和從ZigBee模塊視為節(jié)點；所述節(jié)點周期 性地廣播到與其相連接的每個節(jié)點；所述節(jié)點發(fā)送響應信息到啟動所述網絡 的主ZigBee模塊，以響應與其直接相連接的節(jié)點發(fā)來的請求信息。
5、 根據權利要求4所述系統(tǒng)，其特征在于，所述響應信息包括請求發(fā)送 者ID號碼、響應信息發(fā)送者ID號碼、與請求信息發(fā)送者和響應信息發(fā)送者 之間的信號強度相關的數據、信道質量值和傳感器數據；所述傳感器數據是 通過從設備的傳感器模塊捕獲到的數據。
6、 根據權利要求2所述系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感器模塊連接到不同 的傳感器來捕獲連接到與次要物體上設置的從設備的相關的傳感器數據；所 述傳感器包括IR傳感器、超聲傳感器、熱傳感器。
7、 根據權利要求2所述系統(tǒng)，其特征在于，所述定位模塊通過GPS或 DGPS技術測量主設備的位置；所述數據處理單元從定位模塊和ZigBee模塊得到數據，并通過無線局域網絡將數據發(fā)送到信息服務器中。
8、 根據權利要求2所述系統(tǒng)，其特征在于，所述位置信息數據庫存儲來 自主設備的數據；所述追蹤模塊計算主設備的位置和狀態(tài)；報警模塊發(fā)出報 警信息，如果主要物體或次要物體的位置和狀態(tài)發(fā)生異常，包括過多的次要 物體在主設備周圍移動、某個次要物體超過預定的時間內沒有移動。
9、 一種分層定位方法，其特征在于，包括a. 通過定位模塊測量到的定位數據識別出主設備的位置；b. 在每個特定的時隙確定主設備啟動的無線傳感器網絡中的節(jié)點的ID 號碼；c. 計算與相對于主設備的最近的從設備的位置；并且將此位置與前一個 或前多個時隙的數據作比較，然后通過確定無線傳感器網絡中從設備的位置 的變化來計算次要物體的移動信息；d. 根據傳感器模塊收集到的傳感器數據和運動信息確定次要物體的狀態(tài)。
10、 根據權利要求9所述分層定位方法，其特征在于，在步驟b中還包 括確定網絡中的節(jié)點的ID號碼來得到圍繞主設備的從設備的分組；在步驟C 中還包括通過査看其所屬的傳感器網絡來計算從設備的位置，所述從設備被 認為與啟動所述網絡的包含所述從設備的主設備相鄰；在步驟C中還包括將 當前時隙中的傳感器網絡中的從設備的ID號碼與前一個或前幾個時隙的ID 號碼作比較，以確定次要物體的運動信息，包括圍繞主設備的從設備的到 達、離開、等待時間；在步驟d中所述確定次要物體的狀態(tài)包括通過根據傳 感器區(qū)域的活動、溫度、濕度和次要物體的運動信息來確定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種分層定位系統(tǒng)和方法，采用信息服務器和與之相連接的主設備、從設備，信息服務器包括位置信息數據庫、追蹤模塊和報警模塊，主設備包括數據處理單元和與數據處理單元相連接的定位模塊和主ZigBee模塊，從設備包括從ZigBee模塊、與從ZigBee模塊相連接的傳感器模塊，信息服務器、主設備、從設備通過ZigBee模塊形成傳感器網絡以測定物體的位置和移動狀態(tài)。本發(fā)明的分層定位系統(tǒng)和方法，不易被干擾、可靠性好、成本低、規(guī)模易調整、適宜大規(guī)模使用，此外不需要新的導線，且具有較低的功率消耗，低廉的運行成本，還可自由移動本定位系統(tǒng)。
文檔編號G01S5/02GK101650417SQ20081013104
公開日2010年2月17日 申請日期2008年8月13日 優(yōu)先權日2008年8月13日
發(fā)明者倫婉霞, 倪偉定, 李仲麟, 蔡日星, 鄭大昭, 黎基雄 申請人:香港理工大學