專(zhuān)利名稱(chēng)：無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的位置檢測(cè)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的位置檢測(cè)，更具體地，涉及安裝在エ業(yè)環(huán)境中的無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)中的位置檢測(cè)。
背景技術(shù)：
無(wú)線技術(shù)、低功率微處理器、集成電路、測(cè)量和控制技術(shù)、能量存儲(chǔ)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步已使低成本低功率設(shè)備的開(kāi)發(fā)成為可能。將無(wú)線設(shè)備一起聯(lián)網(wǎng)成能夠滿足エ序自動(dòng)化應(yīng)用的可靠性、延遲、實(shí)時(shí)和性能要求的傳感器網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)考慮可用資 源的實(shí)際限制是ー項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間變化，并且無(wú)線節(jié)點(diǎn)來(lái)回移動(dòng)。數(shù)據(jù)在不同的路徑上動(dòng)態(tài)路由，并且電池具有有限能量。為了滿足這些要求，網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)必須能夠利用設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)自身報(bào)告的信息來(lái)形成總的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌缓筢槍?duì)延遲、功率和呑吐量，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)度和優(yōu)化。延遲管理同時(shí)節(jié)約功率是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前面對(duì)的問(wèn)題。為了使延遲最小，需要對(duì)通信進(jìn)行組織，使得分組(packet)不在從源到目的地的路由上發(fā)生延遲。在エ業(yè)環(huán)境中，低功率節(jié)點(diǎn)必須工作很長(zhǎng)時(shí)間，通常是很多年，且常常無(wú)人看管。為了使能量使用最小，設(shè)備應(yīng)盡可能保持在低功率模式。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的典型通信距離下，偵聽(tīng)無(wú)線信道上的信息消耗大約與數(shù)據(jù)傳輸相同量的功率。此外，空閑設(shè)備的能量消耗大約與接收模式下設(shè)備的能量消耗相同。結(jié)果，最有效的節(jié)約功率的方式是在空閑時(shí)間關(guān)閉無(wú)線收發(fā)裝置和設(shè)備自身。關(guān)閉設(shè)備意味著事先知道設(shè)備何時(shí)將是空閑的以及何時(shí)應(yīng)當(dāng)再次通電。在エ業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(如WirelessHART)中采用的方法是為設(shè)備配置與設(shè)備應(yīng)何時(shí)醒來(lái)、執(zhí)行特定功能、以及再次休眠有關(guān)的知識(shí)。該配置由網(wǎng)絡(luò)管理器執(zhí)行，并被稱(chēng)為時(shí)間調(diào)度。一種解決方式是使用時(shí)間同步無(wú)線技術(shù)，如WirelessHART使用的時(shí)分多址(TDMA) o WirelessHART是操作于2.4GHz ISM無(wú)線頻段上的安全聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用IEEE802. 15. 4兼容的直接序列擴(kuò)頻(DSSS)無(wú)線收發(fā)裝置，信道逐分組跳頻。調(diào)度由集中式網(wǎng)絡(luò)管理器執(zhí)行，所述集中式網(wǎng)絡(luò)管理器將全部網(wǎng)絡(luò)路由信息與設(shè)備和應(yīng)用已經(jīng)提供的通信要求結(jié)合使用。調(diào)度被細(xì)分為時(shí)隙，并且從網(wǎng)絡(luò)管理器傳輸至各個(gè)設(shè)備。僅向設(shè)備提供該設(shè)備具有發(fā)送或接收要求的時(shí)隙。網(wǎng)絡(luò)管理器不斷地使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)圖和網(wǎng)絡(luò)調(diào)度適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜屯ㄐ乓蟮母淖?。網(wǎng)絡(luò)管理器還初始化并維護(hù)網(wǎng)絡(luò)通信參數(shù)值。網(wǎng)絡(luò)管理器提供加入和離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)以及管理專(zhuān)用和共享網(wǎng)絡(luò)資源的機(jī)制。此外，網(wǎng)絡(luò)管理器負(fù)責(zé)采集和維護(hù)與網(wǎng)絡(luò)的總體健康有關(guān)的診斷，并將該診斷報(bào)告給基于主機(jī)的應(yīng)用。在エ業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，期望跟蹤エ廠地面上的人和資產(chǎn)的能力以及隨后檢測(cè)入侵者的能力。用于實(shí)現(xiàn)位置檢測(cè)的先前的方法要求安裝各種傳感器、信標(biāo)和檢測(cè)器以及単獨(dú)的基礎(chǔ)設(shè)施，以執(zhí)行位置檢測(cè)和報(bào)告。単獨(dú)實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)通常過(guò)于昂貴，導(dǎo)致不包括位置信息的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。需要ー種使用現(xiàn)有的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)進(jìn)行位置檢測(cè)的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例包括由第一節(jié)點(diǎn)測(cè)量校準(zhǔn)計(jì)數(shù)乘數(shù)，并由第二節(jié)點(diǎn)測(cè)量第ニ校準(zhǔn)計(jì)數(shù)乘數(shù)。由第一節(jié)點(diǎn)發(fā)送并由第二節(jié)點(diǎn)接收消息。由第二節(jié)點(diǎn)發(fā)送并由第一節(jié)點(diǎn)接收第二消息。測(cè)量從開(kāi)始發(fā)送第一消息到開(kāi)始接收第二消息的第一耗時(shí)。還測(cè)量從開(kāi)始接收第一消息到開(kāi)始發(fā)送第二消息的第二耗時(shí)。由第二節(jié)點(diǎn)發(fā)送并由第一節(jié)點(diǎn)接收包含第ニ耗時(shí)的第三消息。第二校準(zhǔn)計(jì)數(shù)乘數(shù)包括在第二消息或第三消息中。接著，基于第一耗時(shí)和第二耗時(shí)以及第一校準(zhǔn)計(jì)數(shù)乘數(shù)和第二校準(zhǔn)計(jì)數(shù)乘數(shù)，來(lái)計(jì)算第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)之間的距離。在本發(fā)明的另ー實(shí)施例中，描述了ー種用于在無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)內(nèi)定位節(jié)點(diǎn)的方法。在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)多于ー個(gè)的位置，定位節(jié)點(diǎn)。針對(duì)每個(gè)位置，確定關(guān)于節(jié)點(diǎn)的位置信息。測(cè)量距安裝在無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)中的其他節(jié)點(diǎn)的距離，并將其與關(guān)于節(jié)點(diǎn)的位置信息一起發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)管理器。網(wǎng)絡(luò)管理器存儲(chǔ)針對(duì)每個(gè)位置的距離和位置信息。


圖I是示出了用于確定校準(zhǔn)計(jì)數(shù)乘數(shù)的方法的狀態(tài)流程圖。圖2是示出了傳播時(shí)間計(jì)算的時(shí)序圖。圖3是示出了節(jié)點(diǎn)在無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)中的示例位置的空間的圖。圖4是可用于限定另ー節(jié)點(diǎn)的可能位置的到相鄰節(jié)點(diǎn)的距離測(cè)量的圖。
具體實(shí)施例方式エ業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)(特別是那些利用諸如WirelessHART等時(shí)間同步網(wǎng)狀網(wǎng)的エ業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò))可以用于能夠跟蹤エ廠地面上的人和資產(chǎn)的位置檢測(cè)。在更先進(jìn)的配置中，還可以實(shí)現(xiàn)入侵者檢測(cè)。對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)設(shè)備進(jìn)行增強(qiáng)，以包括絕對(duì)或相對(duì)位置信息、以及基于三角測(cè)量法、繪圖或其他數(shù)學(xué)技術(shù)來(lái)計(jì)算位置的算法。專(zhuān)用設(shè)備(如定位器信標(biāo))發(fā)出周期性信標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(如手持設(shè)備或附在人員身上的位置傳感器)使用該周期性信標(biāo)來(lái)識(shí)別位置。這些節(jié)點(diǎn)可以包括基干與安裝在無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)中的其他節(jié)點(diǎn)(如エ廠地面上的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和信標(biāo)設(shè)備)的通信來(lái)確定位置的算法。此外，它們可以在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和信標(biāo)設(shè)備中插入絕對(duì)或相對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)。設(shè)備(如手持設(shè)備)具有在エ廠四處移動(dòng)以插入“相対”參考點(diǎn)信息的附加能力，所述“相対”參考點(diǎn)信息増加了定位節(jié)點(diǎn)的精度。該信息可以被反饋至主機(jī)計(jì)算機(jī)(如網(wǎng)絡(luò)管理器)上的中央應(yīng)用，所述主機(jī)計(jì)算機(jī)包含過(guò)程生產(chǎn)設(shè)施的地圖。接著，使用主機(jī)應(yīng)用中的信息來(lái)定位在無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)中移動(dòng)的資產(chǎn)或人員?，F(xiàn)場(chǎng)時(shí)間調(diào)整當(dāng)在兩個(gè)模塊間發(fā)送消息時(shí)，可以進(jìn)行傳播時(shí)間測(cè)量，并將其用于確定兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的距離。距離確定的精度與時(shí)間測(cè)量的精度直接相關(guān)。在無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)中，ー個(gè)節(jié)點(diǎn)將正在發(fā)送，而第二節(jié)點(diǎn)正在接收。除了無(wú)線鏈路，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間不存在連接。每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有其自身的時(shí)間意識(shí)。可以使用全局時(shí)鐘對(duì)消息加蓋時(shí)間戳，但該方法易受因傳播延遲和有限分辨率造成的誤差的影響。然而，一些現(xiàn)有的無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)(特別是采用WirelessHART的無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng))包括一些特征，這些特征可用于在不増加任何硬件或不顯著改變軟件的情況下實(shí)現(xiàn)更精確的位置確定。圖I示出了用于最小化振蕩器變化以改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘精度的技木?？梢允褂幂^低速度的微處理器時(shí)鐘來(lái)最小化高速振蕩器 的變化。過(guò)程10起始于在12使振蕩器計(jì)數(shù)器歸零，并在14設(shè)置20ms的中斷。20ms是典型的采用值，但幾乎任意時(shí)段都將適用。接著，節(jié)點(diǎn)在16等待或處理其他任務(wù)，直至在18被中斷為止。在20讀取計(jì)數(shù)。該值是20ms時(shí)段內(nèi)的計(jì)數(shù)數(shù)目。作為示例，對(duì)該時(shí)段內(nèi)振蕩器周期(tick)的數(shù)目進(jìn)行計(jì)數(shù)。如果振蕩器的標(biāo)稱(chēng)值為IxlO9Hz,則理想計(jì)數(shù)將是20，000，000。然而，較小的誤差可能產(chǎn)生20，000，010個(gè)周期。由于微處理器時(shí)鐘比振蕩器更精確，該計(jì)數(shù)值可以被表征為校準(zhǔn)計(jì)數(shù)乘數(shù)，并用于以增加的分辨率來(lái)比較不同節(jié)點(diǎn)的振蕩器計(jì)數(shù)值。本發(fā)明使用該校準(zhǔn)計(jì)數(shù)乘數(shù)來(lái)増加傳播時(shí)間計(jì)算的精度，所述傳播時(shí)間計(jì)算用于確定兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的距離。為了完成該計(jì)算，必須分辨在ー個(gè)節(jié)點(diǎn)處開(kāi)始發(fā)送消息以及在另一節(jié)點(diǎn)處接收該消息的時(shí)刻。即使在時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)中，振蕩器頻率的微小差異也能產(chǎn)生距離計(jì)算的誤差。圖2是示出了示例節(jié)點(diǎn)A的時(shí)間軸40以及示例節(jié)點(diǎn)B的時(shí)間軸42的時(shí)序圖。節(jié)點(diǎn)A在44開(kāi)始時(shí)間測(cè)量，并向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送讀取距離命令消息。節(jié)點(diǎn)B在48開(kāi)始接收讀取距離命令消息46時(shí)開(kāi)始第二時(shí)間測(cè)量。在50，節(jié)點(diǎn)B向節(jié)點(diǎn)A發(fā)送確認(rèn)52，并在確認(rèn)52的開(kāi)始位置完成其時(shí)間測(cè)量。當(dāng)接收到確認(rèn)52時(shí)，節(jié)點(diǎn)A在54開(kāi)始接收確認(rèn)52時(shí)停止其時(shí)間測(cè)量。在56，節(jié)點(diǎn)B產(chǎn)生響應(yīng)消息58，響應(yīng)消息58包含其時(shí)間測(cè)量的值以及節(jié)點(diǎn)B的校準(zhǔn)計(jì)數(shù)乘數(shù)。如果網(wǎng)絡(luò)協(xié)議要求，節(jié)點(diǎn)A可以附加地向節(jié)點(diǎn)B發(fā)回確認(rèn)60?？梢允褂萌我鈹?shù)目的技術(shù)(包括時(shí)間戳和計(jì)數(shù)器)來(lái)進(jìn)行耗時(shí)測(cè)量。為了使用時(shí)間戳，記錄開(kāi)始時(shí)間戳和終止時(shí)間戳。通常，使用空轉(zhuǎn)時(shí)鐘。從第二時(shí)間戳中減去第一時(shí)間戳，以產(chǎn)生兩個(gè)時(shí)間戳間的耗時(shí)。計(jì)數(shù)器方法起始于將計(jì)數(shù)器寄存器初始化為O。接著，計(jì)數(shù)器以系統(tǒng)時(shí)鐘空轉(zhuǎn)，直至其被停止或被讀取。寄存器中的值即為耗時(shí)。耗時(shí)測(cè)量的分辨率典型地與微處理器的時(shí)鐘周期相同。時(shí)鐘越快，基于耗時(shí)測(cè)量的計(jì)算就越為精確。在以電池操作的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上找到的時(shí)鐘頻率產(chǎn)生大約10 20納秒量級(jí)的測(cè)量分辨率，然而可以輕易地獲得I納秒的周期，并將產(chǎn)生更好的結(jié)果。由于提供確認(rèn)消息的時(shí)延是已知的，此時(shí)能夠計(jì)算傳播時(shí)間。為了獲得更高的精度，使用校準(zhǔn)計(jì)數(shù)乘數(shù)，來(lái)縮放來(lái)自每個(gè)節(jié)點(diǎn)的振蕩器計(jì)數(shù)，所述來(lái)自每個(gè)節(jié)點(diǎn)的振蕩器計(jì)數(shù)與用于更精確的時(shí)間測(cè)量的校準(zhǔn)計(jì)數(shù)乘數(shù)形成対比。接著，將距離計(jì)算為d = l/2*c* ((以節(jié)點(diǎn)A的校準(zhǔn)乘數(shù)縮放的節(jié)點(diǎn)A的時(shí)間測(cè)量結(jié)果)-(以節(jié)點(diǎn)B的校準(zhǔn)乘數(shù)縮放的節(jié)點(diǎn)B的時(shí)間測(cè)量結(jié)果)其中，d是節(jié)點(diǎn)間的距尚，c是光速。例如，如果以大約5ms發(fā)送確認(rèn)消息，并且節(jié)點(diǎn)具有標(biāo)稱(chēng)為IxIO9Hz的振蕩器，可能出現(xiàn)以下示例值節(jié)點(diǎn)B測(cè)得50，000，025個(gè)周期。節(jié)點(diǎn)A測(cè)得50，000, 100個(gè)周期。
節(jié)點(diǎn)A具有20，000, 010的校準(zhǔn)計(jì)數(shù)乘數(shù)。節(jié)點(diǎn)B具有20，000, 000的校準(zhǔn)計(jì)數(shù)乘數(shù)。d = l/2*3xl08 米/秒/ (1000 毫秒 / 秒)* ((50000100 個(gè)周期 / (20000010/20 個(gè)周期/毫秒))-(50000025個(gè)周期/ (20000000/20個(gè)周期/毫秒)))=7. 5米。如果不使用校準(zhǔn)計(jì)數(shù)乘數(shù)d = l/2*3xl08 米/秒/ (1000 毫秒 / 秒)* ((50000100 個(gè)周期 / (20000000/20 個(gè)周期/毫秒))-(50000025個(gè)周期バ20000000/20個(gè)周期/毫秒)))=11. 25米。使用校準(zhǔn)計(jì)數(shù)乘數(shù)的優(yōu)勢(shì)在于減小了因振蕩器頻率的微小差異導(dǎo)致的節(jié)點(diǎn)間變化，顯而易見(jiàn)地產(chǎn)生了更加精確的結(jié)果。通過(guò)利用該補(bǔ)償，無(wú)需使用極為嚴(yán)格的振蕩器公差來(lái)獲得允許該技術(shù)被用于更廣泛的節(jié)點(diǎn)的精確結(jié)果。使用最少3個(gè)節(jié)點(diǎn)，可以確定兩個(gè)維度上的位置；使用最小4個(gè)節(jié)點(diǎn)，可以利用三角測(cè)量技術(shù)來(lái)確定三個(gè)維度上的位置。 無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)中的定位定位允許確定關(guān)于資產(chǎn)的位置信息。資產(chǎn)可以是人員、設(shè)備、裝置或若干其他事物。位置可以被表示為公知的描述符(如“ 2號(hào)爐”)、絕對(duì)位置(如(x，y，z)坐標(biāo))、相對(duì)坐標(biāo)(如距特定基準(zhǔn)點(diǎn)(x，y，z))、或者前述技術(shù)的結(jié)合。該位置信息可以由諸如手持設(shè)備等設(shè)備確定，由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自身確定，在網(wǎng)關(guān)中確定，或者在后端服務(wù)器中確定。位置信息還可以作為具有動(dòng)態(tài)覆層的地圖呈現(xiàn)給用戶，所述動(dòng)態(tài)覆層示出了資產(chǎn)的位置。資產(chǎn)本身與節(jié)點(diǎn)相關(guān)。在WirelessHART的情況下，所有節(jié)點(diǎn)是被進(jìn)ー步劃分為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備；作為路由器、手持設(shè)備、網(wǎng)關(guān)的設(shè)備；網(wǎng)絡(luò)管理器；作為定位器信標(biāo)的設(shè)備；以及適配器。某些設(shè)備可以包括運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器，檢測(cè)對(duì)象或資產(chǎn)的存在，所述資產(chǎn)可以是也可以不是經(jīng)核準(zhǔn)的資產(chǎn)。定位器信標(biāo)可以是主動(dòng)或被動(dòng)的。主動(dòng)設(shè)備自動(dòng)發(fā)送位置信標(biāo)信息。被動(dòng)設(shè)備響應(yīng)于其他設(shè)備或簡(jiǎn)單地對(duì)通信進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以確定其他節(jié)點(diǎn)的位置。可以通過(guò)建立輔助子網(wǎng)絡(luò)來(lái)采集定位信息，或者可以將定位信息與主要的無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)合。在WirelessHART網(wǎng)絡(luò)的情況下，通過(guò)使用HART命令，將定位信息集成至主要網(wǎng)絡(luò)中。具有定位能力的節(jié)點(diǎn)支持用于讀取和寫(xiě)入定位配置的HART命令，具有發(fā)送信標(biāo)消息的能力，能夠接收信標(biāo)消息并計(jì)算位置，或其特定組合。節(jié)點(diǎn)包括發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、傳感器、陸標(biāo)和基準(zhǔn)點(diǎn)?；鶞?zhǔn)點(diǎn)和路標(biāo)提供能夠按以上列出的任意方式表示的位置信息。本發(fā)明的典型安裝環(huán)境是エ業(yè)環(huán)境(如エ廠環(huán)境)。這意味著智能信標(biāo)設(shè)備將受到照度級(jí)、電磁干擾、校準(zhǔn)誤差以及其他噪聲源的影響。更加智能的設(shè)備可以嘗試補(bǔ)償這些問(wèn)題的影響。定位系統(tǒng)的高級(jí)特征包括并入高層系統(tǒng)以進(jìn)ー步跟蹤資產(chǎn)的讀卡器/標(biāo)記讀取器。當(dāng)人員標(biāo)記進(jìn)入?yún)^(qū)域中或激活RFID讀取器時(shí)，位置被中繼回包含關(guān)于エ廠的精確信息的中央服務(wù)器?？梢酝ㄟ^(guò)在エ廠地面上包括附加的信標(biāo)設(shè)備來(lái)增強(qiáng)位置指紋。這些接入點(diǎn)可以被配置以符號(hào)和物理信息，以輔助更精確地定位エ廠地板上的資產(chǎn)。更加集成的系統(tǒng)可以包括基于地圖的定位系統(tǒng)，被組合為創(chuàng)建整個(gè)エ廠定位系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫(kù)(如SQL Server2008)為這樣的系統(tǒng)提供支持?？梢源_定定位信息，以在沒(méi)有附加硬件支持的情況下，向在加工エ廠中部署的現(xiàn)有的無(wú)線傳感器網(wǎng)狀網(wǎng)提供位置意識(shí)。兩種實(shí)現(xiàn)該目的的方法包括三角測(cè)量法和指紋法。由于障礙、反射和多徑傳播時(shí)延，三角測(cè)量技術(shù)在エ廠環(huán)境中不總是精確的。例如，在圖3中，示例エ廠80包含阻礙無(wú)線通信的機(jī)器82和84。エ廠設(shè)備通常由干擾電磁信號(hào)(如無(wú)線通信)的金屬材料制造。較弱的信號(hào)不一定意味著更長(zhǎng)的距離，這可能影響多徑傳播通信模型。指紋法使用訓(xùn)練數(shù)據(jù)來(lái)識(shí)別エ廠中的特定位置，并在稍后尋找與測(cè)量到的值最接近的已知點(diǎn)。本發(fā)明的一種實(shí)現(xiàn)位置確定的方法是使用具有訓(xùn)練模式的指紋以及距離測(cè)量和位置信息的數(shù)據(jù)庫(kù)。エ廠80具有分散安裝并固定在機(jī)器82和84周?chē)亩鄠€(gè)節(jié)點(diǎn)86a_86e (統(tǒng)稱(chēng)為節(jié)點(diǎn)86)。關(guān)注位置90可以僅是重要位置或者可以是エ廠80的不同粒度的各個(gè)坐標(biāo)格點(diǎn)。在每個(gè)關(guān)注位置90，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)88測(cè)量距量程內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)46的距離，并將其與關(guān)于關(guān)注位置的位置信息一起報(bào)告給網(wǎng)絡(luò)管理器?？梢杂枚喾N方式來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理器，包括將其實(shí)現(xiàn)為運(yùn)行在網(wǎng)關(guān)(如至網(wǎng)絡(luò)94的網(wǎng)關(guān)92)上的應(yīng)用?？梢酝ㄟ^(guò)多種技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量，所述多種技術(shù)包括三角測(cè)量法、接收信號(hào)強(qiáng)度(RSSI)、或前述以校正計(jì)數(shù)修正的傳播時(shí)間計(jì)算。 可選地，節(jié)點(diǎn)86測(cè)量距移動(dòng)節(jié)點(diǎn)88的距離，并且節(jié)點(diǎn)86將該距離與位置信息一起報(bào)告給網(wǎng)絡(luò)管理器。在另一可選實(shí)施例中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)88和節(jié)點(diǎn)86測(cè)量并向網(wǎng)絡(luò)管理器報(bào)告其各自的距離。網(wǎng)絡(luò)管理器將來(lái)自移動(dòng)節(jié)點(diǎn)88的測(cè)量結(jié)果與節(jié)點(diǎn)86報(bào)告的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，并存儲(chǔ)彼此足夠近的測(cè)量結(jié)果，以確保數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的信息可靠并且精確。網(wǎng)絡(luò)管理器還可以將新測(cè)量到的信息與已記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息進(jìn)行比較，并且僅當(dāng)其落在平均值的標(biāo)準(zhǔn)差內(nèi)時(shí)對(duì)其進(jìn)行更新。如此，可以提高所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)點(diǎn)的質(zhì)量和可靠度。另ー實(shí)施例包括在無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)中存在固定節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，并且網(wǎng)絡(luò)管理器或者節(jié)點(diǎn)86或88對(duì)接收信號(hào)強(qiáng)度信息進(jìn)行過(guò)濾，使得僅在數(shù)據(jù)庫(kù)中保存來(lái)自固定節(jié)點(diǎn)的那些測(cè)量結(jié)果。在所有上述實(shí)施例中，GPS可以被連接至移動(dòng)節(jié)點(diǎn)88，以對(duì)進(jìn)行接收信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量的關(guān)注位置90提供更加精確的描述。由于エ廠80通常是GPS接收受限的封閉結(jié)構(gòu)，可以臨時(shí)或永久地安裝GPS轉(zhuǎn)發(fā)器91，以輔助數(shù)據(jù)庫(kù)的配置?？梢匀我鈹?shù)目的方式來(lái)使用位置信息，包括分發(fā)至網(wǎng)絡(luò)94，所述網(wǎng)絡(luò)94可以包括終端96，所述終端96被用作圖形界面，以顯示已知節(jié)點(diǎn)位置的圖形表示(或地圖)。終端96還可以被配置為通過(guò)在無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)的范圍限定的區(qū)域內(nèi)檢測(cè)存在不屬于已知節(jié)點(diǎn)的對(duì)象并發(fā)出警報(bào)，來(lái)跟蹤所有已知節(jié)點(diǎn)，且加入入侵檢測(cè)?？梢酝ㄟ^(guò)多種技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)該對(duì)象檢測(cè)，所述多種技術(shù)包括使用運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器、熱敏攝像機(jī)、臨近檢測(cè)器等。還可以基于網(wǎng)絡(luò)中具有固定位置的已知節(jié)點(diǎn)間的接收信號(hào)強(qiáng)度或距離測(cè)量結(jié)果與數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的接收信號(hào)強(qiáng)度或距離測(cè)量結(jié)果的偏差，來(lái)確定對(duì)象檢測(cè)。一旦向數(shù)據(jù)庫(kù)填充了位置信息和相對(duì)距離信息，稍后，就能夠通過(guò)測(cè)量相鄰節(jié)點(diǎn)距離并將其與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較，來(lái)確定節(jié)點(diǎn)的位置。這ー節(jié)點(diǎn)可以是用于配置系統(tǒng)的同一移動(dòng)節(jié)點(diǎn)或能夠進(jìn)入或離開(kāi)無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)范圍的多個(gè)節(jié)點(diǎn)中的任ー節(jié)點(diǎn)。這可以通過(guò)在數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索與當(dāng)前從節(jié)點(diǎn)報(bào)告的距離矢量最為匹配的距離矢量的集合。多種數(shù)據(jù)庫(kù)查找方法是可行的，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和最小二乗法。為了說(shuō)明的目的，描述最小二乗法。錨節(jié)點(diǎn)可以是用于訓(xùn)練過(guò)程的具有固定位置的任ー節(jié)點(diǎn)。為了對(duì)網(wǎng)中的N個(gè)錨節(jié)點(diǎn)執(zhí)行搜索，首先采集從移動(dòng)節(jié)點(diǎn)M到錨節(jié)點(diǎn)i(i = I到N)距離測(cè)量結(jié)果，并將其記為SMi。數(shù)據(jù)庫(kù)已經(jīng)包含了事先存儲(chǔ)的關(guān)注位置L到錨節(jié)點(diǎn)的距離值的列表，此時(shí)稱(chēng)為SLi (i = I到N)。如有必要，對(duì)距離值應(yīng)用對(duì)數(shù)函數(shù)，使得結(jié)果值與發(fā)射機(jī)和接收機(jī)間的物理距離接近于線性。在信號(hào)強(qiáng)度與距離成非線性關(guān)系的RSSI值的情況下，這是特另Ij有用的。M和L被看作N維空間中的兩個(gè)點(diǎn)，N維空間的每個(gè)軸表示錨節(jié)點(diǎn)。該空間中M和L的幾何距離由E ' = i (log(SLi) -log(SMi))2的平方根給出。在所有關(guān)注位置中，具有最小平方根值的位置是數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的與節(jié)點(diǎn)M的當(dāng)前位置最近的關(guān)注位置，實(shí)現(xiàn)針對(duì)節(jié)點(diǎn)M的位置確定。給定足夠的節(jié)點(diǎn)，由于變化的路徑傳播，兩個(gè)遠(yuǎn)離的位置可以具有相似的相對(duì)距離值。類(lèi)似地，兩個(gè)相近位置可以具有極為不同的距離值。下面參照?qǐng)D4，關(guān)注位置IOOa-IOOf (統(tǒng)稱(chēng)關(guān)注位置100)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，并且分散在包括固定位置節(jié)點(diǎn)102的エ廠內(nèi)。距節(jié)點(diǎn)102的距離測(cè)量得到弧104a-104c所示的距離。節(jié)點(diǎn)106a計(jì)算出節(jié)點(diǎn)102置于弧104a上的距離。節(jié)點(diǎn)106b計(jì)算出節(jié)點(diǎn)102置于弧104b上的距離。節(jié)點(diǎn)106c計(jì)算出節(jié)點(diǎn)102置于弧104c上的距離。由于測(cè)量誤差，這不產(chǎn)生具體位置，而產(chǎn)生包圍關(guān)注位置100a、IOOb和IOOc的區(qū)域。這些關(guān)注位置創(chuàng)建出要捜索的數(shù)據(jù)庫(kù)的子集。僅需要評(píng)估數(shù)據(jù)庫(kù)中與關(guān)注位置IOOaUOOb和IOOc相關(guān)的距離信息。結(jié)果，迅速且可靠地將節(jié)點(diǎn)102確定為最接近于關(guān)注位置100a。雖然參照優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到可以在 不背離本發(fā)明精神和范圍的前提下，在形式和細(xì)節(jié)上做出修改。
權(quán)利要求
1.ー種在無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)內(nèi)定位節(jié)點(diǎn)的方法，包括 由第一節(jié)點(diǎn)測(cè)量校準(zhǔn)計(jì)數(shù)乘數(shù)； 由第二節(jié)點(diǎn)測(cè)量第二校準(zhǔn)計(jì)數(shù)乘數(shù)； 由第一節(jié)點(diǎn)發(fā)送第一消息； 由第二節(jié)點(diǎn)接收第一消息； 由第二節(jié)點(diǎn)發(fā)送第二消息； 由第一節(jié)點(diǎn)接收第二消息； 測(cè)量從開(kāi)始發(fā)送第一消息到開(kāi)始接收第二消息的第一耗時(shí)； 測(cè)量從開(kāi)始接收第一消息到開(kāi)始發(fā)送第二消息的第二耗時(shí)； 由第二節(jié)點(diǎn)發(fā)送包含第二耗時(shí)的第三消息； 由第一節(jié)點(diǎn)接收第三消息；以及 基于第一耗時(shí)和第二耗時(shí)以及第一校準(zhǔn)計(jì)數(shù)乘數(shù)和第二校準(zhǔn)計(jì)數(shù)乘數(shù)，來(lái)計(jì)算第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)之間的距離； 其中，第二校準(zhǔn)計(jì)數(shù)乘數(shù)包含在第二消息或第三消息中。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，測(cè)量從開(kāi)始發(fā)送第一消息到開(kāi)始接收第二消息的第一耗時(shí)進(jìn)一歩包括 在開(kāi)始發(fā)送第一消息時(shí)記錄第一時(shí)間戳； 在開(kāi)始接收第二消息時(shí)記錄第二時(shí)間戳；以及 通過(guò)從第二時(shí)間戳中減去第一時(shí)間戳，來(lái)計(jì)算第一耗時(shí)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，測(cè)量開(kāi)始接收第一消息到開(kāi)始發(fā)送第二消息的第二耗時(shí)進(jìn)一歩包括 在開(kāi)始接收第一消息時(shí)記錄第一時(shí)間戳； 在開(kāi)始發(fā)送第二消息時(shí)記錄第二時(shí)間戳；以及 通過(guò)從第二時(shí)間戳中減去第一時(shí)間戳，來(lái)計(jì)算第二耗時(shí)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，測(cè)量從開(kāi)始發(fā)送第一消息到開(kāi)始接收第二消息的第一耗時(shí)進(jìn)一歩包括 在開(kāi)始發(fā)送第一消息時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器；以及 在開(kāi)始接收第二消息時(shí)讀取計(jì)數(shù)器，以確定第一耗時(shí)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，測(cè)量開(kāi)始接收第一消息到開(kāi)始發(fā)送第二消息的第二耗時(shí)進(jìn)ー步包括 在開(kāi)始接收第一消息時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器；以及 在開(kāi)始發(fā)送第二消息時(shí)讀取計(jì)數(shù)器，以確定第二耗時(shí)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述第一耗時(shí)和所述第二耗時(shí)具有至少I(mǎi)納秒的分辨率。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述第一耗時(shí)和所述第二耗時(shí)具有大約10納秒的分辨率。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述第一耗時(shí)和所述第二耗時(shí)具有大約20納秒的分辨率。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，還包括確定第一節(jié)點(diǎn)和第三節(jié)點(diǎn)之間的距離；以及 基于第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)之間的距離以及第一節(jié)點(diǎn)和第三節(jié)點(diǎn)之間的距離，計(jì)算第一節(jié)點(diǎn)在兩個(gè)維度上的位置。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，還包括 向網(wǎng)絡(luò)管理器報(bào)告第一節(jié)點(diǎn)的位置；以及 由網(wǎng)絡(luò)管理器維護(hù)地圖，所述地圖包括第一節(jié)點(diǎn)的位置。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括 在圖形界面上顯示所述地圖。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括 維護(hù)由所述地圖限定的區(qū)域內(nèi)所有已知節(jié)點(diǎn)的位置； 在所述區(qū)域內(nèi)檢測(cè)對(duì)象；以及 如果所述對(duì)象不是所述區(qū)域內(nèi)的已知節(jié)點(diǎn)，發(fā)出警報(bào)。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，還包括 確定第一節(jié)點(diǎn)和第三節(jié)點(diǎn)之間的距離； 確定第一節(jié)點(diǎn)和第四節(jié)點(diǎn)之間的距離；以及 基于第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)之間的距離、第一節(jié)點(diǎn)和第三節(jié)點(diǎn)之間的距離以及第ー節(jié)點(diǎn)和第四節(jié)點(diǎn)之間的距離，來(lái)計(jì)算第一節(jié)點(diǎn)在三個(gè)維度上的位置。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，還包括 向網(wǎng)絡(luò)管理器報(bào)告第一節(jié)點(diǎn)的位置；以及 由網(wǎng)絡(luò)管理器維護(hù)地圖，所述地圖包括第一節(jié)點(diǎn)的位置。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，還包括 在圖形界面上顯示所述地圖。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括 維護(hù)由所述地圖限定的區(qū)域內(nèi)所有已知節(jié)點(diǎn)的位置； 在所述區(qū)域內(nèi)檢測(cè)對(duì)象；以及 如果所述對(duì)象不是所述區(qū)域內(nèi)的已知節(jié)點(diǎn)，發(fā)出警報(bào)。
17.一種用于在無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)內(nèi)定位節(jié)點(diǎn)的方法，包括 在無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)內(nèi)多于ー個(gè)的位置，定位節(jié)點(diǎn)； 針對(duì)每個(gè)位置，確定關(guān)于所述節(jié)點(diǎn)的位置信息； 在所述節(jié)點(diǎn)和安裝在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間，交換校準(zhǔn)計(jì)數(shù)乘數(shù)； 在每個(gè)位置，使用傳播時(shí)間測(cè)量結(jié)果和校準(zhǔn)計(jì)數(shù)乘數(shù)，來(lái)測(cè)量從多個(gè)節(jié)點(diǎn)到所述節(jié)點(diǎn)的第一多個(gè)距離； 向網(wǎng)絡(luò)管理器發(fā)送針對(duì)每個(gè)位置的第一多個(gè)距離和關(guān)于所述節(jié)點(diǎn)的位置信息；以及 由網(wǎng)絡(luò)管理器存儲(chǔ)針對(duì)每個(gè)位置的第一多個(gè)距離和位置信息。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，由網(wǎng)絡(luò)管理器存儲(chǔ)針對(duì)每個(gè)位置的第一多個(gè)距離和位置信息進(jìn)ー步包括對(duì)第一多個(gè)距離進(jìn)行過(guò)濾，以及僅存儲(chǔ)與固定節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的第一多個(gè)距離。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，由網(wǎng)絡(luò)管理器存儲(chǔ)針對(duì)每個(gè)位置的第一多個(gè)距離和位置信息進(jìn)ー步包括將第一多個(gè)距離與事先存儲(chǔ)的多個(gè)距離的集合進(jìn)行比較，以及僅存儲(chǔ)落在事先存儲(chǔ)的多個(gè)距離的集合的標(biāo)準(zhǔn)差內(nèi)的第一多個(gè)距離。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，向網(wǎng)絡(luò)管理器發(fā)送針對(duì)每個(gè)位置的第一多個(gè)距離和關(guān)于所述節(jié)點(diǎn)的位置信息進(jìn)ー步包括對(duì)第一多個(gè)距離進(jìn)行過(guò)濾，以及僅發(fā)送與固定節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的第一多個(gè)距離。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，多個(gè)節(jié)點(diǎn)中的至少ー個(gè)是定位器信標(biāo)。
22.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述節(jié)點(diǎn)是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。
23.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，在每個(gè)位置測(cè)量從安裝在無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)中的多個(gè)節(jié)點(diǎn)到所述節(jié)點(diǎn)的第一多個(gè)距離包括使用傳播時(shí)間測(cè)量結(jié)果和校準(zhǔn)計(jì)數(shù)乘數(shù)來(lái)計(jì)算第ー多個(gè)距離。
24.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，針對(duì)每個(gè)位置確定關(guān)于所述節(jié)點(diǎn)的位置信息進(jìn)ー步包括獲得節(jié)點(diǎn)位置的GPS測(cè)量結(jié)果。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中，針對(duì)每個(gè)位置確定關(guān)于所述節(jié)點(diǎn)的位置信息進(jìn)ー步包括使用在無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)附近安裝的GPS轉(zhuǎn)發(fā)器來(lái)増加GPS測(cè)量結(jié)果的信號(hào)強(qiáng)度。
26.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，還包括 在無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)內(nèi)，定位所述節(jié)點(diǎn)； 測(cè)量從安裝在無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)中的多個(gè)節(jié)點(diǎn)到所述節(jié)點(diǎn)的第二多個(gè)距離； 向網(wǎng)絡(luò)管理器發(fā)送第二多個(gè)距離； 基于第二多個(gè)距離以及所存儲(chǔ)的第一多個(gè)距離和位置信息，來(lái)確定節(jié)點(diǎn)的位置。
27.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，還包括 在無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)內(nèi)，定位第二節(jié)點(diǎn)； 測(cè)量從安裝在無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)中的多個(gè)節(jié)點(diǎn)到第二節(jié)點(diǎn)的第二多個(gè)距離； 向網(wǎng)絡(luò)管理器發(fā)送第二多個(gè)距離； 基于第二多個(gè)距離以及所存儲(chǔ)的第一多個(gè)距離和位置信息，來(lái)確定第二節(jié)點(diǎn)的位置。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，測(cè)量從安裝在無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)中的多個(gè)節(jié)點(diǎn)到第ニ節(jié)點(diǎn)的第二多個(gè)距離進(jìn)ー步包括使用傳播時(shí)間測(cè)量結(jié)果和校準(zhǔn)計(jì)數(shù)乘數(shù)來(lái)計(jì)算第二多個(gè)距離。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，基于第二多個(gè)距離以及所存儲(chǔ)的第一多個(gè)距離和位置信息確定第二節(jié)點(diǎn)的位置進(jìn)ー步包括基于第二多個(gè)距離將區(qū)域分成三角形，以及僅搜索位于該區(qū)域內(nèi)的所存儲(chǔ)的第一多個(gè)距離和位置信息。
30.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，基于第二多個(gè)距離以及所存儲(chǔ)的第一多個(gè)距離和位置信息確定第二節(jié)點(diǎn)的位置進(jìn)ー步包括使用最小ニ乘算法來(lái)捜索所存儲(chǔ)的第一多個(gè)距離和位置信息。
31.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，基于第二多個(gè)距離以及所存儲(chǔ)的第一多個(gè)距離和位置信息確定第二節(jié)點(diǎn)的位置進(jìn)ー步包括使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法來(lái)捜索所存儲(chǔ)的第一多個(gè)距離和位置信息。
32.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，還包括顯示第二節(jié)點(diǎn)的位置的圖形表示。
33.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，還包括 維護(hù)無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)中所有已知節(jié)點(diǎn)的位置狀態(tài)； 在無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)的覆蓋區(qū)域內(nèi)檢測(cè)對(duì)象的位置；以及如 果所述對(duì)象的位置不是無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)中的已知節(jié)點(diǎn)，發(fā)出警報(bào)。
全文摘要
第一節(jié)點(diǎn)A向第二節(jié)點(diǎn)B發(fā)送第一消息。第二節(jié)點(diǎn)B向第一節(jié)點(diǎn)發(fā)送第二消息。測(cè)量從開(kāi)始發(fā)送第一消息到開(kāi)始接收第二消息的第一耗時(shí)。測(cè)量從開(kāi)始接收第一消息到開(kāi)始發(fā)送第二消息的第二耗時(shí)。第二節(jié)點(diǎn)B向第一節(jié)點(diǎn)A發(fā)送包含第二耗時(shí)的第三消息?；谏鲜龊臅r(shí)以及第二消息或第三消息中包含的校準(zhǔn)計(jì)數(shù)乘數(shù)來(lái)計(jì)算第一節(jié)點(diǎn)A和第二節(jié)點(diǎn)B之間的距離。節(jié)點(diǎn)可以在無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)內(nèi)移動(dòng)。確定關(guān)于所述節(jié)點(diǎn)的位置信息及其到相鄰節(jié)點(diǎn)的距離，并向存儲(chǔ)該位置信息和距離的網(wǎng)絡(luò)管理器發(fā)送該位置信息和距離。
文檔編號(hào)H04B7/26GK102714855SQ201080060872
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2010年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月6日
發(fā)明者埃里克·羅特沃爾, 特雷沃·鄧肯·舒雷斯, 羅伯特·卡斯切尼亞, 陳德吉, 馬克·尼克森 申請(qǐng)人:羅斯蒙德公司