專利名稱：一種基于標(biāo)簽傳感網(wǎng)的集裝箱物流跟蹤與定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是RFSN(Radio Frequency Sensor Network，標(biāo)簽傳感網(wǎng))中集裝箱物流跟蹤與定位的一種新型方法，屬于物聯(lián)網(wǎng)、RFID (Radio Frequency Identification，無線射頻識別)、WSN(Wireless Sensor Network，無線傳感器網(wǎng)絡(luò))技術(shù)的交叉領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
數(shù)字化物流管理需要實(shí)現(xiàn)對集裝箱的快速識別、快速定位和集裝箱信息的智能化監(jiān)測，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測貨物的儲藏環(huán)境、位置信息，從而節(jié)約運(yùn)營成本與損耗。目前，RFID技術(shù)主要用于錄入集裝箱貨物的信息，一般包括貨物的種類、數(shù)量、裝卸時(shí)間、以及裝貨地點(diǎn)和卸貨目的地等信息；對于船舶上的集裝箱安置，集裝箱定位以及集裝箱的內(nèi)部環(huán)境監(jiān)測，貨物安全等方面不能滿足要求。WSN系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)環(huán)境監(jiān)測、定位， 卻不能全面的反應(yīng)系統(tǒng)信息。將二者結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，從而大大提高物流跟蹤與定位的效率。將WSN和RFID的技術(shù)結(jié)合，形成功能更強(qiáng)的無線網(wǎng)絡(luò)，需要設(shè)計(jì)一個合適的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。由于存在WSN和RFID通信頻段不一致，通信協(xié)議不同，所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小，標(biāo)簽傳輸內(nèi)部信息而傳感器搜集外部信息，標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)能量、通信能力有限等限制條件，需要對 WSN網(wǎng)絡(luò)和RFID網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的方案和技術(shù)進(jìn)行分析研究。在本方法中采用智能網(wǎng)關(guān)可以有效屏蔽物理上直接通信的困難，RFID網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的通信與WSN的通信相互獨(dú)立，各個網(wǎng)絡(luò)中可以運(yùn)行各自的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，當(dāng)兩種網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)需要通信時(shí)，則通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，與某個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。傳統(tǒng)三角定位方法存在維度冗余，如果直接計(jì)算距離將會造成較大的偏差。這種維度冗余主要產(chǎn)生于錨節(jié)點(diǎn)之間的相對位置關(guān)系。當(dāng)兩個錨節(jié)點(diǎn)的空間距離較近(如圖 5(a))時(shí)，對這兩個錨節(jié)點(diǎn)的 RSSI (Received Signal Strength Indication，接收信號強(qiáng)度指示)的觀測值將具有很高的正相關(guān)性?？紤]兩個錨節(jié)點(diǎn)完全重合的極端情況，則從任意位置測量這兩個錨節(jié)點(diǎn)的RSSI值都將相等，即它們的RSSI值是完全正相關(guān)的。當(dāng)兩個錨節(jié)點(diǎn)處于測試區(qū)域的兩側(cè)(如圖5(b))時(shí)，對這兩個錨節(jié)點(diǎn)的RSSI的觀測值將具有很高的負(fù)相關(guān)性。如果兩個錨節(jié)點(diǎn)處于相反方向的無窮遠(yuǎn)處，則這兩個錨節(jié)點(diǎn)的RSSI的觀測值將是完全負(fù)相關(guān)的。所以，針對這一問題，本發(fā)明基于標(biāo)簽傳感網(wǎng)，提出了一種新型的 W-KNN(Weighted k-Nearest Neighbor，屬性加權(quán)k近鄰定位算法)定位算法。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的主要是針對集裝箱物流管理，提出一種新型的基于標(biāo)簽傳感網(wǎng)(RFSN，Radio Frequency Sensor Networks)的跟蹤與定位方法，其中定位算法采用了 W-KNN 算法。技術(shù)方案首先給出幾個定義基于Wi-Fi 的 RFSN 網(wǎng)絡(luò)(Wi-Fi-RFSN，Wireless Fidelity Radio FrequencySensor Networks)，利用Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全部RFID讀寫器之間的相互通信，再通過 Wi-Fi-WSN網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)RFID網(wǎng)絡(luò)與WSN網(wǎng)絡(luò)之間的通信。Wi-Fi-WSN網(wǎng)關(guān)包含無線網(wǎng)卡、WSN無線收發(fā)器、數(shù)據(jù)處理單元，用于連接Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)和WSN網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)兩網(wǎng)相互通信的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。Wi-Fi-RFID讀寫器在傳統(tǒng)的RFID讀寫器上增加了無線網(wǎng)卡功能模塊，通過無線接入點(diǎn)(AP)，實(shí)現(xiàn)了相互之間的通信，以下簡稱RFID讀寫器或讀寫器。監(jiān)控中心負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)地監(jiān)控采集船上的所有AP、傳感器節(jié)點(diǎn)、RFID讀寫器、RFID標(biāo)簽等信息，并向總控中心匯報(bào)。W-KNN(Weighted k-Nearest Neighbor)定位算法屬性加權(quán)k近鄰定位算法，是一種面向集裝箱定位的分類算法。對測試區(qū)域內(nèi)的所有錨節(jié)點(diǎn)計(jì)算相關(guān)系數(shù)，由相關(guān)系數(shù)計(jì)算每個錨節(jié)點(diǎn)(分布在整個船舶空間)的權(quán)值，最后使用加權(quán)距離平方和來表示兩個節(jié)點(diǎn)之間的歐式距離。定位節(jié)點(diǎn)固定在船舶上，空間位置已知，以定位節(jié)點(diǎn)為參考點(diǎn)，根據(jù)W-KNN定位算法計(jì)算它與集裝箱傳感節(jié)點(diǎn)的相對距離后，得到傳感節(jié)點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，完成定位。WSN分簇方法WSN基站節(jié)點(diǎn)遍歷鄰居列表，選擇能量值高、響應(yīng)時(shí)間短的鄰居節(jié)點(diǎn)為第一層簇頭節(jié)點(diǎn)，建立第一層分簇；第一層簇頭遍歷鄰居列表，選擇能量值高、響應(yīng)時(shí)間短的某幾個鄰居節(jié)點(diǎn)為中繼節(jié)點(diǎn)；中繼節(jié)點(diǎn)遍歷鄰居列表，選擇能量值高、響應(yīng)時(shí)間短的鄰居節(jié)點(diǎn)為第二層簇頭節(jié)點(diǎn)，建立第二層分簇；重復(fù)上述步驟，完成WSN全網(wǎng)分簇過程的建立。Wi-Fi-RFSN數(shù)據(jù)包格式如圖6所示，包含數(shù)據(jù)包首部和數(shù)據(jù)內(nèi)容兩部分；其中， 數(shù)據(jù)包首部長96比特(12字節(jié))，包含8比特的消息類型，8比特的總長度，16比特的區(qū)域 ID, 16比特的消息歸宿，16比特的消息本源，16比特的目的地址，16比特的源地址，以下所說的數(shù)據(jù)包均按照該格式。消息類型本方法中共有9種不同的數(shù)據(jù)包消息，每種消息名稱及其對應(yīng)的字段值，如表1所示?？傞L度總長度指首部和數(shù)據(jù)內(nèi)容之和的長度，單位為字節(jié)?？傞L度字段為8比特，因此數(shù)據(jù)包的最大長度為256字節(jié)。區(qū)域ID 由于每個區(qū)域含有唯一一個定位節(jié)點(diǎn)，所以區(qū)域ID即可用該區(qū)域定位節(jié)點(diǎn)ID表示。消息歸宿數(shù)據(jù)包的傳送需要經(jīng)過多跳路由轉(zhuǎn)發(fā)，所以，需要注明消息歸宿，即表示最終需要接收數(shù)據(jù)包的對象。消息本源表示最開始發(fā)送數(shù)據(jù)包的對象。目的地址A、B兩方直接通信，不需要經(jīng)過中途路由轉(zhuǎn)發(fā)，A發(fā)送一個數(shù)據(jù)包給B， 則B的地址成為目的地址。源地址A的地址成為源地址。(注目的地址和源地址可以是監(jiān)控中心的ID、網(wǎng)關(guān)的ID、無線AP的ID、RFID讀寫器的ID、RFID標(biāo)簽的ID、WSN基站的ID、錨節(jié)點(diǎn)的ID、定位節(jié)點(diǎn)的ID、集裝箱傳感節(jié)點(diǎn)的 ID等等。)本發(fā)明利用RFSN網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)集裝箱內(nèi)標(biāo)簽信息讀取、傳感器節(jié)點(diǎn)信息采集、集裝箱定位等功能。在此之前，需要對RFSN進(jìn)行初始化。網(wǎng)絡(luò)部署之前，每條船上有一個監(jiān)控中心、一個Wi-Fi-WSN網(wǎng)關(guān)、多個AP、多個 Wi-Fi-RFID讀寫器、一些排放整齊的集裝箱。每個集裝箱內(nèi)都貼有一個標(biāo)明身份的RFID 標(biāo)簽、安裝一個標(biāo)明身份的傳感器節(jié)點(diǎn)，兩者身份標(biāo)識一樣。每個標(biāo)簽存儲一個身份標(biāo)識 (ID號)、標(biāo)識集裝箱內(nèi)貨物種類、起運(yùn)地、指運(yùn)地、批次等信息。每個節(jié)點(diǎn)存儲一個身份標(biāo)識(ID號)、能量值、簇頭節(jié)點(diǎn)(某個節(jié)點(diǎn)的ID號，表示該節(jié)點(diǎn)屬于哪一個簇)、節(jié)點(diǎn)類型標(biāo)識(標(biāo)識為簇頭、中繼、普通三者之一)、所屬區(qū)域。每個節(jié)點(diǎn)也含有一個鄰居列表，記錄鄰居節(jié)點(diǎn)的ID號、能量值、簇頭號和響應(yīng)時(shí)間等信息。配置完以上信息之后，網(wǎng)絡(luò)開始部署。方法流程該廣播跟蹤與定位方法的完整過程將具體描述如下將無線射頻識別RFID網(wǎng)絡(luò)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN通過無線相容認(rèn)證Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)連接起來，并采用屬性加權(quán)k近鄰定位算法W-KNN實(shí)現(xiàn)集裝箱的定位，其方法流程可描述如下一、網(wǎng)絡(luò)的初始化步驟1)布置安裝監(jiān)控中心、Wi-Fi-WSN網(wǎng)關(guān)、所有的集裝箱、RFID標(biāo)簽、傳感器節(jié)點(diǎn)、Wi-Fi無線接入點(diǎn)AP、Wi-Fi-RFID讀寫器和錨節(jié)點(diǎn)；步驟幻此時(shí)，所有AP自組成Wi-Fi無線網(wǎng)，所有的傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)Leach算法自組成WSN網(wǎng)絡(luò)，基站存儲一張功能節(jié)點(diǎn)身份標(biāo)識ID表，存放錨節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)的ID號，為下面收集位置信息做準(zhǔn)備；步驟3)將整個測試空間按照定位節(jié)點(diǎn)的分布劃分成m*n個測試區(qū)域，每個測試區(qū)域都有唯一定位節(jié)點(diǎn)，故可用區(qū)域定位節(jié)點(diǎn)ID代表區(qū)域ID，定位節(jié)點(diǎn)空間坐標(biāo)已知，其中m 表示層數(shù)，每層高度為一個集裝箱的高度，η表示每層等分的測試區(qū)域數(shù)目；步驟4)所有的m*n個定位節(jié)點(diǎn)廣播“區(qū)域定位”數(shù)據(jù)包，其中，消息類型為“區(qū)域定位”，總長度為12字節(jié)，表示數(shù)據(jù)包只含首部，數(shù)據(jù)內(nèi)容部分為空，區(qū)域ID為空，消息歸宿為空，消息本源為空，目的地址為(0110101000000000)2 = (JO)16，表示接收該數(shù)據(jù)包的對象為該區(qū)域內(nèi)的所有集裝箱傳感節(jié)點(diǎn)，源地址為該定位節(jié)點(diǎn)ID ；步驟幻集裝箱傳感節(jié)點(diǎn)收到“區(qū)域定位”數(shù)據(jù)包后，將源地址，即該區(qū)域的定位節(jié)點(diǎn)ID保存，表示該集裝箱傳感節(jié)點(diǎn)屬于該定位節(jié)點(diǎn)所在的區(qū)域；步驟6)對每個測試區(qū)域，進(jìn)行一次數(shù)據(jù)訓(xùn)練，即在該區(qū)域內(nèi)以定位節(jié)點(diǎn)為測試樣本，該樣本負(fù)責(zé)采集此測試區(qū)域內(nèi)的所有錨節(jié)點(diǎn)的接收信號強(qiáng)度指示RSSI值，生成“RSSI 值響應(yīng)”數(shù)據(jù)包，其中，消息類型為“RSSI值響應(yīng)”，總長度大于12字節(jié)，區(qū)域ID即為該區(qū)域定位節(jié)點(diǎn)ID，消息歸宿為監(jiān)控中心ID，消息本源為定位節(jié)點(diǎn)ID，數(shù)據(jù)內(nèi)容為多組形如“錨節(jié)點(diǎn)ID，RSSI值”格式的數(shù)據(jù)，并把所有的RSSI值傳輸給該簇內(nèi)的簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)再一步一步上傳給基站節(jié)點(diǎn)，最后基站節(jié)點(diǎn)通過Wi-Fi-WSN網(wǎng)關(guān)傳送給監(jiān)控中心；步驟7)監(jiān)控中心收到m*n個區(qū)域內(nèi)的多組“RSSI值響應(yīng)”數(shù)據(jù)包M,ssi，以每個區(qū)域?yàn)閱挝焕肳-KNN定位算法來計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣R，共有m*n個，不妨設(shè)區(qū)域a內(nèi)共有k個錨節(jié)點(diǎn)，a= 1,2,..., m*n，則其對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)矩陣為
權(quán)利要求
1. 一種基于標(biāo)簽傳感網(wǎng)的集裝箱物流跟蹤與定位方法，其特征在于將無線射頻識別 RFID網(wǎng)絡(luò)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN通過無線相容認(rèn)證Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)連接起來，并采用屬性加權(quán) k近鄰定位算法W-KNN實(shí)現(xiàn)集裝箱的定位，其方法流程可描述如下 一、網(wǎng)絡(luò)的初始化步驟1)布置安裝監(jiān)控中心、Wi-Fi-WSN網(wǎng)關(guān)、所有的集裝箱、RFID標(biāo)簽、傳感器節(jié)點(diǎn)、 Wi-Fi無線接入點(diǎn)AP、Wi-Fi-RFID讀寫器和錨節(jié)點(diǎn)；步驟幻此時(shí)，所有AP自組成Wi-Fi無線網(wǎng)，所有的傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)Leach算法自組成 WSN網(wǎng)絡(luò)，基站存儲一張功能節(jié)點(diǎn)身份標(biāo)識ID表，存放錨節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)的ID號，為下面收集位置信息做準(zhǔn)備；步驟幻將整個測試空間按照定位節(jié)點(diǎn)的分布劃分成m*n個測試區(qū)域，每個測試區(qū)域都有唯一定位節(jié)點(diǎn)，故可用區(qū)域定位節(jié)點(diǎn)ID代表區(qū)域ID，定位節(jié)點(diǎn)空間坐標(biāo)已知，其中m表示層數(shù)，每層高度為一個集裝箱的高度，η表示每層等分的測試區(qū)域數(shù)目；步驟4)所有的m*n個定位節(jié)點(diǎn)廣播“區(qū)域定位”數(shù)據(jù)包，其中，消息類型為“區(qū)域定位”， 總長度為12字節(jié)，表示數(shù)據(jù)包只含首部，數(shù)據(jù)內(nèi)容部分為空，區(qū)域ID為空，消息歸宿為空， 消息本源為空，目的地址為(0110101000000000)2 = (j0)16，表示接收該數(shù)據(jù)包的對象為該區(qū)域內(nèi)的所有集裝箱傳感節(jié)點(diǎn)，源地址為該定位節(jié)點(diǎn)ID ；步驟幻集裝箱傳感節(jié)點(diǎn)收到“區(qū)域定位”數(shù)據(jù)包后，將源地址，即該區(qū)域的定位節(jié)點(diǎn)ID 保存，表示該集裝箱傳感節(jié)點(diǎn)屬于該定位節(jié)點(diǎn)所在的區(qū)域；步驟6)對每個測試區(qū)域，進(jìn)行一次數(shù)據(jù)訓(xùn)練，即在該區(qū)域內(nèi)以定位節(jié)點(diǎn)為測試樣本， 該樣本負(fù)責(zé)采集此測試區(qū)域內(nèi)的所有錨節(jié)點(diǎn)的接收信號強(qiáng)度指示RSSI值，生成“RSSI值響應(yīng)”數(shù)據(jù)包，其中，消息類型為“RSSI值響應(yīng)”，總長度大于12字節(jié)，區(qū)域ID即為該區(qū)域定位節(jié)點(diǎn)ID，消息歸宿為監(jiān)控中心ID，消息本源為定位節(jié)點(diǎn)ID，數(shù)據(jù)內(nèi)容為多組形如“錨節(jié)點(diǎn) IDjRSSI值”格式的數(shù)據(jù)，并把所有的RSSI值傳輸給該簇內(nèi)的簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)再一步一步上傳給基站節(jié)點(diǎn)，最后基站節(jié)點(diǎn)通過Wi-Fi-WSN網(wǎng)關(guān)傳送給監(jiān)控中心；步驟7)監(jiān)控中心收到m*n個區(qū)域內(nèi)的多組“RSSI值響應(yīng)”數(shù)據(jù)包Μ,ssi，以每個區(qū)域?yàn)閱挝焕肳-KNN定位算法來計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣R，共有m*n個，不妨設(shè)區(qū)域a內(nèi)共有ka個錨節(jié)點(diǎn)力二^，……?。?！紐，則其對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)矩陣為妒=rf T*f 、，為區(qū)Vir?！璻^J 々域a內(nèi)錨節(jié)點(diǎn)i與錨節(jié)點(diǎn)j的相關(guān)系數(shù)，i = 1，2，...，ka，j = 1，2，...，ka，a = 1，2，...，其中，rssif和usif:分別表示區(qū)域a內(nèi)測試樣本對錨節(jié)點(diǎn)i與錨節(jié)點(diǎn)j的RSSI的觀測值， E (X)和D (X)分別表示隨機(jī)變量X的數(shù)學(xué)期望和方差，Cov (X，Y)表示隨機(jī)變量X和Y的協(xié)方差；若兩個錨節(jié)點(diǎn)的可檢測范圍沒有交集即它們從來沒有被同時(shí)檢測到過，或其中至少一個錨節(jié)點(diǎn)的RSSI的觀測值的方差為0，則定義該錨節(jié)點(diǎn)對的相關(guān)系數(shù)為O ；然后，計(jì)算區(qū)
全文摘要
傳統(tǒng)的基于RFID的物流管理方法不能滿足集裝箱安置、集裝箱定位以及集裝箱的內(nèi)部環(huán)境監(jiān)測和貨物安全等要求。本發(fā)明針對RFID數(shù)據(jù)傳輸量少、通信能力有限這兩方面問題，提出了基于標(biāo)簽傳感網(wǎng)的集裝箱物流跟蹤與定位方法，該方法可擴(kuò)大RFID的通信范圍，同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)了解集裝箱內(nèi)部的環(huán)境信息以及集裝箱的位置信息；通過將RFID和WSN與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)連接，提出了一種新型的基于鄰居權(quán)值屬性的W-KNN定位算法，來實(shí)現(xiàn)物流的跟蹤與定位；同時(shí)設(shè)計(jì)了具體的技術(shù)方案和步驟流程，顯著區(qū)別于現(xiàn)有的集裝箱定位與跟蹤方法。在通信范圍、數(shù)據(jù)傳輸和精確定位等方面具有有益效果。
文檔編號H04W84/18GK102325345SQ20111015718
公開日2012年1月18日 申請日期2011年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月13日
發(fā)明者孫力娟, 徐佳, 戴庭, 梁彪, 沙超, 王汝傳, 竇軼, 肖甫, 蔣凌云, 譚志剛, 趙強(qiáng), 郭劍, 黃海平 申請人:南京三寶科技集團(tuán)有限公司, 南京郵電大學(xué)