基于WSN的室内移动目标行动路线追踪方法技术

本发明专利技术提供一种基于WSN的室内行动路线追踪方法,包括以下步骤：在室内布置网关节点、信标节点，在移动目标中布置移动节点使移动节点随移动目标同步移动；移动节点将接收到已知信标节点的信息，通过ZigBee网络上传到网关，再由网关交付上位机通过基于TDOA定位的移动自适应定位算法计算该移动节点位置，完成初步定位；实现初步定位的匹配校正并将校正后定位坐标存入空间数据库中；以及通过矢量地图可视化模块将定位坐标信息转换为矢量地图上对应的位置信息并显示。本发明专利技术的方法既能提高节点定位的精度，也能在保证定位误差的情况下节省定位能量的消耗，延长整个无线传感网的生存时间，同时提供了室内行动历史轨迹回放的方法。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供一种基于WSN的室内行动路线追踪方法,包括以下步骤：在室内布置网关节点、信标节点，在移动目标中布置移动节点使移动节点随移动目标同步移动；移动节点将接收到已知信标节点的信息，通过ZigBee网络上传到网关，再由网关交付上位机通过基于TDOA定位的移动自适应定位算法计算该移动节点位置，完成初步定位；实现初步定位的匹配校正并将校正后定位坐标存入空间数据库中；以及通过矢量地图可视化模块将定位坐标信息转换为矢量地图上对应的位置信息并显示。本专利技术的方法既能提高节点定位的精度，也能在保证定位误差的情况下节省定位能量的消耗，延长整个无线传感网的生存时间，同时提供了室内行动历史轨迹回放的方法。【专利说明】基于WSN的室内移动目标行动路线追踪方法
本专利技术涉及室内GIS的定位技术应用领域，具体而言涉及一种基于WSN的室内移动目标行动路线追踪方法。
技术介绍
地理信息系统凭借其科学的数据管理功能、强大的空间分析能力和出色的数据可视化表达效果，在当今社会经济发展中起着举足轻重的作用。其主要关注点在于研究地球表层整体或部分地理空间中的各类实体和现象，这反映了目前GIS的主流技术大多是基于相对较大的空间尺度，即地理变量随着时、空关系存在着明显变化。然而随着智慧化概念的普及，人们对于空间位置、最优分析、智能管理的要求将由室外延伸到室内。据调查，全球人口处于室内的平均时间占90 %左右，如美国人在室外的时间仅约13 %，这也从侧面反映出室内GIS研究的必要性。尤其在城市化进程加剧的背景下，室内空间变得愈加复杂，人们对室内空间有了较大的导航、分析、应急需求，因此越来越多的研究围绕着室内地理空间数据库、室内空间分析模型以及室内定位技术等展开。GIS是由多种技术组成的系统，其中包括数据采集技术、现代通信技术、计算机网络工程技术、软件工程技术、虚拟现实与仿真技术、信息安全技术、网络空间信息传输技术等。室内GIS对于硬件和软件的要求与GIS类似，因此涉及的技术也涵盖上述内容，但由于室内GIS与GIS地理因素的差异性，两者在定位技术上有较大不同，GIS中使用GPS定位方法已经发展成熟，而室内GIS的空间定位却还处于探索阶段。近些年，对于室内GIS的定位技术在国内外都成为了研究热点，其中主要技术有:无线局域网技术(WLAN)、蓝牙技术(Bluetooth)、红外技术(Infrared Technology)、超宽带技术(UWB)、ZigBee技术等。无线局域网技术可以集中式工作且覆盖范围较大，在现有的基础上只需添加少量设备就能够投入定位，但在信号移动的情况下，其效果欠佳。蓝牙技术在短距离范围内较为有效，且容易集成在手机等小型移动设备中，但其设备成本高昂，并且当信号受到干扰时，稳定性较差。红外技术主要通过物体上的标签识别待测物，但红外线易受墙体等障碍物的阻挡，其效果较不理想。超宽带技术由于时间分辨率较高，能够抗多径干扰，并且传输速度快，穿透力较强，具有一定的发展前景，但这种技术的造价过高，使得目前无法普及。ZigBee是在WSN应用场景下的一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它介于射频识别和蓝牙之间，可用于室内定位。它拥有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调通信以实现定位。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。ZigBee最显著的技术特点是它的低功耗和低成本。ZigBee技术具有以下几个优点:1.省电，两节五号电池即可实现长达6个月到2年的使用时间；2.可靠，采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突，节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个ZigBee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证信息传输的可靠性；3.时延短，针对时延敏感的应用作了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短；4.网络容量大，可支持多达65000个节点；5.安全，ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，力口密算法采用通用AES-128。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种基于WSN的室内行动路线追踪系统和方法，既能提高节点定位的精度，也能在保证定位误差的情况下节省定位能量的消耗，延长整个无线传感网的生存时间，同时提供了室内行动历史轨迹回放的方法。为达成上述目的，本专利技术提出一种基于WSN的室内行动路线追踪方法，包括以下步骤:在室内布置网关节点、信标节点，在移动目标中布置移动节点使移动节点随移动目标同步移动，其中:网关节点用于ZigBee网络的组网和局域网通信，信标节点用于标记已知的坐标并据此为移动节点定位提供参考，位置固定且坐标已知；移动节点将接收到已知信标节点的信息，通过ZigBee网络上传到网关，再由网关交付上位机通过基于TDOA定位的移动自适应定位算法计算该移动节点位置，完成初步定位；利用基于室内路径拓扑结构及方位信息的地图匹配校正算法结合已构建完成的室内地图空间数据库，实现初步定位的匹配校正并将校正后定位坐标存入空间数据库中；以及读取空间数据库中的室内地理信息，通过矢量地图可视化模块将定位坐标信息转换为矢量地图上对应的位置信息并显示。进一步，前述TDOA算法根据两两信标节点的信号到达时间得到多组TDOA的时间差，将其转换成到两个信标的距离之差，以建立关于待测节点位置坐标的双曲线方程组，采用Chan算法、最小二乘法(LS)以及加权最小二乘法(WLS)求解双曲线方程组得未知节点坐标，再对Chan算法、最小二乘法和加权最小二乘算法的定位结果使用加权质心算法进行定位。进一步，前述初步定位步骤中，首先将所有信标节点和移动节点按照层次结构进行分级，然后每个节点与上一级的一个节点进行时间同步，最终所有节点都与根节点时间同步，再采用TDOA算法执行初步定位，利用信号波到达两个基站的时间差进行定位操作，移动自适应定位算法包括以下步骤:I)利用移动节点的运动模型得到一个估计值；2)信标节点接收信号波，计算时间差；3)若待测节点通信范围内至少有三个信标节点，则通过Chan算法、最小二乘算法、加权最小二乘算法分别计算得到估计值，然后进行加权质心算法并将结果存于目标坐标数据库中；4)若只有两个信标节点，则通过运动模型方程与两个信标节点得到的时间差方程求解，选取与估计位置较近的解并将结果存于目标坐标数据库中；5)若只有一个信标节点或者没有信标节点无法定位，将运动模型预测位置作为当前节点位置并将结果存于目标坐标数据库中；以及6)前述步骤3、4和5中任意一个完成后，更新移动节点的运动模型，包括当前节点速度，运动方向角度，根据计算到得误差，调整执行定位。进一步，在初始定位点周围的区域定义为定位筛选区，前述地图匹配校正步骤中，包括以下步骤:I)与ZigBee网络建立通信，接受移动节点的初步定位信息；2)判定初步定位结果数据是否异常，如果移动节点因为信标节点数目不够无法完成自身定位导致数据异常，则判断当前行走路线是否确定，进行线性插值获取当前定位信息；3)如果定位结果数据正常，则判定当前行走路线是否确定，如果确定跳至下述第4步，否则跳至下述第5步；当前移动目标在某一个路段上行走，利用行走的连续性，而且当前位本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于WSN的室内行动路线追踪方法,其特征在于，包括以下步骤：在室内布置网关节点、信标节点，在移动目标中布置移动节点使移动节点随移动目标同步移动，其中：网关节点用于ZigBee网络的组网和局域网通信，信标节点用于标记已知的坐标并据此为移动节点定位提供参考，位置固定且坐标已知；移动节点将接收到已知信标节点的信息，通过ZigBee网络上传到网关，再由网关交付上位机通过基于TDOA定位的移动自适应定位算法计算该移动节点位置，完成初步定位；利用基于室内路径拓扑结构及方位信息的地图匹配校正算法结合已构建完成的室内地图空间数据库,实现初步定位的匹配校正并将校正后定位坐标存入空间数据库中；以及读取空间数据库中的室内地理信息,通过矢量地图可视化模块将定位坐标信息转换为矢量地图上对应的位置信息并显示。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈国庆，薛超，
申请(专利权)人：苏州两江科技有限公司，
类型：发明
国别省市：