专利名称：一种三维空间下目标定位的3d-pmwsn模型的制作方法
—种三维空间下目标定位的3D-PMWSN模型技术领域
本发明基于无线传感器网络技术，在三维空间中，利用提出的“一种在三维环境下的无线传感器网络节点定位模型(3D-PMWSN) ”和算法，对安装RFID标签的物体进行定位。 并且把此模型和算法与建筑工地的材料管理相结合，提出了一种对三维空间中建筑材料位置跟踪方法。
背景技术：
无线传感器网络(Wireless Sensor Network,简称WSN)经常需要大量的分布式计算，WSN的节点一般比较简单，依靠自带电池供电，要求最大限度节约使用能量，延长电池使用时间。对大多数WSN应用，采用一定机制或算法实现节点定位很重要。定位算法要求1、 算法简单，以便最大限度地减少运算量，从而尽可能节约有限的能量。2、模型与实际网络尽量一致，具有实用性。3、便于实现，硬件成本低。
对于Simic 和 Sastry 在论文“Distributed Localization in Wireless Ad Hoc Networks，，(Technical Report UCB/ERL M02/26,Department of Electrical Engineering and Computer Sciences, University of California, Berkeley, CA, 2002.1.)提出的在无线Ad Hoc网中的分布式定位模型(以下简称分布式定位模型)，具有 算法简单、运算量小的特点，适合无线传感器网络对运算量和节能方面的要求，Jongchul Song等人利用该模型和算法成功在建筑项目的材料管理中得到应用。但该模型的局限性在于，它是在建立在二维的基础上的，而真实的无传感器网络的信号是分布在三维空间上的，例如对于红外、雷达、RFID等有源信号，它们的信号辐射范围显然呈现三维状态分布，即通讯有效范围分布在三维空间中，所以建立三维模型更有接近实际，并且也非常具有实用价值。本文提出的 3D-PMWSN(3D-based Positioning Model in Wireless Sensor Networks)模型的最大创新点就是把Simic和Sastry提出的二维空间下的定位模型扩展到三维空间。
随着我国现代化进程不断向新的高度和深度拓展，建筑产业在未来数十年还将是国民经济的支柱产业。人们对精细建筑、低碳建筑、节能建筑的要求越来越高。建筑项目的管理必定从粗放型变为集约型和经济型。其中，利用技术手段对建筑材料的入库、出库、数量和位置等信息进行实时管理，具有非常重要的意义。而根据调研，国外在这方面的探讨虽然已经有近十年的时间了，但真正适应的还很少，而国内还未见此方面的报道。利用此方法可以从宏观实时了解建筑工地的材料的数量、位置等信息，大大节约管理成本，提高建筑工地的管理效率。发明内容
本发明的目的在于针对以上国内外现有的相关定位技术存在的局限性和不足， 提出一种在三维空间下的基于无线传感器网络的节点定位方法，实现在空间范围内的目标定位。并且尝试把该方法运用到建筑工地的材料管理中，以实现实时跟踪建筑材料的位置。 据统计，建筑材料成本占整个建筑项目总成本的50…60%，材料的使用状况直接反映项目的状况。通过自动跟踪建筑材料的收发和位置等动态信息，可以改进现有的项目管理水平和效率。另外，随着近年来自动数据采集技术(ADC)的发展，为在建筑工地现场对材料的收发和位置进行跟踪提供了可能。但是，根据调研，目前在国外这方面虽然已经有一些探讨， 但在国内，目前这方面的研究和应用还是空白。
该方法的基本思想是从建筑材料进入工地开始，利用附着在其上的RFID标签， 与预先在工地空间设置的READER —起构成一个无线网络，另外，还建立监控中心，实现材料的的入场、搬运、存放和使用的全程三维位置跟踪，减少人力管理成本，避免各种浪费，提高管理的实效性，更好的满足人们对于建筑材料管理效率的需求。
本技术发明除了给出详细的三维定位模型外，还对基于此模型的建筑工地材料跟踪方法进行了描述
1、3D-PMWSN 模型简介
在空间建立三维直角坐标系，把该坐标系下的一个研究空间进行量化。所有的研究对象都分布在这个研究空间中。研究对象主要有两种一个是被定位对象，一个是检测设备(Reader)。被定位对象在一定范围内可以感应到检测设备发出的信号。为了研究方便， 被定位对象和探测设备进行简化，不考虑自身大小，只考虑物理性能。利用多个探测设备对同一个被定位对象感应的空间性质，就可以实现定位。
下面介绍模型框架、用到的术语以及定义的符号。
首先，选取边长为S的正方体Q(见
图1)，下面所有的研究都在Q中进行。通过把 Q的每个边η等分，从而把整个Q分为η3个小正方体，每个小正方体称为一个cell (网格)， 作为将来节点定位的最小单位。定义η3为Q的分辨率。按照图1所示方式对分割后的Q进行空间位置标识，每个cell都有自己的唯一坐标一网格坐标(x，y，z)，(I < = X < = η, l<=y<=n,l<=z<=n),分布在空间Q中的研究对象占据至少I个cell的空间大小，研究对象的位置可以通过cell的坐标进行描述。
现在在Q中放置m个位置已知的Reader，假设每个Reader的可以发出覆盖范围是半径r的分布在球形空间的信号，不同Reader具有不同的网格坐标，还假设这里的网格坐标可以预先得知。同时，把需要定位的物体看成是一个Tag，Tag只要位于某个Reader发射的信号的有效覆盖范围内，它就可以被该Reader感知，即该Tag被该Reader捕获。现在的目的是要通过若干个位置已知的Reader来确定在Q中的位置未知的物体Tag的坐标。 一般情况下，某个Tag可能被多个Reader捕获，即该Tag应该位于这些Reader的有效信号覆盖空间的交集中，通过对这些Reader的信号的空间覆盖范围交集的运算，便 可以得到该 Tag所在的区域。如果要对Q内任意位置的Tag进行定位，只要在Q中的适当位置安置适当数量的Reader即可。分辨率的选择主要依据被定位对象的最小尺寸。Reader位置和数量的选择可以决定定位的精度(显然，分辨率的最佳值是I个cell)。
以下是对该模型中对定义的几个符号的说明
Q-操作空间(space of operations)
Q = [O, s] X
X
，是边长为s的一个正方体区域，所有研究都在该三维空间区域内进行。
S，表示Q的边长
η,把Q的每边η等分,从而把Q分为η3个小正方形,被称为η3个cells。每个cell的网格坐标为(x,y,z) (2<= X <= η, 1 <= y <= η, I <= z <= η),是定位的最小量 化単位，这样就把Q离散化。N-表示在Q中的节点数，假设每个节点(node)都对应ー个cell，即ー个节点对应 ー个唯一的网格坐标。N个节点又分为位置已知节点和位置未知节点，位置已知节点放置 的是Reader，位置未知节点放置的是Tag。在实际应用环境中，已知位置的节点可以通过预 先測定好特定位置的坐标，然后在该位置放置固定的Reader实现，也可以利用带GPS功能 的Reader实现,这样Reader即是移动中，也可以知道自己的位置。通过多个Reader对在Q 中同一个Tag的同时感应，利用它们射频有效覆盖范围的运算关系就可以实现对Tag的定 位。G-表示每个Reader的RF的信号有效覆盖区域，可以被近似地视为半径为r的球 G,因为姆个Reader的有效RF覆盖范围可以近似的看成是ー个半径为r的球体,那么，分布 在G内的所有Tag都可以被该Reader感应到。S-表示球G的最大内包正方体，被定义为Reader的通讯范围(communication range)。选取S作为通讯范围，而不直接选取球G作为通讯范围，目的是为了简化计算(从 下面的运算可知正方体之间的运算要比球体之间的运算简单地多)，节约运算开销，符合 无线传感器网络对节能方面的特殊要求。2 3D-PMWSN 定位算法针对上面定义的摸型，再做如下假设⑴操作空间Q确定不变，即Q的边长s是 常数；Q的网格分割方式确定，即η确定；Q中姆个Reader的信号有效覆盖区域G完全一祥, 即G的半径；r确定,这样，Reader的通讯范围S确定。在Q中安放若干个网格坐标已知的 Reader和随机分布着若干个位置待定的Tag。那么，姆个cell的大小可以计算出来,Reader 的通讯范围S可以用cell的数量表示。如果某个Tag可以同时被两个Reader检测到，那么 该Tag的位置就应该在两个Reader的通讯范围交集中，交集的大小和位置可以计算出来。 同样地，若某个Tag如果能够同时被多个Reader “捕获”,那么，多个Reader的通讯范围有 交集，交集的大小和位置也可以计算出来，从而实现Tag的定位，具体方法如下2. I Reader的通讯范围及多个Reader的空间表示首先分析Reader的信号的空间性质(如图2所示)。在n，r，s确定的情况下，令 最大内包正方体S的边长为2x，显然，3x2 = r2，可以得到
权利要求
1.一种三维空间下目标定位的3D-PMWSN模型，其特征在于是一种在三维空间下的基于无线传感器网络的节点定位方法。
2.根据权利要求1所述一种三维空间下目标定位的3D-PMWSN模型，其特征在于实现在空间范围内的目标定位。
3.根据权利要求1所述一种三维空间下目标定位的3D-PMWSN模型，其特征在于运用在建筑工地的材料管理中。
4.根据权利要求1所述一种三维空间下目标定位的3D-PMWSN模型，其特征在于实时跟踪建筑材料的位置。
5.根据权利要求1所述一种三维空间下目标定位的3D-PMWSN模型，其特征在于对安装 RFID标签的物体进行定位。
6.根据权利要求1所述一种三维空间下目标定位的3D-PMWSN模型，其特征在于是一种对三维空间中建筑材料位置跟踪方法。
7.根据权利要求1所述一种三维空间下目标定位的3D-PMWSN模型，其特征在于使用 3D-PMWSN 模型。
8.根据权利要求1所述一种三维空间下目标定位的3D-PMWSN模型，其特征在于使用 3D-PMWSN定位算法。
9.根据权利要求1所述一种三维空间下目标定位的3D-PMWSN模型，其特征在于使用定位算法误差分析。
全文摘要
本发明涉及一种三维空间下目标定位的3D-PMWSN模型，实现在建筑工地环境中建进行筑建筑材料的跟踪。分布式无线传感器网络的节点的定位是一个重要而基本的问题，在诸如搜救、目标跟踪、供应链管理、减灾以及智能环境等领域具有重要的应用价值。本发明通过分布在建筑工地中位置固定的READER构成的自组网，不需要特定的通讯设施，就可以感知和传送周围附着在建筑材料上的RFID信息。并通过自组网传送的监控中心。在建筑项目的管理中，材料管理在管理成本中占有很大的比例(56％到60％)，通过在建筑材料上安装RFID，可以自动地实时地检测建筑材料的进出和位置信息，及时了解材料的状况，在很大程度上提高了生产效率和管理水平，降低了建筑企业的管理成本，为低碳、智能建筑产业的发展创造条件。经调研，目前国内尚未发现在这方面的研究和应用。
文档编号H04W84/18GK103067862SQ201110321268
公开日2013年4月24日 申请日期2011年10月21日 优先权日2011年10月21日
发明者朱炜, 王志刚, 叶慎敏 申请人:镇江雅迅软件有限责任公司