专利名称：用于工业无线传感器网络中定位的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线传感器网络领域，并且更具体地说，涉及用于为在工业无线传感 器网络中的定位提供解决方案的方法和系统。
背景技术：
通常，无线传感器网络是由自主式传感器组成的网络，传感器在空间上是分散的， 并且要监视诸如温度、压力等工业过程变量。无线传感器网络具有像对象跟踪、环境监视、 工业监视等各种应用。无线传感器网络具有现场装置，现场装置是能够进行无线通信的无 线装置，并且可包括传感器/致动器，以及通过对应传感器节点或微尘(mote)连接到无线 传感器网络中。
将位置信息和无线传感器网络中传感器感测的信息嵌在一起变得对诸如资产跟 踪、监视等各种应用更有用。确定网络中传感器的位置信息称为定位，并且这对应于无线微 尘的位置、方位或标识。例如，网络调查信息用于研究网络并将网络表征为一个整体。除此 之外，报告传感器的位置要求定位，并且用于本文中提及的定位的需要只是示范并且因此 不是详尽的。存在解决与定位有关的业务的各种手段，其中，此类手段可基于全球定位系统 (GPS)、射频标识(RFID)等。
由于GPS信号的非可用性、操作GPS接收器所需的另外功率、从工程工具支持的有 效工作流程、缺少使用多个技术的方法或此类类似限制原因，以现有方式或形式在无线传 感器网络中通过GPS、RFID等执行的定位可能未提供用于工业无线传感器网络的完全定位 解决方案。因此，用于工业无线传感器网络的定位很麻烦。它要在使用经配置或使适应以 适合工业无线网络的适合工具和技术支持定位的网络的调试期间或之后实现，并且因此不 是如从在性质上几乎是抽象的无线传感器网络的其它应用中所了解的定位的类似或纯粹 延伸。另一方面，也要考虑在部署/调试后用于工业无线传感器网络中移动现场装置的定 位解决方案。在当前实践中，由于普遍的难题，定位未在工业无线传感器网络中实现。此类 难题包括在调试期间或作为调试的一部分解决定位，为定位采用适合的工具和技术，实现 无线网络中室内和室外现场装置的定位，并且不是无关紧要的。
本发明旨在提供一起允许在无线传感器网络中定位，并且完全解决上述问题的解 决方案。
发明目的本发明的一目的是提供一种用于定位的方法，其在工业无线传感器网络的调试期间或 通过该工业无线传感器网络的调试来实现。
本发明的另一目的是提供一种用于定位的方法，其在执行定位中相应地利用适合 的工具和技术。
本发明的又一目的是提供一种用于已经部署的现场装置和移动现场装置的定位 的方法。
本发明仍有的另一目的是提供一种能够为室内或室外现场装置或两者应用的定位的方法。
本发明还有的另一目的是依照用于定位的方法及其目的，提供一种能够在工业无 线传感器网络中定位的系统。发明内容
工业无线传感器网络包括一个或多个现场装置、操作员门户、具有诸如网络管理 器、安全管理器、接入点、网关等的一个或多个模块的无线管理组件或其组合，以便构成无 线管理组件。现场装置可具有传感器，并且通过也称为微尘的传感器节点连接到工业无线 传感器网络中。每个传感器节点或微尘具有在所述网络中与其相关联的现场装置。
定位最终涉及确定传感器节点且明显是与其相关联的现场装置的位置、方位和标 识。定位能够在工业无线传感器网络的调试期间或之后执行，或者通过使用适当技术或工 具或者通过其适合的组合完全或部分执行。本文中为定位采用的技术包括GPS、RFID、射频 信标、传感器节点信号强度、集中节点距离信息、到达时间、无线传感器网络的初始部署计 划及一个或多个组合等。另一方面，具有用于定位的工具的调试和配置单元包括手持式装 置、操作员门户等。然而，在本文中前面对其直接提及的技术和工具及调试和配置单元不全 面，解决其需要或功能的其它适合和适当的技术与工具能够共延应用于此。
相应地，本发明提供用于在工业无线传感器网络中定位的方法。该方法包括识别 用于定位的现场装置的传感器节点的步骤。此后是确定与所述现场装置相关联的传感器节 点的位置信息。在确定位置信息后，该方法包括在所述现场装置中或者在所述无线网络管 理组件的一个或多个模块或操作员门户或其组合中存储确定的位置信息的步骤。根据本发 明的方法在现场装置加入网络期间或者在工业无线传感器网络的调试期间或之后部分或 完全执行。
识别用于定位的现场装置的传感器节点或微尘的步骤由所述现场装置本身在加 入网络时或者在经适当触发以查找其位置时作出。现场装置能够单独或者和其位置信息要 确定的现场装置在相同位置的任何其它现场装置一起相应地执行此步骤。识别也能够在网 络的调试期间或之后相应地发起和/或处理。在此情况下，具有隐式或显式工具的调试和 配置单元、具有工具并且配置成执行此步骤的手持式装置能够用于识别的步骤的目的。基 本上，如本文中前面所述采用的部件构成用于本发明的目的的检测部件。
确定识别的传感器节点的位置信息的步骤由确定部件使用适合的技术和/或工 具执行。工具可配置成包括能够确定所述传感器节点的位置信息的模块。所述工具可在 手持式装置、无线管理组件、操作员门户、调试和配置单元等中采用和/或配置。诸如GPS、 RFID或诸如此类的技术能够在本文中成功用于定位，并且能够独立或以适合的组合方式使 用以便更准确地确定位置信息。必要地是要注意，对于不能明显使用或有效使用GPS的室 内现场装置，能够使用具有足够覆盖以检测信号的天线，或者能够独自或作为组合适当地 为室内现场装置利用其它适合技术。此外，要注意的是，本文提及的工具和技术能够独自用 于定位，或者以适当组合联合用于定位。
在确定位置信息时，所述位置信息存储在与相应传感器节点有关的对应现场装置 中，或者在无线管理组件的一个或多个模块中，或者在操作员门户或者其组合中。
参照附图，其中:图1示出根据本发明能够依照用于定位的方法进行定位的系统；图2示出依照本发明，在用于定位的方法中涉及的总体工作流程；以及 图3和4描绘现场装置的位置信息的确定。
具体实施方式
参照附图1到4所示示范实施例，进一步描述本发明。本文中后面所述实施例在 性质上只是示范并且不详尽。根据本发明的系统和方法涉及现场装置的定位，其中，本文所 述定位意在指与传感器节点的识别、其位置及其方位有关的位置信息。
图1描绘能够根据本发明提议的用于定位的方法进行定位的系统(100)。工业无 线传感器网络中的系统一般包括一个或多个现场装置(101)、操作员门户、无线网络管理组 件、手持式装置(105)。现场装置可以是网络中的室内或室外现场装置。基本上，现场装置 通过传感器节点或微尘连接到网络中，这意味着每个现场装置具有与其相关联的传感器节 点。无线网络管理组件包括诸如网络管理器、安全管理器、接入点(102)、网关(103)等一个 或多个模块。这些模块的一个或多个模块或其组合构成无线网络管理组件。
通常，现场装置(101)通过接入点(102)和网关(103)连接到网络中。与其管理网 络和安全的功能相关，本文中提及的网络管理器和安全管理器对应地管理网络及其安全。
在室外能够接收GPS信号的现场装置能够利用GPS接收器，并且也能够使用在GPS 信号不可用时使用的其它方法。通过这些手段，定位对于室内和室外GPS拒绝的环境是可 能的。
应注意的是，位置信息也能够从无线网络管理组件的一个或多个模块中寻找。借 助于和通过各种手段或方式获得的位置信息可存储在数据存储单元(104)中，并且之后用 于要求位置信息的此类目的。
下面通过示范实施例描述根据本发明用于定位的方法。
本文后面参照图2到4所示示范实施例描述用于定位的方法。本发明的方法遵循 识别其位置信息被要求要确定的现场装置的步骤。此后是确定所述装置的位置信息，并且 存储如此确定的位置信息。无论何处适用且适当，存储的步骤能够共延或并排包括更新位 置信息的步骤。这包括更新在具有显式或隐式定位数据库的数据存储单元(104)中、在无 线网络管理组件的一个或多个模块、操作员门户、手持式装置等中的位置信息。各种技术和 工具整体或部分或与其它此类技术和工具组合，帮助确定和/或实现定位。此处一直提及 的一些技术和工具是在GPS、RFID、近距离通信、信号三角测量、射频信标等中使用的技术。 这些技术不全面，并且其它可能变化也是可实现的。
定位可在基于工业无线传感器网络范围(vide)的计划工具的建筑平面图部署现 场装置时实现，或者通过操作员门户由操作员实现，或者在网络的调试期间或之后通过调 试和配置单元实现，或者通过所述现场装置本身或通过与所述现场装置在相同位置的其它 现场装置实现。
为所述现场装置确定的位置信息被更新和/或存储在数据存储单元中或在无线 网络管理组件的一个或多个模块中或在操作员门户中或在所述现场装置中或在可行之处或在上述的组合中。
图2示出在定位中涉及的总体工作流程。工业无线传感器网络中的现场装置 (101)和相关联传感器节点由检测部件识别。检测部件能够是所述现场装置(101)本身、无 线网络管理组件的一个或多个模块、调试和配置单元(201)、与所述现场装置在相同位置的 一个或多个现场装置、手持式装置、操作员门户等。检测部件配置成识别对于其定位要执行 的现场装置。
如果定位在部署时执行，则对应于无线传感器网络的建筑平面图的部署参数(其 包括现场装置(101)的位置信息)被包括在用于所述网络的计划工具(202)中。另一方面， 在网络的调试期间，采用配置成确定位置信息的调试和配置单元(201)。
确定位置信息的步骤也包括手动或自动感测和获得相关参数/方位信息，作为用 于由位置确定模块(203)确定位置信息的输入。用于确定位置信息的输入能够通过使用 GPS、RFID、建筑平面图、信号强度、来自无线网络管理组件的方位距离/信息、射频信标等 或其可能组合来获得。这些是用于自动获得作为相关输入的所述方位信息的一些示例。与 由GPS的高功耗相比，这些技术/工具的可能组合提供了低功率利用的优点。它也能够是 通过手持式装置的手动输入，预存储在现场装置、无线网络管理组件中。这些输入存储在数 据存储单元(104)中，并且还用于通过在位置确定模块(203)中的适当计算来查找位置信 肩、O
在附连到现场装置(101)的GPS、RFID或近距离通信系统或诸如此类中使用的技 术感测用于确定位置信息的现场装置的方位。就在本文中前面提及的附连未仅限于物理附 连。这些技术能够独自使用或者适当地组合使用。GPS应用限于室外应用，这为人所熟知， 但GPS能够通过使天线至少最低限度地暴露于外部并且将所述天线连接到GPS而用于室内 现场装置，由此能够适当地感测要求的参数。
这些技术能够组合或混合使用，因为这将增大感测的方位信息的准确度。此外，它 帮助解决特定技术不能完全单独使用的缺陷。例如，在用于室内现场装置时采用天线的GPS 感测并提供方位信息，所述方位信息可相当正确，但同样能够进一步改进其准确度，或者更 接近的准确方位信息能够也通过使用近距离通信、射频信标、传感器节点的距离信息获得， 这进一步改进了信息或使其更接近准确。
位置信息由确定部件确定。此处提及的确定部件包括具有相应配置的一个或多个 模块的工具，或者它包括操作员门户或具有工具的调试和配置单元(201)或所述无线网络 管理组件的一个或多个模块。这些部件能够单独使用或者以组合方式联合使用。
位置确定模块(203)基于具有方位信息相关性的相关输入，计算位置信息。位置 确定模块(203)在以下所述的一项或多项内存在，即，现场装置(101)或无线网络管理组件 的一个或多个模块或调试和配置单元(201)或手持式装置或操作员门户或诸如此类。位置 确定模块(203)基本上基于包括三角测量方法的某些方法，计算位置信息。所述三角测量 方法或诸如此类又可基于现场装置的信号强度、功率强度、射频信标的静态位置等中的一 项或多项。
更具体地说，通过即将到来的示范说明，能够进一步描述和更好地理解本发明。
方位信息通过GSP等自动获得或者手动获得，并且方位信息提供为到调试和配置 单元(201)的输入。此输入能够变成用于已经存在信息的更新或新信息，并且能够变成用于调试的参数之一。其随后通过可以是有线或无线的通信接口馈入对应现场装置。
根据另一说明，附连或集成到现场装置(101)的GPS提供方位信息，并且其由现场 装置内的定位模块用于确定位置信息，或所述方位信息能够传递到位置信息在其处被确定 的数据存储单元(104)。此处，现场装置(101)可以在室外或室内。如果现场装置位于室 内，则已连接到GPS的天线能够相应地安装以便适当暴露到外部，以允许方位信息的检测。
依照另一说明，用于确定位置信息的带有方位信息的现场装置将方位信息提供到 位置确定模块(203)。在工业无线传感器网络中，能够将带有方位信息的传感器节点定义为 主节点。这些主节点将具有方位/位置信息，并且其方位有助于变成用于确定网络中其它 传感器节点的位置的参考。位置信息在位置确定模块(203)中确定，并且由此存储在数据 存储单元(104)中。使用GPS、存储有相关数据的RFID标记、手动更新、采用三个主节点和 GPS或信号强度等的技术来获得方位信息。此处上面提及的位置确定模块(203)在无线网 络管理组件或现场装置(101)或调试和配置单元(201)的一项或多项中可用。
用于确定方位信息的技术能够基于使用信号强度的三角测量方法。这在图3a和 3b中示出。在图3a中，现场装置(101)或与其相关联的表示为已加入网络的M4的传感器 节点(微尘)能够找到其位置信息。M4具有关于相邻现场装置及其对应传感器节点(微尘) Ml、M2和M3的方位和信号电平/强度及电池功率的信息。M4使用如上通过三角测量所述 与其可用的信息，确定位置信息。在与M4相关联的现场装置中能够更新和/或存储确定的 位置信息。类似地，在图3b中，此处的网关或手持式装置具有与现场装置及其相关联传感 器节点M1、M2、M3和M4的方位和信号电平/强度及电源功率有关的信息。网关或手持式装 置确定位置信息。
从图4a中，能够看到，和射频信标(401)固定在一起的现场装置(101)通过GPS 或其它可能部件读取在网络中安装的信标(402)的方位信息。随后，如本文中前面所述确 定位置信息。类似地，在图4b中，能够看到射频信标(401)也能够与调试和配置单元(201) 取向在一起。在数据存储单元(104)中更新和/或存储如此确定的位置信息。
相应地，在从数据存储单元(104)或GPS等获得与现场装置(101)有关的位置信 息后，调试和配置单元(201)能够将位置信息写入使用RFID记录器的该装置的RFID标签。 通过此操作，位置信息也能够加载到现场装置(101)中。
应注意的是，本文中上面整个描述中提及的技术和工具不限于一个特定方法或实 践，并且能够在工业无线传感器网络中结合系统的一个或多个要素或反之亦然在其所有可 能组合中适合及适当地扩展或使用。其中此类修改、变化或改进虽然未明确提及，但要视为 在本发明的范围内。
权利要求
1.一种用于在工业无线传感器网络中定位的方法，所述工业无线传感器网络具有一个或多个现场装置、操作员门户、包括诸如网络管理器、安全管理器、接入点、网关的一个或多个模块的无线网络管理组件，所述方法包括以下步骤:通过以下来识别用于定位的现场装置的传感器节点:通过作为所述现场装置的检测部件中的一个或多个，或者通过所述无线网络管理组件的一个或多个模块，或者通过调试和配置单元，或者通过所述工业无线网络中与其中的所述现场装置在相同位置的一个或多个现场装置，或者通过手持式装置；由确定部件确定与所述现场装置相关联的所述传感器节点的位置信息，所述确定部件具有在所述无线网络管理组件的一个或多个模块中，或者在所述现场装置中或者调试和配置单元中，或者在操作员门户或诸如此类中，或者在其组合中配置的工具；在所述现场装置中，或者在所述操作员门户中，或者在所述无线网络管理组件的一个或多个模块或者其组合中存储所述确定的位置信息。
2.如权利要求1所述的方法，其中识别的步骤是由配置成识别对于其定位要执行的所述现场装置的所述一个或多个检测部件对所述传感器节点的手动或自动识别。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述检测部件中的一个或多个基于诸如GPS、 RFID、射频信标、传感器节点信号强度、集中节点距离信息、到达时间、带天线的GPS、无线传感器网络的初始部署计划或其一个或多个组合的技术和/或工具。
4.如权利要求1所述的方法，其中由确定部件确定所述位置信息的步骤，其中所述确定部件包括用于基于信号强度、三个主节点、射频信标或三角测量技术或诸如此类来确定所述位置信息的位置确定模块。
5.如权利要求4所述的方法，其中从一个或多个所述检测部件或者从独有地或包含地存储对应于确定所述位置信息的信息的所述数据存储单元，所述位置确定模块接收与确定所述位置信息有关的信息以用于确定位置信息。
6.如权利要求1所述的方法，其中存储所述确定的位置信息的步骤还包括更新和/或存储在现场装置中的一个或多个、所述无线网络管理组件的一个或多个模块、操作员门户、 手持式装置中如此确定的所述位置信息。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括显示所述位置信息及用于确定所述位置信息的信息。
8.如前面权利要求任一项所述的方法，其中所述方法能够在所述现场装置加入所述网络时或者在所述网络的调试期间或之后部分或完全执行。
9.一种能够依照如前面权利要求任一项所述方法定位的系统，所述系统包括:一个或多个现场装置，其为室内或室外或两者的；无线网络管理组件，其包括诸如网络管理器、安全管理器、接入点、网关的一个或多个模块；操作员门户，其帮助操作员操作网络；适用于和/或配置成基于以下的技术和/或工具中的一个或多个起作用的部件:诸如 GPS、RFID、射频信标、传感器节点信号强度、集中节点距离信息、到达时间、无线传感器网络的初始部署计划或其一个或多个组合。
10.如权利要求9所述的系统，还包括用于显示所述位置信息及用于确定所述位置信息的信 息的显示部件。
全文摘要
本发明涉及用于在工业无线传感器网络中定位的方法。该方法包括识别用于定位的现场装置的传感器节点的步骤。此后是确定与所述现场装置相关联的传感器节点的位置信息。在确定位置信息后，该方法包括在所述现场装置中或者在所述无线网络管理组件的一个或多个模块或操作员门户或其组合中存储确定的位置信息的步骤。根据本发明的方法在现场装置加入网络期间或者在工业无线传感器网络的调试期间或之后部分或完全执行。本发明也涉及能够依照本发明的方法在工业无线传感器网络中定位的系统。该系统包括现场装置、无线网络管理组件的一个或多个模块、操作员门户、能够在适用或对其配置成用于定位的技术和/或工具上工作的部件。
文档编号H04W64/00GK103140865SQ201080068359
公开日2013年6月5日 申请日期2010年11月18日 优先权日2010年7月30日
发明者A.雷, M.坎德, V.纳拉雅南, R.库马 申请人:Abb研究有限公司