專利名稱：一種抗人身遮擋的指紋定位方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡定位技術(shù)領(lǐng)域，涉及人員定位方法及系統(tǒng)，尤其涉及一種抗人身遮擋的指紋定位方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前存在大量的傳感器網(wǎng)絡定位方法，其中基于信號強度的指紋定位方法因不受硬件條件的限制，得到了廣泛研究。指紋定位方法分為離線和在線兩個階段其中離線階段是在定位區(qū)域中一位置由節(jié)點向周圍參考節(jié)點廣播數(shù)據(jù)包，該節(jié)點稱為定位節(jié)點。周圍節(jié)點根據(jù)測得的信號強度值，生成對應的信號指紋，以此建立所有位置的指紋數(shù)據(jù)庫，這些周圍節(jié)點稱為參考節(jié)點。在線階段則是在已有指紋數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，通過概率統(tǒng)計和數(shù)據(jù)挖掘等方法將觀察到的指紋與數(shù)據(jù)庫中指紋的匹配，從而獲得相應的位置。由于用戶需要將移動設(shè)備隨身攜帶，不可避免的出現(xiàn)身體遮擋，而身體遮擋引起的多徑和陰影問題使得信號強度衰減嚴重，導致指紋算法定位精度隨之下降，當前仍無有效辦法克服人身遮擋的影響。RADAR M-法(P. Bahland and V. N. Padmanabhan, "RADAR :An in-building RF-based user Location and tracking system", Proc. IEEE INF0C0M, 2000)是最早提及在無線網(wǎng)絡中利用指紋算法進行定位的系統(tǒng)之一。該系統(tǒng)在無人遮擋的情況下，定位中位數(shù)誤差達到了 2. Mm。盡管該算法也揭示了人身遮擋影響的存在，但是沒有提出有效的解決辦法，致使定位精度在身體遮擋環(huán)境下出現(xiàn)嚴重下降。COMPASS算法(T.King，S. Kopf, Τ.Haenselmann, C. Lubberger and W. Effelsberg, "COMPASS :A Probabilistic Indoor Positioning System Based on 802. Iland Digital Compasses，，,Proc. WiNTECH 2006)利用帶有數(shù)字指南針的節(jié)點，在采集信號指紋的同時也采集了人身體的朝向，定位的精度較上述算法有一定的提高，但是仍然無法避免采集非視距信號強度作為指紋數(shù)據(jù)，并沒有完全解決身體遮擋帶來的多徑和陰影問題，同時還帶來了額外的開銷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提出一種抗人身遮擋的指紋定位方法及系統(tǒng)，該方法及系統(tǒng)特別適用于傳感器網(wǎng)絡定位。本發(fā)明的抗人身遮擋的指紋定位方法，其步驟包括1.在人員身上布置兩個定位節(jié)點，在周圍環(huán)境中部署參考節(jié)點，參考節(jié)點已知自身位置，組成可定位的傳感器網(wǎng)絡；2.由定位節(jié)點發(fā)送廣播包，參考節(jié)點測量收到的廣播包的信號強度，對于定位區(qū)域中某一位置，選擇所有參考節(jié)點測得的視距信號強度構(gòu)成該位置的視距指紋，用不同位置的視距指紋建立指紋數(shù)據(jù)庫；3.測量當前位置的視距指紋，與指紋數(shù)據(jù)庫中的指紋進行匹配，確定所對應的位置。
步驟1中所述兩個定位節(jié)點可以布置在人員胸前和背后，或身體的左側(cè)和右側(cè)寸。步驟2和3中所述的視距指紋是指采用定位節(jié)點的視距信號強度生成的指紋，以避免人身遮擋影響。在定位區(qū)域中的不同位置，為了確定視距指紋，需要確定相對于每一個參考節(jié)點， 兩個定位節(jié)點中的視距定位節(jié)點。本發(fā)明通過實驗對比了由近及遠在多個連續(xù)位置的視距和非視距信號強度，發(fā)現(xiàn)了視距信號強度變化比較規(guī)律，如圖1所示。從圖中可以看出，通常情況下，當某一參考節(jié)點與身體上的兩個定位節(jié)點分別是視距與非視距通信時，視距信號強度會明顯大于非視距信號強度，但是由于非視距節(jié)點受到多徑和陰影的影響，使得非視距節(jié)點信號強度的變化呈現(xiàn)無規(guī)律性，從而出現(xiàn)個別非視距節(jié)點信號強度值接近或大于視距節(jié)點信號強度值的情況。本發(fā)明根據(jù)視距和非視距信號強度變化的規(guī)律，設(shè)計了視距指紋選擇方法和視距指紋異常排除方法，以確定定位區(qū)域中不同位置的視距指紋，具體描述如下1)視距指紋選擇在每個參考節(jié)點收到兩個定位節(jié)點的數(shù)據(jù)后，首先計算兩個定位節(jié)點的信號強度值，將信號強度值較大的定位節(jié)點作為該參考節(jié)點的視距定位節(jié)點，而將該視距定位節(jié)點的信號強度值作為該參考節(jié)點在該位置檢測到的視距信號強度。那么所有參考節(jié)點對應的視距信號強度構(gòu)成該位置的視距指紋。2)視距指紋異常排除由于受到多徑的影響，非視距節(jié)點信號強度的變化呈現(xiàn)無規(guī)律性，從而出現(xiàn)個別非視距節(jié)點信號強度值接近或大于視距節(jié)點信號強度值的情況。在步驟1)中，這樣的非視距信號強度值就會被誤當作視距信號強度值來處理，使得原始視距指紋中存在非視距的信號強度值。針對這一問題，本發(fā)明提出了一種依賴參考節(jié)點之間的位置關(guān)系來排除視距指紋中異常數(shù)據(jù)的策略。主要思路是通過預測身前與身后參考節(jié)點的分界線，排除參考節(jié)點收集的非視距信號強度異常。其步驟如下a)根據(jù)視距指紋選擇方法，分別獲得以兩個定位節(jié)點為視距定位節(jié)點的參考節(jié)點分組，每組按照信號強度值的大小排成隊列。當所有參考節(jié)點只屬于一個隊列時，將其看作沒有非視距信號強度異常存在；b)根據(jù)上述兩個參考節(jié)點分組中的信號強度隊列和各參考節(jié)點之間的位置關(guān)系判定人員朝向；c)根據(jù)人員朝向確定參考節(jié)點的分界線，將定位空間中的參考節(jié)點分成兩部分， 進而確定異常參考節(jié)點，排除非視距信號強度異常。本發(fā)明的抗人身遮擋的指紋定位系統(tǒng)，包括一由兩定位節(jié)點、若干參考節(jié)點和后臺服務器組成的傳感器網(wǎng)絡；定位節(jié)點向參考節(jié)點發(fā)送廣播包，各參考節(jié)點通過有線或無線的方式與后臺服務器通訊，后臺服務器安裝視距指紋處理程序，同時預存所有參考節(jié)點的位置。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于通過分析視距和非視距信號強度的變化規(guī)律，提出一種以視距信號強度作為指紋數(shù)據(jù)的指紋定位方法及系統(tǒng)，并設(shè)計了視距指紋選擇方法和相應的視距指紋中非視距信號強度異常的排除方法，從而保證了指紋數(shù)據(jù)不受多徑和陰影問題的干擾，使得在身體遮擋的情況下視距指紋定位方法的性能遠高于現(xiàn)有的指紋定位方法。


圖1視距與非視距信號強度變化對比示意2視距指紋定位系統(tǒng)體系架構(gòu)示意3視距指紋選擇策略示意4本發(fā)明實施例視距指紋定位方法的流程5視距指紋定位方法、COMPASS算法和RADAR算法定位性能比較示意圖
具體實施例方式以下結(jié)合附圖通過最佳實施例詳細說明本發(fā)明，但不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。本實施例提供一個采用本發(fā)明的定位方法的視距指紋定位系統(tǒng)，具體方案如下1.將兩個定位節(jié)點分別被置于測試者的胸前和背后，在周圍環(huán)境中部署參考節(jié)點，參考節(jié)點已知自身位置，組成可定位的傳感器網(wǎng)絡，如圖2所示。2.定位節(jié)點每秒周期性向周圍廣播含有節(jié)點號、包類型號和包序號信息的數(shù)據(jù)包。參考節(jié)點接收到廣播數(shù)據(jù)包后計算數(shù)據(jù)包的信號強度值，并將其和自身節(jié)點號等信息通過有線或無線的方式發(fā)送給后臺服務器。后臺服務器安裝了視距指紋處理程序，應用視距指紋定位方法，通過在定位區(qū)域內(nèi)的不同位置采集視距指紋建立指紋數(shù)據(jù)庫，這個過程在離線狀態(tài)下完成。3.在線狀態(tài)下，利用同樣的視距指紋定位方法采集視距指紋與離線指紋庫匹配， 匹配成功的數(shù)據(jù)庫中指紋位置對應的位置即為所定位的位置。本實施例中定位節(jié)點和參考節(jié)點均采用Crossbow公司的Telosb節(jié)點，定位節(jié)點通過電池供電，參考節(jié)點通過USB電源供電；參考節(jié)點能夠?qū)鞲衅鲾?shù)據(jù)通過Zigbee協(xié)議發(fā)送到Sink節(jié)點，最后由Sink節(jié)點發(fā)送到后臺服務器，后臺服務器安裝了由python語言編寫的指紋處理程序，同時預存了所有參考節(jié)點的位置。本實施例所述視距指紋定位方法具體描述如下1.視距指紋選擇在每個參考節(jié)點收到胸前和背后兩個定位節(jié)點的數(shù)據(jù)后，首先計算兩個定位節(jié)點的信號強度值，將信號強度值較大的定位節(jié)點作為該參考節(jié)點的視距定位節(jié)點，而將該視距定位節(jié)點的信號強度值作為該參考節(jié)點在該位置檢測到的視距信號強度。那么所有參考節(jié)點對應的視距信號強度構(gòu)成該位置的視距指紋，作為原始視距指紋。2.視距指紋異常排除根據(jù)視距指紋選擇方法，分別獲得以兩個定位節(jié)點為視距定位節(jié)點的參考節(jié)點分組，每組按照信號強度值的大小排成隊列。假設(shè)參考節(jié)點為b1;b2…，bx，兩個參考節(jié)點分組為B1 = V·、和4 = lv"bn，如圖3所示，圓形節(jié)點屬于B1組，三角節(jié)點屬于4組。當所有參考節(jié)點只屬于一個隊列時，我們將其看作沒有非視距指紋異常存在。處理方法描述如下判定人員朝向人員朝向是指人的身體正面所對的方向，即胸前節(jié)點的方向。分別從B1和化中選擇信號強度值最大的h和bm參考節(jié)點，得到向量bmbi。其中bmbi的模為h 和\測量的信號強度值的和，方向為bm —Iv接著分別從兩個隊列中選擇信號強度值第二大的兩個參考節(jié)點bk和ID1，得到向量bibk。如果任何一個隊列中不存在第二大的參考節(jié)點，用第一大的參考節(jié)點代替之。將向量bibk與I^bi求和。如果和向量與bA之間的方向夾角小于15°，則和向量方向即為人員朝向，否則以和向量代替bmbi繼續(xù)選擇兩組隊列中第三大的參考節(jié)點，重復以上操作。排除異常假設(shè)最終所得與bmbi之間的方向夾角小于15°的向量Sb1Iv計算bi 和bk測量的信號強度值的和為Sik，I3n^nb1測量的信號強度值的和為^llll5如圖3所示，和向量的方向為人員朝向，將和向量按Sik ^lll的比例做垂線，即為分界線，將定位空間中的參考節(jié)點分成兩部分。那么位于、同側(cè)的且屬于化組的節(jié)點為異常節(jié)點，位于bi異側(cè)的且屬于B1組的節(jié)點也為異常節(jié)點，對于這些異常參考節(jié)點，我們令其選擇兩個定位節(jié)點中未被作為原始視距指紋的那個信號強度作為視距信號強度即可排除視距指紋異常。本實施例視距指紋定位方法的流程如圖4所示，其包括確定是離線階段還是在線階段，離線階段，需要對每一個位置進行視距指紋選擇操作。而在線階段，只對當前位置采集視距指紋。無論離線還是在線階段，均根據(jù)視距指紋選擇方法，通過分辨兩個定位節(jié)點中哪一個是視距定位節(jié)點建立原始視距指紋無論離線還是在線階段，均根據(jù)視距指紋異常排除方法，首先將視距指紋按照屬于哪一個視距定位節(jié)點分為兩組，利用兩組視距指紋中參考節(jié)點的信號強度值來判定人員朝向。然后根據(jù)朝向信息排除原始視距指紋中的異常視距信號，從而建立最終的視距指紋。 將在線階段建立的視距指紋與離線階段建立的視距指紋數(shù)據(jù)庫進行匹配，利用現(xiàn)有的匹配算法確定所定位的位置。本實施例在存在多徑和陰影的實驗環(huán)境下對該視距指紋定位方法和COMPASS算法、RADAR算法進行了性能比較，結(jié)果表明視距指紋定位方法能夠明顯減緩多徑和陰影對定位精度的影響，如圖5所示?？梢钥闯鯮ADAR算法的中位數(shù)誤差超過了 6m，C0MPASS算法的中位數(shù)誤差有所改善，達到了 4. 2m,而視距指紋定位方法能夠獲得an中位數(shù)誤差性能。同時視距指紋定位方法能夠以90%的概率達到的細精度，也分別好于RADAR算法的9m精度和COMPASS算法的10. 5m精度。
權(quán)利要求
1.一種抗人身遮擋的指紋定位方法，其步驟包括1)在人員身上布置兩個定位節(jié)點，在周圍環(huán)境中部署參考節(jié)點，參考節(jié)點已知自身位置，組成可定位的傳感器網(wǎng)絡；2)由定位節(jié)點發(fā)送廣播包，參考節(jié)點測量收到的廣播包的信號強度，對于定位區(qū)域中某一位置，選擇所有參考節(jié)點測得的視距信號強度構(gòu)成該位置的視距指紋，用不同位置的視距指紋建立指紋數(shù)據(jù)庫；3)測量當前位置的視距指紋，與指紋數(shù)據(jù)庫中的指紋進行匹配，確定所對應的位置。
2.如權(quán)利要求1所述的抗人身遮擋的指紋定位方法，其特征在于，所述兩個定位節(jié)點分別布置在胸前和背后，或左側(cè)和右側(cè)。
3.如權(quán)利要求1所述的抗人身遮擋的指紋定位方法，其特征在于，所述廣播包含有節(jié)點號、包類型號和包序號信息。
4.如權(quán)利要求1所述的抗人身遮擋的指紋定位方法，其特征在于，所述定位節(jié)點和參考節(jié)點均采用Crossbow公司的I1eIosb節(jié)點。
5.如權(quán)利要求1所述的抗人身遮擋的指紋定位方法，其特征在于，步驟1)-2)在離線狀態(tài)下完成，所述步驟幻在在線狀態(tài)下完成。
6.如權(quán)利要求1所述的抗人身遮擋的指紋定位方法，其特征在于，步驟幻所述建立指紋數(shù)據(jù)庫和步驟幻在后臺服務器完成，所述后臺服務器安裝指紋處理程序，同時預存所有參考節(jié)點的位置。
7.如權(quán)利要求1所述的抗人身遮擋的指紋定位方法，其特征在于，各參考節(jié)點收到兩定位節(jié)點廣播的信號后，將信號強度值較大的定位節(jié)點作為該參考節(jié)點的視距定位節(jié)點， 將該視距定位節(jié)點的信號強度值作為該參考節(jié)點在該位置檢測到的視距信號強度。
8.如權(quán)利要求7所述的抗人身遮擋的指紋定位方法，其特征在于，還包括排除非視距信號強度異常的步驟1)獲得以兩定位節(jié)點為視距定位節(jié)點的參考節(jié)點分組，每組按照信號強度值的大小排成隊列；當所有參考節(jié)點只屬于一個隊列時，視為無非視距信號強度異常；2)根據(jù)上述兩參考節(jié)點分組中的信號強度隊列和各參考節(jié)點之間的位置關(guān)系判定人員朝向；3)根據(jù)人員朝向確定參考節(jié)點的分界線，將定位空間中的參考節(jié)點分成兩部分，進而確定異常參考節(jié)點，排除非視距信號強度異常。
9.如權(quán)利要求8所述的抗人身遮擋的指紋定位方法，其特征在于，當兩個節(jié)點為胸前和身后布置時，所述人員朝向為人的身體正面所對的胸前節(jié)點方向。
10.一種抗人身遮擋的指紋定位系統(tǒng)，包括一由兩定位節(jié)點、若干參考節(jié)點和后臺服務器組成的傳感器網(wǎng)絡；定位節(jié)點向參考節(jié)點發(fā)送廣播包，各參考節(jié)點通過有線或無線的方式與后臺服務器通訊，后臺服務器安裝視距指紋處理程序，同時預存所有參考節(jié)點的位置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種抗人身遮擋的指紋定位方法及系統(tǒng)。為了有效的避免人身遮擋引起的多徑和陰影問題對人員定位的影響，本發(fā)明在人員身上布置了兩個定位節(jié)點；由定位節(jié)點發(fā)送廣播包，周圍的參考節(jié)點測量收到的廣播包的信號強度，用不同位置的視距指紋建立指紋數(shù)據(jù)庫，并通過將當前位置的視距指紋與指紋數(shù)據(jù)庫中的指紋進行匹配，來確定所對應的位置。為了確定視距指紋，本發(fā)明根據(jù)視距和非視距信號強度變化的規(guī)律設(shè)計了視距指紋選擇方法，并通過視距指紋異常排除方法來排除其中的非視距信號強度異常，保證了指紋數(shù)據(jù)不受多徑和陰影問題的干擾，使得在身體遮擋的情況下視距指紋定位方法的性能遠高于現(xiàn)有的指紋定位方法。
文檔編號H04B17/00GK102395100SQ20111025766
公開日2012年3月28日 申請日期2011年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月1日
發(fā)明者孫利民, 朱紅松, 秦偉俊, 陳永樂 申請人:中國科學院軟件研究所