一種用於無線傳感器網絡的三維定位和遠程查詢系統的製作方法
2023-04-28 06:23:06 1
專利名稱：一種用於無線傳感器網絡的三維定位和遠程查詢系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及通信技術領域，尤其涉及一種用於無線傳感器網絡的三維定位和遠程查詢系統。
背景技術：
無線傳感器網絡集傳感器技術、無線通信技術、嵌入式計算技術、微機電系統技術和分布式信息處理技術 於一體，通過傳感器與外界交互，完成數據採集、處理、通信及管理等功能，廣泛應用於公共安全、國防軍事、醫療衛生、環境監測、智能家居、搶險救災等諸多領域，具有廣闊的應用前景。無線傳感器網絡節點的三維定位作為無線傳感器網絡的關鍵支撐技術，對無線傳感器網絡的應用有著重要的意義，沒有位置信息的監測消息通常是毫無意義的，確定事件發生的位置或採集數據的節點位置是傳感器網絡最基本的功能之一。在近年來的研究中，人們對無線傳感器網絡的組建、三維定位的算法等問題也提出了許多理論和方法，比如，中國專利申請號為200710164581. 2，名稱為一種基於測距的無線傳感器網絡節點定位方法，該方法利用待測節點到各個錨節點之間的距離差值來對待測節點的位置坐標進行定位。再比如，中國專利申請號為200810057495. 6，名稱為三維空間中無線傳感器網絡基於抽樣的節點自身定位方法，該方法利用對三維空間隨機抽樣的方法，獲取所需樣本點信息，並通過範圍約束條件進行過濾得到成功樣本點，取成功樣本點坐標平均值作為未知節點的初始坐標估計值。但是以上方法均偏重理論研究，算法複雜度較高，對傳感器節點硬體要求高，難以將其應用於構建實時的三維定位系統。且現有的無線傳感器網絡的三維定位系統中沒有整合遠程查詢功能。
發明內容
有鑑於現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是從整體上整合無線傳感器網絡的組建、三維定位、遠程查詢等各項技術，提供一種功能模塊化的、具有良好的通用性並且易搭建的用於無線傳感器網絡中的三維定位和遠程查詢系統。為實現上述目的，本發明提供了一種用於無線傳感器網絡的三維定位和遠程查詢系統，包括無線通信模塊、傳感器模塊、運算模塊、顯示模塊、存儲模塊和遠程查詢模塊，其中，所述無線通信模塊與所述傳感器模塊組成無線傳感器網絡，所述無線傳感器網絡與運算模塊、顯示模塊組成三維定位系統，所述運算模塊、所述存儲模塊和所述遠程查詢模塊組成三維定位信息的遠程查詢系統，所述無線通信模塊用於組建使各傳感器可以互相通信的無線網絡，並將所述傳感器模塊採集的數據信息發送到所述運算模塊；所述傳感器模塊用於採集數據信息並將採集的數據信息發送到所述無線通信模塊；所述運算模塊用於對傳感器採集的數據信息進行運算，得到三維定位信息；所述顯示模塊用於顯示來自所述運算模塊的所述三維定位信息；所述存儲模塊用於存儲來自所述運算模塊的所述三維定位信息；所述遠程查詢模塊用於提供所述儲存模塊中所存儲的所述三維信息的遠程查詢。進一步地，所述無線通信模塊包括網絡組建子模塊和信息處理子模塊，所述網絡組建子模塊用於組建使各傳感器之間可以互相通信的無線網絡，並分配所述傳感器模塊中各傳感器的身份，確定被定位的傳感器和定位傳感器；所述信息處理子模塊用於將所述傳感器模塊採集的數據信息打包並發送給所述運算模塊。進一步地，所述網絡組建子模塊是採用Zigbee技術進行無線網絡的組建的。可選地,所述無線通信模塊是由6個Crossbow公司生產的Iris系列無線節點組成的。進一步地，所述傳感器模塊是使用所述無線通信模塊中的無線節點自帶的信號強 度傳感器進行數據信息採集的。進一步地，所述運算模塊進一步是通過如下步驟對傳感器採集的數據信息進行運算，得到三維定位信息的I)將所述傳感器模塊採集的數據信息經過計算轉換為距離信息，得到被定位的傳感器和定位傳感器之間的距離；2)使用上述步驟I)計算的距離構建權值矩陣；3)通過加權的最小二乘法求解所述被定位傳感器的三維坐標；4)通過所述被定位傳感器的所述三維坐標計算所述被定位傳感器到各定位傳感器的距離，並與所述步驟I)中得到的距離進行比較，並去除比較的差值大於預定閥值的距離測量值；5)使用剩餘的距離測量值通過步驟3)再次計算所述被定位傳感器的三維坐標，並根據三維定位精度的要求判斷是結束運算還是繼續通過步驟4)進行比較和去除。所述運算模塊通過上述運算得到三維定位信息後，將三維定位信息發送到顯示模塊和存儲模塊。進一步地，所述顯示模塊是以三維圖像的形式顯示來自所述運算模塊的三維定位信息的。進一步地，所述存儲模塊是使用資料庫來存儲來自所述運算模塊的三維定位信息的。進一步地，所述遠程查詢模塊包括信息發布子模塊和信息接收子模塊，其中信息發布子模塊用於將來自所述存儲模塊的三維定位信息發布於網際網路；信息接收子模塊通過網際網路和信息發布子模塊通信並顯示三維定位信息。進一步地，所述信息接收子模塊是使用PDA終端作為載體，從網際網路接收三維定位信息的。本發明的有益效果在於將無線傳感器網絡中的三維定位和遠程查詢系統基於功能進行模塊化，通過各模塊之間的協作實現整個系統的功能。各個模塊功能完善，可以獨立開發，使得整個系統通用性強，易於搭建，並且整合了無線傳感器網絡的組建、三維定位、遠程查詢等各項技術，實現用於無線傳感器網絡的三維定位和遠程查詢系統。以下將結合附圖對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發明的目的、特徵和效果。
圖I是本發明的用於無線傳感器網絡的三維定位和遠程查詢系統的構成具體實施例方式
下面結合附圖來具體說明本發明的實施例。如圖I所示，一種用於無線傳感器網絡的三維定位和遠程查詢系統，包括無線通信模塊I、傳感器模塊2、運算模塊3、顯示模塊4、存儲模塊5和遠程查詢模塊6，其中，所述無線通信模塊I與所述傳感器模塊2組成無線傳感器網絡，所述無線傳感器網絡與運算模塊3、顯示模塊4組成三維定位系統，所述運算模塊3、所述存儲模塊5和所述遠程查詢模塊6組成三維定位信息的遠程查詢系統。所述無線通信模塊I用於組建使各傳感器可以互相通信的無線網絡，並將傳感器模塊2採集的數據信息發送到所述運算模塊3 ;所述傳感器模塊2用於採集數據信息並將採集的數據信息發送到所述無線通信模塊I ;所述運算模塊3用於對傳感器採集的數據信息進行運算，得到三維定位信息；所述顯示模塊4用於顯示來自所述運算模塊3的所述三維定位信息；所述存儲模塊5用於存儲來自所述運算模塊3的所述三維定位信息；所述遠程查詢模塊6用於提供所述存儲模塊5中所存儲的所述三維信息的遠程查詢；所述無線通信模塊I與所述傳感器模塊2組成無線傳感器網絡，採集數據信息，所述無線傳感器網絡與運算模塊3、顯示模塊4組成三維定位系統，傳輸所採集的數據信息，根據採集的數據信息通過運算處理進行三維定位並顯示三維定位信息，所述運算模塊3、所述存儲模塊5和所述遠程查詢模塊6組成三維定位信息的遠程查詢系統，將三維定位信息發布到網際網路，並進行接收和顯示。其中，無線通信模塊I包括網絡組建子模塊7和信息處理子模塊8，網絡組建子模塊7組建使各個傳感器互相通信的無線網絡，並對各個傳感器的身份進行分配，確定各個傳感器是被定位的傳感器還是定位傳感器。而信息處理子模塊8則根據傳感器的身份是被定位的傳感器還是定位傳感器，對傳感器發送和接收的數據信息進行特定方式的打包後，發送給運算模塊3。無線通信模塊I可以是若干個無線節點，本實施例中，無線通信模塊I是由6個Crossbow公司生產的Iris系列無線節點組成，但是，本發明的系統中的無線通信模塊I並不僅限於此，可以根據實際情況選擇其它公司的其它系列的無線節點。傳感器模塊2採集數據信息並定時將所採集的數據信息發送到無線通信模塊I的信息處理子模塊8，本實施例中，傳感器模塊2使用上述無線通信模塊I的無線節點自帶的信號強度傳感器，採集接收信號的信號強度信息並量化為數值信息，並將數值信息定時發送到無線通信模塊I的信息處理子模塊8。運算模塊3接收來自無線通信模塊I的數據包，並採用特定的算法對數據包中傳感器模塊2採集的相關信息進行處理，得到三維定位信息，並將處理所得的三維定位信息打包發送至顯示模塊4和存儲模塊5。本實施例中所採用的處理相關信息得到三維定位信息的方法如下I)將傳感器模塊2採集的信號強度信息，通過信道通信衰減模型轉換為距離信息，得到被定位的傳感器和定位傳感器之間的距離；2)利用距離的二次方反比構建權值矩陣；3)通過加權的最小二乘法求解被定位傳感器的三維坐標；4)通過被定位傳感器的三維坐標計算被定位傳感器到各定位傳感器的距離，並將計算結果與I)中得到的距離進行比較，去除掉比較差值大於預定閥值的距離測量值；5)使用剩餘的距離測量值通過3)再次計算三維坐標，並根據系統三維定位精度的要求判斷是結束運算還是繼續通過步驟4)進行比較和去除；本實施例中,運算模塊3採用基於Windows XP系統的軟體平臺來實現其功能。其中，接收無線通信模塊I定時發送的數據包並控制運算部分的功能用C#語言編寫的程序來實現，對數據進行處理並得到三維定位信息的運算部分用Matlab2008a來實現，並在得到三維定位信息後將結果發送至由C#語言編寫的平臺 上，再由C#語言編寫的程序所實現的發送數據的功能將三維定位信息打包發送至其他模塊，例如顯示模塊4或者存儲模塊5。顯示模塊4接收來自運算模塊3的三維定位信息，並實時顯示三維定位信息。本實施例中是通過三維圖像的形式實時顯示三維定位信息的，並且本實施例的顯示模塊4是在基於Windows XP系統上的C#語言開發的程序來實現其功能的。存儲模塊5存儲運算模塊3產生的三維定位信息。本實施例中，存儲模塊5是運用資料庫來存儲三維定位信息的。並且本實施例中，存儲模塊5是基於Windows XP系統的資料庫，使用Microsoft SQL Sever 2008布置和管理，來存儲運算模塊3發送的三維定位信息，並與遠程查詢模塊6進行通信。遠程查詢模塊6包括信息發布子模塊9和信息接收子模塊10，其中信息發布子模塊9從存儲模塊5提取三維定位信息並將其發布於網際網路，使用TCP/IP協議，信息接收子模塊10從網際網路接收並顯示三維定位信息，並通過網際網路與信息發布子模塊9通信。本實施例中，信息接收子模塊10使用PDA終端作為載體從網際網路接收三維定位信息。並且本實施例中，信息發布子模塊9是基於Windows XP系統的網絡平臺，使用C#語言編寫的程序來實現其功能。信息接收子模塊10為ipod_touch4G—臺，並且是使用Object-C語言編寫的客戶端程序來實現。以上介紹了本發明的用於無線傳感器網絡的三維定位和遠程查詢系統的一個實施例，為了對本發明的用於無線傳感器網絡的三維定位和遠程查詢系統有一個更清楚的說明，下面對本實施例的工作方式說明如下在整個系統開始工作前，首先對系統的各個模塊進行初始化，無線通信模塊I的初始化包括如下步驟I)分配每個無線傳感器的角色是被定位的傳感器還是定位傳感器；2)網絡組建子模塊7組建無線傳感器網絡；3)信息處理子模塊8與運算模塊3建立通訊。傳感器模塊2的初始化指啟動各傳感器接收信號強度的計量，開始定時將信息發送給信息處理子模塊8。運算模塊3的初始化包括以下步驟I)建立與信息處理子模塊8的通訊；2)啟動顯示模塊4並初始化顯示內容；3)與存儲模塊5建立通信。顯示模塊4的初始化由運算模塊3來完成。存儲模塊5的初始化指啟動資料庫。遠程查詢模塊6的初始化包括以下步驟
I)信息發布子模塊9與網際網路連接；2)信息發布子模塊9從存儲模塊5得到初始化信息；3)信息接收子模塊10建立與信息發布子模塊9的連接。 在系統的各個模塊初始化完成後，各個模塊的工作流程如下無線通信模塊I和傳感器模塊2初始化後，循環執行以下步驟I)網絡組建子模塊7定時組織各無線節點進行通信；2)傳感器模塊2中各傳感器對發送和接收的通信信號檢測通信的信號強度；3)傳感器模塊2中各傳感器將檢測結果量化成數值信息後發送給信息處理子模塊8 ;4)信息處理子模塊8對接收到的信息進行打包，並發送至運算模塊3。運算模塊3初始化後循環執行以下步驟I)接收信息處理子模塊8發送的數據信息；2)運用相關算法計算被定位節點的三維定位信息；3)將處理後的結果發送給顯示模塊4和儲存模塊5 ；4)顯示模塊4顯示三維定位結果。存儲模塊5與遠程查詢模塊6定時進行交互，循環執行以下步驟I)存儲模塊5將三維定位信息發送至信息發布子模塊9 ；2)信息發布子模塊9將三維定位信息發送至網際網路；3)信息接收子模塊10對信息發布子模塊9進行查詢，獲取三維定位信息；4)信息接收子模塊10處理並顯示三維定位信息。本發明的用於無線傳感器網絡的三維定位和遠程查詢系統，基於功能進行模塊化，通過各模塊之間的協作實現整個系統的功能，各個模塊功能完善，可以獨立開發，使得整個系統通用性強，易於搭建，並且整合了無線傳感器網絡的組建、三維定位、遠程查詢等各項技術，實現用於無線傳感器網絡的三維定位和遠程查詢系統。以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術人員無需創造性勞動就可以根據本發明的構思做出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域的技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護範圍內。
權利要求
1.ー種用於無線傳感器網絡的三維定位和遠程查詢系統，其特徵在於，包括無線通信模塊、傳感器模塊、運算模塊、顯示模塊、存儲模塊和遠程查詢模塊，其中，所述無線通信模塊與所述傳感器模塊組成無線傳感器網絡，所述無線傳感器網絡與運算模塊、顯示模塊組成三維定位系統，所述運算模塊、所述存儲模塊和所述遠程查詢模塊組成三維定位信息的遠程查詢系統，所述無線通信模塊用於組建使各傳感器可以互相通信的無線網絡，並將所述傳感器模塊採集的數據信息發送到所述運算模塊；所述傳感器模塊用於採集數據信息並將採集的數據信息發送到所述無線通信模塊；所述運算模塊用於對傳感器採集的數據信息進行運算，得到三維定位信息；所述顯示模塊用於顯示來自所述運算模塊的所述三維定位信息；所述存儲模塊用於存儲來自所述運算模塊的所述三維定位信息；所述遠程查詢模塊用於提供所述儲存模塊中所存儲的所述三維信息的遠程查詢。
2.如權利要求I所述的用於無線傳感器網絡的三維定位和遠程查詢系統，其中，所述無線通信模塊包括網絡組建子模塊和信息處理子模塊，所述網絡組建子模塊用於組建使各傳感器之間可以互相通信的無線網絡，井分配所述傳感器模塊中各傳感器的身份，確定被定位的傳感器和定位傳感器；所述信息處理子模塊用於將所述傳感器模塊採集的數據信息打包並發送給所述運算模塊。
3.如權利要求2所述的用於無線傳感器網絡的三維定位和遠程查詢系統，其中，所述網絡組建子模塊是採用Zigbee技術進行無線網絡的組建的。
4.如權利要求3所述的用於無線傳感器網絡的三維定位和遠程查詢系統，其中，所述無線通信模塊是由6個Crossbow公司生產的Iris系列無線節點組成的。
5.如權利要求3或4所述的用於無線傳感器網絡的三維定位和遠程查詢系統，其中，所述傳感器模塊是使用所述無線通信模塊中的無線節點自帶的信號強度傳感器進行數據信息採集的。
6.如權利要求5所述的用於無線傳感器網絡的三維定位和遠程查詢系統，其中，所述運算模塊進一歩是通過如下步驟對傳感器採集的數據信息進行運算，得到三維定位信息的 1)將所述傳感器模塊採集的數據信息經過計算轉換為距離信息，得到被定位的傳感器和定位傳感器之間的距離； 2)使用上述步驟I)計算的距離構建權值矩陣； 3)通過加權的最小二乗法求解所述被定位傳感器的三維坐標； 4)通過所述被定位傳感器的所述三維坐標計算所述被定位傳感器到各定位傳感器的距離，並與所述步驟I)中得到的距離進行比較，並去除差值大於預定閥值的距離測量值； 5)使用剰餘的距離測量值通過步驟3)再次計算所述被定位傳感器的三維坐標，井根據三維定位精度的要求判斷是結束運算還是繼續通過步驟4)進行比較和去除； 所述運算模塊通過上述運算得到三維定位信息後，將三維定位信息發送到顯示模塊和存儲模塊。
7.如權利要求6所述的用於無線傳感器網絡的三維定位和遠程查詢系統，其中，所述顯示模塊是以三維圖像的形式顯示來自所述運算模塊的三維定位信息的。
8.如權利要求7所述的用於無線傳感器網絡的三維定位和遠程查詢系統，其中，所述存儲模塊是使用資料庫來存儲來自所述運算模塊的三維定位信息的。
9.如權利要求8所述的用於無線傳感器網絡的三維定位和遠程查詢系統，其中，所述遠程查詢模塊包括信息發布子模塊和信息接收子模塊，其中信息發布子模塊用於將來自所述存儲模塊的三維定位信息發布於網際網路；信息接收子模塊通過網際網路與所述信息發布子模塊通信並顯示所述三維定位信息。
10.如權利要求9所述的用於無線傳感器網絡的三維定位和遠程查詢系統，其中，所述信息接收子模塊是使用PDA終端作為載體，從網際網路接收三維定位信息的。
全文摘要
本發明公開了一種用於無線傳感器網絡的三維定位和遠程查詢系統，包括無線通信模塊、傳感器模塊、運算模塊、顯示模塊、存儲模塊和遠程查詢模塊。其中無線通信模塊與傳感器模塊構成無線傳感器網絡，採集定位信息的原始數據；無線傳感器網絡、顯示模塊和運算模塊構成三維定位系統，傳輸原始定位數據、進行運算處理並顯示；運算模塊、存儲模塊和遠程查詢模塊組成定位信息的遠程查詢系統，將三維定位信息發布到網絡，並由遠程查詢模塊進行接收。本發明的用於無線傳感器網絡的三維定位和遠程查詢系統，運用模塊化的思想，將整個系統的功能模塊化，各個模塊功能完善，可以獨立開發，使得整個系統通用性強，易於搭建，並且整合了無線傳感器網絡的組建、三維定位、遠程查詢等各項技術，實現用於無線傳感器網絡的三維定位和遠程查詢系統。
文檔編號H04L29/08GK102624888SQ20121005456
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月5日 優先權日2012年3月5日
發明者關新平, 王巖溪, 王蘇陽, 陳彩蓮, 韋騰 申請人:上海交通大學