感知“利”器｜基于无线传感网的室内定位方法
2016-10-20 14:23:03 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
对于大部分无线传感器网络而言，不知道传感器位置而感知的数据是没有意义的。另外用于提供位置感知服务的无线传感器网络，包括位置导航、位置安全监控、依赖于位置的信息存储和查询、位置感知的人机交互等方面，例如展馆内的导航和咨询查询服务，医院内病人的实时监护等。
工欲善其事，必先利其器。在全球化的今天，专利已不仅仅是创新的一种保护手段，它已成为商业战场中的利器。麦姆斯咨询倾情打造MEMS、传感器以及物联网领域的专利运营平台，整合全产业链知识产权资源，积极推动知识产权保护与有效利用。
全球定位系统（Global Positioning System，GPS）在室外定位的商用领域已被广泛应用，不过它有一个明显缺陷是很难用于室内定位（室内GPS信号很弱），而且一般民用的精度也不够高（10米左右），相对于室内导航的要求（1米左右）还有一段距离。这样一来，人们大约80%活动时间的位置服务就是一个空白点，其中也蕴藏着巨大的商业机会。据相关机构预测，到2018年，全球室内定位市场规模将达到40亿美元。
相对室外定位技术来说，室内定位有其独特的挑战。首先，室内定位对精度的要求更高。比如消费者要在超市内寻找某个特定商品，可能需要1米（甚至1米以内）的精度。其次，可靠性需求更强。室内环境变动性很强，也更复杂，比如商场结构布局的变化、楼层的变化、定位所依赖的基础设施发生变化等，都会对室内定位技术形成挑战。再次，是功耗问题。室内定位的发展必然要依托于移动互联网。功耗永远是移动终端最关注的要素之一。如果要实现随时随地的位置感知，必须降低定位所增加的设备额外功耗。
【目前主要的室内定位方法】
室内定位有着广大的应用前景，研究者们一直致力于这一领域的研究，事实上，已有许多成功的室内定位系统。
各类室内定位技术的比较
RFID技术
RFID技术带有一个加密的属性，天生防伪。但是由于作用距离近（无源设备一般在10cm内，有源的RFID卡可以提升到几十米）和天线成本问题（远距离的天线成本大约在1000-2000RMB），基本上处于叫好不叫座的境地。
蓝牙技术
蓝牙技术由传统蓝牙演进到低功耗蓝牙（BLE）后，蓝牙标签的信号发射电流降低到mA级，待机电流uA级。器件续航能力拓展到几年甚至10年的范畴。2013年 WWDC大会，苹果推出 iBeacon：超低功耗蓝牙基站，成本低、布置方便，不但能实现室内定位，还能有 LBS服务推送、无线支付等等可以想象的所有基于距离、位置感应触发的应用。不过，面临着架设成本高，基础设施不完善的困境，一直不温不火。
UWB技术
UWB（Ultra Wideband）技术一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，是室内定位界的高富帅，是高附加值场景里的不二之选。但是由于光速传播的无线电信号时延相当短，需要很强的计算能力跟算法保障精度，所以系统复杂度也高，动辄近万元的传感器网络也常常让普通场景高攀不起。
Wi-Fi定位技术
Wi-Fi本身并不具备定位功能，但是通过用户接入Wi-Fi网络的信息，比如射频信号强度、时间数据等，再配合临近三个或者以上的WiFi热点，借助一定的算法，就可以确定用户的位置，在环境理想的情况下，定位的精确度可以达到5米以内。
Active Badge红外定位系统
1992年AT&T Laboratories Cambridge开发出Active Badge定位系统是最早为大楼内定位而设计的室内定位系统，由便携设备Badge发出红外光进行定位。因为红外光不能穿过墙壁，所以每个房间就是Badge所能分辨的最小单位，定位精度不高。
Active Office超声波定位系统
Ward等人研究的Active Office系统使用的超声波定位，定位精度非常高，但需要设置超声波接收器阵列，硬件成本高，不适合大规模的一般应用。
Radar定位系统
Radar定位系统采用了情景分析技术，将接收到的信标节点的信号特征和事先测量的特征相比较，来对盲节点进行定位。但这种系统需要提前离线完成，对实际应用往往不容易实现。
Cricket定位系统
Cricket定位系统基于超声波和射频信号的到达时间差来实现定位，但盲节点只知道自身的位置，无法获取其它盲节点的位置。目前这些室内定位系统的应用场景都有其局限性，通用性较差。
【推荐发明专利】
《基于无线传感网的室内定位方法》
【技术背景】
本发明属于无线传感器网络技术领域，特别涉及基于无线传感器网络的定位方法，主要针对室内定位的应用。
无线传感器网络（WSN）能够协作地实时检测、跟踪和采集网络布设区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行协同、融合处理，获得较为准确的结论，然后传送至用户。它在军事、目标跟踪、环境监测、医疗卫生、工业自动化、公共安全等应用领域具有广泛的应用前景。
对于大部分无线传感器网络而言，不知道传感器位置而感知的数据是没有意义的。另外用于提供位置感知服务的无线传感器网络，包括位置导航、位置安全监控、依赖于位置的信息存储和查询、位置感知的人机交互等方面，例如展馆内的导航和咨询查询服务，医院内病人的实时监护、矿井下人员的安全监测、超市或商场内顾客的位置查询等应用，更需要提供传感器节点的实时位置信息。这些服务都需要定位技术的支撑。
【本发明的技术优势】
本发明针提出一种基于无线传感器网络，结合集中式定位和分布式定位、基于距离的定位和与距离无关的定位等定位算法的优点的室内定位方法，通用性较好，并可根据实际应用场景和需求选择不同的定位算法组件，有效实现室内静止或运动节点的定位。
本系统主要由信标节点、盲节点和汇聚节点三部分组成，信标节点是位置已知的传感器节点；盲节点是位置未知的传感器节点，盲节点通过与邻近的信标节点通信，获得相关信息并根据分布式定位算法计算自身的位置；汇聚节点是传感器网络的中心节点，或者是定位网络的处理中心，接收盲节点的粗定位结果，利用集中式定位优化算法得出细定位结果；在上述盲节点上实现分布式定位，得到一个实时的粗定位结果；在上述的汇聚节点上实现集中式定位，得到最后的细定位结果。
若需进一步提高定位精度，还可以根据汇聚节点的硬件资源情况和定位的实时性要求采取其它更复杂的定位优化算法，如采取滑窗滤波法、采用卡尔曼滤波器对盲节点的位置进行预测估计和滤波。
本发明的特点在于能有效结合集中式和分布式定位、基于距离的定位和与距离无关的定位的优点，并且各部分都是可分离的，可根据节点资源、网络流量限制和定位精度要求来合理选择其中的不同定位算法组件，从而达到不同室内定位应用环境的需求，可扩展性强。
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