一种无线传感器网络中物体定位感知的方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种无线传感器网络中物体定位感知的方法及系统。该方法包括：传感器节点接收到管理节点的工作指令后开始向邻居节点发送探测消息；传感器节点判定从第一邻居节点接收的探测消息的信号强度低于阈值，则将传感器节点的标识以及第一邻居节点的标识发送至汇聚节点或第二邻居节点，由汇聚节点发送至管理节点或者由第二邻居节点发送至汇聚节点并由汇聚节点发送至管理节点；传感器节点根据判定从邻居节点接收的探测消息的信号强度不低于阈值，则传感器节点向邻居节点发送探测消息并从邻居节点接收探测消息。本发明通过网络布设与节点的逻辑判断，降低了节点的工作时间，使大部分节点可以有较长的休眠时间，降低了能量的消耗。
【专利说明】一种无线传感器网络中物体定位感知的方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及无线传感器网络，具体地，涉及一种无线传感器网络中物体定位感知的方法及系统。
【背景技术】
[0002]无线传感器网络越来越多地得到应用，例如用来监测天气、水文、温度、湿度、位置等等。现在研究和应用中都非常流行的无线传感器网络是物联网，其在物流企业中得到广泛的应用以监控货物的位置。
[0003]通过无线传感器网络来对物体进行定位感知是无线传感器网络的重要应用。在现有的无线传感器网络中，所进行的物体定位感知主要是传感器节点本身的位置定位感知。对于非传感器节点进入无线传感器网络中的定位感知，传感器节点通过声波、磁场等特征来侦测是否有目标出现，并进行跟踪和定位，会导致无线传感器节点的成本显著上升。
[0004]目前，在无线传感器网络中，国内外对目标的定位采用的节点定位机制，包括采用基于信号到达时间(Τ0Α)、基于信号到达的时间差(TD0A)、基于接收信号的强度(RSSI)、基于信号到达的角度(AOA)等几种方法。
[0005]TOA定位方法是采用信号到达时间来测量距离的，是一种基于电波传输时间的定位技术。己知信号传播速度，通过测量信号从发射机传播到多个接收机所消耗的传播时间来确定移动用户的位置。TOA测距的基本思想是测量物体发射信号的到达时间，并且在发射信号中要包含发射时间标记以便接收节点确定发射信号所传播的距离。为了避免定位点的模糊性，该方法至少需要三个位置的节点参与测量。
[0006]TDOA定位法的基本思想是目标物体携带超声波收发器和RF收发器，通过记录两种不同信号在两个节点中的传播时间差，再考虑两种信号的传播速度，由传播时间差计算得到距离。与TOA方法相比，TDOA不需要时间同步，对时间精度的要求比较低，
[0007]RSSI定位方法是采用信号强度来测量距离的。在己知发射功率的情况下，在接收节点测量接收功率，从而计算出信号的传播损耗，再使用理论或经验传播模型将传播损耗转化为距离，该技术主要使用RF信号。
[0008]AOA算法则是一种估算节点发送信号方向的技术，AOA定位法的基本思想是由两个或者更多节点发射信号的到达角度来估计目标物体的位置。该方法将距离的测量转换为角度的测量，通过接收信号到达的方向来计算两个节点之间的相对方位角，最后通过三角测量法计算目标物体坐标。
[0009]无线地下传感器网络(WUSN)是指将大部分传感器节点埋于地下土壤中，以无线电作为通信载体的传感器网络。无线地下传感器网络具有良好的应用价值，可以用来监测土壤成分、地下动物巢穴、地下建筑物状况以及地面上物体移动情况等，为农业、环保、科学研究以及安全监控等应用提供有用的信息。为了节约无线传感器网络的铺设成本，并实现对物体定位感知的功能，需要提出一种新的实现方案来解决物体定位感知的问题。
【发明内容】
[0010]本发明的目的是提供一种无线传感器网络中物体定位感知的方法及系统，用于实现对无线传感器网络中的物体进行定位感知。
[0011]为了实现上述目的，本发明提供一种无线传感器网络中物体定位感知的方法，该无线传感器网络包括传感器节点、汇聚节点和管理节点，距离所述传感器节点为I跳的传感器节点为邻居节点；该方法包括:传感器节点接收到管理节点的工作指令后开始向邻居节点发送探测消息；在传感器节点根据从所述邻居节点接收的探测消息判定从第一邻居节点接收的探测消息的信号强度低于信号强度阈值的情况下，则所述传感器节点将所述传感器节点的标识以及所述第一邻居节点的标识发送至所述汇聚节点或距离所述传感器节点和所述第一邻居节点均为一跳的第二邻居节点，由所述汇聚节点发送至所述管理节点或者由所述第二邻居节点发送至所述汇聚节点并由所述汇聚节点发送至所述管理节点，以对物体进行定位感知；在传感器节点根据从所述邻居节点接收的探测消息判定从邻居节点接收的探测消息的信号强度不低于信号强度阈值的情况下，则所述传感器节点向邻居节点发送探测消息并从邻居节点接收探测消息。
[0012]优选地，在传感器节点根据从所述邻居节点接收的探测消息判定从邻居节点接收的探测消息的信号强度低于信号强度阈值的情况下，所述传感器节点还将时间信息发送至所述汇聚节点或所述第二邻居节点，所述时间信息由所述汇聚节点发送至所述管理节点或者由所述第二邻居节点发送至所述汇聚节点并由所述汇聚节点发送至所述管理节点，所述管理节点根据所述时间信息计算物体运动速度。
[0013]优选地，所述传感器节点分为边界节点和非边界节点，位于所述无线传感器网络边界上的节点为边界节点，位于所述无线传感器网络内部的节点为非边界节点。
[0014]优选地，所述传感器节点的状态分为工作状态和休眠状态，所述边界节点的状态由管理节点的工作指令控制，所述非边界节点的状态根据接收到的邻居节点的探测消息确定或者由管理节点的工作指令控制；处于工作状态的传感器节点发送并接收探测消息，处于休眠状态的传感器节点仅接收探测消息。
[0015]优选地，所述非边界节点的状态根据接收到的邻居节点的探测消息确定包括:在所述非边界节点至少从两个邻居节点接收到所述传感器节点的标识以及所述第一邻居节点的标识的情况下，所述非边界节点处于工作状态(包括继续保持工作状态或者从休眠状态切换到工作状态)；在所述非边界节点至多从一个邻居节点接收到所述传感器节点的标识以及所述第一邻居节点的标识的情况下，所述非边界节点处于休眠状态(包括继续保持休眠状态或者从工作状态切换到休眠状态)。
[0016]优选地，所述无线传感器网络为无线地下传感器网络。
[0017]本发明提供了一种无线传感器网络中物体定位感知的系统，该无线传感器网络包括传感器节点、汇聚节点和管理节点，距离所述传感器节点为I跳的传感器节点为邻居节点；所述传感器节点，用于在接收到管理节点的工作指令后开始向邻居节点发送探测消息；在根据从所述邻居节点接收的探测消息判定从第一邻居节点接收的探测消息的信号强度低于信号强度阈值的情况下，将所述传感器节点的标识以及所述第一邻居节点的标识发送至所述汇聚节点或距离所述传感器节点和所述第一邻居节点均为一跳的第二邻居节点，其中所述第二邻居节点将所述传感器节点的标识以及所述第一邻居节点的标识发送至所述汇聚节点；在根据从所述邻居节点接收的探测消息判定从邻居节点接收的探测消息的信号强度不低于信号强度阈值的情况下，向邻居节点发送探测消息并从邻居节点接收探测消息；所述汇聚节点，用于将所述传感器节点的标识以及所述第一邻居节点的标识发送至所述管理节点；所述管理节点，用于接收所述传感器节点的标识以及所述第一邻居节点的标识，并根据接收所述传感器节点的标识以及所述第一邻居节点的标识对物体进行定位感知。
[0018]优选地，所述传感器节点分为边界节点和非边界节点，位于所述无线传感器网络边界上的传感器节点为边界节点，位于所述无线传感器网络内部的节点为非边界节点。
[0019]优选地，所述传感器节点的状态分为工作状态和休眠状态，所述边界节点的状态由管理节点的工作指令控制，所述非边界节点的状态根据接收到的邻居节点的探测消息确定或者由管理节点的工作指令控制；处于工作状态的传感器节点发送并接收探测消息，处于休眠状态的传感器节点仅接收探测消息。
[0020]优选地，所述非边界节点的状态根据接收到的邻居节点的探测消息确定包括:在所述非边界节点至少从两个邻居节点接收到所述传感器节点的标识以及所述第一邻居节点的标识的情况下，所述非边界节点处于工作状态(包括继续保持工作状态或者从休眠状态切换到工作状态)；在所述非边界节点至多从一个邻居节点接收到所述传感器节点的标识以及所述第一邻居节点的标识的情况下，所述非边界节点处于休眠状态(包括继续保持休眠状态或者从工作状态切换到休眠状态)。
[0021]本发明仅需要节点设备具备最基础的通信功能和信号强度检测功能，并不需要节点具备侦测物体声波，磁场等复杂的感知功能即可对物体的位置进行判断，且不需要物体携带可以与传感器节点通信的设备，从而减少了节点能量的消耗，并且使节点的构造变得简单，降低了制造成本。本发明通过网络布设与节点的逻辑判断，降低了节点的工作时间，使大部分节点可以有较长的休眠时间，降低了能量的消耗。
[0022]本发明的其他特征和优点将在随后的【具体实施方式】部分予以详细说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的【具体实施方式】一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中:
[0024]图1是本发明提供的网络拓扑图；
[0025]图2是本发明提供的边界节点流程图；
[0026]图3是本发明提供的非边界节点流程图。
【具体实施方式】
[0027]以下结合附图对本发明的【具体实施方式】进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的【具体实施方式】仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0028]通过研究发现，当物体处于WUSN两节点的通信路径之上时，会对信号强度产生明显的影响，接收到的信号强度会有显著的减弱或者无法收到信号，而不同的物体对于信号强度的衰减也不同。WUSN中的特性在地上的无线传感器网络中也存在，因此本发明所提供的技术方案不仅应用于WUSN中，可以应用在地上无线传感器网络中。[0029]无线传感器网络具有自身的网络拓扑结构。在本发明中，首先需要对传感器节点进行布设，为了可以尽可能准确的对物体进行定位和追踪，需要让传感器节点可以完全覆盖整片监控区域，所以可以采用全等正三边形，全等正四边形或者若干类边长相等的全等形无间隙且不重叠地覆盖监控区域。无论采用何种拓扑结构，只有相邻的无线传感器节点才能进行通信，也就是说无线传感器节点通信距离为I跳。
[0030]为了便于描述，本发明采用图1所示的正三角形网络结构进行说明。在该拓扑结构中，每一个传感器节点均位于三角形顶点，且每个节点仅与其所在三角形的各顶点互为邻居节点，即每一个节点均与其邻居节点构成了三角形的边。邻居节点即为处于该节点传输范围内的节点，也就是一跳能到达的节点。无线传感器网络包括传感器节点(sensor)、汇聚节点(sink node)和管理节点。图1中未示出汇聚节点和管理节点。汇聚节点可根据传感器网络的分簇算法自动选出。在监测区域(sensor field)部署传感器节点以后，通过汇聚节点和管理节点来形成无线传感器网络。传感器节点可以逐跳地传送数据。在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。
[0031]管理节点可以通过洪泛方式传播监测命令消息到每一个传感器节点，收到监测命令消息的节点开始工作。对于传感器节点的工作方式，可以进行选择，例如管理节点命令传感器节点一直处于工作的状态。但是为了节约能耗，一般传感器节点会采用在休眠状态和工作状态中切换的方式。在本发明中，为了监测物体的进入以及运动，对传感器节点进行了区分，即传感器节点分为边界节点和非边界节点，边界节点一直处于工作状态(除非管理节点命令其休眠)，而非边界节点在需要时从休眠状态切换到工作状态。边界节点是构成网络拓扑结构周边的节点。接收到管理节点的监测命令消息的传感器节点开始工作，向相邻节点发送信息，经过tl (可根据节点剩余能量，具体情况需求进行设置)时间后，若没有监测到路径被阻碍，则只保留边界节点工作，其余节点进入休眠状态。节点在休眠状态时，只接收邻居节点发送的数据消息，并不对外发送数据消息，从而降低能量的消耗。若监测到路径被阻碍，则相应节点继续工作，未被物体影响的非边界节点经过tl时间后进入休眠状态。当边界节点接收到管理节点发布的工作命令后，开始向邻居节点发送数据消息。
[0032]为了对物体进行定位感知，本发明提供了如下的物体定位感知方法,该无线传感器网络包括传感器节点、汇聚节点和管理节点，距离所述传感器节点为I跳的传感器节点为邻居节点；该方法包括:传感器节点接收到管理节点的工作指令后开始向邻居节点发送探测消息；在传感器节点根据从所述邻居节点接收的探测消息判定从第一邻居节点接收的探测消息的信号强度低于信号强度阈值的情况下，则所述传感器节点将所述传感器节点的标识以及所述第一邻居节点的标识发送至所述汇聚节点或距离所述传感器节点和所述第一邻居节点均为一跳的第二邻居节点，由所述汇聚节点发送至所述管理节点或者由所述第二邻居节点发送至所述汇聚节点并由所述汇聚节点发送至所述管理节点，以对物体进行定位感知；在传感器节点根据从所述邻居节点接收的探测消息判定从邻居节点接收的探测消息的信号强度不低于信号强度阈值的情况下，则所述传感器节点向邻居节点发送探测消息并从邻居节点接收探测消息。管理节点发送的工作指令是控制命令，可以控制传感器节点的工作状态，例如命令传感器节点进入工作状态或休眠状态，还可以命令工作节点上传数据。探测消息主要是互为邻居的传感器节点用来定位感知物体的消息，其可以包括表征信号强度降低的路径，例如通过发送探测消息的传感器节点标识和接收传感器节点的标识来确定。传感器可以定期发送探测消息，例如每秒发送一次探测消息。
[0033]最简单的无线传感器网络可以假设为，在无线网络部署完成以后，所有的传感器节点一直处于工作状态。在这种情况下，一旦传感器节点判定接收到的邻居节点发送的探测信号强度降低，就可以将用该传感器节点标识和该邻居节点标识表征的路径发送到汇聚节点或第二邻居节点，由第二邻居节点发送到汇聚节点。
[0034]管理节点可以通过接收到的表征路径的信息来判定物体所经过的路线，从而完成了对物体的定位感知。
[0035]此外，在接收的信号强度降低的情况下，传感器节点还可以将时间信息发送到汇聚节点或第二邻居节点并通过第二邻居节点发送到汇聚节点。汇聚节点将时间信息发送到管理节点，管理节点可以通过时间信息来判定物体的运动速度。
[0036]优选地，为了解决传感器节点的能量消耗，本发明还可以通过传感器节点在工作状态和休眠状态切换来达到这一目的。为了实现对物体定位感知的功能，将传感器节点区分为边界节点和非边界节点，位于所述无线传感器网络边界上的节点为边界节点，位于所述无线传感器网络内部的节点为非边界节点。如上所述，传感器节点的状态分为工作状态和休眠状态，边界节点的状态由管理节点的工作指令控制，非边界节点的状态根据接收到的邻居节点的探测消息确定或者由管理节点的工作指令控制；处于工作状态的传感器节点发送并接收探测消息，处于休眠状态的传感器节点仅接收探测消息。
[0037]在无线传感器网络部署完成以后，管理节点可以向所有的传感器节点发送工作指令，命令所有的传感器节点处于工作状态。为了进行物体定位感知，边界节点需要一直处于工作状态，除非管理节点发出工作指令命令其进入休眠状态。而对于非边界节点，可以自行在工作状态和休眠状态之间切换。例如传感器接收的所有探测消息中，没有表征路径的传感器节点标识，表明没有物体进入无线传感器网络，则非边界节点可以进入休眠状态。如果非边界节点接收到至少两个相同的表征路径的传感器节点标识，说明有物体进入，并且其与该物体非常接近，需要从休眠状态切换到工作状态。如果至多只从一个传感器节点接收到表征路径的传感器节点标识(例如未接收到所述传感器节点的标识以及所述第一邻居节点的标识或者只接收到一个传感器节点接收到表征路径的传感器节点标识)，则该传感器节点无需切换到工作状态。
[0038]上述的无线传感器网络中物体定位感知方法优选地用于无线地下传感器网络中。
[0039]相应地，本发明提供了一种无线传感器网络中物体定位感知的系统，其特征在于，该无线传感器网络包括传感器节点、汇聚节点和管理节点，距离所述传感器节点为I跳的传感器节点为邻居节点；所述传感器节点，用于在接收到管理节点的工作指令后开始向邻居节点发送探测消息；在根据从所述邻居节点接收的探测消息判定从第一邻居节点接收的探测消息的信号强度低于信号强度阈值的情况下，将所述传感器节点的标识以及所述第一邻居节点的标识发送至所述汇聚节点或距离所述传感器节点和所述第一邻居节点均为一跳的第二邻居节点，其中所述第二邻居节点将所述传感器节点的标识以及所述第一邻居节点的标识发送至所述汇聚节点；在根据从所述邻居节点接收的探测消息判定从邻居节点接收的探测消息的信号强度不低于信号强度阈值的情况下，向邻居节点发送探测消息并从邻居节点接收探测消息；所述汇聚节点，用于将所述传感器节点的标识以及所述第一邻居节点的标识发送至所述管理节点；所述管理节点，用于接收所述传感器节点的标识以及所述第一邻居节点的标识，并根据接收所述传感器节点的标识以及所述第一邻居节点的标识对物体进行定位感知。
[0040]鉴于许多细节已经在上述的方法中进行了详尽的描述，系统各部件的功能在此不再赘述。
[0041]根据图1所示的拓扑结构，下面详细描述本发明提供的一种实施方式。需要说明的是，本发明提供的实施方式仅用作说明而非限制，特别是针对各个数据包的结构，本领域技术人员可以做出适当的变形仍然能实现本发明的物体定位感知。
[0042]如图1所示的拓扑结构中，每个传感器节点最多有6个邻居节点，即该节点所发送的数据最多被6个相邻节点接收。在该传感器网络中，每个节点都有各自的名称，如“01” “02” “03”，每两个节点的公共边则可根据传感器节点的名称设定为“0102” “0103” “0203”。
[0043]为了完成通信工功能，下面对本发明所采用数据包结构进行说明。
[0044]I)命令消息
[0045]当需要各传感器节点进行工作或者改变当前状态时，则管理节点向每个传感器节点发布命令消息:
[0046]
【权利要求】
1.一种无线传感器网络中物体定位感知的方法，其特征在于，该无线传感器网络包括传感器节点、汇聚节点和管理节点，距离所述传感器节点为I跳的传感器节点为邻居节点；该方法包括: 传感器节点接收到管理节点的工作指令后开始向邻居节点发送探测消息； 在传感器节点根据从所述邻居节点接收的探测消息判定从第一邻居节点接收的探测消息的信号强度低于信号强度阈值的情况下，则所述传感器节点将所述传感器节点的标识以及所述第一邻居节点的标识发送至所述汇聚节点或距离所述传感器节点和所述第一邻居节点均为一跳的第二邻居节点，由所述汇聚节点发送至所述管理节点或者由所述第二邻居节点发送至所述汇聚节点并由所述汇聚节点发送至所述管理节点，以对物体进行定位感知；在传感器节点根据从所述邻居节点接收的探测消息判定从邻居节点接收的探测消息的信号强度不低于信号强度阈值的情况下，则所述传感器节点向邻居节点发送探测消息并从邻居节点接收探测消息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在传感器节点根据从所述邻居节点接收的探测消息判定从邻居节点接收的探测消息的信号强度低于信号强度阈值的情况下，所述传感器节点还将时间信息发送至所述汇聚节点或所述第二邻居节点，所述时间信息由所述汇聚节点发送至所述管理节点或者由所述第二邻居节点发送至所述汇聚节点并由所述汇聚节点发送至所述管理节点，所述管理节点根据所述时间信息计算物体运动速度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传感器节点分为边界节点和非边界节点，位于所述无线传感器网络边界上的节点为边界节点，位于所述无线传感器网络内部的节点为非边界节点。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传感器节点的状态分为工作状态和休眠状态，所述边界节点的状态由管理节点的工作指令控制，所述非边界节点的状态根据接收到的邻居节点的探测消息确定或者由管理节点的工作指令控制；处于工作状态的传感器节点发送并接收探测消息 ，处于休眠状态的传感器节点仅接收探测消息。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述非边界节点的状态根据接收到的邻居节点的探测消息确定包括: 在所述非边界节点至少从两个邻居节点接收到所述传感器节点的标识以及所述第一邻居节点的标识的情况下，所述非边界节点处于工作状态； 在所述非边界节点至多从一个邻居节点接收到所述传感器节点的标识以及所述第一邻居节点的标识的情况下，所述非边界节点处于休眠状态。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的方法，其特征在于，所述无线传感器网络为无线地下传感器网络。
7.一种无线传感器网络中物体定位感知的系统，其特征在于，该无线传感器网络包括传感器节点、汇聚节点和管理节点，距离所述传感器节点为I跳的传感器节点为邻居节点； 所述传感器节点，用于在接收到管理节点的工作指令后开始向邻居节点发送探测消息；在根据从所述邻居节点接收的探测消息判定从第一邻居节点接收的探测消息的信号强度低于信号强度阈值的情况下，将所述传感器节点的标识以及所述第一邻居节点的标识发送至所述汇聚节点或距离所述传感器节点和所述第一邻居节点均为一跳的第二邻居节点，其中所述第二邻居节点将所述传感器节点的标识以及所述第一邻居节点的标识发送至所述汇聚节点；在根据从所述邻居节点接收的探测消息判定从邻居节点接收的探测消息的信号强度不低于信号强度阈值的情况下，向邻居节点发送探测消息并从邻居节点接收探测消息； 所述汇聚节点，用于将所述传感器节点的标识以及所述第一邻居节点的标识发送至所述管理节点； 所述管理节点，用于接收所述传感器节点的标识以及所述第一邻居节点的标识，并根据接收所述传感器节点的标识以及所述第一邻居节点的标识对物体进行定位感知。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述传感器节点分为边界节点和非边界节点，位于所述无线传感器网络边界上的传感器节点为边界节点，位于所述无线传感器网络内部的节点为非边界节点。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述传感器节点的状态分为工作状态和休眠状态，所述边界节点的状态由管理节点的工作指令控制，所述非边界节点的状态根据接收到的邻居节点的探测消息确定或者由管理节点的工作指令控制；处于工作状态的传感器节点发送并接收探测消息，处于休眠状态的传感器节点仅接收探测消息。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述非边界节点的状态根据接收到的邻居节点的探测消息确定包括: 在所述非边界节点至少从两个邻居节点接收到所述传感器节点的标识以及所述第一邻居节点的标识的情况下，所述非边界节点处于工作状态； 在所述非边界节点至多从一个邻居节点接收到所述传感器节点的标识以及所述第一邻居节点的标识的情况下，所述非边界节点处于休眠状态。
【文档编号】H04W84/18GK103607763SQ201310653097
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年12月5日 优先权日:2013年12月5日
【发明者】李莉, 吴为, 陈建亚, 刘韵洁 申请人:北京邮电大学