一種無線傳感網絡高精度定位方法技術

本發明專利技術提供一種無線傳感網絡高精度定位方法，其特征在于，包括如下步驟：設置一組錨節點，并選擇適當的位置作為坐標原點o，建立原點坐標系xoz,計算各個錨節點相對于坐標原點o的相對極坐標(r,δ)，每個錨節點上設置有一組紅外攝像頭，計算各個紅外攝像頭的方向信息，將各個相對極坐標和紅外攝像頭方向信息錄入對應的錨節點主控模塊，被測節點上設置兩個紅外發光模塊。本方法對無線傳感網定位參考坐標獲取這一核心為題提供低成本高精度的解決方案，對于無線傳感網機近距離無線通信高精度定位系統研究具有重要的參考價值。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及無線傳感網絡定位領域，具體地講，涉及一種無線傳感網絡高精度定位方法。
技術介紹
無線傳感網(WSN)中的節點定位是WSN眾多研究和應用的基礎，也是一個研究熱點。為了評價定位算法，我們需要獲取高精度的參考坐標，采用普通的GPS定位方法定位精度能夠達到2米以內，對于一些高精度定位而言不能滿足需求；雖然通過差分GPS方法可以達到非常高的精度，但是這種方法花費極大，更重要的是GPS技術室內無法完成定位，而無線定位的試驗環境很多時候是在室內或半開放環境下，因此我們需要一種通用、廉價、便捷的參考坐標提供系統和方法，攝像定位系統可以實現高精度的物體定位，但是通常這些系統需要非常復雜的圖像處理算法、圖像識別技術及強大的處理器來進行圖像分析處理，要求很強的專業知識，開發難度大，我們設計了一種不同于傳統攝像定位方法的低復雜度攝像實時定位系統，過濾掉無關的信息，能夠用簡單的算法實現較精度的實時定位。
技術實現思路
本專利技術要解決的技術問題是提供一種無線傳感網絡高精度定位方法，能夠用簡單的算法實現較精度的實時定位。本專利技術采用如下技術方案實現專利技術目的：一種無線傳感網絡高精度定位方法，其特征在于，包括如下步驟：(1)設置一組錨節點，并選擇適當的位置作為坐標原點o，建立原點坐標系xoz,計算各個錨節點相對于坐標原點o的相對極坐標(r,δ)，每個錨節點上設置有一組紅外攝像頭，計算各個紅外攝像頭的方向信息，將各個相對極坐標和紅外攝像頭方向信息錄入對應的錨節點主控模塊，被測節點上設置兩個紅外發光模塊；(2)首先進行預測量操作,將兩個間距為d紅外發光模塊豎直放置，其中位置較低的紅外發光模塊與錨節點的紅外攝像頭同高的位置，分別用紅外攝像頭拍攝距離紅外發光模塊不同設定距離時的紅外圖像，并求得每個紅外圖像的兩個紅外發光模塊間的像素點數存入距離參考緩沖區DisRef[i],緩沖區格式如下：Dref[i]、nref[i]，其中，Dref[i]表示不同設定距離，nref[i]表示不同設定距離對應的兩個紅外發光模塊之間的像素點數，距離參考緩沖區DisRef[i]按照由大到小的順序進行存儲；(3)其中一個錨節點自動成為主節點，每5秒鐘在發送時隙T0發送一次系統同步指令SYSSYNC，其他錨節點在自己對應的錨節點時隙Tn發送應答無線數據包ACKSYSSYNC，被測節點在終端節點時隙Tt發送應答無線數據包TACKSYSSYNC，如果主節點收到應答無線數據包ACKSYSSYNC和TACKSYSSYNC，則轉步驟(4)，否則重復步驟(3)；(4)被測試節點按鍵在Tt時隙發送請求測試無線數據包ApplyTest，每個錨節點接收到請求數據包后在對應的Tn時隙發送ACKApplyTest數據包，被測節點接受到全部錨節點應答后開始測試進入步驟(5)；(5)被測節點按鍵打開紅外發射模塊，然后發送定位測試數據包LocTest，等待2秒后關閉紅外發射模塊，每個錨節點接收到無線數據包后通知對應的圖像處理模塊進行拍照，并對采集的圖像信息進行處理，獲取被測節點的全局坐標：(6)各個錨節點將獲取的原始數據和最終計算的被測節點全局坐標發送至主節點，主節點將接收的所有被測節點全局坐標取平均后得到最終的被測節點坐標，同時將坐標信息存入TF卡，然后將被測節點坐標信息發送至被測節點，被測節點接收到坐標信息后再顯示模塊上顯示，至此完成一次定位。作為對本技術方案的進一步限定，所述步驟(5)包括如下步驟：(5.1)被測節點打開紅外發射模塊，然后發送定位測試數據包LocTest，錨節點接收到無線數據包后通知圖像處理模塊進行拍照，每個錨節點拍攝的圖像不存在重疊現象，圖像處理模塊對采集的圖像信息進行處理；(5.2)將圖像處理模塊的處理信息發送到錨節點主控模塊計算被測節點的相對坐標；(5.3)通過極坐標運算就可以得到被測節點的全局坐標。作為對本技術方案的進一步限定，所述步驟(5.1)的圖像信息處理包括如下步驟：(5.1.1)圖像處理模塊首先將N個發光區域的存儲緩沖區Pos[N]清空，每個存儲緩沖區有7個參數，分別為最小X坐標Xmin，最大X坐標Xmax，最小Y坐標Ymin，最大Y坐標Ymax，X坐標平均值Xavg，Y坐標平均值Yavg，像素點數量Num，上述參數的初始值均為0；(5.1.2)然后將紅外攝像頭采集的灰度圖像按照行列的順序依次將各像素點發送至圖像處理模塊，圖像處理模塊判斷每個像素點的亮度是否大于預設的強度閾值Ath,如果亮度大于Ath，則判斷該像素點為發光點，然后將該像素點的坐標依次與每個存儲緩沖區的參數進行比對：如果像素點X坐標<Xmin-2或像素X坐標>Xmax+2，同時像素Y坐標<Ymin-2或像素Y坐標>Ymax+2，則判斷該像素點不在該發光區域內，查找下一個存儲緩沖區；否則判斷該發光點在該發光區域內,更新存儲緩沖區參數：如果X坐標<Xmin，則Xmin＝X坐標，否則如果X坐標>Xmax，則Xmax＝X坐標，如果Y坐標<Ymin，則Ymin＝Y坐標，否則如果Y坐標>Ymax，則Ymax＝Y坐標；Xavg＝(Xavg*Num+X坐標)/Num；Yavg＝(Yavg*Num+Y坐標)/Num；Num＝Num+1；(5.1.3)如果該像素點不在所有的發光區域中，則判斷為新的發光區域，新的發光區域的存儲緩沖區Pos[m]的參數設置如下:Xmin＝X坐標；Xmax＝X坐標；Ymin＝Y坐標；Ymax＝Y坐標；Xavg＝X坐標；Yavg＝Y坐標；Num＝1；(5.1.4)當所有的像素點傳輸完畢后圖像處理模塊將所有存儲緩沖區信息處理，首先選擇滿足如下條件的發光區域以降低誤差：Xavg-Xmin>Rxth同時Xmax-Xavg>Rxth同時Yavg-Ymin>Ryth同時Ymax-Yavg>RYth，Rxth,Ryth為系統設置的發光區域最小有效半徑；然后選出所有發光區域Xavg相差5以內的發光區域，如有2個發光區域滿足條件則表明成功拍攝到被測節點，否則表明未拍攝到被測節點。作為對本技術方案的進一步限定，所述步驟(5.2)包括如下步驟：(5.2.1)獲取被測節點的高度： h = ( Yimage 本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種無線傳感網絡高精度定位方法，其特征在于，包括如下步驟：(1)設置一組錨節點，并選擇適當的位置作為坐標原點o，建立原點坐標系xoz,計算各個錨節點相對于坐標原點o的相對極坐標(r,δ)，每個錨節點上設置有一組紅外攝像頭，計算各個紅外攝像頭的方向信息，將各個相對極坐標和紅外攝像頭方向信息錄入對應的錨節點主控模塊，被測節點上設置兩個紅外發光模塊；(2)首先進行預測量操作,將兩個間距為d紅外發光模塊豎直放置，其中位置較低的紅外發光模塊與錨節點的紅外攝像頭同高的位置，分別用紅外攝像頭拍攝距離紅外發光模塊不同設定距離時的紅外圖像，并求得每個紅外圖像的兩個紅外發光模塊間的像素點數存入距離參考緩沖區DisRef[i],緩沖區格式如下：Dref[i]、nref[i]，其中，Dref[i]表示不同設定距離，nref[i]表示不同設定距離對應的兩個紅外發光模塊之間的像素點數，距離參考緩沖區DisRef[i]按照由大到小的順序進行存儲；(3)其中一個錨節點自動成為主節點，每5秒鐘在發送時隙T0發送一次系統同步指令SYSSYNC，其他錨節點在自己對應的錨節點時隙Tn發送應答無線數據包ACKSYSSYNC，被測節點在終端節點時隙Tt發送應答無線數據包TACKSYSSYNC，如果主節點收到應答無線數據包ACKSYSSYNC和TACKSYSSYNC，則轉步驟(4)，否則重復步驟(3)；(4)被測試節點按鍵在Tt時隙發送請求測試無線數據包ApplyTest，每個錨節點接收到請求數據包后在對應的Tn時隙發送ACKApplyTest數據包，被測節點接受到全部錨節點應答后開始測試進入步驟(5)；(5)被測節點按鍵打開紅外發射模塊，然后發送定位測試數據包LocTest，等待2秒后關閉紅外發射模塊，每個錨節點接收到無線數據包后通知對應的圖像處理模塊進行拍照，并對采集的圖像信息進行處理，獲取被測節點的全局坐標：(6)各個錨節點將獲取的原始數據和最終計算的被測節點全局坐標發送至主節點，主節點將接收的所有被測節點全局坐標取平均后得到最終的被測節點坐標，同時將坐標信息存入TF卡，然后將被測節點坐標信息發送至被測節點，被測節點接收到坐標信息后再顯示模塊上顯示，至此完成一次定位。...

【技術特征摘要】
1.一種無線傳感網絡高精度定位方法，其特征在于，包括如下步驟：
(1)設置一組錨節點，并選擇適當的位置作為坐標原點o，建立原點坐標系xoz,計
算各個錨節點相對于坐標原點o的相對極坐標(r,δ)，每個錨節點上設置有一組紅
外攝像頭，計算各個紅外攝像頭的方向信息，將各個相對極坐標和紅外攝像頭方向
信息錄入對應的錨節點主控模塊，被測節點上設置兩個紅外發光模塊；
(2)首先進行預測量操作,將兩個間距為d紅外發光模塊豎直放置，其中位置較低的
紅外發光模塊與錨節點的紅外攝像頭同高的位置，分別用紅外攝像頭拍攝距離紅外
發光模塊不同設定距離時的紅外圖像，并求得每個紅外圖像的兩個紅外發光模塊間
的像素點數存入距離參考緩沖區DisRef[i],緩沖區格式如下：
Dref[i]、nref[i]，其中，Dref[i]表示不同設定距離，nref[i]表示不同設定距
離對應的兩個紅外發光模塊之間的像素點數，距離參考緩沖區DisRef[i]按照由大
到小的順序進行存儲；
(3)其中一個錨節點自動成為主節點，每5秒鐘在發送時隙T0發送一次系統同步指
令SYSSYNC，其他錨節點在自己對應的錨節點時隙Tn發送應答無線數據包
ACKSYSSYNC，被測節點在終端節點時隙Tt發送應答無線數據包TACKSYSSYNC，如
果主節點收到應答無線數據包ACKSYSSYNC和TACKSYSSYNC，則轉步驟(4)，否則
重復步驟(3)；
(4)被測試節點按鍵在Tt時隙發送請求測試無線數據包ApplyTest，每個錨節點
接收到請求數據包后在對應的Tn時隙發送ACKApplyTest數據包，被測節點接受到
全部錨節點應答后開始測試進入步驟(5)；
(5)被測節點按鍵打開紅外發射模塊，然后發送定位測試數據包LocTest，等待2
秒后關閉紅外發射模塊，每個錨節點接收到無線數據包后通知對應的圖像處理模塊
進行拍照，并對采集的圖像信息進行處理，獲取被測節點的全局坐標：
(6)各個錨節點將獲取的原始數據和最終計算的被測節點全局坐標發送至主節點，
主節點將接收的所有被測節點全局坐標取平均后得到最終的被測節點坐標，同時將
坐標信息存入TF卡，然后將被測節點坐標信息發送至被測節點，被測節點接收到
坐標信息后再顯示模塊上顯示，至此完成一次定位。
2.根據權利要求1所述的無線傳感網絡高精度定位方法，其特征在于，所述步驟
(5)包括如下步驟：
(5.1)被測節點打開紅外發射模塊，然后發送定位測試數據包LocTest，錨節點
接收到無線數據包后通知圖像處理模塊進行拍照，每個錨節點拍攝的圖像不存在重
疊現象，圖像處理模塊對采集的圖像信息進行處理；
(5.2)將圖像處理模塊的處理信息發送到錨節點主控模塊計算被測節點的相對坐
標；
(5.3)通過極坐標運算就可以得到被測節點的全局坐標。
3.根據權利要求2所述的無線傳感網絡高精度定位方法，其特征在于，所述步驟
(5.1)的圖像信息處理包括如下步驟：
(5.1.1)圖像處理模塊首先將N個發光區域的存儲緩沖區Pos[N]清空，每個存儲
緩沖區有7個參數，分別為最小X坐標Xmin，最大X坐標Xmax，最小Y坐標Ymin，
最大Y坐標Ymax，X坐標平均值Xavg，Y坐標平均值Yavg，像素點數量Num，上
述參數的初始值均為0；
(5.1.2)然后將紅外攝像頭采集的灰度圖像按照行列的順序依次將各像素點發送
至圖像處理模塊，圖像處理模塊判斷每個像素點的亮度是否大于預設的強度閾值
Ath,如果亮度大于Ath，則判斷該像素點為發光點，然后將該像素點的坐標依次與
每個存儲緩沖區的參數進行比對：
如果像素點X坐標<Xmin-2或像素X坐標>Xmax+2，
同時
像素Y坐標<Ymin-2或像素Y坐標>Ymax+2，
則判斷該像素點不在該發光區域內，查找下一個存儲緩沖區；
否則判斷該發光點在該發光區域內,更新存儲緩沖區參數：
如果X坐標<Xmin，則Xmin＝X坐標，
否則如果X坐標>Xmax，則Xmax＝X坐標，
如果Y坐標<Ymin，則Ymin＝Y坐標，
否則如果Y坐標>Ymax，則Ymax＝Y坐標；
Xavg＝(Xavg*Num+X坐標)/Num；
Yavg＝(Yavg*Num+Y坐標)/Num；
Num＝Num+1；
(5.1.3)如果該像素點不在所有的發光區域中，則判斷為新的發光區域，新的
發光區域的存儲緩沖區Pos[m]的參數設置如下:
Xmin＝X坐標；
Xmax＝X坐標；
Ymin＝Y坐標；
Ymax＝Y坐標；
Xavg＝X坐標；
Yavg＝Y坐標；
Num＝1；
(5.1.4)當所有的像素點傳輸完畢后圖像處理模塊將所有存儲緩沖區信息處
理，首先選擇滿足如下條件的發光區域以降低誤差：
Xavg-Xmin>Rxth同時Xmax-Xavg>Rxth同時Yavg-Ymin>Ryth同時
Ymax-Yavg>RYth，Rxth,Ryth為系統設置的發光區域最小有效半徑；然后選出所
有發光區域Xavg相差5以內的發光區域，如有2個發光區域滿足條件則表明成
功拍攝到被測節點，否則表明未拍攝到被測節點。
4.根據權利要求3所述的無線傳感網絡高精度定位方法，其特征在于，所述步
驟(5.2)包括如下步驟：...

【專利技術屬性】
技術研發人員：付勇，徐梅，王春梅，劉瑞霞，陳長英，胡一帆，朱亮，王英龍，
申請(專利權)人：山東省計算中心國家超級計算濟南中心，
類型：發明
國別省市：山東;37