[发明专利]一种三维空间下目标定位的3D-PMWSN模型

说明书

技术领域

本发明基于无线传感器网络技术，在三维空间中，利用提出的“一种在三维环境下的无线传感器网络节点定位模型(3D-PMWSN)”和算法，对安装RFID标签的物体进行定位。并且把此模型和算法与建筑工地的材料管理相结合，提出了一种对三维空间中建筑材料位置跟踪方法。 

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，简称WSN)经常需要大量的分布式计算，WSN的节点一般比较简单，依靠自带电池供电，要求最大限度节约使用能量，延长电池使用时间。对大多数WSN应用，采用一定机制或算法实现节点定位很重要。定位算法要求：1、算法简单，以便最大限度地减少运算量，从而尽可能节约有限的能量。2、模型与实际网络尽量一致，具有实用性。3、便于实现，硬件成本低。 

对于Simic和Sastry在论文“Distributed Localization in Wireless Ad Hoc Networks”(Technical Report UCB/ERL M02/26，Department of Electrical Engineering and Computer Sciences，University of California，Berkeley，CA，2002.1.)提出的在无线Ad Hoc网中的分布式定位模型(以下简称分布式定位模型)，具有算法简单、运算量小的特点，适合无线传感器网络对运算量和节能方面的要求，Jongchul Song等人利用该模型和算法成功在建筑项目的材料管理中得到应用。但该模型的局限性在于，它是在建立在二维的基础上的，而真实的无传感器网络的信号是分布在三维空间上的，例如对于红外、雷达、RFID等有源信号，它们的信号辐射范围显然呈现三维状态分布，即通讯有 效范围分布在三维空间中，所以建立三维模型更有接近实际，并且也非常具有实用价值。本文提出的3D-PMWSN(3D-based Positioning Model in Wireless Sensor Networks)模型的最大创新点就是把Simic和Sastry提出的二维空间下的定位模型扩展到三维空间。 

随着我国现代化进程不断向新的高度和深度拓展，建筑产业在未来数十年还将是国民经济的支柱产业。人们对精细建筑、低碳建筑、节能建筑的要求越来越高。建筑项目的管理必定从粗放型变为集约型和经济型。其中，利用技术手段对建筑材料的入库、出库、数量和位置等信息进行实时管理，具有非常重要的意义。而根据调研，国外在这方面的探讨虽然已经有近十年的时间了，但真正适应的还很少，而国内还未见此方面的报道。利用此方法可以从宏观实时了解建筑工地的材料的数量、位置等信息，大大节约管理成本，提高建筑工地的管理效率。 

发明内容

本发明的目的在于：针对以上国内外现有的相关定位技术存在的局限性和不足，提出一种在三维空间下的基于无线传感器网络的节点定位方法，实现在空间范围内的目标定位。并且尝试把该方法运用到建筑工地的材料管理中，以实现实时跟踪建筑材料的位置。据统计，建筑材料成本占整个建筑项目总成本的50∽60％，材料的使用状况直接反映项目的状况。通过自动跟踪建筑材料的收发和位置等动态信息，可以改进现有的项目管理水平和效率。另外，随着近年来自动数据采集技术(ADC)的发展，为在建筑工地现场对材料的收发和位置进行跟踪提供了可能。但是，根据调研，目前在国外这方面虽然已经有一些探讨，但在国内，目前这方面的研究和应用还是空白。 

该方法的基本思想是：从建筑材料进入工地开始，利用附着在其上的RFID标签，与预先在工地空间设置的READER一起构成一个无线网络，另外，还建立 监控中心，实现材料的的入场、搬运、存放和使用的全程三维位置跟踪，减少人力管理成本，避免各种浪费，提高管理的实效性，更好的满足人们对于建筑材料管理效率的需求。 

本技术发明除了给出详细的三维定位模型外，还对基于此模型的建筑工地材料跟踪方法进行了描述： 

1、3D-PMWSN模型简介 

在空间建立三维直角坐标系，把该坐标系下的一个研究空间进行量化。所有的研究对象都分布在这个研究空间中。研究对象主要有两种：一个是被定位对象，一个是检测设备(Reader)。被定位对象在一定范围内可以感应到检测设备发出的信号。为了研究方便，被定位对象和探测设备进行简化，不考虑自身大小，只考虑物理性能。利用多个探测设备对同一个被定位对象感应的空间性质，就可以实现定位。 

下面介绍模型框架、用到的术语以及定义的符号。