Método de localización inteligente sobre redes de sensores inalámbricos que comprende un primer proceso distribuido,

ejecutado en cada nodo que realiza una estimación de la posible localización del Tag; y un segundo proceso centralizado, que une todas esas informaciones parciales en una única solución.

La presente invención está referida a un método y un sistema para la estimación de la posición de equipos móviles, cuya posición es desconocida a partir de una serie de equipos de posición conocida.

El obj eto principal de la presente invención es un sistema de localización inteligente sobre redes de sensores inalámbricos, caracterizado por su bajo consumo y por estar diseñado para ser empleado en redes de sensores inalámbricas, y que determina la posición de los nodos móviles mediante el uso de técnicas de inteligencia computacional.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Una red de sensores inalámbricos está formada por una serie de pequeños dispositivos de bajo consumo, con capacidad de comunicación inalámbrica entre ellos y que colaboran para conseguir resolver un objetivo común. Cada uno de los elementos de esta red, denominados nodos o tags, están formados por un transceptor de comunicaciones inalámbricos que le permite la comunicación con otros nodos, un microcontrolador que procesa la información, una periferia que permite la interconexión de sensores y un sistema de alimentación que le permite funcionar de manera autónoma.

En un sistema de localización basado en redes de sensores inalámbricos se distinguen dos clases de dispositivos:

(i) Nodos anclados: son aquellos que están en posiciones fijas y conocidas de antemano.

(ii) Nodos no anclados: sus posiciones son desconocidas. Son los elementos a localizar.

La localización consiste en determinar las posiciones de los nodos no anclados a partir de datos interferidos de los nodos anclados.

Los métodos de localización existentes en la literatura se pueden clasificar en dos grandes familias:

1. Métodos basados en mediciones (Range-based)

Se basan en la estimación de la distancia punto a punto entre todos los nodos. A partir de esta información y utilizando alguna teoría gráfica como la triangulación, se puede inferir la información de los nodos no anclados.

Existen varios métodos de medida de distancia, tales como: a) Los basados en la intensidad de campo recibida (RSSI) [A

Awad, T Frunzke, F Dress~er, Adaptive distance estimation and ~oca~ization in WSN using RSSI measures, Proc. Euromicro Conf. Digit. Syst. Des. Archit., Methods Too~s, DSD. (2007) 471-478].

b) Tiempo de llegada (TOA) [S-Wu, N-Zhang. Two-step TOA estimation method for UWB based wire~ess sensor networks, Ruan Jian Xue Bao. 18 (2007) 1164-1172].

c) Diferencia de tiempo de llegada (TDOA) [S Xiaoyan, L Jiandong, H Pengyu, P Jiyong, Tota~ ~east-squares so~ution of active target ~oca~ization using TDOA and FDOA measurements in WSN, Proc. Int. Conf. Adv. Inf. Netw. App~. AINA. (2008) 995-999].

d) Ángulo de incidencia [D Nicu~escu, B Nath, Ad hoc

positioning system (APS) using AOA, Proc IEEE INFOCOM. 3 (2003) 1734-1743] [K Kucuk, A Kavak, H Yigit, C Ozdemir, A nove~ ~oca~ization technique for wire~ess sensor networks using adaptive antenna arrays, IEEE Radio Wire~. Symp., RWS. (2008) 483-486][D Nicu~escu, B Nath. Loca~ized positioning in ad hoc networks, Ad Hoc Networks. 1 (2003) 247-259] [K Kucuk, A Kavak. Sca~ab~e ~ocation estimation using smart antennas in wire~ess sensor networks, Ad Hoc

Net-works. 8 (2010) 889-903] rUS 2007/0076638 Al] o los descritos en la patentes rUS 2008/0080441 Al Y US 2007/0005292 Al] .

e) Otros métodos recientemente propuestos [F Su, W Ren, H Jin, Loca~ization a~gorithm based on difference estimation for wire~ess sensor networks, Proc. Int. Conf. Commun. Softw. Netw., ICCSN. (2009) 499-503J, se basan en el empleo de cálculos estadísticos para la determinación de la distancia.

De todos ellos, el único que no requiere del empleo de hardware adicional es el de lectura de la intensidad de campo recibida (RSSI, acrónimo en inglés de "Received Signal Strength Indication") , puesto que esta función la integraQ todos los transceptores de radio actuales. De todas formas, estas técnicas presentan el problema de ser muy sensibles al ruido electromagnético. Por ello, para mejorar la precisiónL estos sistemas requieren de una calibración que además depende de características cambiantes, tales como la climatología.

Por ello, la determinación de mejores modelos y técnicas para mejorar el comportamiento de los sistemas de localización basados en la medida del RSSI es un campo actualmente muy activo [H Miura, K Hirano, N Matsuda, H Taki, N Abe, S Hori, Indoor ~oca~ization for mobi~e node based on RSSI, Lect. Notes Computo Sci. 4694 LNAI (2007) 1065-1072J [S Tian, X Zhang, P Liu, P Sun, X Wang, A RSSI-based DV-hop a~gorithm for wire~ess sensor networks, Int Conf Wire~ Commun Networking Mob Comput.

(2007) 2555-2558J [Z Shan, T-P Yum, Precise ~oca~ization with smart antennas in ad-hoc networks, GLOBECOM IEEE G~oba~ Te~ecommun. Conf. (2007) 1053-1057J.

2. Métodos basados en conectividad (Range-free) .

En estos métodos, la localización se obtiene a partir de características implícitas en las comunicaciones, tales como:

(i) Condiciones de cobertura: Los nodos anclados tratan de localizar a los no anclados partiendo de la información de si están o no en su rango de cobertura de comunicaciones. Partiendo de estos datos, la posición se puede estimar como la intersección de las áreas de todos los nodos con los que puede establecer la comunicación. Ejemplo de esto, es la patente

US2005/0080924Al.

(ii) Números de saltos: La localización se establece en función del número de saltos que hay entre los nodos no anclados y algunos nodos anclados. Con estos datos y considerando una distancia media entre nodos, la localización se puede establecer utilizando métodos como la multirateración. Ejemplo de esto, es la patente US2007/0159986Al.

Los mecanismo empleados para obtener esta información se basan generalmente en el intercambio de mensajes, denominados generalmente balizas (beacons) . El problema fundamental de estas técnicas reside en el hecho de necesitar una gran cantidad de intercambio de mensajes para obtener la posición estimada. Esto exige tener que llegar a una solución de compromiso entre la duración de la batería y el número de mensajes enviados, puesto que la radio es el elemento que más energía gasta en estos dispositivos.

De todas formas, en comparación con las técnicas basadas en mediciones, el consumo de los intercambios de mensajes es generalmente menor que el consumido por el hardware específico que requiere las técnicas basadas en mediciones. Además, el uso de hardware adicional incrementa el costo y el peso de los dispositivos, característica especialmente importante en los nodos móviles.

Existen varios métodos de localización en la literatura, tales como:

a) La técnica del Centroide (CL) [N Bu~usu, J Heidemann, D Estrin. GPS-~ess ~ow-eost outdoor ~oea~ization for ver y sma~~ deviees, IEEE Pers Commun. 7 (2000) 28-34], DV-Hop

[GQ Gao, L Lei, An improved node ~oea~ization a~gorithm based on DV-HOP in WSN, Proe. IEEE Int. Conf. Adv. Computo Contro~, ICACC. 4 (2010) 321-324].

b) Convex [L Doherty, KSJ Pister, L E~ Ghaoui, Convex position estimation in wire~ess sensor networks, Proe IEEE INFOCOM.

Inte~~igent Contro~ Autom. WCICA. (2008) 7576-7581].

Siendo de ellas la más representativa la técnica del centroide

(CL) [Bulusu, op. cit]. Esta técnica estima la posición del nodo no anclado calculando el centroide de las posiciones de todos los nodos anclados que han recibido la baliza.

En la literatura hay propuestas algunas modificaciones de la técnica del centroide, ya sea buscando obtener un mejor comportamiento bajo ciertas condiciones particulares, tales como el uso de pesos en la estimación, obtenidos del valor medido del

RSSI [J B~umentha~, R Grossmann, F Go~atowski, D Timmezmann, Weighted eentroid ~oea~ization in Zigbee-based sensor networks, IEEE Int. Symp. Inte~~igent Signa~ Proeess., WISP. (2007) ] o del LQI [S Sehuhmann, K Herzmann, K Rotherme~, J B~umentha~, D...

1. -Método de localización inteligente sobre redes de sensores inalámbricos que comprende un primer proceso distribuido, ejecutado en cada nodo que realiza una estimación de la posible localización del Tag; y un segundo proceso centralizado, que une todas esas informaciones parciales en una única solución, en donde dicho método se caracteriza porque comprende, a su vez, las etapas de:

(i) una primera etapa de envío de baliza por parte del Tag a localizar, en donde el Tag no anclado envía un mensaje o una baliza; siendo dicho mensaje o baliza, enviado cíclicamente al nodo no anclado, siendo este periodo únicamente durante el cual tendrá la radio activada;

(ii) una segunda etapa de recepción de la potencia recibida por los nodos anclados a sus vecinos; en donde cada nodo anclado que esté lo suficientemente cercano para poder recibir el mensaje del nodo a localizar, envía un mensaje a todos sus vecinos con el valor de la potencia con la que él ha recibido el mensaje; de tal forma que los nodos alrededor del nodo a localizar terminen una tabla con la potencia de la señal que ellos han recibido, así como de sus vecinos; y en donde los nodos vecinos que no hayan recibido el "beacon" no transmitirán respuesta alguna;

(iii) una tercera etapa de ej ecución de un proceso difuso distribuido de localización, en donde a partir del valor de potencia recibida por el nodo y aquella que le han transmitido sus vecinos que también han recibido el mensaje, el nodo ejecuta un proceso difuso para determinar el/los cuadrantes más probables donde pueda estar situado el nodo móvil;

(iv) una cuarta etapa de envío de los cuadrantes propuestos al nodo coordinador, donde cada uno de los nodos anclados que han recibido el mensaj e y que el método

difuso haya dado una salida significativa, enviarán un mensaje al nodo coordinador indicando aquellos cuadrantes por los que "vota", es decir, informará de aquellos que han ofrecido una salida del motor de inferencia superior a 0, 1; y

(v) una quinta etapa de cálculo de la posición estimada con un proceso centralizado, en donde a partir de cada uno de los resultados parciales recibidos de los diferentes nodos anclados que han votado por algún cuadrante, el nodo coordinador elabora un mapa de puntos con todos los resultados, considerando que el nodo se encuentra en el área delimitada por todos estos cuadrantes.

2. Método de acuerdo con la reivindicación 1 en donde en la primera etapa se enviará un mensaje o baliza en función de la aplicación que se pretenda desarrollar, donde se considerará mensaj e en el caso de incluir información útil que haya que reencaminar al nodo coordinador, y donde la potencia de emisión del Tag tiene que garantizar que la comunicación llegue al menos a un nodo fijo.

3. Método de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 2 en donde el Tag incluye medios para modificar el período de muestreo en función de las necesidades, bien sea mediante un calendario o usando sensores externos.

4. Método de acuerdo con las reivindicaciones anteriores en donde en la recepción de la baliza por parte de los nodos anclados, dichos nodos anclados cercanos al Tag que han recibido la baliza o el mensaje, miden el nivel de RSSI con el que llega, así como los datos de información de los sensores, en caso de existir.

5. Método de acuerdo con las reivindicaciones anteriores en donde en la cuarta etapa de envío de los cuadrantes, en caso de que el mensaj e contuviera información

útil, también la envía en la misma trama al nodo coordinador; y donde si ninguno de los cuadrantes ofrece una salida superior a

6. - Método de acuerdo con las reivindicaciones anteriores en donde en la quinta etapa de cálculo, con la información recibida se determina la posición estimada a partir del cálculo del centroide de toda esta área formada por el conjunto de puntos por el que han votado los nodos anclados; y en donde el centroide se puede simplificar calculando la media de los resultados parciales.

7. - Método de acuerdo con las reivindicaciones anteriores en donde el proceso difuso distribuido comprende las etapas de a) entrada del conjunto de datos al motor de inferencia difuso; b) salida del conjunto de datos del motor de inferencia difuso; y c) inferencia borrosa de los datos recibidos, en donde,

las entradas del sistema de lógica difusa está formado por una entrada que representa la potencia recibida por el nodo en cuestión, más un conjunto de entradas que representan a todos sus vecinos; y donde cada una de ellas, tiene definido un conjunto borroso formado por tres funciones que representan el valor bajo, medio y alto de la señal de potencia definida;

y donde la salida está formada por tres conjuntos triangulares, que se corresponden con los valores bajo, medio y alto, calculándose una salida por cuadrante formado por el nodo

en cuestión, y sus respectivos vecinos, realizando una transmisión al nodo coordinador si el valor de salida es

superior a 0, 1; y

donde el motor de inferencia se corresponde con una base del conocimiento de reglas de Mandani, que calculará el antecedente de cada regla mediante la intersección de los conjuntos de entrada, para lo que se ha usado la función mínimo

para el operador "y" y el máximo para la función "o", y donde posteriormente, se hace la unión de todas las reglas y se calcula un valor concreto a partir de dicha intersección, ofreciendo como dato de salida el centro de gravedad de la figura resultante de la unión de la salida de todas las reglas.

8. Método de acuerdo con las reivindicaciones anteriores en donde el proceso centralizado del nodo coordinador comprende las etapas de:

a) recepción de datos, en donde a partir del mensaje del nodo no anclado, y mediante el proceso distribuido, algunos nodos de la red deciden votar por una localización, para lo que envían al nodo coordinador un dato indicando por cuales de todos los sectores formado entre él, y sus vecinos decide votar, además de la información recogida del nodo no anclado, en caso de existir; y donde el nodo coordinador recibe este mensaje, y determina las coordenadas de los nodos que forman el sector por el que "vota" el nodo a partir de leer el estado de los bits que forman la palabra recibida y de conocer el identificador del nodo que originó el mensaje, ya que cada uno de los sectores siempre formo un triángulo;

b) determinación de un punto representativo, en donde, una vez completado el paso anterior, el nodo coordinador tiene las coordenadas de los tres vértices de cada triángulo; y donde a partir de ellos, aplica un proceso para determinar un punto que representa a dicho triángulo, que en este caso se ha optado por utilizar el centro de gravedad;

c) añadir el punto a la tabla de votaciones, y en donde los puntos obtenidos anteriormente se consideran representativos, de forma que en el caso de que el sistema solo vote por un triángulo, el centro de gravedad de dicho triángulo se considerará la posición estimada; y en donde para poder estimar la posición es añadir los puntos obtenidos a una tabla en la que se almacenarán las coordenadas de todos los votos que decidan transmitir los nodos anclados;

d) espera de un tiempo determinado para la votación de los nodos, en donde debido a que el tiempo entre balizas del Tag es conocido de antemano, el nodo coordinador establece a partir de dicho periodo una ventana de tiempo durante el cual esperará la recepción de los votos de los nodos; y en donde un nodo puede votar por varias regiones, pero solo puede votar una vez; y donde en caso de que lleguen varios mensajes del mismo nodo en la misma ventana, solo se considerará el primero y se rechazarán todos los demás; y

e) cálculo de la posición estimada, en donde, una vez cerrada la ventana de tiempo para las votaciones, el nodo coordinador accede a la tabla con todos los votos y los concreta en la posición estimada;

y donde una vez obtenido las coordinadas estimadas, se transmiten del nodo coordinador al pe, y el nodo queda a la espera de que se cumpla el tiempo para abrir una nueva ventana.

9. Sistema de localización inteligente sobre redes de sensores inalámbricos que comprende una pluralidad de sensores inalámbricos denotados corno nodos distribuidos y al menos un nodo coordinador siendo este elemento un nodo que se encarga de recibir los datos que envían todos los demás nodos de la red y redirigirlos por la red adecuada, actuando de pasarela entre las redes de sensores, y un elemento externo de computación, que a su vez se encargará de distribuir la información recolectada por otros tipos de redes, tales corno Wi-Fi o Ethernet, en donde dicho sistema se caracteriza porque cada nodo comprende medios para ejecutar el método de la reivindicación 1.