無線傳感網(wǎng)隨機(jī)部署下的目標(biāo)定位方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無線傳感網(wǎng)隨機(jī)部署下的目標(biāo)定位方法，具體包括如下步驟：步驟一，構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；步驟二，參考數(shù)據(jù)采集；步驟三，實時檢測各條鏈路的RSSI值；步驟四，選取三條受影響鏈路；根據(jù)選出的三條鏈路形成的交點的三種不同分布情況，確定目標(biāo)可能位置區(qū)域；步驟五，根據(jù)目標(biāo)在M×N個可能位置點處時三條鏈路的RSSI估計值和實際測得的三條鏈路的RSSI值確定目標(biāo)的位置。本發(fā)明的方法無需無線傳感網(wǎng)節(jié)點的規(guī)則部署，能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的野外環(huán)境，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)部署情況下對大規(guī)模場景區(qū)域中的目標(biāo)進(jìn)行檢測定位，省時省力，定位結(jié)果準(zhǔn)確，具有較好的應(yīng)用前景。
【專利說明】 無線傳感網(wǎng)隨機(jī)部署下的目標(biāo)定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種在無線傳感網(wǎng)隨機(jī)部署情況下進(jìn)行目標(biāo)被動式定位的方法，該方法應(yīng)用于野生動物的定位。
【背景技術(shù)】
[0002]野生動物在自然界中具有重要的生態(tài)地位和功能，如何有效對其進(jìn)行監(jiān)測與保護(hù)，顯得尤為重要。傳統(tǒng)的野生動物保護(hù)多采用人工方式手工記錄、統(tǒng)計，存在很多弊端，如:缺乏長期性、實時性，也有一定的困難性和危險性，另外，難以對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行時間、空間、現(xiàn)象的綜合分析。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，為解決上述問題提供了技術(shù)支撐。
[0003]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在被監(jiān)測區(qū)域的大量分布式傳感器節(jié)點組成的，它綜合了傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)等多種領(lǐng)域技術(shù)，通過各種類型的傳感器對物質(zhì)的性質(zhì)、環(huán)境的狀態(tài)以及行為模式等信息進(jìn)行大規(guī)模、長期、實時的獲取，并通過802.15.4通信協(xié)議以自組織的方式將感知數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。其中，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)為野生動物的活動軌跡監(jiān)測提供了有效解決方案。
[0004]目前，利用無線傳感網(wǎng)進(jìn)行目標(biāo)定位的研究已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，依據(jù)其定位的基本原理可以分為:主動式定位和被動式定位。
[0005]主動式定位通常是通過目標(biāo)攜帶相關(guān)設(shè)備與部署區(qū)域中的節(jié)點通信，節(jié)點獲取相應(yīng)信號，并對其進(jìn)行處理，從而實現(xiàn)目標(biāo)定位。目標(biāo)位置的不同會引起節(jié)點獲得信號的不同，因此通過建立起接收的信號和目標(biāo)位置的對應(yīng)函數(shù)關(guān)系，對目標(biāo)進(jìn)行定位。這種方法定位精度較高，但是讓目標(biāo)攜帶相應(yīng)的電子標(biāo)簽不僅難度過大，而且還會影響其正常生活，因此，主動式定位難以得到較好的應(yīng)用。
[0006]被動式定位不需要目標(biāo)攜帶相應(yīng)的設(shè)備，其利用目標(biāo)在不同的位置對網(wǎng)絡(luò)的影響來進(jìn)行目標(biāo)定位，RSSI (Received Signal Strength Indicator)信號是被動式定位常用的監(jiān)測參數(shù)，目標(biāo)在不同位置處，會對鏈路的RSSI值造成不同影響，從而可以通過監(jiān)測得到的鏈路RSSI值得到目標(biāo)的位置，這種定位方法已經(jīng)取得了一些進(jìn)展。
[0007]如圖1(a)所示，張滇等將傳感器節(jié)點均勻部署在監(jiān)測區(qū)域中，相鄰的節(jié)點進(jìn)行通信，目標(biāo)在區(qū)域內(nèi)活動會對兩個通信的節(jié)點造成干擾。通過對目標(biāo)在不同位置處，節(jié)點間鏈路受到的的無線電信號RSSI干擾進(jìn)行量化標(biāo)定，建立位置與RSSI值干擾之間的關(guān)系。當(dāng)全網(wǎng)收到一組變化的RSSI值時，可以推出物體所在的位置。
[0008]如圖1 (b)所示，Joseph Wilson等將傳感器節(jié)點均勻部署在定位區(qū)域四周，所有節(jié)點兩兩之間洪范通信。目標(biāo)在區(qū)域內(nèi)活動會對兩個通信的節(jié)點造成干擾，當(dāng)全網(wǎng)節(jié)點收到一組變化的RSSI值時，可以推出物體所在的位置。
[0009]如圖1(c)所示，張滇等在定位區(qū)域中將節(jié)點部署成六邊形，六邊形的中心部署一個發(fā)射節(jié)點，該節(jié)點同各個頂點的節(jié)點通信。與上述方法類似，目標(biāo)在不同位置處對鏈路RSSI干擾不同，建立位置與RSSI值之間的關(guān)系。當(dāng)全網(wǎng)節(jié)點收到一組RSSI變化值時，可以推出物體所在的位置。[0010]另外，本發(fā)明的 申請人:課題組申報的中國專利(專利號:ZL201210059809.2)記載的名稱為:一種面向野生動物的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)定位方法，包括構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、參考數(shù)據(jù)采集、確定目標(biāo)是否進(jìn)入監(jiān)測區(qū)域、確定目標(biāo)進(jìn)入哪個小三角形、確定目標(biāo)相對三角形的精確位置、確定目標(biāo)的實際地理位置等步驟，該方法適合稀疏部署場景，能滿足在保證一定的目標(biāo)定位正確率的前提下，通過網(wǎng)絡(luò)的稀疏部署，用最少的節(jié)點有效的監(jiān)測目標(biāo)，以獲取其位置信息的需求。
[0011]上述現(xiàn)有的四種方法被動式定位方法均要求節(jié)點規(guī)則部署，對于大規(guī)模場景，這種部署方式顯然要花費大量的精力和資源，而且野外環(huán)境復(fù)雜多變，多數(shù)情況下無法完成對節(jié)點的規(guī)則部署，因此，上述方法難以適用于大規(guī)模野外環(huán)境下的目標(biāo)定位。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]針對上述現(xiàn)有定位方法存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種無線傳感網(wǎng)隨機(jī)部署下的目標(biāo)定位方法，該方法無需無線傳感網(wǎng)規(guī)則部署，能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的野外環(huán)境，實現(xiàn)了在無線傳感網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)部署情況下對大規(guī)模場景區(qū)域中的目標(biāo)進(jìn)行檢測定位。
[0013]為了實現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案:
[0014]一種無線傳感網(wǎng)隨機(jī)部署下的被動式目標(biāo)定位方法，具體包括如下步驟:
[0015]步驟一，構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò):
[0016]在監(jiān)測區(qū)域的內(nèi)外邊界處以及監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部隨機(jī)部署傳感器節(jié)點，得到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；
[0017]步驟二，參考數(shù)據(jù)采集:
[0018]測定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各條鏈路的RSSI值，得到無目標(biāo)影響下每條鏈路的RSSI值，分別記為g,Gf,...,Gf,...，其中k表示鏈路的編號；
[0019]步驟三，實時檢測:
[0020]實時檢測各條鏈路的RSSI值，當(dāng)?shù)趉條鏈路在t時刻的RSSI值與之間的變化量滿足ΔGk≥2dB時，即認(rèn)為該條鏈路受目標(biāo)影響，將此時的
RSSI值記為G實測k,即G實測k=Gtk
[0021]步驟四，確定目標(biāo)可能位置區(qū)域:
[0022]( I)選取三條受影響鏈路:
[0023]若恰好只有三條鏈路受到影響，則選擇這三條鏈路；若受影響的鏈路總數(shù)大于3，則在受到影響的所有鏈路中選擇三條鏈路；
[0024](2)根據(jù)選出的三條鏈路形成的交點的三種不同分布情況，確定目標(biāo)可能位置區(qū)域。
[0025]A):三條鏈路交于一個交點，則以該交點為圓心，以目標(biāo)影響范圍r為半徑形成的圓作為目標(biāo)可能位置區(qū)域；
[0026]B):三條鏈路相交形成距離不大于2r的兩個交點，則以該兩交點連線的中點為圓心，以影響范圍r為半徑形成的圓作為目標(biāo)的可能位置區(qū)域；
[0027]C):三條鏈路形成三個交點的情況分為以下兩種:
[0028]I)三個交點所形成的三角形存在至少一條長度不大于2r的邊，則以長度不大于2r的邊中任一邊的中點為圓心，以影響范圍r為半徑形成的圓作為目標(biāo)可能位置區(qū)域；
[0029]2)三個交點所形成的三角形的任意邊的邊長均大于2r，則分別以該三角形的三個頂點為圓心，以影響范圍r的兩倍為半徑形成三個圓；將該三個圓中與三角形的每條邊均有交點的圓作為目標(biāo)可能位置區(qū)域；
[0030]確定的目標(biāo)可能位置區(qū)域均為圓形區(qū)域，將該圓形區(qū)域的外接正方形區(qū)域作為最終的目標(biāo)可能位置區(qū)域；
[0031]步驟五，目標(biāo)定位:
[0032]將最終的目標(biāo)可能位置區(qū)域均勻劃分為MXN個格子，取每個格子的中心為I個可能的位置點，共得到MXN個可能位置點，將它們的位置分別記為:1M，I1^2,…，Iiij,…
1.丄M，N，
[0033]對MXN個可能位置點，每個點按下式對選中的三條鏈路a、b、c分別計算RSSI估計值:
【權(quán)利要求】
1.一種無線傳感網(wǎng)隨機(jī)部署下的被動式目標(biāo)定位方法，其特征在于，具體包括如下步驟: 步驟一，構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò): 在監(jiān)測區(qū)域的內(nèi)外邊界處以及監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部隨機(jī)部署傳感器節(jié)點，得到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 步驟二，參考數(shù)據(jù)采集: 測定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各條鏈路的RSSI值，得到無目標(biāo)影響下每條鏈路的RSSI值，分別記為
2.如權(quán)利要求1所述的無線傳感網(wǎng)隨機(jī)部署下的被動式目標(biāo)定位方法，其特征在于，所述步驟一的構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具體包括如下步驟: (I)在監(jiān)測區(qū)域的內(nèi)外邊界處，沿邊界形狀每隔3~5米部署一個節(jié)點；(2)在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部隨機(jī)部署傳感器節(jié)點，節(jié)點密度不小于0.02個/平方米；(3)節(jié)點距地面高度0.6~I米；(4)節(jié)點總數(shù)不小于6個；(5)在距離網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?0米以內(nèi)設(shè)置匯聚節(jié)點。
3.如權(quán)利要求1所述的無線傳感網(wǎng)隨機(jī)部署下的被動式目標(biāo)定位方法，其特征在于，所述步驟二參考數(shù)據(jù)采集中，得到的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中鏈路的確定過程為:每個節(jié)點廣播一個含有自身編號的數(shù)據(jù)包，成功收到該數(shù)據(jù)包的節(jié)點記錄發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點之間的鏈路的RSSI值和兩個節(jié)點的編號，并將該信息發(fā)送至基站；記錄無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的位置。
4.如權(quán)利要求1所述的無線傳感網(wǎng)隨機(jī)部署下的被動式目標(biāo)定位方法，其特征在于，所述步驟四的(I)選取三條受影響鏈路中，若受影響的鏈路總數(shù)大于3，則在受到影響的所有鏈路中選擇三條鏈路的條件滿足:a)選取RSSI值變化量
5.如權(quán)利要求4所述的無線傳感網(wǎng)隨機(jī)部署下的被動式目標(biāo)定位方法，其特征在于，所述條件D)中的目標(biāo)的影響范圍r由先期試驗獲得:選擇10m*10m大小的空曠區(qū)域為試驗區(qū)域，以3-5米的間距部署一個接收節(jié)點和一個發(fā)射節(jié)點，該兩節(jié)點連線的中點位于試驗區(qū)域中心，記錄無目標(biāo)時該鏈路的RSSI值G°;將需要定位的目標(biāo)個體置于試驗區(qū)域中心，記錄該條鏈路的實時RSSI值Gt,此時鏈路受到目標(biāo)影響，RSSI變化量AG= Gt-G0≥2dB ；將發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點從區(qū)域中心同時沿相同方向，以步長為0.05m向遠(yuǎn)離目標(biāo)個體方向移動；當(dāng)鏈路的RSSI值變化量首次處于AG= Gt-G0 <2dB范圍時，記錄目標(biāo)個體位置與鏈路所在直線的垂直距離，將該距離確定為目標(biāo)的影響范圍r。
6.如權(quán)利要求1所述的無線傳感網(wǎng)隨機(jī)部署下的被動式目標(biāo)定位方法，其特征在于，所述步驟五中，所述根據(jù)計算得到的目標(biāo)在MXN個可能位置點處時三條鏈路的RSSI估計值和實際測得的三條鏈路的RSSI值確定目標(biāo)的位置，具體包括如下步驟: (1)將鏈路a的實測的受目標(biāo)影響時的RSSI值Gfffl與估算得到的GfXiV比較，找出Gfxiv中屬于區(qū)間
【文檔編號】G01S5/14GK103529427SQ201310476591
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月12日
【發(fā)明者】邢天璋, 陳曉江, 屈超, 房鼎益, 王如晨, 張遠(yuǎn), 聶衛(wèi)科, 劉晨, 王薇 申請人:西北大學(xué)