無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能修正測距定位方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)，具體為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能修正測距定位方法。解決現(xiàn)有技術(shù)定位精度低及算法復(fù)雜的問題。本發(fā)明所述方法先利用面積值確定未知節(jié)點與信標(biāo)節(jié)點的相對位置，通過建立系數(shù)TA、TB、TC與區(qū)域關(guān)系的方法，直接求解未知節(jié)點P的坐標(biāo)并進行了坐標(biāo)值優(yōu)化；其次，本發(fā)明使用人群搜索算法（SOA）對已經(jīng)求出的坐標(biāo)值進行了進一步的優(yōu)化。通過仿真分析并且與其它的一些算法進行對比，本發(fā)明所述方法提高了算法的精度，降低了算法的復(fù)雜度，減少節(jié)點的能量消耗，延長了節(jié)點的生命周期。
【專利說明】
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能修正測距定位方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)，具體為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能修正測距定位 方法。主要應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中獲取傳感器節(jié)點準(zhǔn)確的位置信息。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷取得新的成果，已經(jīng)運用到國防軍事、環(huán)境監(jiān)測、交通管 理、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、抗災(zāi)搶險等領(lǐng)域，作為物聯(lián)網(wǎng)底層重要技術(shù)之一的無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 已經(jīng)成為了研究熱點。其中，通過定位算法獲取準(zhǔn)確的位置信息是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)十分重 要的一項內(nèi)容。
[0003] 智能算法近來獲得較高的重視，用來優(yōu)化原有的算法，如，利用免疫遺傳算法對基 于RSSI的三邊測量法進行優(yōu)化、利用粒子群算法對DV-H0P算法進行優(yōu)化，通過不斷迭代尋 優(yōu)來提高定位精度。這些智能算法可以被用來提高定位精度，但是需要進行大量的迭代運 算。本發(fā)明將"無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測距定位方法"與人群搜索算法相結(jié)合，使得只需少量的迭 代運算便可進一步提高定位精度。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明解決現(xiàn)有算法技術(shù)定位精度低及相關(guān)智能算法迭代次數(shù)多的問題，提供一 種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能修正測距定位方法。
[0005] 本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能修正測距定位方法，是 由如下步驟實現(xiàn)的：
[0006] Z1:未知節(jié)點P接受周圍信標(biāo)節(jié)點的信號，并將接收到的信號強度值轉(zhuǎn)化為未知節(jié) 點和信標(biāo)節(jié)點之間的距離值；
[0007] Z2:設(shè)定該未知節(jié)點P接受到信號的信標(biāo)節(jié)點數(shù)量為m，m3 3,以任3個位置不共線 的信標(biāo)節(jié)點為一組，一共k組；
[0008] Z3:從第一組信標(biāo)節(jié)點一直到第k組信標(biāo)節(jié)點依次計算未知節(jié)點P的坐標(biāo)，一共得 至Ijk個坐標(biāo)，分別表示為(xpl，y pl)，……(￥，71)1〇。選取其中第11組信標(biāo)節(jié)點，11取值為1到1^，將 該組信標(biāo)節(jié)點設(shè)定為A、B、C，計算出未知節(jié)點P的坐標(biāo)(x pu，ypu)，為上述k個坐標(biāo)之一。3個信 標(biāo)節(jié)點A、B、C將整個平面劃分成七個區(qū)域：
[0009] 區(qū)域1:3個信標(biāo)節(jié)點A、B、C構(gòu)成的三角形內(nèi)部區(qū)域；
[0010] 區(qū)域2:信標(biāo)節(jié)點B和信標(biāo)節(jié)點A構(gòu)成的射線BA的A點以外的直線、信標(biāo)節(jié)點A和信標(biāo) 節(jié)點C構(gòu)成的線段AC、信標(biāo)節(jié)點B和信標(biāo)節(jié)點C構(gòu)成的射線BC的C點以外的直線圍成的區(qū)域；
[0011] 區(qū)域3:信標(biāo)節(jié)點C和信標(biāo)節(jié)點B構(gòu)成的射線CB的B點以外的直線、信標(biāo)節(jié)點A和信標(biāo) 節(jié)點B構(gòu)成的線段AB、信標(biāo)節(jié)點C和信標(biāo)節(jié)點A構(gòu)成的射線CA的A點以外的直線圍成的區(qū)域；
[0012] 區(qū)域4:信標(biāo)節(jié)點A和信標(biāo)節(jié)點B構(gòu)成的射線AB的B點以外的直線、信標(biāo)節(jié)點B和信標(biāo) 節(jié)點C構(gòu)成的線段BC、信標(biāo)節(jié)點A和信標(biāo)節(jié)點C構(gòu)成的射線AC的C點以外的直線圍成的區(qū)域； [0013]區(qū)域5:信標(biāo)節(jié)點B和信標(biāo)節(jié)點C構(gòu)成的射線BC的C點以外的直線、信標(biāo)節(jié)點A和信標(biāo) 節(jié)點C構(gòu)成的射線AC的C點以外的直線圍成的區(qū)域；
[0014] 區(qū)域6:信標(biāo)節(jié)點C和信標(biāo)節(jié)點B構(gòu)成的射線CB的B點以外的直線、信標(biāo)節(jié)點A和信標(biāo) 節(jié)點B構(gòu)成的射線AB的B點以外的直線圍成的區(qū)域；
[0015] 區(qū)域7:信標(biāo)節(jié)點B和信標(biāo)節(jié)點A構(gòu)成的射線BA的A點以外的直線、信標(biāo)節(jié)點C和信標(biāo) 節(jié)點A構(gòu)成的射線CA的A點以外的直線圍成的區(qū)域；
[0016] Z4:確定未知節(jié)點P所處區(qū)域：
[0017] 滿足公式:SABe = SABP+SAep+SBep未知節(jié)點P在區(qū)域1;
[0018] 滿足公式:Sabp+SBCp = SabC+Sacp未知節(jié)點P在區(qū)域2;
[0019] 滿足公式:SAep+SBep = SABe+SABP未知節(jié)點P在區(qū)域3;
[0020] 滿足公式:Sacp+Sabp = Sabc+SBcp未知節(jié)點P在區(qū)域4;
[0021] 滿足公式:Sabp = Sacp+Sabc+SBcp未知節(jié)點P在區(qū)域5;
[0022] 滿足公式:Sacp = Sabp+SabC+SBCp未知節(jié)點P在區(qū)域6;
[0023] 滿足公式:SBCp = Sacp+SabC+Sabp未知節(jié)點P在區(qū)域7;
[0024]其中S為采用海倫公式算出的相應(yīng)三角形的面積，S下標(biāo)中的三個字母為三角形的 二個頂占.
[0025] Z5:未知節(jié)點P第u個坐標(biāo)(xpu，ypu)的計算公式如下：
[0026] xpu = Ta ? x3+Tb ? xb+Tc ? xc
[0027] ypu = TA ? ya+TB ? yb+Tc ? y〇
[0028] 其中，（xa，ya)為信標(biāo)節(jié)點A的坐標(biāo)，（xb，yb)為信標(biāo)節(jié)點B的坐標(biāo)，（Xc；，y。)為信標(biāo)節(jié) 點C的坐標(biāo);Ta、Tb、Tc為區(qū)域系數(shù)，與P點所在區(qū)域有關(guān)。
[0036] Z6:采用改良的人群搜索算法對得到的k個坐標(biāo)(xPi，yPi)，......(xPk，y Pk)進行優(yōu)化， 得到優(yōu)化后的未知節(jié)點P的坐標(biāo)。
[0037] 所述的改良的人群搜索算法與現(xiàn)有公知的人群搜索算法(S0A)的區(qū)別在于適應(yīng)度 函數(shù)不同，并將現(xiàn)有公知的人群搜索算法(S0A)中的步長減小50%;所述的改良的人群搜索 算法的適應(yīng)度函數(shù)為：
[0039] 式中坐標(biāo)(xs，ys)代表k個坐標(biāo)(xpl，ypl)，……，（x Pk，yPk)中的任一個坐標(biāo)，坐標(biāo)(Xl， )為m個信標(biāo)節(jié)點中的任一個坐標(biāo);cU代表步驟Z1中所述的距離值;在得到的k個適應(yīng)度函 數(shù)值F中，選用最小值。
[0040] 所述的現(xiàn)有公知的人群搜索算法(S0A)至少在書名為《MATLAB優(yōu)化算法案例分析 與應(yīng)用》，由清華大學(xué)出版社出版的，作者為余勝威，出版日期為2014年9月的出版物上有詳 細公開。
[0041] 本發(fā)明所述方法先利用面積值確定未知節(jié)點與信標(biāo)節(jié)點的相對位置，通過建立系 數(shù)Ta、Tb、Tc與區(qū)域關(guān)系的方法，直接求解未知節(jié)點P的坐標(biāo)并進行了坐標(biāo)優(yōu)化。其次，本發(fā)明 使用人群搜索算法(S0A)對已經(jīng)求出的未知節(jié)點P的坐標(biāo)值進行了進一步優(yōu)化;人群搜索算 法是一種基于種群的啟發(fā)式隨機搜索算法。本發(fā)明提出的定位方法，在提高定位精度的同 時也降低了算法的迭代次數(shù)。本發(fā)明使用了新的適應(yīng)度函數(shù)，將皮爾遜距離(數(shù)理統(tǒng)計:皮 爾遜距離等于1減去皮爾遜相關(guān)系數(shù))作為適應(yīng)度函數(shù)值F，適應(yīng)度函數(shù)值F越小，求解的坐 標(biāo)值越接近于實際值。
[0042] 通過仿真分析并且與其它的一些算法進行對比，本發(fā)明所述方法提高了算法的精 度，降低了算法的復(fù)雜度，減少節(jié)點的能量消耗，延長了節(jié)點的生命周期。
【附圖說明】
[0043]圖1為步驟Z3三個信標(biāo)節(jié)點A、B、C將整個平面劃分成七個區(qū)域示意圖。
【具體實施方式】
[0044]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能修正測距定位方法，是由如下步驟實現(xiàn)的：
[0045] Z1:未知節(jié)點P接受周圍信標(biāo)節(jié)點的信號，并將接收到的信號強度值轉(zhuǎn)化為未知節(jié) 點和信標(biāo)節(jié)點之間的距離值;這里轉(zhuǎn)化采用的是公知的對數(shù)一常數(shù)無線信號傳播模型。
[0046] Z2:設(shè)定該未知節(jié)點P接受到信號的信標(biāo)節(jié)點數(shù)量為m，m3 3,以任3個位置不共線 的信標(biāo)節(jié)點為一組，一共k組；
[0047] Z3:從第一組信標(biāo)節(jié)點一直到第k組信標(biāo)節(jié)點依次計算未知節(jié)點P的坐標(biāo)，一共得 至Ijk個坐標(biāo)，分別表示為(xpl，y pl)，……(￥，71)1〇。選取其中第11組信標(biāo)節(jié)點，11取值為1到1^，將 該組信標(biāo)節(jié)點設(shè)定為A、B、C，計算出未知節(jié)點P的坐標(biāo)(x pu，ypu)，為上述k個坐標(biāo)之一。3個信 標(biāo)節(jié)點A、B、C將整個平面劃分成七個區(qū)域：
[0048]區(qū)域1:3個信標(biāo)節(jié)點A、B、C構(gòu)成的三角形內(nèi)部區(qū)域；
[0049] 區(qū)域2:信標(biāo)節(jié)點B和信標(biāo)節(jié)點A構(gòu)成的射線BA的A點以外的直線、信標(biāo)節(jié)點A和信標(biāo) 節(jié)點C構(gòu)成的線段AC、信標(biāo)節(jié)點B和信標(biāo)節(jié)點C構(gòu)成的射線BC的C點以外的直線圍成的區(qū)域；
[0050] 區(qū)域3:信標(biāo)節(jié)點C和信標(biāo)節(jié)點B構(gòu)成的射線CB的B點以外的直線、信標(biāo)節(jié)點A和信標(biāo) 節(jié)點B構(gòu)成的線段AB、信標(biāo)節(jié)點C和信標(biāo)節(jié)點A構(gòu)成的射線CA的A點以外的直線圍成的區(qū)域； [00511區(qū)域4:信標(biāo)節(jié)點A和信標(biāo)節(jié)點B構(gòu)成的射線AB的B點以外的直線、信標(biāo)節(jié)點B和信標(biāo) 節(jié)點C構(gòu)成的線段BC、信標(biāo)節(jié)點A和信標(biāo)節(jié)點C構(gòu)成的射線AC的C點以外的直線圍成的區(qū)域； [0052]區(qū)域5:信標(biāo)節(jié)點B和信標(biāo)節(jié)點C構(gòu)成的射線BC的C點以外的直線、信標(biāo)節(jié)點A和信標(biāo) 節(jié)點C構(gòu)成的射線AC的C點以外的直線圍成的區(qū)域；
[0053]區(qū)域6:信標(biāo)節(jié)點C和信標(biāo)節(jié)點B構(gòu)成的射線CB的B點以外的直線、信標(biāo)節(jié)點A和信標(biāo) 節(jié)點B構(gòu)成的射線AB的B點以外的直線圍成的區(qū)域；
[0054]區(qū)域7:信標(biāo)節(jié)點B和信標(biāo)節(jié)點A構(gòu)成的射線BA的A點以外的直線、信標(biāo)節(jié)點C和信標(biāo) 節(jié)點A構(gòu)成的射線CA的A點以外的直線圍成的區(qū)域；
[0055] Z4:確定未知節(jié)點P所處區(qū)域：
[0056] 滿足公式:Sabc = Sabp+Sacp+SBcp未知節(jié)點P在區(qū)域1;
[0057] 滿足公式:Sabp+Sbcp = Sabc+Sacp未知節(jié)點P在區(qū)域2;
[0058] 滿足公式:Sacp+SBCp = Sabc+Sabp未知節(jié)點P在區(qū)域3;
[0059] 滿足公式:Sacp+Sabp = Sabc+SBcp未知節(jié)點P在區(qū)域4;
[0060] 滿足公式:Sabp = Sacp+Sabc+SBcp未知節(jié)點P在區(qū)域5;
[0061 ] 滿足公式:Sacp = Sabp+Sabc+SBcp未知節(jié)點P在區(qū)域6;
[0062] 滿足公式:SBCp = Sacp+SabC+Sabp未知節(jié)點P在區(qū)域7;
[0063]其中S為采用海倫公式算出的相應(yīng)三角形的面積，S下標(biāo)中的三個字母為三角形的 二個頂占.
[0064]所述的海倫公式為公知常識：
[0067]式中：S為三角形面積，L1、L2、L3代表三角形的三條邊長。
[0068] Z5:未知節(jié)點P第u個坐標(biāo)(xpu，ypu)的計算公式如下：
[0069] xpu = Ta ? x3+Tb ? xb+Tc ? xc
[0070] ypu = TA ? ya+TB ? yb+Tc ? y〇
[0071 ]其中，（xa，ya)為信標(biāo)節(jié)點A的坐標(biāo)，（xb，yb)為信標(biāo)節(jié)點B的坐標(biāo)，（x。，y。)為信標(biāo)節(jié) 點C的坐標(biāo);Ta、Tb、Tc為區(qū)域系數(shù)，與P點所在區(qū)域有關(guān)。
[0079] Z6:采用改良的人群搜索算法對得到的k個坐標(biāo)(xPi，yPi)，......(xPk，y Pk)進行優(yōu)化， 得到優(yōu)化后的未知節(jié)點P的坐標(biāo)；
[0080] 所述的改良的人群搜索算法與現(xiàn)有公知的人群搜索算法(S0A)的區(qū)別在于適應(yīng)度 函數(shù)不同，并將現(xiàn)有公知的人群搜索算法(S0A)中的步長減小50%;所述的改良的人群搜索 算法的適應(yīng)度函數(shù)為：
[0082]式中坐標(biāo)(xs，ys)代表k個坐標(biāo)(xpl，ypl)，……，（x Pk，yPk)中的任一個坐標(biāo)，坐標(biāo)(Xl， )為m個信標(biāo)節(jié)點中的任一個坐標(biāo);cU代表步驟Z1中所述的距離值;在得到的k個適應(yīng)度函 數(shù)值F中，選用最小值。
【主權(quán)項】
1. 一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能修正測距定位方法，其特征在于是由如下步驟實現(xiàn)的： Z1:未知節(jié)點P接受周圍信標(biāo)節(jié)點的信號，并將接收到的信號強度值轉(zhuǎn)化為未知節(jié)點和 信標(biāo)節(jié)點之間的距離值； Z2:設(shè)定該未知節(jié)點P接受到信號的信標(biāo)節(jié)點數(shù)量為m，m23,以任3個位置不共線的信 標(biāo)節(jié)點為一組，一共k組； Z3:從第一組信標(biāo)節(jié)點一直到第k組信標(biāo)節(jié)點依次計算未知節(jié)點P的坐標(biāo)，一共得到k個 坐標(biāo)，分別表示為(xpl，ypl)，……（邱1<^1〇;選取其中第11組信標(biāo)節(jié)點，11取值為1到1^，將該組 信標(biāo)節(jié)點設(shè)定為A、B、C，計算出未知節(jié)點P的坐標(biāo)(x pu，ypu)，為上述k個坐標(biāo)之一;3個信標(biāo)節(jié) 點A、B、C將整個平面劃分成七個區(qū)域： 區(qū)域1:3個信標(biāo)節(jié)點A、B、C構(gòu)成的三角形內(nèi)部區(qū)域； 區(qū)域2:信標(biāo)節(jié)點B和信標(biāo)節(jié)點A構(gòu)成的射線BA的A點以外的直線、信標(biāo)節(jié)點A和信標(biāo)節(jié)點 C構(gòu)成的線段AC、信標(biāo)節(jié)點B和信標(biāo)節(jié)點C構(gòu)成的射線BC的C點以外的直線圍成的區(qū)域； 區(qū)域3:信標(biāo)節(jié)點C和信標(biāo)節(jié)點B構(gòu)成的射線CB的B點以外的直線、信標(biāo)節(jié)點A和信標(biāo)節(jié)點 B構(gòu)成的線段AB、信標(biāo)節(jié)點C和信標(biāo)節(jié)點A構(gòu)成的射線CA的A點以外的直線圍成的區(qū)域； 區(qū)域4:信標(biāo)節(jié)點A和信標(biāo)節(jié)點B構(gòu)成的射線AB的B點以外的直線、信標(biāo)節(jié)點B和信標(biāo)節(jié)點 C構(gòu)成的線段BC、信標(biāo)節(jié)點A和信標(biāo)節(jié)點C構(gòu)成的射線AC的C點以外的直線圍成的區(qū)域； 區(qū)域5:信標(biāo)節(jié)點B和信標(biāo)節(jié)點C構(gòu)成的射線BC的C點以外的直線、信標(biāo)節(jié)點A和信標(biāo)節(jié)點 C構(gòu)成的射線AC的C點以外的直線圍成的區(qū)域； 區(qū)域6:信標(biāo)節(jié)點C和信標(biāo)節(jié)點B構(gòu)成的射線CB的B點以外的直線、信標(biāo)節(jié)點A和信標(biāo)節(jié)點 B構(gòu)成的射線AB的B點以外的直線圍成的區(qū)域； 區(qū)域7:信標(biāo)節(jié)點B和信標(biāo)節(jié)點A構(gòu)成的射線BA的A點以外的直線、信標(biāo)節(jié)點C和信標(biāo)節(jié)點 A構(gòu)成的射線CA的A點以外的直線圍成的區(qū)域； Z4:確定未知節(jié)點P所處區(qū)域： 滿足公式:Sabc = Sabp+Sacp+Sbcp未知節(jié)點P在區(qū)域1; 滿足公式:Sabp+Sbcp = Sabc+Sacp未知節(jié)點P在區(qū)域2; 滿足公式:Sacp+Sbcp = Sabc+Sabp未知節(jié)點P在區(qū)域3; 滿足公式:Sacp+Sabp = Sabc+Sbcp未知節(jié)點P在區(qū)域4; 滿足公式:Sabp = Sacp+Sabc+Sbcp未知節(jié)點P在區(qū)域5; 滿足公式:Sacp = Sabp+Sabc+Sbcp未知節(jié)點P在區(qū)域6; 滿足公式:Sbcp = Sacp+Sabc+Sabp未知節(jié)點P在區(qū)域7; 其中S為采用海倫公式算出的相應(yīng)三角形的面積，S下標(biāo)中的三個字母為三角形的三個 頂點； Z5:未知節(jié)點P第u個坐標(biāo)(xpu，ypu)的計算公式如下： xpu = Ta ? x3+Tb ? xb+Tc ? xc ypu=TA ? ya+TB ? yb+Tc ? y〇 其中，（xa，ya)為信標(biāo)節(jié)點A的坐標(biāo)，（xb，yb)為信標(biāo)節(jié)點B的坐標(biāo)，（xc；，y。)為信標(biāo)節(jié)點C的 坐標(biāo);Ta、Tb、Tc為區(qū)域系數(shù)，與P點所在區(qū)域有關(guān)， 未知節(jié)點P處于區(qū)域1時，Z6:采用改良的人群搜索算法對得到的k個坐標(biāo)(Xpl，ypl)，……（xpk，y pk)進行優(yōu)化，得到 優(yōu)化后的未知節(jié)點P的坐標(biāo)； 所述的改良的人群搜索算法與現(xiàn)有公知的人群搜索算法(SOA)的區(qū)別在于適應(yīng)度函數(shù) 不同，并將現(xiàn)有公知的人群搜索算法(SOA)中的步長減小50%;所述的改良的人群搜索算法 的適應(yīng)度函數(shù)為：式中坐標(biāo)(xs，ys)代表k個坐標(biāo)(xPi，yPi)，......，（x Pk，yPk)中的任一個坐標(biāo)，坐標(biāo)(Xi，yi) 為m個信標(biāo)節(jié)點中的任一個坐標(biāo);cU代表步驟Z1中所述的距離值;在得到的k個適應(yīng)度函數(shù) 值F中，選用最小值。
【文檔編號】G01S5/02GK106054127SQ201610338877
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月20日
【發(fā)明人】喬學(xué)工, 曹建, 王華倩, 李瑞蓮, 武娟萍
【申請人】太原理工大學(xué)