專利名稱：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無線通信領(lǐng)域的定位方法，尤其涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著微機電系統(tǒng)、無線通信和數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (wireless sensor networks，WSN)在軍事應(yīng)用及民用等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，其與RFID 技術(shù)相結(jié)合，在物流等領(lǐng)域也取得了較好的應(yīng)用成果。位置信息對WSN的應(yīng)用具有至關(guān)重要的意義，事件發(fā)生的位置或信息源的位置是 傳感器網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)的重要組成部分，因而WSN定位技術(shù)成為研究的一大熱點。目前，學者 們提出了很多關(guān)于WSN的定位算法，主要分為兩大類基于錨節(jié)點和非基于錨節(jié)點的WSN節(jié) 點定位算法，錨節(jié)點就是可以預先獲取自身位置的節(jié)點，通常采用在節(jié)點上安裝GPS系統(tǒng) 或事先人工布置，基于錨節(jié)點的定位算法用錨節(jié)點定位剩余節(jié)點，而非基于錨節(jié)點的節(jié)點 定位算法主要計算節(jié)點的相對位置，生成一個WSN節(jié)點的相對位置地圖，給WSN的應(yīng)用帶來 很大的限制，但是，在基于錨節(jié)點的節(jié)點定位算法中，GPS的使用增加了 WSN節(jié)點的成本，這 和WSN應(yīng)用的特點不符；在這種情況下，可以僅在一些可以移動的傳感器節(jié)點上裝備GPS， 該方法具有很高的實用意義僅在一些節(jié)點上裝備GPS，不但沒有過多增加成本，而且比不 使用錨節(jié)點的算法獲得更高的定位精度，移動節(jié)點可以使用移動機器人平臺，能量不受限 制，為了提高定位精度和定位效率，移動錨節(jié)點的路徑規(guī)劃成為研究的基本問題。當傳感器被散布到傳感區(qū)域(region of interest, ROI)中后，移動錨節(jié)點開始 在它們中穿行，同時以一定的發(fā)射功率廣播信息數(shù)據(jù)包，信息數(shù)據(jù)包中含有該錨節(jié)點的坐 標，錨節(jié)點節(jié)點附近(信標信號傳輸范圍內(nèi))的傳感器節(jié)點可以接收到信標數(shù)據(jù)包，每個節(jié) 點在收到包時都測量一下接收信號強度指標(received signal strength indication，簡 稱RSSI)并計算到錨節(jié)點的距離，根據(jù)到錨節(jié)點的距離值以及信標數(shù)據(jù)包中附帶的信標位
置(、乃)，每個節(jié)點計算自身位置的約束條件，當各節(jié)點獲取3個以上信標數(shù)據(jù)包時即
可通過三邊測量法計算出自身的坐標，基于移動錨節(jié)點進行傳感器節(jié)點定位具有一些明顯 的優(yōu)點首先，大量減少了需要的錨節(jié)點數(shù)量，從而降低了成本；其次，由于錨節(jié)點數(shù)量較 少(理想情況下只需要1個信標)，因此，用戶可以控制錨節(jié)點的移動路徑、廣播錨節(jié)點數(shù) 據(jù)包的位置(簡稱發(fā)射位置)，從而提高定位效率和改善定位效果。經(jīng)對現(xiàn)有文獻檢索發(fā)現(xiàn)，相關(guān)文獻如下
1、Hongjun Li 等在 2009 年的〈〈Journal of Computer Research and Development)) 上發(fā)表的文章"Path Planning for Mobile Anchor Node in Localization for Wireless Sensor Networks”，研究了移動錨節(jié)點的路徑規(guī)劃問題，把圖論引入到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié) 點定位系統(tǒng)。把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)看成一個連通的節(jié)點無向圖，路徑規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為圖的生 成樹及遍歷問題，提出了寬度優(yōu)先和回溯式貪婪算法。但這種算法規(guī)劃出來的移動路徑并 不能保證所有的未知節(jié)點收到錨節(jié)點信息，從而定位覆蓋率不高。2、Zhen HU等在2008年的《IEEE/ASME International Conference on AdvancedIntelligent Mechatronics》上發(fā)表的文章"Localization in Wireless Sensor Networks Using a Mobile Anchor Node”中移動節(jié)點以螺線形的路徑移動，每隔一個周期廣播其位置 信息，當未知節(jié)點收到3個以上的位置信息后，取這些位置的平均值為未知節(jié)點的估計位 置。該算法有效解決了節(jié)點在同一直線上無法定位的問題，但這種路徑無法高效地覆蓋傳 感區(qū)域，容易出現(xiàn)信標覆蓋盲區(qū)，從而降低了定位精度。3、ChaiHo Ou 等在 2008 年的《IEEE Transactions on Mobile Computing》 上發(fā) 表的文 章"Sensor Position Determination with Flying Anchors in Three-Dimensional Wireless Sensor Networks，，中提出了一禾中新型的Range-Free定位方 法，該方法基于初等幾何中的“弦的垂直平分線通過圓心”這一性質(zhì)，用帶有GPS的飛行錨 節(jié)點在傳感區(qū)域移動并周期性地廣播其當前位置，未知節(jié)點根據(jù)幾何學規(guī)則和這些信息計 算其位置。此算法在獲得4個以上的錨節(jié)點后，形成兩個相交圓，經(jīng)過這兩個相交圓的圓心 且垂直相交圓的直線相交的點即為未知節(jié)點的估計位置。此方法在測定錨節(jié)點和未知節(jié)點 的距離、計算未知節(jié)點坐標等環(huán)節(jié)作出了一定創(chuàng)新和貢獻，但是均未涉及移動錨節(jié)點路徑 選擇問題。4、Rui Huang 等在 2007 年的《IEEE PERC0MW》上發(fā)表的文章“Static path planning for mobile beacons to localize sensor networks”提出使移動錨節(jié)點按照 S 形路徑移動，傳感區(qū)域的未知節(jié)點周期的接收移動節(jié)點的信息，從而計算其位置信息。該算 法移動節(jié)點的路徑長度雖然較短，并且相應(yīng)的節(jié)省了節(jié)點的能量消耗，但在邊緣的節(jié)點由 于接收不到足夠的信息而導致無法定位的情況出現(xiàn)。5、Koutsonilas D等在 2007年的《Computer Communication》上發(fā)表的文章“Path planning of mobile landmarks for localization in wireless sensor networks，，中分 析了移動節(jié)點沿坐標軸方向移動的路徑，比較了其優(yōu)缺點，其中Scan方法雖然移動長度最 短，但其會造成未知節(jié)點收到的信息在同一直線上而無法對其定位。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種定位精度高、不易受環(huán)境因素的影響、而且網(wǎng)絡(luò)成本低的無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法。為了達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，其創(chuàng)新 點在于其步驟包括
a、移動錨節(jié)點廣播發(fā)送包含自身位置的信息；
b、未知節(jié)點接收移動錨節(jié)點發(fā)送的信息；
C、對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域建立二維直角坐標系，在二維直角坐標系內(nèi)分布一個或若干 個未知節(jié)點，確定移動錨節(jié)點的移動路徑，移動錨節(jié)點每隔周期T移動一定距離，且以移動 錨節(jié)點此刻所在位置為圓心，通信半徑為r的圓廣播信標信號，信標信號中包括該時刻移 動錨節(jié)點的位置信息和該時刻的時間，移動錨節(jié)點移動的路徑為正三角形，正三角形的邊 長力i Wd =r ；
d、未知節(jié)點不斷監(jiān)聽接受信標信息，接收到移動錨節(jié)點廣播的三個信標信息，若該三 個信標信息的位置組成正三角形，且未知節(jié)點位于正三角形內(nèi)，則通過三邊測量法，獲得未 知節(jié)點的位置信息；若未知節(jié)點位于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的邊界處，未知節(jié)點接收到三個 信標信息的位置組成為鈍角三角形或者為直角三角形或者為其余三角形，且未知節(jié)點位于建立的目標函數(shù)是艦n/(r) = ^ + k
建立的約束函數(shù)是+為整數(shù),且取整數(shù)，
設(shè)定的通信半徑r·的范圍是/I^rSr2,
其中i為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的長度，
ft為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的寬度，
^為發(fā)射裝置每發(fā)送或接收單位bit的耗能，
^為發(fā)射放大器將每bit傳送單位平方米所耗的能量，
M為信息包的大小，
K為常數(shù)，
為移動錨節(jié)點每移動Irn消耗的能量， m為移動錨節(jié)點消耗的總能量，
q、3為通信半徑^的范圍，
然后，由計算機算出滿足上述條件的通信半徑〃的值。在上述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法中，所述的移動錨節(jié)點具有GPS定位裝置，作 為定位未知節(jié)點的參考節(jié)點，移動錨節(jié)點向其周圍的未知節(jié)點廣播包含其位置信息和自身 ID的信標信息數(shù)據(jù)包，移動錨節(jié)點的通信范圍為半徑r的圓。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的積極效果是
(1)定位過程中不需要額外的通信開銷，僅僅通過接收信號強度即可完成定位，并且移 動錨節(jié)點按照正三角形路徑移動，移動定位精度最高；
(2)對網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點密度沒有限制，無論是在密集網(wǎng)絡(luò)還是在稀疏網(wǎng)絡(luò)中，對定位精度沒 有影響，從而有很好的擴展性，不易受環(huán)境影響；
(3)本發(fā)明只需要一個移動錨節(jié)點，即可獲知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)所有未知節(jié)點的 位置信息，降低了網(wǎng)絡(luò)的成本。移動錨節(jié)點的通信范圍為圓形，符合實際情況，易于在現(xiàn)實環(huán)境中實施，并且定位 精度聞。


圖1為本發(fā)明無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法的流程鈍角三角形或者為直角三角形或者為其余三角形內(nèi)，則以接收到的三個信標信息坐標的平 均值作為未知節(jié)點的位置，獲得未知節(jié)點的位置信息。在上述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法中，所述移動錨節(jié)點與未知節(jié)點間距離采用接 收信號強度方法測量。在上述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法中，所述移動錨節(jié)點的通信半徑Γ的具體設(shè)定 方法為
建立目標函數(shù)和約束函數(shù)，以及設(shè)定通信半徑Γ的范圍，
+
Uh
Ir
^h + Bmr Xkl xCJtjJ·)1) + h圖2為正三角形定位方法計算未知節(jié)點的示意圖； 圖3為未知節(jié)點隨機分布圖； 圖4為移動錨節(jié)點定位示意圖5為移動錨節(jié)點移動路徑和發(fā)射信息包位置的示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。如圖1、2、3、4、5所示，一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，其步驟包括
a、移動錨節(jié)點廣播發(fā)送包含自身位置的信息；
b、未知節(jié)點接收移動錨節(jié)點發(fā)送的信息；
C、對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域建立二維直角坐標系，在二維直角坐標系內(nèi)分布一個或若干 個未知節(jié)點，確定移動錨節(jié)點的移動路徑，移動錨節(jié)點每隔周期T移動一定距離，且以移動 錨節(jié)點此刻所在位置為圓心，通信半徑為r的圓廣播信標信號，信標信號中包括該時刻移 動錨節(jié)點的位置信息和該時刻的時間，移動錨節(jié)點移動的路徑為正三角形，正三角形的邊 長為/ ,且；
d、未知節(jié)點不斷監(jiān)聽接受信標信息，接收到移動錨節(jié)點廣播的三個信標信息，若該三 個信標信息的位置組成正三角形，且未知節(jié)點位于正三角形內(nèi)，則通過三邊測量法，獲得未 知節(jié)點的位置信息；若未知節(jié)點位于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的邊界處，未知節(jié)點接收到三個 信標信息的位置組成為鈍角三角形或者為直角三角形或者為其余三角形，且未知節(jié)點位于 鈍角三角形或者為直角三角形或者為其余三角形內(nèi)，則以接收到的三個信標信息坐標的平 均值作為未知節(jié)點的位置，獲得未知節(jié)點的位置信息。在上述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法中，所述移動錨節(jié)點與未知節(jié)點間距離采用接 收信號強度方法測量。在上述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法中，所述移動錨節(jié)點的通信半徑Γ的具體設(shè)定 方法為
建立目標函數(shù)和約束函數(shù)，以及設(shè)定通信半徑r的范圍，
建立的目標函數(shù)是
權(quán)利要求
一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，其特征在于其步驟包括a、移動錨節(jié)點廣播發(fā)送包含自身位置的信息；b、未知節(jié)點接收移動錨節(jié)點發(fā)送的信息；c、對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域建立二維直角坐標系，在二維直角坐標系內(nèi)分布一個或若干個未知節(jié)點，確定移動錨節(jié)點的移動路徑，移動錨節(jié)點每隔周期T移動一定距離，且以移動錨節(jié)點此刻所在位置為圓心，通信半徑為的圓廣播信標信號，信標信號中包括該時刻移動錨節(jié)點的位置信息和該時刻的時間，移動錨節(jié)點移動的路徑為正三角形，正三角形的邊長為，且；d、未知節(jié)點不斷監(jiān)聽接受信標信息，接收到移動錨節(jié)點廣播的三個信標信息，若該三個信標信息的位置組成正三角形，且未知節(jié)點位于正三角形內(nèi)，則通過三邊測量法，獲得未知節(jié)點的位置信息；若未知節(jié)點位于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的邊界處，未知節(jié)點接收到三個信標信息的位置組成為鈍角三角形或者為直角三角形或者為其余三角形，且未知節(jié)點位于鈍角三角形或者為直角三角形或者為其余三角形內(nèi)，則以接收到的三個信標信息坐標的平均值作為未知節(jié)點的位置，獲得未知節(jié)點的位置信息。998588dest_path_image001.jpg,946952dest_path_image002.jpg,914908dest_path_image003.jpg
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，其特征在于所述移動錨節(jié)點與 未知節(jié)點間距離采用接收信號強度方法測量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，其特征在于所述移動錨節(jié)點的 通信半徑r的具體設(shè)定方法為建立目標函數(shù)和約束函數(shù)，以及設(shè)定通信半徑r的范圍，ALh建立的目標函數(shù)是腿/ω= I+rIvVSr 2 J建立的約束函數(shù)是+為整數(shù),取整數(shù)，設(shè)定的通信半徑的范圍是5 Sri、， 其中i為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的長度， h為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的寬度， Sxt為發(fā)射裝置每發(fā)送或接收單位bit的耗能，它-為發(fā)射放大器將每bit傳送單位平方米所耗的能量， 與為信息包的大小， ^3為常數(shù)，為移動錨節(jié)點每移動Irn消耗的能量， />)為移動錨節(jié)點消耗的總能量，■1、巧為通信半徑r的范圍，然后，由計算機算出滿足上述條件的通信半徑〃的值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，其特征在于所述的移動錨節(jié)點 具有GPS定位裝置，作為定位未知節(jié)點的參考節(jié)點，移動錨節(jié)點向其周圍的未知節(jié)點廣播包含其位置信息和自身ID的信標信息數(shù)據(jù)包，移動錨節(jié)點的通信范圍為半徑r的圓。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，其步驟包括未知節(jié)點接收移動錨節(jié)點廣播發(fā)送包含自身位置的信息；對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域建立二維直角坐標系，確定移動錨節(jié)點的移動路徑，移動錨節(jié)點每隔周期T移動一定距離，且以移動錨節(jié)點此刻所在位置為圓心，通信半徑為的圓廣播信標信號，信標信號中包括該時刻移動錨節(jié)點的位置信息和該時刻的時間，移動錨節(jié)點移動的路徑為正三角形，正三角形的邊長為，且；未知節(jié)點不斷監(jiān)聽接受信標信息，接收到移動錨節(jié)點廣播的三個信標信息，若該三個信標信息的位置組成正三角形，且未知節(jié)點位于正三角形內(nèi)，則通過三邊測量法，獲得未知節(jié)點的位置信息。本發(fā)明定位精度高、不易受環(huán)境因素的影響、且網(wǎng)絡(luò)成本低。
文檔編號H04W64/00GK101986758SQ20101053848
公開日2011年3月16日 申請日期2010年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月10日
發(fā)明者張娜, 徐慧慧, 朱川, 江金芳, 沈文, 董玉慧, 韓光潔 申請人:河海大學常州校區(qū)