一種三維空間無線傳感器網絡非測距定位系統和方法
2023-06-01 06:21:56 1
專利名稱：一種三維空間無線傳感器網絡非測距定位系統和方法
一種三維空間無線傳感器網絡非測距定位系統和方法
(一) 技術領域-
本發明涉及無線傳感器網絡節點自身定位技術領域，具體是一種與距離無關的三維空 間無線傳感器網絡定位系統和節點定位方法。
(二)
背景技術：
目前針對無線傳感器網絡的研究日益增多，該類網絡在救災搶險、目標跟蹤、輔助醫 療等方面廣泛應用。在這些應用中，事件發生時我們首先要知道的是事件的發生地。因此， 無線傳感器網絡首先應該提供傳感器節點的位置，不然所採集到的信息會毫無意義。
現有的定位方法可分為基於測距的定位算法(T0A、 TD0A、 A0A、 RSSI等)和非測距的 定位算法，其中，T0A、 TD0A、 A0A方法需要在傳感器節點上安置額外的硬體裝置，增加了 費用；而RSSI則易受到噪聲和障礙物的幹擾，定位精度不高。因此基於測距的定位算法並 不適用於低功耗、低成本的應用領域。由於功耗和成本因素以及粗精度定位對大多數應用己 足夠，非測距定位方案備受關注。
多數傳感器節點定位方法多採用集中式方法，這需要設置一個中心節點，由該節點完 成定位計算，這導致該節點的通信開銷增加，過早的耗完電能，造成通信中斷。
許多基於測距的定位算法已經實現了三維空間中的定位，而對非測距算法來說，大都 還是基於二維平面的。在實際應用中，節點的分布往往在三維空間、地形比較複雜的環境中， 如丘陵、山地等，二維平面中的算法在應用中會有很多問題。因此，三維空間中節點定位算 法十分必要。
專利文獻"一種對無線傳感器網絡進行三維快速定位的系統和方法"(專利申請號 200710076505. 6)公開了一種對無線傳感器網絡進行三維快速定位的系統和方法。文獻引入 移動錨節點，定位時，移動錨節點周期性廣播自身位置信息，並沿直線路徑穿越待定位區域； 傳感器節點接收定位信息，選擇信號強度值最大的定位信息，存儲其中的位置坐標，並存儲 其餘任一位置信息中的坐標信息；判斷是否有足夠的位置坐標用於計算自身位置；利用幾何 關係，計算得到自身位置。
文獻所介紹的無線傳感器網絡定位方法存在以下缺點移動錨節點需要裝在飛行器載 體上，需要消耗額外的能量；飛行器嚴格按照直線飛行難以精確控制；錨節點的移動性會影 響無線信號的傳輸，產生不規則性，影響定位精度。
(三)
發明內容
本發明的目的在於克服移動錨節點帶來的功耗及定位精度問題，可以應用於各種三維 立體環境定位，如林區火災預警、丘陵等，提供一種三維空間中無線傳感器網絡節點的定位 方法，利用固定錨節點，採用分布式、非測距的方式定位。 本發明的技術方案是這樣實現的
一種三維空間無線傳感器網絡非測距定位系統，包括傳感器節點和錨節點，其特徵在於， 傳感器節點設置有微處理器(MCU)，微處理器通過總線及數據線分別與Zigbee射頻通信模 塊、存儲器、電源模塊、傳感器採集模塊相連接，微處理器帶有與其相連接的外圍支撐電路， 即串口擴展、通用接口、時鐘電路、復位電路；錨節點設置有微處理器及與其相連接的GPS 定位裝置、GPS天線、存儲器、電源。
所述的傳感器是溫度、溼度、壓力和光敏傳感器或是其中的一種。 其中，傳感器節點中的所有的計算比較由微處理器(MCU)完成；所述的Zigbee射頻通 信模塊用於接收信號並將有用的信標信息存儲到所述的存儲器中；
在本發明的定位方法中，錨節點通過預先放置或者GPS定位的方式獲取自身的位置信
3息，定位以錨節點廣播自身信標信息開始，信標信息包括錨節點的ID、位置(X,Y，Z)、發射 功率級別L以及額外傳播範圍(Rh， RJ 。
傳感器節點所做的是監聽來自錨節點的信標信息，並將有用信息存到信息表中。然後 根據信息表中的信息自定位。 一個傳感器節點將會監聽到多個相同的信標信息，當這個數量 超過信標判決門限(BJT)時，才判定該信標信息為真。錨節點按照不同的發射功率級別，廣 播完自身信標信息後，傳感器節點有可能判定了若干個來自同一錨節點的信標信息為真，此 時，取發射功率級別最低的那一個最終確定為來自該錨節點的正確信息，並將其存到信息表 中。採用多級發射功率，可以擴展錨節點的覆蓋範圍，其結果是減少了定位所需的錨節點數 目，降低成本，並提高定位精度。在定位階段，傳感器節點讀取信息表中的信息並計算自身 位置，傳感器節點間不需要任何的信息交換。因此傳感器節點的拓撲結構並不影響定位精度。
定位階段，傳感器節點發出定位請求，錨節點開啟GPS定位裝置，確定自身位置，並 開始周期性的廣播自身信標信息;傳感器節點監聽信標信息，判斷信標信息是否超過預定值， 將有用信息存入信息表；讀取信息表，以所監聽到的所有錨節點的質心為中心建立空間直角 坐標系，完成三維網格初始化；錨節點會所有網格進行投票，確定傳感器所在的最大可能空 間區域；最後將此立體區域的質心作為待定節點坐標，從而實現了三維空間的定位。
本發明採用了一種基於網格投票的三維區域表示方式。網格中立方體的邊長稱作網格 解析度a，定位前需設定。每個傳感器節點都存有這個網格信息，在定位初始，對該網格初 始化，錨節點具有相同的權重l，即若一個錨節點判定某個小格子在其有效覆蓋範圍內，則 就會對該立方體格子投一票。投票結束後，小格子的票值越大，說明就有越多的錨節點認同 它在有效覆蓋範圍內，最後得票最多的格子構成了有效覆蓋範圍。取有效覆蓋範圍的質心作 為傳感器節點的估計位置。
一種三維空間無線傳感器網絡非測距定位方法，步驟如下
1、 在特定區域布置傳感器節點，可隨機布放，事先不必知道傳感器的地理位置信息；
2、 部署完畢後，錨節點處於接收狀態，用於檢測來自傳感器節點的定位請求信息，傳 感器節點處於休眠狀態；
3、 待定位傳感器節點發出定位請求信息；
4、 錨節點廣播信標信息，包括錨節點的ID、位置(X，Y，Z)、發射功率級別L以及額外 傳播範圍(IVi, RJ;
5、 待定位傳感器節點接收信標信息並存儲有用信息至信息表；
6、 讀取信息表，並進行三維空間獨立網格初始化，建立坐標系；
7、 進行立方體網格區域投票，如果一個錨節點判定某個小格子在它的有效覆蓋範 圍內，則就會對該立方體投一票；
8、 如果最大可能定位區域內網格得票大於位置估計判決門限DT，則取該區域的質 心作為待定位傳感器節點的位置估計，否則，返回步驟3;
9、 取待定位傳感器節點的估計位置，定位結束。
上述方法中步驟4具體包括錨節點具有N級不同的發射功率，在定位過程中，每級發 射功率的信標信息廣播M次。
上述方法中步驟5具體包括以下步驟待定位傳感器節點分別創建信標信息表，信息表 內容包括監聽到的錨節點數量AH、鄰居錨節點的信標信息。
步驟5中設置了信標判決門限BJT，無線傳感器節點判斷來自同一錨節點的信標信息是 否大於BJT，若是，則判定信標信息為真；否則丟棄該信息。
步驟5中，錨節點廣播完自身信標信息之後，從來自同一錨節點的諸多信標信息中，傳 感器節點選取發射功率級別最低的作為正確的信標信息，並存到信息表。
上述方法中步驟6具體為以監聽到的所有錨節點所在區域的質心(X。， Y。)作為中心0， 以過中心O的緯線為橫軸X，以過中心O的經線為縱軸Y，以過0的垂直於X、 Y平面的直線為z軸，建立空間直角坐標系，然後在((x,y蚱—X。 <2/^10 <2/^h0 <，細內 進行立體網格劃分以及獨立網格初始化。
上述方法中步驟7具體包括以下步驟，傳感器節點根據接收的錨節點信標信息，判定自 身是否在某一錨節點的有效覆蓋範圍內。若在覆蓋範圍內，則依次判定各個立體網格到該錨 節點的距離，若在其覆蓋範圍內，則對該立體網格投一票；否則不投票。
經步驟7之後，各個立體網格都會有一個得票值。得票值越大說明錨節點對此區域的認 同度越大，傳感器節點在此區域的可能性也就越大。
所述的方法中步驟8具體為，設置系統參數S=DT/AH， DT為票值判決門限，AH為監聽 到的錨節點數量，當得票值大於DT時，則保留此區域，最後將得到的整個區域的質心作為 未知節點的位置估計。否則將重發定位請求。
本發明提供了一種對無線傳感器網絡進行分布式、非測距定位的系統，包括GPS定位裝 置、錨節點、無線傳感器節點。其中，所述GPS定位裝置設置在錨節點上，用於接收GPS 衛星信號，確定錨節點的當前位置信息。定位期間，錨節點所做的只是周期性的廣播自身位 置信標信息。
所述的傳感器節點接收來自錨節點的信標信息。判斷信標信息是否超過預定值，將有用 信息存入信息表；以所監聽到的所有錨節點的質心為中心建立空間直角坐標系，完成網格初 始化；對網格區域進行投票；判斷是否獲得足夠的用於計算自身位置的信標信息，計算得到 自身位置坐標。
採用上述系統，利用錨節點的信標信息進行位置估計，無需測量節點間的距離；採用功 率控制技術，有效地減少錨節點數目，降低了系統的網絡成本；採用分布式計算方法，傳感 器節點自行進行計算，克服了集中式計算部分節點高耗能的缺點；傳感器節點之間不需要任 何通信，網絡拓撲結構的變化不影響定位精度，因此對網絡拓撲結構具有較好的魯棒性；採 用了空間區域獨立網格初始化，縮小了節點的初始化區域，提高了效率；通過設置系統參數 定位判決門限係數s，可以有效地消除無線信號傳播不規則性帶來的不利影響；傳感器節點 只與錨節點通信，節點之間無需互相通信，減少了通信開銷，並且不需要額外的測距模塊， 節約成本和能耗。適合於各種三維地理環境，如丘陵、山地等。
(四)
圖l是傳感器節點硬體結構圖2是本發明的定位示意圖3是本發明的工作方法流程圖。
其中1、微處理器(MCU)， 2、存儲器，3、 ADC模塊，4、傳感器採集模塊，5、電源模 塊，6、 Zigbee射頻通信模塊，7、復位電路，8、時鐘電路，9、串口擴展，10、通用接口。
(五)
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明，但不限於此。 實施例
本發明系統實施例如圖l所示，包括傳感器節點和錨節點，其特徵在於，傳感器節點設 置有微處理器(MCU) 1，微處理器1通過總線及數據線分別與Zigbee射頻通信模塊6、存 儲器2、電源模塊5、傳感器採集模塊相4連接，微處理器1帶有與其相連接的外圍支撐電 路，即串口擴展9、通用接口IO、時鐘電路8、復位電路7;錨節點設置有微處理器及與其 相連接的GPS定位裝置、GPS天線、存儲器、電源。
所述的傳感器是溫度傳感器。
本發明解決的是與距離無關的分布式三維空間定位問題。該問題的模型如下事先將傳 感器節點布放到指定區域，隨機布放的傳感器節點事先無法知道自身的位置，裝配有GPS模塊的錨節點可以通過衛星確定其自身位置，未知節點通過接收錨節點的信標信息實現自身 的定位。
如圖2所示，本發明提供了一種對無線傳感器網絡進行分布式定位的系統，包括GPS 定位裝置、錨節點、傳感器節點。其中，所述GPS定位裝置設置在錨節點上，用於接收GPS 衛星信號，確定錨節點的當前位置信息。定位期間，錨節點所做的只是周期性的廣播自身位 置信標信息。
""所i的傳感器節點接收來自錨節點的信標信息。判斷信標信息是否超過預定值，將有用 信息存入信息表；以所監聽到的所有錨節點的質心為中心建立空間直角坐標系，完成網格初 始化；對網格區域進行投票；判斷是否獲得足夠的用於計算自身位置的信標信息，計算得到 自身位置坐標。本發明的特點是通過裝載有GPS裝置的錨節點周期性的廣播自身信標信息， 傳感器節點接收到信標信息後，選取有益信息並存儲，然後進行獨立網格初始化，建立空間 坐標系，傳感器節點存儲有所有網格的位置信息；錨節點會對所有網格進行投票，確定傳感 器所在的最大可能空間區域，將此立體區域的質心作為待定節點坐標，從而實現了三維空間 的定位。
本發明系統中，錨節點必須裝配GPS定位裝置並有充足的電量。在非定位時間錨節點處 於接收狀態，傳感器節點處於休眠狀態，節省電量；定位過程中，傳感器節點必須處於接收 狀態，錨節點處於周期性廣播狀態。
並且，本發明提供了一種對無線傳感器網絡進行三維空間的分布式、非測距定位方法。 具體如圖3所示。
本發明提供了無線傳感器網絡定位的一個實例，具體步驟如下
1、 在特定區域布置傳感器節點，可隨機布放，事先不必知道傳感器的地理位置信息；
2、 部署完畢後，錨節點處於接收狀態，用於檢測來自傳感器節點的定位請求信息，傳 感器節點處於休眠狀態；
3、 傳感器節點發出定位請求；
4、 錨節點接收定位請求信息，並啟動GPS定位裝置，得到自身的位置信息，然後開始 周期性廣播自身信標信息；
5、 待定位傳感器節點接收信標信息，並存儲有用信息至信息表；
6、 讀取信息表，並進行三維空間獨立網格初始化，建立坐標系；
7、 進行立方體網格區域投票，如果一個錨節點判定某個小格子在它的有效覆蓋範圍內， 則就會對該立方體投一票；
8、 如果最大可能定位區域內網格得票大於位置估計判決門限DT，則取該區域的質心 作為待定位節點的位置估計；否則，返回步驟3;
9、 取待定位傳感器節點的估計位置，清空傳感器節點的信息表，定位結束。 所述的方法，其中，步驟4具體包括錨節點具有N級不同的發射功率，在定位過程中，
每級發射功率的信標信息廣播M次。
所述的方法，其中，步驟5具體包括以下步驟待定位傳感器節點分別創建信標信息表， 信息表內容包括監聽到的錨節點數量AH、鄰居錨節點的信標信息。
步驟5中設置了信標判決門限BJT，無線傳感器節點判斷來自同一錨節點的信標信息是 否大於BJT，若是，則判定信標信息為真；否則丟棄該信息。
步驟5中，錨節點廣播完自身信標信息之後，從來自同一錨節點的諸多信標信息中，傳 感器節點選取發射功率級別最低的作為正確的信標信息，並存到信息表。
所述的方法，其中，步驟6具體為以監聽到的所有錨節點所在區域的質心(X(,，Y(,) 作為中心0，以過中心O的緯線為橫軸X，以過中心O的經線為縱軸Y，以過O的垂直於XY 平面的直線為Z軸，建立空間直角坐標系，然後在
6範圍內進行立體網格劃分以及獨立網格初始化。
所述的方法，其中，步驟7具體包括以下步驟，傳感器節點根據接收的錨節點信標信息，判定自身是否在某一錨節點的有效覆蓋範圍內。若在覆蓋範圍內，則依次判定各個立體網格
到該錨節點的距離，若在其覆蓋範圍內，則對該立體網格投一票；否則不投票。
經步驟7之後，各個立體網格都會有一個得票值。得票值越大說明錨節點對此區域的認
同度越大，傳感器節點在此區域的可能性也就越大。
所述的方法，其中，步驟8具體為，設置系統參數S=DT/AH， DT為票值判決門限，AH
為監聽到的錨節點數量，當得票值大於DT時，則保留此區域，最後將得到的整個區域的質
心作為未知節點的位置估計。否則將重發定位請求。待定坐標的計算具體如下
假設傳感器節點記錄的最大可能區域內的格子的坐標分別為
G,: (Xi， y" z,)、 G2: (x2， y2， z2)、 G:,: (x:(， y:!， z:1) ......G : (x ， y ， z )，貝廿待定位節點
的坐標為
(^est
y。。* z。,
乂+少2+…+凡 W…+Z,'
， est ， "est ) = ( n ， W ， /7 )
所述的方法能夠有效的消除無線信號傳播不規則性帶來的不利影響。
權利要求
1. 一種三維空間無線傳感器網絡非測距定位方法，步驟如下①、在特定區域布置傳感器節點，可隨機布放，事先不必知道傳感器的地理位置信息；②、部署完畢後，錨節點處於接收狀態，用於檢測來自傳感器節點的定位請求信息，傳感器節點處於休眠狀態；③、待定位傳感器節點發出定位請求信息；④、錨節點廣播信標信息，包括錨節點的ID、位置(X，Y，Z)、發射功率級別L以及額外傳播範圍(RL-1，RL)；⑤、待定位傳感器節點接收信標信息並存儲有用信息至信息表；⑥、讀取信息表，並進行三維空間獨立網格初始化，建立坐標系；⑦、進行立方體網格區域投票，如果一個錨節點判定某個小格子在它的有效覆蓋範圍內，則就會對該立方體投一票；⑧、如果最大可能定位區域內網格得票大於位置估計判決門限DT，則取該區域的質心作為待定位傳感器節點的位置估計，否則，返回步驟③；⑨、取待定位傳感器節點的估計位置，定位結束。
2. 用於權利要求1所述定位方法的一種系統，包括傳感器節點和錨節點，其特徵在於， 傳感器節點設置有微處理器，微處理器通過總線及數據線分別與Zigbee射頻通信模塊、存 儲器、電源模塊、傳感器採集模塊相連接，微處理器帶有與其相連接的外圍支撐電路，即串 口擴展、通用接口、時鐘電路、復位電路；錨節點設置有微處理器及與其相連接的GPS定位 裝置、GPS天線、存儲器、電源。
3. 如權利要求2所述的一種系統，其特徵在於，所述的傳感器是溫度、溼度、壓力和 光敏傳感器或是其中的一種。
全文摘要
一種三維空間無線傳感器網絡非測距定位系統和方法，包括傳感器節點和錨節點，傳感器節點設置有微處理器，微處理器通過總線及數據線分別與Zigbee射頻通信模塊、存儲器、電源模塊、傳感器採集模塊相連接，微處理器帶有與其相連接串口擴展、時鐘電路、復位電路；錨節點設置有微處理器及與其相連接的GPS定位裝置、GPS天線、存儲器、電源。本方法經傳感器節點接收來自錨節點的信標信息進行三維空間無線傳感器網絡非測距定位，無線傳感器節點之間不需要任何的信息交換，減少了通信開銷；不需要測量節點間的距離信息，無需增加額外的測距設備，降低了成本；採用的算法簡單有效，減少了計算量，易於實現。
文檔編號G01S5/02GK101477187SQ200910013848
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月15日 優先權日2009年1月15日
發明者華 武, 王德華, 邢建平, 崗 陳, 陳學峰 申請人:山東大學