一種基於信號強度映射的無線傳感器網絡定位方法

2023-06-02 13:07:21 1

一種基於信號強度映射的無線傳感器網絡定位方法
【專利摘要】一種基於信號強度映射的無線傳感器網絡定位方法，本發明涉及信號強度映射的無線傳感器網絡定位方法。本發明是要解決依靠信號傳輸模型來估計距離時誤差較大，使得定位精度低的問題。該方法是通過步驟一、將M個錨節點部署在定位區域內；步驟二、在定位區域內的位置採樣點i上記錄未知節點到所有錨節點間無線通信的信號強度數據；步驟三、計算位置採樣點i到M個錨節點間無線通信的信號強度的均值RSSIki_u和方差統計信息RSSIki_d；步驟四、實際定位時，在{Di}中選擇出最小的距離值Dc，Dc對應的位置採樣點的位置信息(xc，yc)作為當前未知節點的位置信息的估計值；等步驟實現的。本發明應用於信號強度映射的無線傳感器網絡定位領域。
【專利說明】一種基於信號強度映射的無線傳感器網絡定位方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基於信號強度映射的無線傳感器網絡定位方法。

【背景技術】
[0002]在基於到達信號強度(ReceivedSignal Strength Indicator, RSSI)的無線傳感器網絡定位系統中，由於諸多環境因素和噪聲幹擾的不良影響，導致RSSI具有很強的不確定性，具體表現在⑴同一個位置採樣點上的RSSI值出現跳動現象；(2)隨著通信距離的增加，RSSI值也不再滿足指數衰減特性；(3)不同的通信距離上，會出現相同RSSI值的情況；上述的不確定性現象，引起了基於信號傳輸模型距離估計時，距離估計誤差較大，並導致基於測距的無線傳感器網絡定位精度較低的問題。


【發明內容】

[0003]本發明目的是為了解決針對諸多不良因素引起到達無線信號強度具有很強的不確定性，導致傳統上依靠信號傳輸模型來估計距離時誤差較大的問題於測距的無線傳感器網絡定位精度較低，從而進一步導致無線傳感器網絡定位精度較低的問題而提出一種基於信號強度映射的無線傳感器網絡定位方法。
[0004]上述的發明目的是通過以下技術方案實現的:
[0005]步驟一、在對未知節點定位前，將M個錨節點部署在定位區域內；其中錨節點為位置信息已知的節點，未知節點為位置信息未知的節點，未知節點在定位區域內任意移動，移動到定位區域中的位置採樣點i上時，其中位置採樣點i的坐標標記為(xi, yi)，i表示未知節點的位置標號；其中，i = 1，2，3....1，I為在定位區域內的所有位置採樣點的個數；
[0006]步驟二、在定位區域內的位置採樣點i上，分別利用錨節點和未知節點上的射頻晶片採集並記錄J組未知節點到M個錨節點間無線通信的信號強度數據，即在定位區域內的位置採樣點i上記錄未知節點到所有錨節點間無線通信的信號強度數據集合，其中，i =1，2，3.…I，j = 1，2，3.…J ;
[0007]步驟三、根據定位區域的所有位置採樣點i上的記錄未知節點到所有錨節點間無線通信的信號強度數據集合，計算得到定位前定位區域內的未知節點在位置採樣點i到M個錨節點間無線通信的信號強度的均值RSSIki_u和方差統計信息RSSIk^d，其中，k表示錨節點的標號，k = 1,2,3....M，M為錨節點的總個數；
[0008]步驟四、實際定位時，在定位區域內，測量實際未知節點到M個錨節點間無線通信的信號強度B，計算B到步驟三得到的位置採樣點i信號強度統計均值{RSSIki_u}的距離{Di}，然後在{Di}中選擇出最小的距離值Dc，並將Dc對應的位置採樣點的位置信息(xc，yc)作為當前未知節點的位置信息的估計值；c表示最小距離值Dc對應的位置採樣點的標號，I < c < I ;即完成了一種基於信號強度映射的無線傳感器網絡定位方法。
[0009]發明效果
[0010]本發明提出一種基於到達信號強度映射的高精度無線傳感器網絡定位方法，該方法通過環境測量，得到每一個距離點上RSSI值的統計特性，並採用信號強度和位置信息間的映射關係，直接進行定位，省略了距離估計過程，從而實現較高精度的無線傳感器網絡定位本發明針對當前無線傳感器網絡定位系統中，本專利通過到達無線信號強度的統計特性出發，通過建立到達信號強度的統計特性與未知節點(位置信息未知，要定位的節點)位置信息之間的映射關係如圖2，實現高精度的定位。
[0011]1.通過預先的環境測量，確定RSSI值的統計信息，在很多程度上克服了 RSSI不確定性對定位精度的不良影響；
[0012]2.通過利用信號強度與位置信息的映射關係，直接進行定位，無需距離估計過程引入的誤差累計滿足指數衰減特性；從而不存在不同的通信距離上，出現相同RSSI值的情況
[0013]3.採用4個錨節點與未知節點間的RSSI值與未知節點位置映射關係的約束條件，實現了高精度的定位；實際實驗結果表明，在3.2m*3.2m的定位區域內，能夠實現0.0Olm?
0.0lm的定位精度如圖2。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是【具體實施方式】一提出的一種基於信號強度映射的無線傳感器網絡定位方法流程圖；
[0015]圖2是實施例提出的基於信號映射的無線傳感器網絡定位示意圖。

【具體實施方式】
[0016]【具體實施方式】一:本實施方式的一種基於信號強度映射的無線傳感器網絡定位方法，具體是按照以下步驟製備的:
[0017]步驟一、在對未知節點定位前，將M個錨節點(位置信息已知的節點)部署在定位區域內(即M個錨節點正常通信的區域)，其中錨節點為位置信息已知的節點，未知節點為位置信息未知的節點，本發明的定位過程就是確定未知節點的位置信息的；未知節點可以在定位區域內的任意移動，移動到定位區域中的位置採樣點i上時，其中位置採樣點i的坐標標記為(xi，yi)，選擇均勻分布的圓點位置表示未知節點的位置標號；其中，i = 1,2,3....1，I為在定位區域內的所有未知節點的位置採樣點的個數；
[0018]步驟二、在定位區域內的位置採樣點i上，分別利用錨節點和未知節點上的射頻晶片(射頻晶片的型號為CC2530)採集並記錄J組未知節點到M個錨節點間無線通信的信號強度數據，即在定位區域內的位置採樣點i上記錄未知節點到所有錨節點間無線通信的信號強度數據集合，其中，i = 1,2,3....1, j = 1,2,3....J；
[0019]步驟三、根據定位區域的所有位置採樣點i上的記錄未知節點到所有錨節點間無線通信的信號強度數據集合，計算得到定位前定位區域內的未知節點在位置採樣點i到M個錨節點間無線通信的信號強度的均值RSSIki_u和方差統計信息RSSIk^d，其中，k表示錨節點的標號，k = 1,2,3....M，M為錨節點的總個數；
[0020]步驟四、實際定位時，在定位區域內，測量實際未知節點到M個錨節點間無線通信的信號強度B，計算B到步驟三得到的位置採樣點i信號強度統計均值{RSSIki_u}的距離{Di}，然後在{Di}中選擇出最小的距離值Dc，並將Dc對應的位置採樣點的位置信息(xc，yc)作為當前未知節點的位置信息的估計值；c表示最小距離值Dc對應未知節點的位置採樣點的標號，I < c < I ;即:假定距離最小值是用Dc表示，那麼c就是對應的序號；步驟一、二、三為定位前測量未知節點的定位信息，並進行統計信息計算；目的是為了獲得先驗信息和知識；為後續的實際定位過程提供必要的支撐；步驟四實際定位就是根據未知節點到所有錨節點間的信號強度和錨節點的位置信息，獲得當前未知節點的位置信息的過程如圖1 ;即完成了一種基於信號強度映射的無線傳感器網絡定位方法。
[0021]本實施方式效果
[0022]本實施方式提出一種基於到達信號強度映射的高精度無線傳感器網絡定位方法，該方法通過環境測量，得到每一個距離點上RSSI值的統計特性，並採用信號強度和位置信息間的映射關係，直接進行定位，省略了距離估計過程，從而實現較高精度的無線傳感器網絡定位本實施方式針對當前無線傳感器網絡定位系統中，本專利通過到達無線信號強度的統計特性出發，通過建立到達信號強度的統計特性與未知節點(位置信息未知，要定位的節點)位置信息之間的映射關係如圖2，實現高精度的定位。
[0023]1.通過預先的環境測量，確定RSSI值的統計信息，在很多程度上克服了 RSSI不確定性對定位精度的不良影響；
[0024]2.通過利用信號強度與位置信息的映射關係，直接進行定位，無需距離估計過程引入的誤差累計滿足指數衰減特性；從而不存在不同的通信距離上，出現相同RSSI值的情況
[0025]3.採用4個錨節點與未知節點間的RSSI值與未知節點位置映射關係的約束條件，實現了高精度的定位；實際實驗結果表明，在3.2m*3.2m的定位區域內，能夠實現0.0Olm?
0.0lm的定位精度如圖2。
[0026]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:步驟二中在定位區域內的位置採樣點i上，分別利用錨節點和未知節點上的射頻晶片採集並記錄J組未知節點到M個錨節點間無線通信的信號強度數據具體過程為:
[0027](I)在定位區域內的未知節點位置採樣點i上，採集J組未知節點到M個錨節點間無線通信的信號強度數據；記錄未知節點位置採樣點i上第j組記錄的未知節點到M個錨節點間無線通信的信號強度數據為(RSSIli，，」，RSSI2i；；J, RSSI3i；；J, RSSI4i；；J,…，RSSIMij)，未知節點位置採樣點i的坐標為(xi，yi)，I < i < I，I為未知節點的位置採樣點的總個數；
[0028](2)並移動未知節點到新的位置採樣點i+Ι上，在未知節點位置採樣點I?i+1上，分別採集並記錄J組未知節點到M個錨節點間無線通信的信號強度數據；並移動到下一個位置採樣點，直至採集完所有位置採樣點上未知節點到所有錨節點間無線通信的信號強度。其它步驟及參數與【具體實施方式】一相同。
[0029]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二不同的是:步驟三中根據定位區域的所有位置採樣點i上的記錄未知節點與所有錨節點間無線通信的信號強度數據集合，計算得到定位前定位區域內的未知節點在位置採樣點i到M個錨節點間無線通信的信號強度的均值RSSIki_u和方差統計信息RSSIk^d具體過程為:
[0030](I)測量並得到每一個位置採樣點i上的記錄(((RSSIl1,1; RSSUlil,…，RSSIk1；1, —,RSSMuUl』yl))，…，(RSSIliJ,RSSUiJ,...,RSSIkiij,…，RSSMi,」，(xi，yi))，;
[0031](2)根據公式

【權利要求】
1.一種基於信號強度映射的無線傳感器網絡定位方法，其特徵在於一種基於信號強度映射的無線傳感器網絡定位方法具體是按照以下步驟進行的: 步驟一、在對未知節點定位前，將M個錨節點部署在定位區域內；其中錨節點為位置信息已知的節點，未知節點為位置信息未知的節點，未知節點在定位區域內任意移動，移動到定位區域中的位置採樣點i上時，其中位置採樣點i的坐標標記為(xi，yi)，i表示未知節點的位置標號；其中，i = 1，2，3....1，I為在定位區域內的所有位置採樣點的個數； 步驟二、在定位區域內的位置採樣點i上，分別利用錨節點和未知節點上的射頻晶片採集並記錄J組未知節點到M個錨節點間無線通信的信號強度數據，即在定位區域內的位置採樣點i上記錄未知節點到所有錨節點間無線通信的信號強度數據集合，其中，i = 1,2,3....1, j = I, 2, 3....J ； 步驟三、根據定位區域的所有位置採樣點i上的記錄未知節點到所有錨節點間無線通信的信號強度數據集合，計算得到定位前定位區域內的未知節點在位置採樣點i到M個錨節點間無線通信的信號強度的均值RSSIki_u和方差統計信息RSSIk^d，其中，k表示錨節點的標號，k = 1,2,3....M，M為錨節點的總個數； 步驟四、實際定位時，在定位區域內，測量實際未知節點到M個錨節點間無線通信的信號強度B，計算B到步驟三得到的位置採樣點i信號強度統計均值{RSSIki_u}的距離{Di}，然後在{Di}中選擇出最小的距離值Dc，並將Dc對應的位置採樣點的位置信息(xc，yc)作為當前未知節點的位置信息的估計值表示最小距離值Dc對應的位置採樣點的標號，l^c^I ;即完成了一種基於信號強度映射的無線傳感器網絡定位方法。
2.根據權利要求1所 述一種基於信號強度映射的無線傳感器網絡定位方法，其特徵在於:步驟二中在定位區域內的位置採樣點i上，分別利用錨節點和未知節點上的射頻晶片採集並記錄J組未知節點到M個錨節點間無線通信的信號強度數據具體過程為: (1)在定位區域內的位置採樣點i上，採集J組未知節點到M個錨節點間無線通信的信號強度數據；記錄位置採樣點i上第j組記錄的未知節點到M個錨節點間無線通信的信號強度數據為(RSSIlkpRSSULpRSSISkpRSSMi，，」，…，RSSMi,，」，)，位置採樣點i的坐標為(xi, yi), 1≤i≤I, I為位置採樣點的總個數； (2)並移動未知節點到新的位置採樣點i+Ι上，分別採集並記錄J組未知節點到M個錨節點間無線通信的信號強度數據；並移動到下一個位置採樣點，直至採集完所有位置採樣點上未知節點到所有錨節點間無線通信的信號強度。
3.根據權利要求1所述一種基於信號強度映射的無線傳感器網絡定位方法，其特徵在於:步驟三中根據定位區域的所有位置採樣點i上的記錄未知節點與所有錨節點間無線通信的信號強度數據集合，計算得到定位前定位區域內的未知節點在位置採樣點i到M個錨節點間無線通信的信號強度的均值RSSIki_u和方差統計信息RSSIk^d具體過程為: (1)測量並得到每一個位置採樣點i上的記錄{((RSSIli^RSSU^，…，RSSIk1,1;…，RSSIMljl, (xl, yl)), —, (RSSIli；；J, RSSI2i；；J,...,RSSIkiij, —, RSSIMi；J, (xi, yi)),
(2)根據公式

得到未知節點到M個錨節點間無線通信的信號強度的均值RSSIki_u和方差統計信息RSSIk^d ;其中，k為錨節點個數，I≤k≤M； (3)將未知節點到M個錨節點間無線通信的信號強度的均值和方差統計信息表示為:{Ai = ((RSSIIi_u, RSSIil_d), (RSSI2i_u, RSSIi2_d)，...，(RSSImi_u, RSSImi_d)，(xi,yi))}，m 為錨節點個數；I ≤m ≤M，並表示為{Al = ((RSSIl^u, RSSIl^d, RSS^lU,RSS^lCI,-RSSIVu, RSSIVd, RSSIMlU, RSSIM^d, (xl，yl))，…，Ai = ((RSSIIlu,RSSIl^d, RSSI2i_u, RSS^^d,…，RSSIk^u, RSSIk^d, RSSIM^u, RSSIM^d, (xi,yi)),…，Al = ((RSSIIlU，RSSIl^d, RSS^^u, RSS^^d,…，…，RSSIk^u, RSSIk1,d, - ,RssimlUjRssimlCI, (xi，yi))}，I≤i≤i ;其中，u表示未知節點到m個錨節點間無線通信的信號強度的均值，d表示未知節點到m個錨節點間無線通信的信號強度的方差。
4.根據權利要求1所述一種基於信號強度映射的無線傳感器網絡定位方法，其特徵在於:步驟四中實際定位時，在定位區域內，測量實際未知節點到M個錨節點間無線通信的信號強度B，計算B到步驟三得到的位置採樣點i信號強度統計均值{RSSIki_u}的距離{Di}，然後在{Di}中選擇出最小的距離值Dc，並將Dc對應的位置採樣點的位置信息(Xc，yc)作為當前未知節點的位置信息的估計值具體過程為: (1)實際定位時，在定位區域內，測量實際未知節點到M個錨節點間無線通信的信號強度 B = Rl，R2, R3, R4,…，RM ； (2)將得到B到所有位置採樣點信號強度統計均值{RSSIki_u}的距離:
(3)並在{Di}中選擇出最小的距離值Dc= min{Di} I ≤ c≤ I,且滿足: Ut<3*d將Dc對應的位置採樣點的位置信息(xc，yc)作為當前未知節
點的位置信息的估計值；其中，I≤i≤I，I≤k≤M ;c表示最小距離值Dc對應未知節點的位置採樣點i的標號。
【文檔編號】H04W84/18GK104135768SQ201410414745
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年8月21日 優先權日:2014年8月21日
【發明者】羅清華, 彭宇, 彭喜元, 劉大同, 王少軍, 張玉傑 申請人:哈爾濱工業大學