基於單錨節點的低能耗的無線傳感器網絡節點定位方法
2023-05-10 03:29:56 3
專利名稱：基於單錨節點的低能耗的無線傳感器網絡節點定位方法
技術領域：
本發明涉及一種網絡節點的定位方法，尤其涉及一種無線傳感器網絡節點的定位方法。
背景技術：
近年來，由於無線傳感技術、無線通信技術以及微電子技術的發展，無線傳感器網 絡開始進入人們的視野並開始得到商用。無線傳感器網絡具有分布式處理帶來的監測高 精度、高容錯性、大覆蓋區域、可遠程監控等眾多優點，成為近期國際上網絡研究的重 要熱點之一。傳感器網絡的大量應用都依賴於節點的位置信息，如戰場偵察、生態環境 監測、地震洪水火災等現場的監控等應用中，都需要知道傳感節點的位置信息，從而獲 知信息來源的準確位置。此外，節點的位置信息還可以協助路由、構建網絡拓撲圖、實 時統計網絡覆蓋情況等等。
因此，傳感器節點的精確定位對各種應用有著重要的作用。目前已有了很多的定位 系統和方法，主要分為基於距離的定位方法和距離無關的定位方法。前者需要測量相鄰 節點間的絕對距離或方位，並利用節點間的實際距離來計算未知節點間的位置，故對節 點的硬體要求很高，相對的定位過程中消耗的能量也多；後者無需測量節點間的絕對距 離或方位，而是利用節點間的估計距離計算節點位置，故對節點的要求低，使得節點成 本更適合於大規模傳感器網絡，但是己有的無需測距的定位方法的定位精度較低。另外， 傳感器節點是採用電池供電，其電能不僅十分有限，而且不能補充，因此低能耗的節點 定位也是非常必要。而且，無線傳感器網絡一般應用在人無法到達或者是比較危險的區 域，因此定位方法還應該適用於這種惡劣的環境中。
發明內容
本發明的目的在於提供一種基於單錨節點的低能耗的無線傳感器網絡節點定位方 法，該方法克服了現有測距無關定位技術中測量精度低的缺陷，還能夠在節點定位過程 中節省能量，克服了現有技術中傳感器節點採用電池供電，電能不僅十分有限，而且不
能補充的缺陷。
為達到上述技術目的，本發明採用的技術方案是，所述無線傳感器網絡包括一按 無線通信範圍增量可以變化的、位於監測區域內的移動錨節點；所述無線傳感器網絡節 點定位方法採用分層定位的方法，預先設定無線傳感器網絡共分為n層，n為自然數， 且n大於或等於2;所述網絡節點處於第k層，k為自然數，且k的初始值為l，所述分 層定位方法包括如下步驟-
步驟l:所述移動錨節點以速度v在監測區域內沿直線移動，同時所述移動錨節點
每隔時間t發送所述信標信息給第一層的網絡節點；其中V二Z〃， Z是信標信息間隔距
離；所述移動錨節點發射的信標信息的參數為(M(x,，力,77,i;,1^),其中M(x,，力代表所
述移動錨節點在7V時間發射所述信標信息時的位置坐標，77代表所述網絡節點接收到所
述信標信息的時間，K代表所述移動錨節點發射給/t層的所述信標信息發射範圍，《—,代
表所述移動錨節點在前一層發送的所述信標信息發射範圍；
步驟2:第k層的網絡節點接收所述移動錨節點發送的所述信標信息，並將接收到
的所述信標信息和接收信標信息的時間存儲在所述存儲單元中；即所述存儲單元存儲的 信息為(M0c,，力,77 + ^),乙U， ,O是預定義的，W不小於所述移動錨節點發送信息的
間隔時間"且W還應該小於二倍的/ (rO = aU^a^2);
步驟3:對第k層的網絡節點進行定位；
步驟4:第k層的網絡節點完成定位後，判斷k是否大於層數n，如果k不大於層 數n，則執行步驟5;
步驟5:由所述移動錨節點判斷k是否等於l，如果k不等於l，則執行步驟6;如
果k等於l，貝化—,0;然後執行步驟6;
步驟6:所述移動錨節點無線通信範圍增加《，《是無線通信範圍增量；將k的值
加l;然後執行步驟l。
優選的，步驟3中所述的對網絡節點進行定位的方法為
步驟3h由所述傳感器網絡節點判斷是否接收到所述信標信息，如果接收到了所述 信標信息，則執行步驟32,否則，繼續判斷所述傳感器網絡節點是否接收過所述信標信
息，如果沒有接收過所述信標信息，繼續執行步驟31，否則，判斷時間t是否小於7; +/0 ， 如果時間1:小於7;+/0，繼續執行步驟31;否則執行步驟33;
步驟32:由所述傳感器網絡節點判斷是否首次接收到所述信標信息，如果是，則將 所述信標信息作為首次接收的信標信息存儲，記為《，然後返回步驟31;如果不是，則
將所述信標信息作為最終接收的信標信息儲存，記為A，然後返回步驟31;所述信標
信息B,和A的內容分別包含兩點的位置信息M((JT,，0),77 + W，i;,i;—,)和
M((z7,o)，r/+ o,};，i;—山
步驟33:定位所述傳感器網絡節點的位置，定位所述傳感器網絡節點的橫坐標X^和 所述傳感器網絡節點的縱坐標R;如果所述信標信息大於l，則
J& = (Z,+X》/2 ① R《+匸》/2 ②
如果所述信標信息等於l，則
優選的，在執行步驟3後，所述無線傳感器網絡節點進入休眠狀態，所述無線傳感 器網絡節點的休眠時間為7;^他，假設監測區域為矩形區域，所述矩形區域的長為/，
寬為6，所述移動錨節點的移動速度為v、錨節點無線通信範圍的增量為&、以及所述
移動錨節點從定位開始到當前時間已經走過的距離為c/w,.。We ，可以得到所述無線傳感器
網絡節點休眠時長為
V~ V
在所述無線傳感器網絡節點休眠時間內，所述無線傳感器網絡節點不接收所述信標 《曰息。
優選的，所述移動錨節點的移動軌跡是一維的沿著監測區域一邊的一條直線。 優選的，該方法適用於二維空間。 優選的，該方法適用於三維空間。
優選的，所述移動錨節點安裝有全球定位系統(global positioning system GPS) 接收裝置。
由於本發明藉助一個移動錨節點來對無線傳感器網絡節點進行定位，無需利用無線 傳感器網絡節點的估計距離來計算無線傳感器網絡節點的位置，每個節點定位時都沒有 累積誤差，所以提高了計算精度；
在本發明的一個優選實施例中，由於計算了所述無線傳感器網絡節點的休眠時間， 在該休眠時間內，所述無線傳感器網絡節點不接收信息，只計算無線傳感器網絡節點的 位置，而且，各個無線傳感器網絡節點只用接收信息來定位自身而不用發送信息來協助 其他的節點進行定位，發送信息消耗的能量比接收信息要多得多，而且發送越遠消耗能 量越多，所以本發明可以大量減低能耗。
在本發明的一個優選實施例中，移動錨節點的移動軌跡是一維的沿著監測區域一邊 的一條直線，這樣所述移動錨節點移動軌跡簡單易於實現，而且也可以安全的實現對危 險或敵對區域的網絡節點的定位。
在本發明的一個優選實施例中，由於只有單個移動錨節點安裝有全球定位系統 (global positioning system GPS)接收裝置，其它傳感器節點無需安裝GPS接收裝 置或其它額外的硬體，這樣可以節省整個系統得成本，使得無線傳感器網絡適用於大型 監測區域。
圖1是本發明的無線傳感器網絡結構圖；其中a是移動錨節點；b是網絡節點；c 是移動錨節點移動軌跡；d是虛擬分層線；
圖2是本發明提供的的基於單錨節點低能耗的無線傳感器網絡節點定位的靜態示意 圖；其中a是錨節點；b是網絡節點；C是錨節點移動軌跡；d是虛擬分層線； 圖3是監測區域中小部分節點定位動態示意圖4是一個具體的傳感器節點S的定位示意圖5是本發明提供的分層定位方法流程圖； 圖6是傳感器節點計算自身位置的流程圖； 圖7是本發明定位方法模擬仿真定位結果示意圖8是使用本發明提供的預測喚醒時間休眠方式和周期喚醒休眠能量消耗比較圖。
具體實施例方式
本發明提供了一種基於單錨節點的低能耗的無線傳感器網絡節點定位方法，該方法 採用單錨節點協助的方法對監測區域中的網絡節點進行定位，錨節點移動軌跡為沿著X
軸的一條直線。本發明還適用於敵對區域中，而且對整個系統成本要求也是很低的。為 了節省節點在定位過程中的能耗，本發明還提出了預測喚醒時間的節點休眠/喚醒方式， 該方式使得節點在定位期間的能量消耗降低很多。
無線傳感器網絡現在己經是網絡中的一個熱點而且在越來越多的領域得到應用，尤 其是在有很多局限性的敵對環境中，本發明中就是考慮敵對的環境(比如戰場)下節點 的定位。在這種惡劣的環境中，由於傳感器節點可能被毀壞，所以它們的壽命可能很短 暫。為了節約系統的成本，在監測區域是不應布置昂貴的傳感器。因此我們提出的方法 要求第一，定位方法應該是無需測距的。第二，錨節點必須布置在邊緣的安全區域。 第三，錨節點的數量應該是最少的。第四，為了避免傳感器節點被發現，因此節點的物 理尺寸應該很小。最後，為了節省能量，每個傳感器節點的無線信號範圍是有限的。該 定位方法就是在以上敘述的限制下提出的。本發明中應用了一個移動的錨節點，錨節點 是沿著一邊移動，而且，節點位置計算公式簡單，定位期間需要儲存空間很小。
如圖1所示，無線傳感器網絡結構包括移動錨節點a和網絡節點b，移動錨節點a 的移動軌跡為c， d是虛擬分層線。如圖2所示，為基於單錨節點傳感器節點定位的靜 態示意圖，a是移動錨節點，b是網絡節點，c是移動錨節點移動軌跡，d是虛擬分層線。 如圖3所示，為監測區域中小部分節點定位動態示意圖；如圖4所示，為一個具體的無 線傳感器網絡節點S的定位示意圖。
本發明的原理基礎為，由於在等腰三角形中，底邊的垂直平分線過頂點，本發明應 用以上幾何方法對傳感器網絡節點的橫坐標進行定位。假定等腰三角形底邊所在直線是 水平的，如果已知底邊上兩點的橫坐標位置信息，那麼該等腰三角形頂點的橫坐標就是 底邊兩點橫坐標的平均值。網絡節點縱坐標的確定是通過分層定位的方法來實現的。傳 感器網絡節點橫坐標的確定是通過接收到的信標信息來確定，因為大部分的傳感器只能 收到移動錨節點發給自己所在層的信息，如果一個節點收到信息就可以確定自己所在的 層，根據分層信息來確定縱坐標，但是有的節點可能收到的是錨節點發送給較高層的信
息，這樣有可能增加節點在縱坐標的方向上的定位誤差，為了改善這一情況，需要將錨 節點發射信標信息間隔距離進行適當調整。下面詳細地敘述錨節點發射信標信息間隔距 離以及錨節點無線通信範圍與橫、縱坐標定位誤差的關係，而且給出了如果要達到某一
精度，這兩個值應該如何選取的證明過程。無線通信範圍增量&需要錨節點在每走完一
次全程，發射信號的覆蓋範圍呈梯度的增長一次來達到分層的目的，無線通信範圍增量 就是每走完一次全程後，錨節點的無線通信範圍的增加量。錨節點無線通信範圍增量以 及信標信息間隔距離由以下定理確定在所述定位方法中，如果系統坐標定位誤差要求 不大於"，則錨節點無線通信範圍增量《(《>0)和信標信息間隔距離丄(D0)應
滿足以下條件當^<《<2"時，丄^^;當0^(5,S^時，￡^2"。
formula see original document page 10
從幾何學的方法可知，每個網絡節點僅需要第一次接收的信標信息和最後一次接收
的信標信息兩個信標節點信息來計算節點的位置。圖4中，假如某個傳感器網絡節點S所 選的信標節點為第一次接收到的信息5,和最後一次接收信息& ，它們信息內容中包含
兩點的位置信息(x,，o)和(j^.,0)，以及信標節點信息發射範圍i;和前一層錨節點發送的 信標節點信息發射範圍K—,。
現有的節能策略中主要有休眠機制、數據融合等等。休眠機制的主要思想是，當節 點周圍沒有感興趣的事件發生時，計算與通信模塊處於空閒狀態，或者把這些組件關掉 或調到更低能耗的狀態，即休眠狀態，該機制對於延長傳感器節點的生存周期非常的重 要，大部分的休眠機制是周期的進行休眠。在該定位方法中，如果採用周期性的休眠/ 喚醒方式，處於較低梯度的節點會周期性的被喚醒，在喚醒狀態和休眠狀態之間不斷的 轉換，而且還會多次的接收發給較高梯度節點的信息，這樣就會浪費大量的能量，為了 改變這種情況，在本發明中提出了預測喚醒時間的概念，這樣就解決了上述存在的問題， 節省了節點能量。在本發明定位過程中，並不需要傳感器網絡節點周期的進行休眠狀態 與工作狀態的轉換，而是當該網絡節點進行定位時，傳感器網絡節點處於偵聽狀態，當 網絡節點定位完成，則該網絡節點處於休眠狀態直到所有的節點定位結束。所謂"預測 喚醒時間"就是指當傳感器網絡節點已定位自身後，自動將接收信號天線和計算模塊斷 開，這樣傳感器節點就不會再接收信號，當預測的喚醒時間到達(也就是休眠時間耗盡 後)，節點被喚醒，自動的將天線等開關合上，傳感器節點由休眠狀態轉換為偵聽狀態，這樣減少了能量的消耗。傳感器節點休眠時間主要是通過錨節點來計算的。錨節點的速 度已知，監測區域的長寬也可以確定的，這樣錨節點就可以計算出總的定位時間，則某 個節點休眠時間等於總定位時間減去錨節點已用去的定位時間。該時間也要發射給未知 網絡節點，未知網絡節點將最後一次收到的信息中休眠時長作為自己的休眠時間。該方 法可以使網絡節點節約大量的能量，圖8是使用預測喚醒時間休眠方式和周期喚醒休眠 能量消耗比較，從圖中可以了解到該方法使節點在定位期間節約了大量能量。
發明中可以通過調節錨節點的兩個參數(錨節點發射信標信息間隔距離、通信範圍 增量)來適當的調節定位誤差，也就是定位誤差可以根據不同系統中不同的需要而進行 改變。但是也不能無限制的減小定位誤差，因為還要考慮節點能量消耗的問題。
無線傳感器網絡節點定位方法採用分層定位的方法，如圖5所示，預先設定無線傳 感器網絡共分為n層，n為自然數，且n大於或等於2;所述網絡節點處於第k層，k 初始值為1，所述分層定位方法包括如下步驟
步驟l:移動錨節點以速度V在監測區域內沿直線移動，如圖3所示，移動錨節點從0 移動到O'，同時所述移動錨節點每隔時間t發送所述信標信息給第一層的網絡節點；其 中^ =丄〃，丄是信標信息間隔距離；信標信息間隔距離￡在本發明方法中，錨節點沿著 一條水平直線移動並間或發射信標信息給未知節點，信標信息間隔距離就是移動錨節點
發射信標信息時的間隔距離。所述錨節點移動速度v是根據各個網絡中定位時間來確定
的，當需要節點快速定位時，則選擇較大的錨節點移動速度即可，錨節點的速度可選擇
10m/s-—50m/s。所述移動錨節點發射的信標信息的參數為(MCr,,;;),"',}^!^)，其中 M0c,，力代表所述移動錨節點在77時間發射所述信標信息時的位置坐標，T7代表所述網 絡節點接收到所述信標信息的時間，K代表所述移動錨節點發射給/t層的所述信標信息
發射範圍，,代表所述移動錨節點在前一層發送的所述信標信息發射範圍；
步驟2:第k層的網絡節點接收所述移動錨節點發送的所述信標信息，並將接收到 的所述信標信息和接收信標信息的時間存儲在所述存儲單元中；即所述存儲單元存儲的 信息為(M(《,力,77 + K),i;,rn)， /0是預定義的，^不小於所述移動錨節點發送信息的
間隔時間"且rO還應該小於二倍的f (K) = crf，l^aS2); 步驟3:對第k層的網絡節點進行定位；
步驟4:第k層的網絡節點完成定位後，由所述移動錨節點判斷k是否大於層數n，
如果k不大於層數n，則執行步驟5;
步驟5:由所述移動錨節點判斷k是否等於l，如果k不等於l，則執行步驟6;如 果k等於l，則1L嚴0;然後執行步驟6;
步驟6:所述移動錨節點無線通信範圍增加《(《是無線通信範圍增量)；將k的
值加l;然後執行步驟l。
對網絡節點進行定位的方法為
步驟3h由所述傳感器網絡節點判斷是否接收到所述信標信息，如果接收到了所述 信標信息，則執行步驟32，否則，繼續判斷所述傳感器網絡節點是否接收過所述信標信
息，如果沒有接收過所述信標信息，繼續執行步驟31，否則，判斷時間t是否小於7; ， 如果時間1小於7;+/0，繼續執行步驟31;否則執行步驟33;
步驟32:由所述傳感器網絡節點判斷是否首次接收到所述信標信息，如果是，則將 所述信標信息作為首次接收的信標信息存儲，記為B,，然後返回步驟31;如果不是，則
將所述信標信息作為最終接收的信標信息儲存，記為A，然後返回步驟31;所述信標
信息A.和&的內容分別包含兩點的位置信息M((義,，0)，77 + K),i;，i;—,)和
步驟33:定位所述傳感器網絡節點的位置，定位所述傳感器網絡節點的橫坐標;&和
所述傳感器網絡節點的縱坐標R;如果所述信標信息大於l，則
X^(義,+^)/2 ① ft-(《+D/2 ②
如果所述信標信息等於l，則 Zs=%, ③
為了節省能量，當無線傳感器網絡節點完成自身的定位後，無線傳感器網絡節點進
入休眠狀態，所述無線傳感器網絡節點的休眠時間為r^。^，假設監測區域為矩形區域， 所述矩形區域的長為/，寬為"所述移動錨節點的移動速度為v、錨節點無線通信範圍
的增量為《、以及所述移動錨節點從定位開始到當前時間已經走過的距離為^^^，可
以得到所述無線傳感器網絡節點休眠時長為
1義
^^^;"觀,。we是錨節點已經移動距離的變量，因此，節點休眠時間7^遜
的值在錨節點的每次發射信號時都不同。大部分的節點接收的信息次數都是不少於兩次 的，因此它們將最後一次接收到的信息中的信息作為自己休眠時長。
在所述無線傳感器網絡節點休眠時間內，所述無線傳感器網絡節點不接收所述信標
"[曰息。
如圖7所示，在綜合考慮節點能量消耗和定位誤差的情況下，模擬仿真結果表明， 該方法的定位誤差小於等於0. 7m.與現有距離無關的質心(Centroid)算法和距離向量-跳段(distance vector-h叩DV-hop)算法比較，本發明在定位誤差，定位時間等方面 都存在優勢。
該方法適用於二維空間，也適用於三維空間。移動錨節點安裝有全球定位系統 (global positioning system GPS)接收裝置。
權利要求
1、一種基於單錨節點的低能耗的無線傳感器網絡節點定位方法，其特徵在於，所述無線傳感器網絡包括一按無線通信範圍增量可以變化的、位於監測區域內的移動錨節點；所述無線傳感器網絡節點定位方法採用分層定位的方法，預先設定無線傳感器網絡共分為n層，n為自然數，且n大於或等於2；所述網絡節點處於第k層，k為自然數，且k的初始值為1，所述分層定位方法包括如下步驟步驟1所述移動錨節點以速度v在監測區域內沿直線移動，同時所述移動錨節點每隔時間t發送所述信標信息給第一層的網絡節點；其中v＝L/t，L是信標信息間隔距離；所述移動錨節點發射的信標信息的參數為(M(xi，y)，Ti，Yk，Yk-1)，其中M(xi，y)代表所述移動錨節點在Ti時間發射所述信標信息時的位置坐標，Ti代表所述網絡節點接收到所述信標信息的時間，Yk代表所述移動錨節點發射給k層的所述信標信息發射範圍，Yk-1代表所述移動錨節點在前一層發送的所述信標信息發射範圍；步驟2第k層的網絡節點接收所述移動錨節點發送的所述信標信息，並將接收到的所述信標信息和接收信標信息的時間存儲在所述存儲單元中；即所述存儲單元存儲的信息為(M(xi，y)，Ti+t0，Yk，Yk-1)，t0是預定義的，t0不小於所述移動錨節點發送信息的間隔時間t，且t0還應該小於二倍的t(t0＝αt，1≤α≤2)；步驟3對第k層的網絡節點進行定位；步驟4第k層的網絡節點完成定位後，判斷k是否大於層數n，如果k不大於層數n，則執行步驟5；步驟5由所述移動錨節點判斷k是否等於1，如果k不等於1，則執行步驟6；如果k等於1，則Yk-1＝0；然後執行步驟6；步驟6所述移動錨節點無線通信範圍增加δr，δr是無線通信範圍增量；將k的值加1；然後執行步驟1。
2、 如權利要求1所述的基於單錨節點的低能耗的無線傳感器網絡節點定位方法， 其特徵在於，步驟3中所述的對網絡節點進行定位的方法為步驟31:由所述傳感器網絡節點判斷是否接收到所述信標信息，如果接收到了所述信標信息，則執行步驟32，否則，繼續判斷所述傳感器網絡節點是否接收過所述信標信息，如果沒有接收過所述信標信息，繼續執行步驟31 ，否則，判斷時間t是否小於；+f0 ， 如果時間t小於7;+f0，繼續執行步驟31;否則執行步驟33;步驟32:由所述傳感器網絡節點判斷是否首次接收到所述信標信息，如果是，則將 所述信標信息作為首次接收的信標信息存儲，記為a,然後返回步驟31;如果不是，則將所述信標信息作為最終接收的信標信息儲存，記為a，然後返回步驟31;所述信標信息a和a的內容分別包含兩點的位置信息M((《,o),n+ro,《,j^)和 M((z"o),"+,o,:rt,};—山步驟33:定位所述傳感器網絡節點的位置，定位所述傳感器網絡節點的橫坐標Z^和所述傳感器網絡節點的縱坐標^;如果所述信標信息大於l，formula see original document page 3 ①Bformula see original document page 3 ②如果所述信標信息等於l，則③formula see original document page 3。
3、如權利要求l所述的基於單錨節點的低能耗的無線傳感器網絡節點定位方法，其 特徵在於，在執行步驟3後，所述無線傳感器網絡節點進入休眠狀態，所述無線傳感器網絡節點的休眠時間為7^,，假設監測區域為矩形區域，所述矩形區域的長為/，寬為"所述移動錨節點的移動速度為v、錨節點無線通信範圍的增量為&、以及所述移動錨節點從定位開始到當前時間已經走過的距離為《m,.。^ ，可以得到所述無線傳感器網 絡節點休眠時長為二化 《ar勵,g .在所述無線傳感器網絡節點休眠時間內，所述無線傳感器網絡節點不接收所述信標信息o3、如權利要求l所述的基於單錨節點的低能耗的無線傳感器網絡節點定位方法，其特徵在於，所述移動錨節點的移動軌跡是一維的沿著監測區域一邊的一條直線。
4、 如權利要求1或3所述的基於單錨節點的低能耗的無線傳感器網絡節點定位方法， 其特徵在於，該方法適用於二維空間。
5、 如權利要求1或3所述的基於單錨節點的低能耗的無線傳感器網絡節點定位方法， 其特徵在於，該方法適用於三維空間。
6、 如權利要求1或2所述的基於單錨節點的低能耗的無線傳感器網絡節點定位方法， 其特徵在於，所述移動錨節點安裝有全球定位系統(global positioning system GPS) 接收裝置。
全文摘要
本發明提供的基於單錨節點的低能耗的無線傳感器網絡節點定位方法，其特徵在於，所述無線傳感器網絡包括一按無線通信範圍增量可以變化的、位於監測區域內的移動錨節點；所述無線傳感器網絡節點定位方法採用分層定位的方法，預先設定無線傳感器網絡共分為n層，n為自然數，且n大於或等於2；所述網絡節點處於第k層，k為自然數，且k的初始值為1，所述分層定位方法包括如下步驟步驟1所述移動錨節點以速度v在監測區域內沿直線移動，同時所述移動錨節點每隔時間t發送所述信標信息給第一層的網絡節點；本發明不僅提高了計算精度，而且大量減低了能耗。
文檔編號H04W64/00GK101179846SQ20071002516
公開日2008年5月14日 申請日期2007年7月13日 優先權日2007年7月13日
發明者張榮標, 張莉莉 申請人:江蘇大學