一種基於雙移動錨節點的無線傳感器網絡單弦定位方法
2023-10-09 14:48:14 1
一種基於雙移動錨節點的無線傳感器網絡單弦定位方法
【專利摘要】本發明提供一種無線傳感器網絡節點定位方法，包括以下步驟：S1、兩個移動錨節點AN和RN在傳感區域內並行隨機直線移動，AN和RN周期性的同時廣播，其中，AN廣播位置坐標信息，RN廣播參考信息；S2、未知節點比較同時接受到的AN和RN廣播的信號強度，並記錄下AN信號最弱時和最強時的坐標信息；S3、未知節點根據AN信號最弱和最強時的坐標信息，得到有一條高低弦，並計算得到通過該弦的兩個圓心的坐標O和O』；S4、未知節點判斷圓心坐標O位於該高低弦的位置關係，並結合AN和RN信號強弱比較結果，以及高低弦的方向信息，最終選擇O或者O』作為該未知節點的定位結果。
【專利說明】一種基於雙移動錨節點的無線傳感器網絡單弦定位方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及無線傳感器網絡定位領域，特別是涉及雙移動錨節點的無線傳感器網絡單弦定位。
【背景技術】
[0002]無線傳感器網絡(WSN)是用來監測網絡部署區域中各種環境的特性，主要應用於軍事偵察、自然環境指標監測等場景。無線傳感器網絡由大量的靜止或移動的傳感器節點以自組織和多跳的方式構成無線網絡，以協作的感知、採集、處理和傳輸網絡覆蓋地理區域內被感知對象的信息，並最終把這些信息發送給網絡的所有者。
[0003]無線傳感器網絡中的傳感器節點往往大量被隨機部署在監測區域內，並且各種定位設備比如GPS等設備由於價格昂貴、能量消耗大等原因，不適宜裝備在每個傳感器節點上。因此，在網絡初始化階段，需要通過一定的技術手段讓各傳感節點得到自身的位置坐標。
[0004]現有的無線傳感器定位技術中，一般分為基於距離的定位算法和距離無關的定位算法。距離無關的定位算法一般是通過大致估計的單跳距離來進行定位，但是其定位精度上存在較大誤差。在基於距離的定位算法中，各傳感節點通過RSSI (Received SignalStrength Indicat1n)方法監測接受到的定位信號強度，從而得到自身的位置坐標。但是，RSSI方法由於各傳感節點的通信量的開銷較大，直接導致傳感節點在定位過程中需要較多的能量消耗。
[0005]從用於提供位置信息的錨節點的工作模式出發，現有技術中用於定位的錨節點有固定錨節點和移動錨節點。由於監測區域以及傳感節點分布的隨機性，採用固定錨節點定位方案時，對於固定錨節點的個數和位置分布有較高要求且實施難度較大。因此，往往採用移動錨節點的定位方案，讓移動錨節點在監測區域內隨機直線移動，並周期性的廣播位置信息。但是，傳感節點在定位過程中所需的能量消耗將隨著接收到的移動錨節點定位信息的增加而加大。
【發明內容】
[0006]為解決上述問題，本發明提供了一種無線傳感器網絡節點定位方法及裝置，提高無線傳感器網絡的定位精度和定位所需能量消耗。
[0007]本發明實施例提供一種無線傳感器網絡節點定位方法，其特徵在於:所述方法包括以下步驟:
[0008]S1:設置兩個移動錨節點，所述兩個移動錨節點在傳感區域內並行隨機勻速直線移動，所述兩個移動錨節點周期性的同時廣播，其中，第一移動錨節點廣播其當前的位置坐標信息，第二移動錨節點廣播定位參考信息；所述第一移動錨節點裝備有GPS，所述第二移動錨節點僅廣播定位參考信息，所述第二移動錨節點始終在所述第一移動錨節點左邊移動；當所述第一移動錨節點和所述第二移動錨節點移動到監測區域邊緣時能自動隨機轉換移動方向；
[0009]S2:通信範圍內的未知節點比較同時接收到的所述第一移動錨節點和所述第二移動錨節點廣播的信號強度，並記錄下所述第一移動錨節點信號最弱時和最強時的坐標信息，並對同一時刻所述第一移動錨節點和所述第二移動錨節點的信號強度進行比較，得到一第一比較結果；所述得到一第一比較結果具體操作為:
[0010]若所述未知節點在同一時刻收到的所述第二移動錨節點的信號強度大於所述第一移動錨節點的信號強度，則所述第一比較結果的值為I; [0011]若所述未知節點在同一時刻收到的所述第二移動錨節點的信號強度小於或等於所述第一移動錨節點的信號強度，則所述第一比較結果的值為O ;
[0012]S3:所述未知節點根據接收到的所述第一移動錨節點信號最弱和最強時的坐標信息，得到一條高低弦，記錄所述高低弦的方向信息，並計算得到通過該弦的兩個圓心的坐標O 和 O，；
[0013]S4:所述未知節點通過判斷圓心坐標O與所述高低弦的位置關係，並結合所述第一比較結果，以及所述高低弦的方向信息，最終選擇O或者O』作為該未知節點的定位結果。
[0014]所述記錄下所述第一移動錨節點信號最弱時和最強時的坐標信息的步驟進一步包括:
[0015]將所述未知節點初次收到所述第一移動錨節點廣播的二維坐標信息，記為FstBcn，所述FstBcn為所述第一移動錨節點信號最弱時的坐標，並開始準備記錄所述第一移動錨節點廣播信號強度最強時的坐標信息；
[0016]當所述未知節點監測到所述第一移動錨節點廣播信號強度開始減小時，則所述未知節點記錄上一次接收的所述第一移動錨節點廣播信號的二維坐標信息，記為MidBcn，所述MidBcn即為所述第一移動錨節點信號最強時的坐標；
[0017]若所述未知節點在判斷所述第一移動錨節點廣播信號強度最強的過程中，所述未知節點收到的所述第一移動錨節點廣播信息的時間間隔超過所述第一移動錨節點的廣播周期，則所述未知節點將拋棄掉所記錄的所述FstBcn,並重複步驟S2。
[0018]所述未知節點根據接收到的所述第一移動錨節點信號最弱和最強時的坐標信息，得到一條高低弦，記錄所述高低弦的方向信息的具體步驟包括:
[0019]由於所述FstBcn相當於以所述未知節點為圓心且通信距離半徑為R的圓上的
一點，則MidBcn即為該圓上唯--條經過FstBcn和MidBcn兩點的弦的中點，根據公式
SecBcn = 2XMidBcn-FstBcn,得到圓上該弦的另一點SecBcn的坐標；
[0020]若所述SecBcn的縱坐標的數值大於所述FstBcn的縱坐標的數值，則將所述FstBcn記錄為高低弦的低點P1點，所述SecBcn記錄為高低弦的高點P2點，記錄高低弦的方向信息Dir的值為I ;
[0021 ] 若所述SecBcn的縱坐標的數值小於所述FstBcn的縱坐標的數值，則將所述FstBcn記錄為高低弦的高點P2點，所述SecBcn記錄為高低弦的低點P1點，記錄所述高低弦的方向信息Dir的值為-1 ；
[0022]若所述SecBcn的縱坐標的數值等於所述FstBcn的縱坐標,則表示該弦水平，記錄所述高低弦的方向信息Dir的值為O。
[0023]所述計算得到通過該弦的兩個圓心的坐標O和O』的步驟如下:[0024]根據所述FstBcn和所述SecBcn兩點的坐標值,計算出同時經過所述FstBcn和SecBcn兩點的半徑為r的圓心坐標(0X，Oy)和(O』 x, O』 y)，計算方法如下:
[0025]Ox = (x!+x2) /2+sqrt (r2- (q/2)2) X (y「y2) /sqrt ((X2-X1)2+ (y21i)2)
[0026]Oy = (y!+y2) /2+sqrt (r2- (q/2)2) X (X2-X1) /sqrt ((X2-X1)2+ (y21i)2)
[0027]0，x = (x!+x2) /2-sqrt (r2- (q/2)2) X (y「y2) /sqrt ((X2-X1)2+ (y21i)2)
[0028]0，y = (y!+y2) /2-sqrt (r2- (q/2)2) X (X2-X1) /sqrt ((X2-X1)2+ (y21i)2)
[0029]其中，(X1J1)為所述FstBcn的坐標，(x2, y2)為所述SecBcn的坐標。
[0030]所述判斷圓心坐標O與所述高低弦的位置關係的具體方法包括:
[0031 ] Side0 = (Ply-P2y) (Ox-Plx) + (P2x-Plx) (Oy-Ply)
[0032]其中，(Plx, Ply)和(P2x，P2y)分別代表高低弦的起點坐標和終點坐標，(0X, Oy)代表圓心O的坐標，Side0代表圓心坐標O與高低弦的位置關係；
[0033]當SidetlX)時,表示圓心O位於高低弦的左邊；當Side0<0時,表示圓心O位於高低弦的右邊；當Sidetl = O時,表示圓心O位於高低弦上。
[0034]未知節點通過判斷 圓心坐標O與所述高低弦的位置關係，並結合所述第一比較結果，以及所述高低弦的方向信息，最終選擇O或者O』作為該未知節點的定位結果。
[0035]本發明通過使用雙移動錨節點的方法，實現了在傳感器節點定位過程中，僅需要接收有限的定位廣播消息，即利用通信圓上的一條弦和比較兩個移動錨節點的廣播信號強度結果，完成傳感器節點的精確定位。和傳統定位方法相比，該方法具有定位過程能量開銷小，定位精度高的優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0036]圖1為本發明實施例提供的雙移動錨節點的工作模式；
[0037]圖2為本發明實施例提供的無線傳感器網絡節點定位的流程圖；
[0038]圖3為本發明實施例提供的無線傳感器網絡節點定位的具體流程圖；
【具體實施方式】
[0039]為了使本領域技術人員更好的理解本發明方案，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
[0040]基於移動錨節點的無線傳感器網絡定位方法首先要求移動錨節點在監測區域內勻速直線運動，當移動到監測區域邊緣時能自動隨機轉換移動方向。其次，要求移動過程中，移動錨節點能以固定周期時間間隔廣播其當前所在的位置信息。現有技術往往通過獲得未知節點通信範圍圓上的兩條非平行弦，經過計算獲得該圓的圓心坐標，即未知節點的坐標。但是，由於該兩條非平行弦的獲得來自於移動錨節點廣播的位置信息，同時，未知節點在定位過程中的能量消耗主要取決於接收到的廣播信息的數量，因此，已有定位方案中往往存在未知節點在定位過程中能量開銷過大的缺點。
[0041]為克服現有技術中傳感器節點定位方案的缺陷，本發明採用雙移動錨節點的定位方式，即兩個移動錨節點並行的在監測區域內勻速同向直線移動。其中一個裝備有GPS等位置獲取設備的移動錨節點稱之為AN (Arch Node)，另一個僅廣播定位參考信息的移動錨節點稱之為RN (Reference Node)。在本實施例中，RN始終在移動方向上位於AN的左邊移動，如圖1所示。
[0042]圖2給出了本發明第一實施例的流程圖。
[0043]S1:兩個移動錨節點AN和RN在傳感區域內並行隨機直線移動，AN和RN周期性的同時廣播，其中，AN廣播位置坐標信息，RN廣播參考信息；
[0044]S2:通信範圍內的未知節點比較同時接受到的AN和RN廣播的信號強度，並記錄下AN信號最弱時和最強時的坐標信息，以及記錄同一時刻AN和RN的信號強度比較結果RgtA ；
[0045]S3:未知節點根據AN信號最弱和最強時的坐標信息，得到一條高低弦P1P2,記錄該弦的方向信息Dir，並計算得到通過該弦的兩個圓心的坐標O和O』 ；
[0046]S4:未知節點判斷圓心坐標O與該高低弦P1P2的位置關係，並結合AN和RN信號強弱比較結果RgtA，以及高低弦的方向信息，最終選擇O或者O』作為該未知節點的定位結
果O
[0047]圖3給出了本發明一第二實施例的無線傳感器網絡節點定位的具體流程圖。
[0048]Al:未知定位節點初始化；
[0049]A2:判斷是否收到AN的廣播信息，若收到信息，執行步驟A3，否則執行步驟Al ；
[0050]A3:判斷當前是否是第一次收到AN的廣播信息，是則執行步驟A4，否則執行步驟A7 ；
[0051]A4:記錄此時AN廣播的坐標信息為FstBcn ；
[0052]A5:再次接收AN廣播的坐標信息，並暫存於節點中；
[0053]A6:判斷兩次接收的AN廣播的時間間隔是否過長，若超過規定廣播時間間隔，則執行步驟Al ;若未超過規定允許時間間隔，則執行步驟A3 ；
[0054]A7:判斷AN接收到的信號強度是否開始衰減，若未開始衰減，則執行步驟A5 ;若開始衰減，則執行步驟AS ；
[0055]A8:記錄前一次收到的AN廣播的坐標信息為MidBcn ；
[0056]A9:比較同時收到的AN廣播信號強度和RN廣播信號強度；
[0057]A10:若未知節點同一時刻收到的RN信號強度大於AN信號強度，則記錄RgtA的值為I ;若未知節點同一時刻收到的RN信號強度小於或等於AN信號強度，則記錄RgtA的值為O ;
[0058]All:根據公式 SecBcn = 2XMidBcn-FstBcn,得到 SecBcn 的坐標內容。
[0059]A12:比較SecBcn的縱坐標的數值與FstBcn的縱坐標的數值。
[0060]A13:若SecBcn的縱坐標的數值大於FstBcn的縱坐標,則將FstBcn記錄為高低弦的P1點，SecBcn記錄為高低弦的P2點；若SecBcn的縱坐標的數值小於FstBcn的縱坐標，則將FstBcn記錄為高低弦的P2點，SecBcn記錄為高低弦的P1點；若SecBcn的縱坐標的數值等於FstBcn的縱坐標，則表示高低弦水平；
[0061]A14:若SecBcn的縱坐標的數值大於FstBcn的縱坐標,則記錄Dir的值為I ;若SecBcn的縱坐標的數值小於FstBcn的縱坐標,則記錄Dir的值為-1 ;若SecBcn的縱坐標的數值等於FstBcn的縱坐標,則記錄Dir的值為O。[0062]A15:根據所述FstBcn和所述SecBcn兩點的坐標值,計算出同時經過所述FstBcn和SecBcn兩點的半徑為r的圓心坐標(0X，Oy)和(O』 x, O』 y)，計算方法如下:
[0063]Ox = (x!+x2) /2+sqrt (r2- (q/2)2) X (y「y2) /sqrt ((X2-X1)2+ (y21i)2)
[0064]Oy = (y!+y2) /2+sqrt (r2- (q/2)2) X (X2-X1) /sqrt ((X2-X1)2+ (y21i)2)
[0065]0，x = (x!+x2) /2-sqrt (r2- (q/2)2) X (y「y2) /sqrt ((X2-X1)2+ (y21i)2)
[0066]0，y = (y!+y2) /2-sqrt (r2- (q/2)2) X (X2-X1) /sqrt ((X2-X1)2+ (y21i)2)
[0067]其中，(X1, Y1)為所述FstBcn的坐標，(x2, y2)為所述SecBcn的坐標；
[0068]A16:若步驟A15的計算中有解，即存在同時經過FstBcn和SecBcn兩點，且半徑為r的圓，則執行步驟A17 ;否則執行Al。
[0069]A17:根據圓心O的坐標值和高低弦的起點坐標和終點坐標，計算圓心坐標O與高低弦的位置關係Sidetl，其計算過程如下:
[0070]Side0 = (Ply-P2y) (Ox-Plx) + (P2x-Plx) (Oy-Ply)
[0071]其中，(Plx, Ply)和(P2x，P2y)分別代表高低弦的起點坐標和終點坐標，(0X, Oy)代表圓心O的坐標。
[0072]當SidetlX)時,表示圓心O位於高低弦的左邊；當Side0<0時,表示圓心O位於高低弦的右邊；當Sidetl = O時,表示圓心O位於高低弦上。
[0073]A18:最後,根據Dir、RgtA、Side。的值,選擇出未知節點的定位結果坐標,其選擇過程如I和表2所示。
[0074]表1:Dir Φ O時的定位選擇
[0075]
【權利要求】
1.一種無線傳感器網絡節點定位方法，其特徵在於:所述方法包括以下步驟: S1:設置兩個移動錨節點，所述兩個移動錨節點在傳感區域內並行隨機勻速直線移動，所述兩個移動錨節點周期性的同時廣播，其中，第一移動錨節點廣播其當前的位置坐標信息，第二移動錨節點廣播定位參考信息；所述第一移動錨節點裝備有GPS，所述第二移動錨節點僅廣播定位參考信息，所述第二移動錨節點始終在所述第一移動錨節點左邊移動；當所述第一移動錨節點和所述第二移動錨節點移動到監測區域邊緣時能自動隨機轉換移動方向； S2:通信範圍內的未知節點比較同時接收到的所述第一移動錨節點和所述第二移動錨節點廣播的信號強度，並記錄下所述第一移動錨節點信號最弱時和最強時的坐標信息，並對同一時刻所述第一移動錨節點和所述第二移動錨節點的信號強度進行比較，得到一第一比較結果；所述得到一第一比較結果具體操作為: 若所述未知節點在同一時刻收到的所述第二移動錨節點的信號強度大於所述第一移動錨節點的信號強度，則所述第一比較結果的值為I ; 若所述未知節點在同一時刻收到的所述第二移動錨節點的信號強度小於或等於所述第一移動錨節點的信號強度，則所述第一比較結果的值為O ; 53:所述未知節點根據接收到的所述第一移動錨節點信號最弱和最強時的坐標信息，得到一條高低弦，記錄所述高低弦的方向信息，並計算得到通過該弦的兩個圓心的坐標O和O，； 54:所述未知節點 通過判斷圓心坐標O與所述高低弦的位置關係，並結合所述第一比較結果，以及所述高低弦的方向信息，最終選擇O或者O』作為該未知節點的定位結果。
2.如權利要求1所述的無線傳感器網絡節點定位方法，其特徵在於:所述記錄下所述第一移動錨節點信號最弱時和最強時的坐標信息的步驟如下: 將所述未知節點初次收到所述第一移動錨節點廣播的二維坐標信息，記為FstBcn，所述FstBcn為所述第一移動錨節點信號最弱時的坐標，並開始準備記錄所述第一移動錨節點廣播信號強度最強時的坐標信息； 當所述未知節點監測到所述第一移動錨節點廣播信號強度開始減小時，則所述未知節點記錄上一次接收的所述第一移動錨節點廣播信號的二維坐標信息，記為MidBcn，所述MidBcn即為所述第一移動錨節點信號最強時的坐標； 若所述未知節點在判斷所述第一移動錨節點廣播信號強度最強的過程中，所述未知節點收到的所述第一移動錨節點廣播信息的時間間隔超過所述第一移動錨節點的廣播周期，則所述未知節點將拋棄掉所記錄的所述FstBcn,並重複步驟S2。
3.如權利要求2所述的無線傳感器網絡節點定位方法，其特徵在於:所述未知節點根據接收到的所述第一移動錨節點信號最弱和最強時的坐標信息，得到一條高低弦，記錄所述高低弦的方向信息的具體步驟包括: 由於所述FstBcn相當於以所述未知節點為圓心且通信距離半徑為R的圓上的一點，則MidBcn即為該圓上唯--條經過FstBcn和MidBcn兩點的弦的中點，根據公式SecBcn =2XMidBcn-FstBcn,得到圓上該弦的另一點SecBcn的坐標； 若所述SecBcn的縱坐標的數值大於所述FstBcn的縱坐標的數值,則將所述FstBcn記錄為高低弦的低點P1點，所述SecBcn記錄為高低弦的高點P2點，記錄高低弦的方向信息Dir的值為I ; 若所述SecBcn的縱坐標的數值小於所述FstBcn的縱坐標的數值,則將所述FstBcn記錄為高低弦的高點P2點,所述SecBcn記錄為高低弦的低點P1點，記錄所述高低弦的方向信息Dir的值為-1 ； 若所述SecBcn的縱坐標的數值等於所述FstBcn的縱坐標，則表示該弦水平，記錄所述高低弦的方向信息Dir的值為O。
4.如權利要求3所述的無線傳感器網絡節點定位方法，其特徵在於:所述計算得到通過該弦的兩個圓心的坐標O和O』的步驟如下: 根據所述FstBcn和所述SecBcn兩點的坐標值,計算出同時經過所述FstBcn和SecBcn兩點的半徑為r的圓心坐標(Ox，Oy)和(O』 x, O』 y)，計算方法如下:
Ox = (X^X2) /2+sqrt (r2- (q/2)2) X (y「y2) /sqrt ((X2-X1)2+ (y21i)2)
Oy = (y!+y2) /2+sqrt (r2- (q/2)2) X (X2-X1) /sqrt ((X2-X1)2+ (y21i)2)
0，x = (x!+ x2) /2-sqrt (r2- (q/2)2) X (y「y2) /sqrt ((X2-X1)2+ (y21i)2)
0，y = (Yi+Y2) /2-sqrt (r2- (q/2)2) X (X2-X1) /sqrt ((X2-X1)2+ (y21i)2) 其中，(Xi，Yi)為所述FstBcn的坐標，(x2, y2)為所述SecBcn的坐標。
5.如權利要求3所述的無線傳感器網絡節點定位方法，其特徵在於:所述判斷圓心坐標O與所述高低弦的位置關係的具體方法包括:
Side0 = (Ply-P2y) (Ox-Plx)+ (P2x-Plx) (Oy-Ply) 其中，(Pix, Piy)和(P2x，P2y)分別代表高低弦的起點坐標和終點坐標，(0X, Oy)代表圓心O的坐標，Side0代表圓心坐標O與高低弦的位置關係； 當SidetlX)時,表示圓心O位於高低弦的左邊；當Side/O時,表示圓心O位於高低弦的右邊；當Sidetl = O時,表示圓心O位於高低弦上。
【文檔編號】H04W64/00GK104038994SQ201410270315
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月17日 優先權日:2014年6月17日
【發明者】沈永珞 申請人:廣東財經大學