專利名稱：基于最優(yōu)信標組的無線傳感網節(jié)點定位方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網絡技術領域，特別涉及無線傳感器網絡的定位方法。
背景技術：
無線傳感器網絡是繼現場總線技術之后新出現的一種由傳感器組成的網狀 (Mesh)網絡，具有“低耗自組、泛在協(xié)同、異構互連”的特點。無線傳感器網絡認為是繼互聯 網之后對21世紀人類生活方式產生重大影響的IT技術之一，互聯網改變了人與人之間交 流、溝通的方式，無線傳感器網絡則將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合在一起， 從而極大地擴展了網絡的功能和人類認識世界的能力。無線傳感器網絡中，位置信息對傳感器網絡的監(jiān)測活動至關重要，事件發(fā)生的 位置或獲取信息的節(jié)點位置是傳感器節(jié)點監(jiān)測信息中所包含的重要信息，沒有位置信息 的監(jiān)測消息往往毫無意義，如在環(huán)境監(jiān)測、火災監(jiān)控、潮汐、生態(tài)學研究等項目中，采用 WSN(Wireless Sensor Network)進行信息收集和處理。傳感器節(jié)點發(fā)回所處位置的監(jiān)測數 據，如濕度、溫度、風向、風速等，這些數據必須和位置信息綁定才有意義，甚至有時需要傳 送單純的節(jié)點位置信息。因此，確定事件發(fā)生的位置或獲取消息的節(jié)點位置是傳感器網絡 的最基本的功能之一，對傳感器網絡應用的有效性起著關鍵的作用。目前，無線傳感器網絡中，根據節(jié)點位置是否確定，傳感器節(jié)點分為信標節(jié)點和 未知節(jié)點。信標節(jié)點位置已知，是未知節(jié)點的定位參考點，未知節(jié)點的定位就是根據少數 信標節(jié)點，按照某種定位機制確定自身的位置。定位過程中根據是否測量實際節(jié)點間的 距離，把定位算法分為基于距離的(range-based)定位算法和距離無關的(range-free) 定位算法。前者需要測量相鄰節(jié)點間的絕對距離或方位，并利用節(jié)點間的實際距離來計 算未知節(jié)點的位置；后者無需測量節(jié)點間的絕對距離或方位，而是利用節(jié)點間的連通度 估算節(jié)點位置。根據定位過程中是否使用信標節(jié)點，把定位算法分為基于信標節(jié)點的 (beacon-based)定位算法和無信標節(jié)點的(beacon-free)定位算法。前者在定位過程中， 以信標節(jié)點作為定位中的參考點，各節(jié)點定位后產生整體絕對坐標系統(tǒng)；后者只關心節(jié)點 間的相對位置，在定位過程中無需信標節(jié)點，各節(jié)點以自身作為參考點，將鄰近的節(jié)點納 入自己定義的坐標系中，相鄰的坐標系統(tǒng)依次轉換合并，最后產生整體相對坐標系統(tǒng)。根 據節(jié)點定位的先后次序不同，把定位算法分為遞增式(incremental)定位算法和并發(fā)式 (concurrent)定位算法。遞增式的定位算法通常從信標節(jié)點開始，信標節(jié)點附近的節(jié)點首 先開始定位，依次向外延伸，各節(jié)點逐次進行定位，這類算法的主要缺點是定位過程中累積 和傳播測量誤差；并發(fā)式的定位算法中所有的節(jié)點同時進行位置計算?；跍y距的定位算法一般優(yōu)于距離無關的定位算法，在眾多基于測距的定位算法 中，基于接收信號強度指示器(Received Signal Strength Indicator, RSSI)的定位算法 對硬件要求較低，且不需要時間同步，因而得到了廣泛的應用。但是，在實際應用中，溫度、 濕度、障礙物、傳播條件等條件的變化影響其測量精度，表現為信號衰減的不確定性和高非 線性，獲得的測量數據存在很大的噪聲，從而對節(jié)點自定位產生不利影響，同時也制約了無
5線傳感器網絡在目標跟蹤、位置檢測、路由優(yōu)化等基礎應用的進一步發(fā)展。因此，國內外學 者對基于RSSI測距的定位技術進行了大量的深入研究。隨著傳感器網絡研究的深入開展，其特點和優(yōu)勢日益顯著，應用也越來越廣泛。定 位技術是傳感器網絡應用的前提，定位的準確性直接關系到傳感器節(jié)點采集數據的有效 性。然而，傳感器網絡節(jié)點的能量、存儲能力和計算能力有限，這些制約要求定位算法必須 是低復雜性。要進一步延長網絡的生存周期，就必須要減少定位過程中的通信開銷，因為無 線通信的能耗是節(jié)點的主要能耗。目前的算法大都在能耗、成本和精度上作了折中考慮。由 于各種應用差別很大，沒有普遍適合于各種應用的定位算法，因此要針對不同的應用，通過 綜合考慮節(jié)點的規(guī)模、成本及系統(tǒng)對定位精度的要求，選擇最適合的定位算法。

發(fā)明內容
為了克服現有基于RSSI無線傳感網節(jié)點定位方法的復雜性高、節(jié)點間通信開銷 較大、定位精度低的問題，本發(fā)明提供一種算法復雜度低、節(jié)點間通信開銷小、定位精度高 的無線傳感網定位方法，以滿足大多數無線傳感網定位跟蹤系統(tǒng)的需求。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是
一種基于最優(yōu)信標組的無線傳感網定位方法，包括下述步驟 步驟1，建立一個無線傳感器網絡，所述無線傳感器網絡包括輔助定位的信標節(jié)點和待 定位的目標節(jié)點，所述信標節(jié)點和目標節(jié)點均配置無線通信設備，隨機分布于網絡中；
步驟2，當未知節(jié)點移動時，更新未知節(jié)點的位置并廣發(fā)一 個定位請求包；當信標節(jié)點接收到定位請求包時，發(fā)送包含節(jié)點 ID和位置坐標的信息包；
步驟3，未知節(jié)點收到信標節(jié)點的信息包后，對信標節(jié)點依其RSSI值從大到小排序，并 建立RSSI與未知節(jié)點到信標節(jié)點距離的映射，建立3個集合。(彡信標節(jié)點集合&夂皿—㈣風為為…知；}J為信標節(jié)點的個數；
(2)未知節(jié)點到信標節(jié)點距離集= 《,為…!^)，^ <(h -.dN ； (3)信標
節(jié)點位置集合P—職— sei = ((Xl5Ii),,
步驟4，未知節(jié)點首先從信標節(jié)點集合中選取離未知節(jié)點最近的4個節(jié)
點，然后每3個信標節(jié)點組成一組信標組，總共分成Q3組，分別計算各個信標組的共線度
后，A B、CT是三個信標節(jié)點，ZJ是三角形JSC中最小角，則用ZJ的余弦值來衡量信標 節(jié)點組的共線程度，即
權利要求
一種適用于無線傳感網的層次型路由控制方法，包括以下步驟1) 節(jié)點距離偵測存儲基站首先向各節(jié)點廣播偵測請求包，節(jié)點在接收請求數據包后向基站傳回自身的信息；基站收到回復信息后計算各自的距離并形成路由距離矩陣表，同時存儲并轉發(fā)相應的路由節(jié)點距離矩陣表給各自的節(jié)點，即節(jié)點只存儲與自身相關的距離信息；其特征在于所述層次型路由控制方法還包括以下步驟2) 最優(yōu)聚簇分析設定在指定區(qū)域內部署的N個無線傳感節(jié)點組成的集合表示為S={xi| xi =(ai,bi)且xi∈R2, i = 1,2,…,N }，令為節(jié)點xi的一階最短近鄰距離，為節(jié)點xi的二階最短近鄰距離，以此類推，為節(jié)點xi的N 1階最短近鄰距離，則按照節(jié)點xi的最短近鄰距離從小到大的排列有(1)進一步，分別計算j階最短近鄰距離的平均值和平方均值 (2) (3)求解方差(4)假定yi為原傳感節(jié)點xi的次序排列，且滿足y1 ≤ y2 … ≤ yN 1的關系，同時令為其對應獨立的且具有相同概率的概率密度函數，且必須滿足；設定概率密度函數f(y) = 1，運用Beta函數的特性將式(4)推導轉換為式(19) (19)系數、分別對應于 , (20)設，在傳感網絡節(jié)點曲率變化時，如果在某一節(jié)點上曲率變化滿足 (22)則認為在該傳感網絡節(jié)點上發(fā)生了躍變，該傳感網絡節(jié)點也被稱為躍變節(jié)點，記為m*，其中的閥值是在(0,1)區(qū)間中的足夠小的常數；假定網絡初始簇數為k=1，當計算某一節(jié)點曲率時滿足式(22)，簇數在原來的基礎上加1，迭代遍歷節(jié)點集，統(tǒng)計所有的躍變節(jié)點m*，得到最優(yōu)的簇數量kopt；3) 簇頭選舉閥值T(n)決定當前傳感節(jié)點成為簇頭節(jié)點的概率，而簇頭在所有節(jié)點中所占百分比p則決定著T(n)大小，通過所述對傳感節(jié)點的最優(yōu)聚簇分析得到當前最優(yōu)的簇數量kopt，進而計算當前最優(yōu)的簇頭占用比popt (23)則T(n)表示為(24)其中，r為執(zhí)行的輪數，N為傳感節(jié)點集的個數，G為本周期內未當選為簇頭的節(jié)點集合，當r到達一個周期執(zhí)行時間，未當選為簇頭的節(jié)點集合G將被重置；4) 簇形成各簇頭節(jié)點及時向整個網絡通告自己當選的消息，該消息包內容只包含簇頭節(jié)點的ID信息，同時簇頭節(jié)點等待其他非簇頭節(jié)點請求加入，其他非簇頭節(jié)點直接根據初始狀態(tài)下基站測定并轉發(fā)的近似距離存儲表迅速選擇加入最近的簇頭，并向簇頭發(fā)回加入請求消息，該消息包含當前的非簇頭節(jié)點ID以及欲加入的請求指令；5) 數據傳輸將各傳感節(jié)點收集的數據信息通過簇頭進一步發(fā)送至基站。614623dest_path_image001.jpg,768524dest_path_image002.jpg,837980dest_path_image003.jpg,190464dest_path_image004.jpg,805116dest_path_image005.jpg,931466dest_path_image006.jpg,320726dest_path_image007.jpg,714667dest_path_image008.jpg,765800dest_path_image009.jpg,379446dest_path_image010.jpg,541437dest_path_image011.jpg,55464dest_path_image012.jpg,25301dest_path_image013.jpg,860664dest_path_image014.jpg,826346dest_path_image015.jpg,7928dest_path_image016.jpg,650131dest_path_image017.jpg,487637dest_path_image018.jpg,745093dest_path_image019.jpg,718865dest_path_image020.jpg,531969dest_path_image021.jpg,591192dest_path_image022.jpg,649409dest_path_image023.jpg
2.如權利要求1所述的基于最優(yōu)信標組的無線傳感網定位方法，其特征在于所述無 線傳感網定位方法還包括下述步驟步驟6，當匯聚節(jié)點接收到未知節(jié)點的初始位置后，使用擴展卡爾曼濾波消除RSSI測 量中的噪聲，擴展卡爾曼定位模型包括以下兩個方面(1)狀態(tài)方程模型
3.如權利要求1或2所述的基于最優(yōu)信標組的無線傳感網定位方法，其特征在于在所述步驟2中，信標節(jié)點默認處于睡眠狀態(tài)，當未知節(jié)點移動時，廣發(fā)一個定位請示包喚醒 信標節(jié)點。
全文摘要
一種基于最優(yōu)信標組的無線傳感網定位方法，包括下述步驟步驟1，建立一個無線傳感器網絡，包括輔助定位的信標節(jié)點和待定位的目標節(jié)點；步驟2，當未知節(jié)點移動時，更新未知節(jié)點的位置并廣發(fā)一個定位請求包；當信標節(jié)點接收到定位請求包時，發(fā)送包含節(jié)點和位置坐標的信息包；步驟3，未知節(jié)點收到信標節(jié)點的信息包后，對信標節(jié)點依其RSSI值從大到小排序，并建立RSSI與未知節(jié)點到信標節(jié)點距離的映射；步驟4，從信標節(jié)點集合中選取離未知節(jié)點最近的4個節(jié)點，每3個信標節(jié)點組成一組信標組，選取共線度最小的一組作為最優(yōu)信標組；步驟5，采用極大似然法獲得未知節(jié)點的初始位置。本發(fā)明算法復雜度低、節(jié)點間通信開銷小、定位精度高。
文檔編號H04W84/18GK101965052SQ20101050824
公開日2011年2月2日 申請日期2010年10月15日 優(yōu)先權日2010年10月15日
發(fā)明者俞立, 孟文超, 洪榛, 潘建勇, 潘浩, 董齊芬, 陸歡佳 申請人:浙江工業(yè)大學