專利名稱：一種基于移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自定位方法。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是近幾年發(fā)展起來的一種無線自組織網(wǎng)絡(luò)。由于其簡(jiǎn)單易用、可靠、高性價(jià)比、低功耗，所以應(yīng)用前景十分廣闊，在軍事國防、工業(yè)生產(chǎn)、城市管理、醫(yī)療健康、環(huán)境監(jiān)測(cè)、設(shè)施農(nóng)業(yè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、防恐反恐、空間探索、危險(xiǎn)區(qū)域與遠(yuǎn)程控制等許多重要領(lǐng)域都有潛在的實(shí)用價(jià)值，被認(rèn)為是對(duì)21世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。由于傳感器節(jié)點(diǎn)在部署時(shí)的不可控 制性，網(wǎng)絡(luò)中大多數(shù)節(jié)點(diǎn)位置不能事先確定，而位置信息對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)活動(dòng)至關(guān)重要，事件發(fā)生的位置或獲取信息的節(jié)點(diǎn)位置是傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)消息中所包含的重要信息，沒有位置信息的監(jiān)測(cè)消息往往毫無意義。因此，節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的主要支撐技術(shù)之一，近年來對(duì)節(jié)點(diǎn)定位問題的研究也很廣泛。未知節(jié)點(diǎn)一般根據(jù)少量錨節(jié)點(diǎn)(已知位置的節(jié)點(diǎn))，按照某種定位機(jī)制確定自身的位置。只有在節(jié)點(diǎn)自身正確定位之后，才能確定傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的事件的具體位置，一般需要監(jiān)測(cè)到該事件的多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)之間相互協(xié)作，并利用他們自身的定位機(jī)制確定事件發(fā)生的位置。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法主要有基于測(cè)距的定位方法和無須測(cè)距的定位方法，現(xiàn)有定位方法中大多應(yīng)用靜態(tài)錨節(jié)點(diǎn)，往往需要一定數(shù)量的錨節(jié)點(diǎn)才能實(shí)現(xiàn)對(duì)所有未知節(jié)點(diǎn)的定位，因此定位成本較高。而移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的使用可以大大減少錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，降低成本，近年來引起了不少學(xué)者的關(guān)注，如論文《Very Low Energy Consumption WirelessSensor Localization for Danger Environments with Single Mobile Anchor Node》石開究了一種利用單錨節(jié)點(diǎn)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)定位的算法，但y坐標(biāo)精度較低。再如發(fā)明專利“一種基于移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)加權(quán)質(zhì)心定位方法”(申請(qǐng)?zhí)?01210164666.1)應(yīng)用移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)改進(jìn)加權(quán)質(zhì)心定位算法?？傮w來說，目前應(yīng)用移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位的研究中，大多通過對(duì)錨節(jié)點(diǎn)移動(dòng)路徑的規(guī)劃研究實(shí)現(xiàn)對(duì)全網(wǎng)所有未知節(jié)點(diǎn)通信覆蓋，使未知節(jié)點(diǎn)獲取需要定位的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自定位，算法復(fù)雜度往往比較高。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種基于移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自定位方法，本發(fā)明利用帶定向天線的移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自定位，且無需復(fù)雜的錨節(jié)點(diǎn)移動(dòng)路徑規(guī)劃。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種基于移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自定位方法，錨節(jié)點(diǎn)采用可自動(dòng)精確調(diào)整方向的定向天線，包含以下步驟:(I)傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)拋撒在監(jiān)測(cè)區(qū)域中，未知節(jié)點(diǎn)拋撒下去后進(jìn)入等待接收狀態(tài)；
(2)由基站應(yīng)用同步算法實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步，然后未知節(jié)點(diǎn)即進(jìn)入休眠狀態(tài)；(3)針對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域建立二維平面直角坐標(biāo)系，使傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)區(qū)域都處于第一象限，錨節(jié)點(diǎn)起始位置在坐標(biāo)原點(diǎn)，并能沿坐標(biāo)軸移動(dòng)或沿坐標(biāo)軸和與坐標(biāo)軸平行的網(wǎng)絡(luò)分層線移動(dòng)，同時(shí)以定向天線的方向與坐標(biāo)軸正向之間的夾角為方位角；(4)錨節(jié)點(diǎn)多輪次廣播位置信息，進(jìn)入錨節(jié)點(diǎn)通信范圍中的未知節(jié)點(diǎn)被喚醒，在一輪中錨節(jié)點(diǎn)每定向廣播一次位置信息，定向天線即旋轉(zhuǎn)到一個(gè)新方位角，并通過定向天線的旋轉(zhuǎn)使所有通信范圍內(nèi)未知節(jié)點(diǎn)均能收到位置信息，未知節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)并比較接收到的位置信息以及接收信號(hào)強(qiáng)度，當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)最后一次接收到位置信息后，選擇接收信號(hào)強(qiáng)度最大的位置信息作為本輪次自定位數(shù)據(jù)，然后未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)；(5)進(jìn)入下一輪廣播位置信息時(shí)間時(shí)，錨節(jié)點(diǎn)停止移動(dòng)并開始新一輪位置信息的定向廣播，這時(shí)未知節(jié)點(diǎn)重新進(jìn)入等待接收狀態(tài)；(6)未知節(jié)點(diǎn)根據(jù)多輪次獲得的自定位數(shù)據(jù)計(jì)算自身位置。其中，步驟(3)中，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大或?yàn)樘岣呔噱^節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)未知節(jié)點(diǎn)的定位精度的場(chǎng)景中，可在第一象限內(nèi)劃坐標(biāo)軸平行線將網(wǎng)絡(luò)等距離分成若干層，錨節(jié)點(diǎn)在坐標(biāo)軸和網(wǎng)絡(luò)分層線上移動(dòng)，分層實(shí)現(xiàn)對(duì)未知節(jié)點(diǎn)的定位。本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有以下有益效果:本發(fā)明在不增加額外開銷的情況下，提供了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自定位方式，最少只需一個(gè)帶方向可調(diào)定向天線的移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的自定位，定位天線方向可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)精確調(diào)整，且定位精度高、算法簡(jiǎn)單、成本低。


圖1 (a)、(b)、(C)為本發(fā)明實(shí)施例一的定位原理圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例二的定位原理圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例三的定位原理圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。實(shí)施例1如圖1所示，錨節(jié)點(diǎn)沿X軸移動(dòng)實(shí)現(xiàn)定位原理圖，圖1 (a)、(b)、(c)分別表示了幾種不同情況下未知節(jié)點(diǎn)的定位原理，圖中外圍虛線與坐標(biāo)軸圍起來的區(qū)域?yàn)楸O(jiān)測(cè)區(qū)域，空心圈表示需要定位的傳感器節(jié)點(diǎn)(未知節(jié)點(diǎn))，坐標(biāo)軸上的實(shí)心圈表示移動(dòng)的錨節(jié)點(diǎn)，未知節(jié)點(diǎn)A (xa, ya)、B (xb,yb)、C (xc, yc)分別代表了幾種不同情況下的任意選擇的未知節(jié)點(diǎn)，通過未知節(jié)點(diǎn)A、B、C的自定位原理說明自定位方法。定位步驟如下:步驟一:傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)拋撒在監(jiān)測(cè)區(qū)域中，節(jié)點(diǎn)拋撒下去后即進(jìn)入等待接收狀態(tài)；步驟二:由基站應(yīng)用同步算法(如RBS同步算法)實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步，然后未知節(jié)點(diǎn)即進(jìn)入休眠狀態(tài)；
步驟三:建立二維平面直角坐標(biāo)系，使傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)區(qū)域全都處于第一象限，并將錨節(jié)點(diǎn)安置在坐標(biāo)原點(diǎn)O (0，O)處，且錨節(jié)點(diǎn)定向天線與X軸之間的起始方位角為0° ；步驟四:錨節(jié)點(diǎn)在坐標(biāo)原點(diǎn)O (0，O)從方位角0°開始第一輪定向廣播位置信息，處于錨節(jié)點(diǎn)通信范圍中的未知節(jié)點(diǎn)被喚醒，位置信息包括(輪次，當(dāng)前錨節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，當(dāng)前方位角，下輪位置信息發(fā)送時(shí)間)，這里要注意錨節(jié)點(diǎn)下輪位置信息開始發(fā)送時(shí)間與本輪開始發(fā)送的時(shí)間間隔必須大于本輪發(fā)送時(shí)間與所有未知節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)兩次狀態(tài)轉(zhuǎn)換所需時(shí)間的和；錨節(jié)點(diǎn)沿某方向定向發(fā)送一次后定向天線即逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，方位角每增加S度(如1° )即定向廣播一次位置信息，處于定向廣播范圍中的未知節(jié)點(diǎn)接收到位置信息后即存儲(chǔ)該信息并記錄當(dāng)前接收信號(hào)強(qiáng)度， 當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)最后一次接收到位置信息以后，即比較所有接收到的位置信息的接收信號(hào)強(qiáng)度，選擇信號(hào)強(qiáng)度最大的一次位置信息作為本輪自定位數(shù)據(jù)，此時(shí)的方位角可看做未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)連線與X軸正向的夾角，然后該未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)；步驟五:當(dāng)錨節(jié)點(diǎn)定向天線轉(zhuǎn)到與y軸重合，即定向天線與X軸方位角為90°時(shí)，錨節(jié)點(diǎn)停止發(fā)送位置信息，然后定向天線回到0°方位角位置，未知節(jié)點(diǎn)在確定自定位數(shù)據(jù)后均進(jìn)入休眠狀態(tài)。在這一輪錨節(jié)點(diǎn)廣播位置信息過程中，圖1 (a)、(b)、(C)所示未知節(jié)點(diǎn)A (xa, ya)、B (xb,yb)、C (xc, yc)確定的方位角分別為α Α、α Β、α。，且錨節(jié)點(diǎn)位置為O (0,0)；步驟六:錨節(jié)點(diǎn)沿著X軸直線移動(dòng)，當(dāng)錨節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到M (xm, O)時(shí)，到達(dá)約定的下一次位置信息發(fā)送時(shí)間，則錨節(jié)點(diǎn)停止移動(dòng)并開始新一輪位置信息的定向廣播，這時(shí)所有未知節(jié)點(diǎn)被內(nèi)部時(shí)鐘喚醒重新進(jìn)入等待接收狀態(tài)；錨節(jié)點(diǎn)定向廣播一次即逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，同樣方位角每增加S度(如1° )即定向廣播位置信息，直到方位角為180°為止。未知節(jié)點(diǎn)接收到位置信息以后即存儲(chǔ)并記錄當(dāng)前接收信號(hào)強(qiáng)度，當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)最后一次接收到位置信息以后，即比較所有接收位置信息的接收信號(hào)強(qiáng)度，選擇接收信號(hào)強(qiáng)度最大的一次位置信息作為本輪自定位數(shù)據(jù)，此時(shí)的方位角可看做未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)連線與X軸正向之間的夾角。在這一輪錨節(jié)點(diǎn)廣播位置信息過程中，圖1 (a)、(b)、(C)所示未知節(jié)點(diǎn)A (xa，ya)、B(xb,yb)、C (xc, yc)確定的方位角分別為β Α、β Β、β。,且錨節(jié)點(diǎn)位置為0 (xm,0);步驟七:未知節(jié)點(diǎn)根據(jù)兩次自定位數(shù)據(jù)即可計(jì)算自身位置，這時(shí)未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)兩輪定向廣播位置信息時(shí)所在位置構(gòu)成一個(gè)三角形。如圖1(a)所示，原點(diǎn)O、錨節(jié)點(diǎn)新一輪發(fā)送位置信息時(shí)所在M點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)A可構(gòu)成三角形0ΑΜ，在三角形OAM中，易計(jì)算(xa，ya)得:
tan B,
xa =-—-xm、 _見-如，⑴
tan a, tan B,
ya -----^—xm
^ tan β, - tan a Λ同樣如圖1 (b)所示，原點(diǎn)O、錨節(jié)點(diǎn)新一輪發(fā)送位置信息時(shí)所在M點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)B可構(gòu)成三角形0ΒΜ，在三角形OBM中，易計(jì)算(xb，yb )得:
權(quán)利要求
1.一種基于移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自定位方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)拋撒在監(jiān)測(cè)區(qū)域中，未知節(jié)點(diǎn)拋撒下去后進(jìn)入等待接收狀態(tài)； (2)由基站應(yīng)用同步算法實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步，然后所有未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)； (3)針對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域建立二維平面直角坐標(biāo)系，使傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)區(qū)域都處于第一象限，錨節(jié)點(diǎn)起始位置在坐標(biāo)原點(diǎn)，并僅沿坐標(biāo)軸移動(dòng)或者沿坐標(biāo)軸和與坐標(biāo)軸平行的網(wǎng)絡(luò)分層線移動(dòng)，同時(shí)以定向天線的方向與坐標(biāo)軸正向之間的夾角為方位角； (4)錨節(jié)點(diǎn)多輪次廣播位置信息，進(jìn)入錨節(jié)點(diǎn)通信范圍中的未知節(jié)點(diǎn)被喚醒，在每一輪廣播中錨節(jié)點(diǎn)每定向廣播完一次位置信息，定向天線即旋轉(zhuǎn)到一個(gè)新的方位角，通過定向天線的旋轉(zhuǎn)使錨節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)的未知節(jié)點(diǎn)均能收到錨節(jié)點(diǎn)位置信息，未知節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)接收到的位置信息以及接收信號(hào)強(qiáng)度，當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)最后一次接收到位置信息后，選擇接收信號(hào)強(qiáng)度最大的位置信息作為本輪次自定位數(shù)據(jù)，然后未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)； (5)進(jìn)入下一輪廣播位置信息時(shí)間時(shí)，錨節(jié)點(diǎn)停止移動(dòng)并開始新一輪位置信息的定向廣播，這時(shí)未知節(jié)點(diǎn)重新進(jìn)入等待接收狀態(tài)； (6)未知節(jié)點(diǎn)根據(jù)多輪次獲得的自定位數(shù)據(jù)計(jì)算自身位置。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自定位方法，其特征在于，(3)中，在第一象限中錨節(jié)點(diǎn)至少沿一個(gè)坐標(biāo)軸移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)未知節(jié)點(diǎn)的定位。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自定位方法，其特征在于，(3)中，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大或者為提高距錨節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)未知節(jié)點(diǎn)的定位精度時(shí)，在第一象限內(nèi)劃坐標(biāo)軸平行線將網(wǎng)絡(luò)等距離分成若干層，錨節(jié)點(diǎn)在坐標(biāo)軸和網(wǎng)絡(luò)分層線上移動(dòng)，分層實(shí)現(xiàn)對(duì)未知節(jié)點(diǎn)的定位。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自定位方法，其特征在于，兩輪次的時(shí)間間隔大于本輪發(fā)送持續(xù)時(shí)間與錨節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)未知節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)兩次狀態(tài)轉(zhuǎn)換所需時(shí)間的和。
全文摘要
本發(fā)明涉及無線傳感技術(shù)領(lǐng)域，針對(duì)現(xiàn)有采用移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)定位方法復(fù)雜度高的問題，本發(fā)明公開了一種基于移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自定位方法，包括針對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域建立二維平面直角坐標(biāo)系，使傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)區(qū)域全都處于第一象限，錨節(jié)點(diǎn)起始位置在坐標(biāo)原點(diǎn)。錨節(jié)點(diǎn)間隙定向廣播位置信息，定向廣播位置信息時(shí)不移動(dòng)，并通過定向天線的旋轉(zhuǎn)使所有未知節(jié)點(diǎn)均能收到位置信息，未知節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)接收到的位置信息以及接收信號(hào)強(qiáng)度，當(dāng)不再收到位置信息后，選擇接收信號(hào)強(qiáng)度最大的位置信息作為自定位可用數(shù)據(jù)。隨著錨節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，所有未知節(jié)點(diǎn)至少兩次接收到不同位置信息，利用選定的自定位可用數(shù)據(jù)計(jì)算自身的位置。
文檔編號(hào)H04W64/00GK103152828SQ20131009748
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月25日
發(fā)明者馮友兵, 金賀, 仲偉波, 朱志宇, 龔淼, 卞建秀 申請(qǐng)人:江蘇科技大學(xué)