本發(fā)明涉及一種用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法。

背景技術(shù)：

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用越來越廣泛，特別是定位技術(shù)，在車聯(lián)網(wǎng)中的車輛定位、煤礦井下人員定位、變電站作業(yè)人員跟蹤定位、家庭人員定位、養(yǎng)老院人員定位、醫(yī)院人員定位等。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位方法很多，比如質(zhì)心定位法、三邊定位法、極大似然估計(jì)法等。質(zhì)心定位算法簡單，誤差卻很大，一般難以滿足應(yīng)用的需求，三邊定位算法在距離測算精確的情況下，效果很好，但對(duì)于基于rssi(receivedsignalstrengthindicatinn接收的信號(hào)強(qiáng)度指示)的測距方法，實(shí)際測距誤差很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足三邊定位算法的精度，而且三邊定位算法相對(duì)質(zhì)心定位算法復(fù)雜，極大似然估計(jì)定位方法與三邊定位算法類似，需要利用rssi測距，而且計(jì)算復(fù)雜度較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)上述問題，提出一種用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法，其特征在于，如圖1所示，包括以下步驟：

s1、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過mac幀發(fā)起定位請(qǐng)求：移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)出只有一跳的定位請(qǐng)求幀到與其相鄰的固定節(jié)點(diǎn)；

s2、固定節(jié)點(diǎn)接收定位請(qǐng)求幀：固定節(jié)點(diǎn)接收到定位請(qǐng)求幀后，判斷該定位請(qǐng)求幀是否被重復(fù)接收，若是，則丟棄該幀；若否，則固定節(jié)點(diǎn)將獲取移動(dòng)節(jié)點(diǎn)短地址作為目的地址，并向移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一跳的響應(yīng)定位幀；

s3、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位：移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收到定位響應(yīng)幀后，通過如下方法對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，如圖2所示：

s31、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)判斷是否在預(yù)設(shè)的時(shí)間內(nèi)接收到定位響應(yīng)幀，若是，則進(jìn)入步驟s32；若否，則回到步驟s1；

s32、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)判斷是否已經(jīng)接收到超過3個(gè)固定節(jié)點(diǎn)的定位響應(yīng)幀，若是，則選擇3個(gè)接收信號(hào)強(qiáng)度指示最好的固定節(jié)點(diǎn)，固定節(jié)點(diǎn)到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的距離根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度指示符獲得，將固定節(jié)點(diǎn)相對(duì)于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置表示為以移動(dòng)節(jié)點(diǎn)為中心、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)到固定節(jié)點(diǎn)的距離的2倍為邊長的正方形，將正方形置于平面直角坐標(biāo)系中，則選擇的3個(gè)固定節(jié)點(diǎn)采用如下向量表示：

n1＝(x11，x12，y11,y12)；

n2＝(x21，x22，y21,y22)；

n3＝(x31，x32，y31,y32)；

其中，ni表示固定節(jié)點(diǎn)位置，xi1表示正方形在x軸上的左邊界，xi2表示正方形在x軸上的右邊界，yi1表示正方形在y軸上的下邊界，yi2表示正方形在y軸上的上邊界，下標(biāo)i表示固定節(jié)點(diǎn)的序號(hào)；

獲得3個(gè)固定節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)向量后進(jìn)入步驟s33；若否，則判斷是否只接收到3個(gè)固定節(jié)點(diǎn)的定位響應(yīng)幀，若是，則采用上述方法獲得3個(gè)固定節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)向量并進(jìn)入步驟s33；若否，則判斷是否接收到2個(gè)固定節(jié)點(diǎn)的定位響應(yīng)幀，若是，則采用上述方法獲得2個(gè)固定節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)向量：

n1＝(x11，x12，y11,y12)；

n2＝(x21，x22，y21,y22)；

并進(jìn)入步驟s34，若否，則采用上述方法獲得1個(gè)固定節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)向量：

n1＝(x11，x12，y11,y12)；

并進(jìn)入步驟s35；

s33、通過如下公式獲得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)向量：

x00＝max{min{x11，x12}，min{x21，x22}，min{x31，x32}}；

x01＝max{min{x11，x12}，min{x21，x22}，min{x31，x32}}；

y00＝max{min{y11，y12}，min{y21，y22}，min{y31，y32}}；

y01＝max{min{y11，y12}，min{y21，y22}，min{y31，y32}}；

x00，x01，y00，y01，為3個(gè)固定節(jié)點(diǎn)所形成正方形的重疊區(qū)域向量坐標(biāo)；

則獲得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)(x0，y0)如下：

x0＝(x00+x01)/2；

y0＝(y00+y01)/2；

進(jìn)入步驟s4；

s34、通過如下公式獲得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)向量：

x00＝max{min{x11，x12}，min{x21，x22}}；

x01＝max{min{x11，x12}，min{x21，x22}}；

y00＝max{min{y11，y12}，min{y21，y22}}；

y01＝max{min{y11，y12}，min{y21，y22}}；

x00，x01，y00，y01，為3個(gè)固定節(jié)點(diǎn)所形成正方形的重疊區(qū)域向量坐標(biāo)；

則獲得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)(x0，y0)如下：

x0＝(x00+x01)/2；

y0＝(y00+y01)/2；

進(jìn)入步驟s4；

s35、獲得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)(x0，y0)如下：

x0＝(x11+x12)/2；

y0＝(y11+y12)/2；

s4、將步驟s3中獲得的定位坐標(biāo)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)，并由匯聚節(jié)點(diǎn)將結(jié)果發(fā)送到計(jì)算機(jī)設(shè)備。

本發(fā)明的有益效果是：相對(duì)于傳統(tǒng)方法，本發(fā)明的方法具有較低的算法復(fù)雜度和較高的定位精度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明定位方法的邏輯示意圖；

圖2為本發(fā)明中對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位的流程示意圖；

圖3為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在多個(gè)固定節(jié)點(diǎn)中的位置示意圖；

圖4為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和固定節(jié)點(diǎn)形成的正方形示意圖；

圖5為為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在多個(gè)固定節(jié)點(diǎn)中的位置坐標(biāo)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案。

在本發(fā)明的技術(shù)方案中，使用虛擬坐標(biāo)來定義固定節(jié)點(diǎn)的位置。作為二維平面定位算法，通常至少需要三個(gè)固定節(jié)點(diǎn)來建立移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置，如圖3所示，為本發(fā)明采用的rill定位算法的模型。圓圈表示固定節(jié)點(diǎn)，三角形表示移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際位置，五角星代表使用本發(fā)明的rill定位算法的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的定位結(jié)果。在圖3中，可以看到有三個(gè)固定節(jié)點(diǎn)和一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。假設(shè)三個(gè)固定節(jié)點(diǎn)n1，n2和n3的位置坐標(biāo)分別由(x1，y1)，(x2，y2)和(x3，y3)表示。

當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收到來自三個(gè)固定節(jié)點(diǎn)的位置信息時(shí)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以經(jīng)由接收到的信號(hào)強(qiáng)度指示符(rssi)來估計(jì)位置信息的發(fā)送者與其自身之間的距離。采用d1，d2和d3來表示三個(gè)固定節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的距離估計(jì)的結(jié)果。例如，當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)從固定節(jié)點(diǎn)n2接收到位置信息分組時(shí)，它將首先估計(jì)n2與其本身之間的距離d2。一旦獲得距離d2，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以利用固定節(jié)點(diǎn)n2的位置信息(x2，y2)以及距離d2來獲得正方形。正方形的中心是n2的位置坐標(biāo)，正方形的邊長是d2的兩倍。當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收到三個(gè)固定節(jié)點(diǎn)的所有位置信息時(shí)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)應(yīng)該能夠得到三個(gè)正方形具有共同重疊區(qū)域的結(jié)果。在圖3中，陰影區(qū)域表示重疊部分?？梢钥吹揭苿?dòng)節(jié)點(diǎn)實(shí)際上處于重疊區(qū)域。

如圖4所示，可以看到正方形可以由四個(gè)數(shù)據(jù)(xi1，xi2，yi1，yi2)表示，其中xi1是x軸上的正方形的左邊界，xi2是x軸上正方形的右邊界。類似地，yi1是y軸上的正方形的下邊界，yi2是y軸上的正方形的上邊界。假設(shè)固定節(jié)點(diǎn)ni的坐標(biāo)為(xi，yi)，固定節(jié)點(diǎn)ni和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的距離為di，可以使用下面的公式(1)計(jì)算(xi1，xi2，yi1，yi2)：

令vi＝(xi1,xi2,yi1,yi2)，則該正方形可以表示為一個(gè)向量形式，可以獲得該虛擬坐標(biāo)中固定節(jié)點(diǎn)的所有向量。當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收到三個(gè)固定節(jié)點(diǎn)的位置信息時(shí)，可以得到如圖5所示的結(jié)果。

在圖3中，令v1＝(x11，x12，y11，y12)，v2＝(x21，x22，y21，y22)和v3＝(x31，x32，y31，y32)。通過圖4，很容易得到重疊區(qū)域的矢量表示。令v0＝(x00，x01，y00，y01)來表示重疊區(qū)域。得到圖4中v0＝(x31，x22，y11，y22)的重疊區(qū)域的矢量表示是很容易的。實(shí)際上，重疊區(qū)域的左邊界是三個(gè)正方形的最大左邊界，重疊區(qū)域的右邊界是三個(gè)正方形的最小右邊界。類似地，重疊區(qū)域的下邊界是三個(gè)正方形的最大下邊界，并且重疊區(qū)域的頂邊界是三個(gè)正方形的最小上邊界?？梢允褂霉?2)來計(jì)算重疊區(qū)域的向量表示：

當(dāng)利用公式(3)建立重疊區(qū)域的向量表示法后，則可以確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的區(qū)域范圍?？梢灾酪苿?dòng)節(jié)點(diǎn)必須位于重疊區(qū)域。在討論其他情況之前，首先介紹如何在虛擬坐標(biāo)系中獲取移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的最終位置。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)具有一些特征，例如有限的計(jì)算能力，有限的存儲(chǔ)容量以及有限的能量。為了簡化算法的復(fù)雜度，使用重疊區(qū)域的質(zhì)心來表示移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的最終位置。計(jì)算過程如公式(3)所示?？梢酝ㄟ^這個(gè)公式來估計(jì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(x0，y0)的位置：

與傳統(tǒng)的其他方法相比，本發(fā)明的方法具有較低的算法復(fù)雜度。在原理上rill類似于三邊定位算法。然而，三邊定位算法的復(fù)雜度為o(n³)。三邊定位算法需要進(jìn)行矩陣求逆，這是非常復(fù)雜的。rill的復(fù)雜度為o(n)，它可以在移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行。由于較高的算法復(fù)雜度，一些定位算法難以在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行，這增加了鏈路負(fù)載和能量消耗。雖然質(zhì)心定位算法的復(fù)雜度與rill的順序相同，但是與rill相比，質(zhì)心定位算法的精度更差。

在本發(fā)明采用的在rill定位算法中，使用mac數(shù)據(jù)幀發(fā)送定位請(qǐng)求和響應(yīng)。在定位請(qǐng)求幀中，使用1個(gè)字節(jié)來定義定位請(qǐng)求幀的序列號(hào)，用于判斷請(qǐng)求幀是否被重復(fù)接收。此外，使用1個(gè)字節(jié)來定義幀的類型，用于區(qū)分定位幀和數(shù)據(jù)幀。定位響應(yīng)幀中的序列號(hào)用于識(shí)別移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)請(qǐng)求幀。幀的類型用于區(qū)分定位幀與數(shù)據(jù)幀。本發(fā)明使用8個(gè)字節(jié)將固定節(jié)點(diǎn)的虛擬坐標(biāo)傳送到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位?？梢栽趍ac頭的地址字段中獲取所有地址消息。此外，當(dāng)接收到響應(yīng)幀時(shí)，可以經(jīng)由寄存器獲得rssi。