基于无线传感网的目标定位方法
【专利摘要】本发明公开了一种无线传感器的网络定位方法，用于实时确定带有无线传感器网络节点的目标体位置。本发明通过待定位节点和信标节点之间的信息交互，将网络中信标节点的位置信息、每跳距离以及信标节点与待定位节点的跳数汇总到待定位节点上，待定位节点根据这些汇总的数据用DV-Hop算法确定自身的坐标，并在此基础上做Aitken循环迭代获得更精确的坐标。本发明经过迭代运算后得到的较高精确度和稳定的误差率定位数据。
【专利说明】
基于无线传感网的目标定位方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于无线传感器网络的目标定位方法。
【背景技术】
[0002] 无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线通 信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖 区域中被感知对象信息，并发送给观察者。无线传感器网络集合了传感器技术、微机电系统 技术、嵌入式计算技术、无线通信技术和分布式信息处理技术于一体，通过传感器与外界交 互，完成数据采集、处理、通信及管理等功能。
[0003] 在许多情况下，无线传感器网络中的节点需要知道自身的物理位置。不知道传感 器位置而感知的数据对于很多应用来说甚至没有意义。获得传感器节点位置至少有以下几 方面的用途：首先，节点所采集到的数据必须与测量坐标系内的位置结合，没有位置信息的 数据几乎没有利用价值；其次，传感器网络的一些系统功能，比如网络拓扑控制、基于地理 信息的路由等，需要位置信息，另外已知位置可优化网络运行期间的值守调度机制使网络 中冗余节点不定期地轮休以延长寿命。因此，传感器的定位是网络正常运行的最基本也是 最重要的条件。
[0004] 在现有技术中，GPS定位是非常成熟的技术。但是在传感器领域内，为传感器配置 GPS接收机是不可能的。除了成本因素外，还有传感器自身体积大小的限制，传感器所处的 位置无法收到卫星信号的限制。因此，现有的方法一般会在控制中心事先设定传感器的位 置，对于那些无法设定的位置的，或者是经常移动的传感器，则通过在控制中心根据无线传 感器的网络拓扑数据计算出该传感器的位置。
【发明内容】
[0005] 为解决无线传感器网络的传感器定位问题，本发明设计了一种定位方法：在特定 的区域内，随机分布着一定数量位置确定的无线传感器和一定数量待定位的无线传感器组 成的网络中，由待定位无线传感器自身发起定位请求，根据请求获得无线传感器拓扑关系 计算自身所处的地理位置。
[0006] 具体实现包括以下步骤：
[0007] 节点之间跳数关系的获取：对于所有节点，通过和周围节点之间的信息交换，来获 取节点之间的跳数关系，建立网络的跳数关系表，跳数关系是可以将散落的节点联系起来 的唯一的方法；
[0008] 节点的粗定位：利用跳数关系，采用DV-Hop算法进行节点的粗定位，在使用 DV-Hop算法时，利用全网平均每跳距代替最近信标节点的平均每跳距离，使未知节点与各 信标节点之间的估计距离更接近于它们之间的真实距离，从而使得提高算法的平均定位精 度；
[0009] 迭代求精：利用Aitken迭代公式，建立模型，对粗定位的结果进行循环求精，获 取更为精确的节点坐标，在求精的过程中，设定两种迭代终止的条件，一是达到最大迭代次 数，迭代终止；二是达到所需的迭代精度，迭代也终止，经过迭代，可以求得最接近于真实值 的未知节点的坐标。
[0010] 本发明的优点在于对于不同网络分布，适应性较强，定位精确、误差率稳定，有很 强的鲁棒性。
[0011] 具体来说：
[0012] 1.节点之间跳数关系的获取：
[0013] 跳数关系的获取可以通过如下方法获取：
[0014] 待定位的无线传感器在收到定位指令后向邻近无线传感器以广播方式发出定位 请求，接收到该请求的那些传感器会将请求转发，以至于全网的传感器都能得到该请求。为 了避免网络数据风暴，定位请求信息包含待定位无线传感器的编号和跳数，其中跳数初始 为〇。接收到该请求后的传感器按以下规则分析处理：该定位请求信息中的编号和其自身 的编号相同，则不做任何处理，否则将该定位信息中的跳数加1，然后将定位请求信息与定 位信息保存装置中的内容比较，如果定位信息保存装置中存在相应的定位请求传感器编号 并且其跳数比接收到的定位请求信息的跳数大，则将该定位请求信息保存在定位信息保存 装置中并向邻近无线传感器以广播方式转发该定位请求信息，否则不做任何处理。
[0015] 上述定位指令是由控制中心的电脑发出的指令，也可以是有无线传感器上定位请 求输入装置发出。该定位请求输入装置可以是装在无线传感器上的按钮。
[0016] 信标节点接收到该请求后除了向邻居节点转发定位请求信息外，还会广播式发送 位置信息包，该定位信息包括：无线传感器本身的编号和横纵坐标，跳数，其中跳数初始为 〇。接收到该位置信息的节点会将该跳数加1后转发。同样为了避免网络数据风暴和确定 各个信标节点之间的跳数关系，每个传感器保存该位置信息包，转发之前和保存在本地的 位置信息比较，如果接收到的位置信息中的跳数比本地保存的跳数小就转发并更新保存， 否则就忽略该位置信息包。
[0017] 由此每个信标节点都会得到网络中其他信标节点的位置信息以及自身和其他信 标节点之间的跳数关系。待定位节点也会收到网络中所有信标节点与其自身的跳数值和他 们的坐标。信标节点根据该跳数关系，利用下述公式计算每跳距离：
[0018]
[0019] 其中，xi、yi为自身的位置坐标；xj、yj其他信标节点坐标；hops为自身和其他信 标节点之间的跳数值。
[0020] 信标节点得到每跳距离后，将其自身的每跳距离在全网内广播，同样为了避免网 络数据风暴，广播该信息包的时候，信息包还包括了自身的编号和跳数，跳数的初始值为〇， 接收到该信息包的那些传感器会将信息包转发，转发规则如下：如果该信息包中的编号和 其自身的编号相同，则不做任何处理，否则将该信息包中的跳数加1，然后将该信息与保存 在本地的内容比较，如果该信息包存在并且其跳数比接收到的跳数大，则将该信息保存在 本地中并向邻近无线传感器以广播方式转发，否则不做任何处理。
[0021] 经过上述三种数据信息在全网的广播，最终待定位的无线传感器会接收到所有信 标节点算出的每跳距离以及他们的坐标和相对应的跳数。
[0022] 2.节点的粗定位
[0023] 通过上述的过程，待定位节点就能得到所有信标节点位置坐标，每跳距离以及所 有信标节点与待定位节点的跳数值。之后，可通过DV-Hop方法，进行粗定位。当待定位节点 得到上述所有信标节点的数据后，利用最小二乘法计算未知节点的坐标，可以给出方程：
[0024]
[0025] 其中η为信标节点的个数，经过变换可以得到：
[0026]
[0027] 可表示为方程：
[0028] AX = Β
[0029] 其中：
[0030]
[0031]
[0032] 上式中，X，y为待确定的坐标，xi，yi为保存在定位信息装置中，各位置确定的无 线传感器坐标；(11···(1η由每跳距离和跳数相乘得到的值；
[0033] 由此就可以得到待定位节点的坐标。
[0034] 上述方程中，根据传统方法，用于确定dl-dn的每跳距离，是各个信标节点跳数。 当节点之间的跳数增多时，算法不可避免地将本是折线的长度误当作两节点之间的直线距 离，随着跳数的增加，误差会越大。
[0035] 本方法优选全网平均每跳距cc代替最近信标节点的平均每跳距离Ci :
[0036] cc = Σ Ci/n
[0037] 这使得使未知节点与各信标节点之间的估计距离更接近于它们之间的真实距离， 从而使得提高算法的平均定位精度。
[0038] 3.迭代求精
[0039] 对于上一步得到的结果，可以建立如下的模型：
[0040]
[0041] η为节点总数，其中有m个信标节点（m < η)，设节点的通信半径为R，未知节点i 和信标节点j互为一跳邻居节点，即i和j之间的距离小于R。在建立模型时，我们要引入 测距，即测算出两个节点之间的距离。用lij表示节点i和其一跳邻居节点j之间的测距， 用dij表示节点i和j之间的估计距离，即由粗定位阶段得出的结果所算出的值。
[0042] 根据Aitken迭代公式：
[0047] 其中Xl为初次定位后得到的迭代的初值。之后，根据迭代公式的第二步，可得到 第一次迭代后的未知节点i的坐标的更新值为：
[0043]
[0044]
[0045]
[0046]
[0048]
[0049] 同理，可以求出y坐标的迭代公式。设定两种迭代终止的条件，一是达到最大迭代 次数，迭代终止；二是达到所需的迭代精度，迭代也终止。经过迭代，可以求得最接近于真实 值的未知节点的坐标。
【主权项】
1. 一种无线传感器网络节点定位方法，包括随机分布于一定区域内，由一定数量位置 确定的无线传感器和一定数量待定位的无线传感器组成的网络，其特征在于：其所述的定 位方法包含以下步骤：51. 待定位的无线传感器在接收到定位请求指令后，向其他无线传感器发出定位请求 信息；52. 各无线传感器对定位请求做出应答处理，通过相互之间确定的协议将信标节点的 跳数关系汇总到待定位的无线传感器上；53. 待定位的无线传感器根据步骤2得到的跳数关系确定定位。2. 根据权利要求1所述的无线传感器网络节点定位方法，其特征在于，所述步骤2的节 点跳数关系的获取采用的是距离矢量交换协议。3. 根据权利要求1所述的无线传感器网络节点定位方法，其特征在于，所述步骤3中的 确定定位的算法采用DV-Hop算法。4. 根据权利要求3所述的无线传感器网络节点定位方法，其特征在于，所述算法中的 每跳距是全网信标节点每跳距平均后得到的值。5. 根据上述任一项权利要求所述的无线传感器网络节点定位方法，其特征在于，对所 得到定位的结果进行循环迭代求精。6. 根据权利要求5所述的无线传感器网络节点定位方法，特征在于，循环迭代的算法 采用Aitken算法。7. 根据权利要求5所述的无线传感器网络节点定位方法，特征在于，循环迭代的次数 由事先设定。8. 根据权利要求5所述的无线传感器网络节点定位方法，特征在于，循环迭代的次数 由得到结果的精度确定。
【文档编号】H04W64/00GK105898859SQ201410782680
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年12月15日
【发明人】彭力
【申请人】江南大学