专利名称：混杂式传感器网络移动节点自适应定位方法
技术领域：
本发明涉及无线传感器网络定位和移动机器人领域，特别涉及一种混杂式传感器网络移动节点自适应定位方法。
背景技术：
混杂式传感器网络是在无线传感器网络的基础上增加了可控机动性的移动节点， 利用混杂式传感器网络移动性优势能够有效解决静态传感器网络难以处理的自部署、自修 复、自维护等需求。混杂式传感器网络中的移动节点在绝大多数的现实应用中一般借助各 种各样的移动机器人来实现。当某一区域发生突发事故时，需要移动节点前往执行监测任 务。特别地，在应对一些人不可达的危险紧急场合的现场环境监测(比如建筑物失火、核辐 射或有害化学品泄漏等)，移动节点可用于代替人进入事故现场进行监测。普通静态节点和 移动节点之间以无线链路进行通信，从而完成监测区域的主动式监测。因此，在混杂式传感 器网络中，如何确定事件发生的位置或获取消息的移动节点位置是至关重要的。由于混杂式传感器网络存在可控机动能力的移动节点的特性，现有静态传感器网 络基于RSSI (Received Signal Strength Indicator)定位算法无法直接应用到该网络 中。目前，已经提出了一些针对网络中节点移动的基于接收信号强度的定位算法，其中较 ^JHMW^lK"RADAR :An In-Building RF-based User Location and Tracking System" 公开的一种基于接收信号强度的确定建筑物楼层内节点位置的定位系统，其基本思想是在 Rayleigh衰减模型、Rician分布模型和地板衰减系数(Wall Attenuation Factor,FAF)模 型的基础上，提出一种墙壁衰减系数模型(Wall Attenuation Factor，WAF)，基站根据实际 接收到的信号强度，根据WAF模型计算出节点与移动基站之间的距离，然后采用三边测量 法计算节点位置。另外，已有的申请发明专利中，有黄刘生、徐宏力和吴俊敏等提出的“基于RSSI的 无线传感器网络定位方法”，其特点是以锚节点之间的距离和信号强度信息作为参考，对 移动节点和锚节点之间的RSSI值进行校验，来修正锚节点对未知节点位置的权重，得到节 点定位。张挺、张舒和任捷等提出的“基于RSSI的射频识别室内定位检测方法”。，其基本思 想是引入欧几里德距离度量获得某个待定标签的欧式距离向量，然后依据某个待定位标 签与离它位置最近的参考标签所计算得到的距离度量值将最小，从而获得待定位标签的若 干个近邻标签，并通过它们来实现对待定位标签的位置推断。上述文献和专利存在以下问题目前关于RSSI的定位算法主要集中在对无线信 号传播的衰减模型的分析、信号滤波及处理等方面。但在实际情况下，不同的监测环境或者 是同一环境的不同地点，信道受到多径衰减、视距或非视距障碍物阻挡等情况不同。因此， 在测试过程中如果不对无线信号传播的衰减模型进行不断修正的话，以前建立的模型可能 无法适应于整个环境下使用。并且，如果节点返回的RSSI值很小(比如节点之间相距较远 或受到障碍物等的影响)的情况下，此时数据传输时的丢包比较严重，同时数据波幅变化 较大。还有就是节点能量问题。节点能量过少时，不仅会造成其返回的RSSI值偏小和严重丢包，而且数据的波动也比较大。另外，在移动节点运动过程中，速度变化也会影响到RSSI 采集值的稳定性，移动节点在高速率运行过程中比低速率时受多路径衰减和建筑物反射影 响较大，或者是移动节点的变速阶段，都会出现较多的测量奇异值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种混杂式传感器网络移动节点自适应定位方法，在考虑 工程实际部署时的便捷性和可操作性的基础上，利用移动节点自部署或人为部署新节点的 方法对网络中无线信号传播的衰减模型进行在线修正，并且消除由于节点自身能量、数据 丢包、测量值偏小和测量奇异值等情况导致的定位误差，从而提高混杂式传感器网络中移 动节点的自适应定位能力，并且部署的新节点还能提高整个网络的鲁棒性和可靠性。一种混杂式传感器网络移动节点的自适应定位方法，包括如下步骤步骤S2-1，后台监测中心启动，完成后台监测中心与汇聚节点进行数据传输 时的端口配置和接收数据时间间隔配置，设定无线信号传播的衰减模型的参数η、ξ。、 RSSI (d0)且所述的η为路径衰减指数， 为标准偏差为。的正态随机变量，RSSI (d0) 为对应CKKdtl = 1米)处节点收到的RSSI值，根据无线信号传播的衰减模型公式
MS/WhMS^。)-10 lg(》-(，从而建立了初始的无线信号传播的衰减模型，后面操作只
要获得新的无线信号传播的衰减模型的参数，此无线信号传播的衰减模型将被自动刷新。步骤S2-2，汇聚节点启动，参与组网的普通静态节点和移动节点启动，普通静态 节点和移动节点自动申请加入到汇聚节点建立的ZigBee网络，所述的启动的普通静态节 点的位置信息可以由后台监测中心指定或者由普通静态节点自身获得并在其启动成功后 传输给后台监测中心再由后台监测中心保存，通过选定某个普通静态节点充当坐标系原点 (也可以选择汇聚节点)，然后以这个选定为坐标原点的普通静态节点的位置为基准，选择 某一个方向为χ轴方向，垂直于此Χ轴的某一个方向选定为y轴方向，这样就建立了一个 基于选定坐标原点的相对坐标系且所述的相对坐标系中任一普通静态节点都会有其唯一χ 坐标和y坐标。步骤S2-3，普通静态节点和移动节点监视空中载波信号，等待接收后台监测中心 通过汇聚节点发出的用户指令，所述用户指令包括部署指令、标定指令、定位指令及运行 控制指令，不同的用户指令通过设定不同的数据包格式来实现，如果后台监测中心发出的 是部署指令，则执行步骤S2-4 ；如果后台监测中心发出的是定位指令，则执行步骤S25 ；如 果后台监测中心发出的是运行控制指令，则执行步骤S2-6。步骤S2-4，通过移动节点自部署或人为部署的方式完成新节点的部署操作，节点 部署完成后，通过汇聚节点向后台监测中心发送部署成功指令，后台监测中心等待接收新 部署节点返回部署成功信息，部署成功信息通过新部署节点加入网络并且自动加入到移动 节点的嫡系子女序列中来表征，所述的嫡系子女节点为移动节点的一跳范围内的普通静态 节点。步骤S2-4-1，如果移动节点接收到后台监测中心通过汇聚节点发来的标定指令， 则移动节点以其当前位置为起始点，并根据标定指令的要求方向直线前进且依次经过的第 一、第二和第三标定点，所述的标定距离由标定指令提供且由移动节点的电机码盘检测功能来执行，然后后台监测中心通过汇聚节点分别接收新部署节点发来的移动节点位于不同 标定点时的RSSI数据且所述新部署节点发来的RSST数据是新部署节点与移动节点通信时 由新部署节点获得，每个标定点上连续测量M次，M > 3，后台监测中心分别将接收到的M次 RSSI数据进行中位值平均滤波，去掉1个最大值和1个最小值，然后计算M-2个数据的算术 平均值，这样在第一、第二和第三标定点上各获得一个RSSI数据，即RSSIp RSSI2和RSSI3, 后台监测中心根据RSSIp RSSI2和RSSI3且和标定指令里要求的三个标定距离dQ、χ、y，代
入公式=乙，计算出新的无线信号传播的衰减模型的参数η、ξ。，
且此处RSSI (Cltl) = RSSI1，进而确立了新的无线信号传播的衰减模型，从而对无线信号传播 的衰减模型进行了在线修正，修正后的模型将成为当前的无线信号传播的衰减模型，所述 第一标定点距起始点Cltl米、第二标定点距起始点χ米、第三标定点距起始点y米，且Cltl = 1 米，x，y e (1 10)米，Cltl，x，y称为标定距离；否贝U，返回步骤S2-3。步骤S2-5，如果移动节点接收到后台监测中心通过汇聚节点发来的定位指令，将 采用当前的无线信号传播的衰减模型对移动节点进行定位，所述的当前的无线信号传播的 衰减模型是指最近一次由步骤S2-4-1后生成的无线信号传播的衰减模型，如果系统启动 后，从没有执行步骤S2-4-1的话，那么所述的当前的无线信号传播的衰减模型即指步骤 S2-1中设定的初始无线信号传播的衰减模型。步骤S2-6，移动节点根据控制指令执行相应的运行操作，所述的运行控制指令主 要实现移动节点的前进、后退、左转和右转操作。步骤S2-5中的移动节点的定位采用如下方法步骤S2-5-1，后台监测中心置此时系统运行定位标志L，设定每一次定位操作时 连续获取RSSI数据的次数N、距离偏离因子Ad、能量阈值ΔΕ和RSSI阈值AR，后台监测 中心分别建立一级定位参考RSSI序列、二级定位参考RSSI序列和三级定位参考RSSI序列 且一级定位参考RSSI序列、二级定位参考RSSI序列和三级定位参考RSSI序列是指在后台 监测中心开辟三个地址无重叠的存储空间分别用来保存移动节点的嫡系子女节点的ID及 其数据，所述的一级定位参考RSSI序列用来保存移动节点的嫡系子女节点的ID、RSSI数据 和能量信息且每一个嫡系子女节点对应1个RSSI数据和1个能量数据，二级定位参考RSSI 序列用来保存移动节点的嫡系子女节点的ID和RSSI数据且每一个嫡系子女节点对应1个 RSSI数据，三级定位参考RSSI序列用来保存移动节点的嫡系子女节点的ID和RSSI数据且 每一个嫡系子女节点对应1个RSSI数据，后台监测中心通过汇聚节点接收嫡系子女节点发 来的移动节点处于当前待定位点处的RSSI数据和嫡系子女节点自身能量信息且所述嫡系 子女节点发来的移动节点处于当前待定位点处的RSSI数据是嫡系子女节点与移动节点通 信时由嫡系子女节点获得的，在此待定位点上连续测量N次，N > 3。步骤S2-5-2，后台监测中心分别将接收到的每一个嫡系子女的N次RSSI数据进行 中位值平均滤波，去掉1个最大值和1个最小值，然后计算N-2个数据的算术平均值，而对 应的每一个嫡系子女节点的N次能量信息采用算术平均的方法，直接求N次能量信息的算 术平均值，然后每个嫡系子女节点将其ID及其滤波后的RSSI数据和算术平均后的能量信 息依次放入后台监测中心的一级定位参考RSSI序列。步骤S2-5-3，后台监测中心根据一级定位参考RSSI序列中各个嫡系子女节点的能量信息来判断该嫡系子女节点及其对应的RSSI数据是否能放入二级定位参考RSSI序 列，能量信息超过设定能量阈值△ E的嫡系子女节点及其RSSI数据将被保存到二级定位参 考RSSI序列，能量阈值ΔΕ = IOOmW ；否则，能量状况不佳的嫡系子女节点及其RSSI数据 将被丢弃。步骤S2-5-4，后台监测中心分别将步骤S2-5-3中获 得的二级定位参考RSSI序列 中的嫡系子女节点的RSSI数据与设定的RSSI阈值AR进行比较，RSSI值超过设定阈值的 嫡系子女节点及其对应的RSSI数据入选三级定位参考RSSI序列，RSSI阈值AR = -80dBm ； 否则，该嫡系子女节点及其RSSI数据将会被丢弃。如果所述的三级定位参考RSSI序列少于3个嫡系子女节点，则提示定位失败，后 台监测中心清系统运行定位标志L，并清一、二、三级定位参考RSSI序列，重新发送定位指 令并执行步骤S2-5。步骤S2-5-5，经过步骤S2-52、步骤S2_5_3和步骤S2_5_4处理后，若此时三级 定位参考RSSI序列中存在j个嫡系子女节点，然后将三级定位参考RSSI序列中每个嫡
RSSI(d0)-RSSlp-(,
系子女节点的RSSI数据分别代入公式^ =10~^^这样就获得了根据无线信号传
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播的衰减模型处理得到的每个嫡系子女距离移动节点的距离屯、d2、…、Clj且此处公式中 1彡ρ彡j，RSSI (d0)、η、ξ 0是指最近一次由步骤S2-4-1后得到的RSSI1, η、ξ。，如果系 统启动后，从没有执行步骤S2-4-1的话，那么此处公式中RSSI (Cltl)、η、ξ。即指步骤S2_l 中后台监测中心初始设定的RSSI (dQ)、η、ξ 0。步骤S2-5-6，后台监测中心根据三级定位参考RSSI序列中任意选中k个嫡系子女 节点且共有C/种组合且3 < k < j，根据步骤S2-2中此k个嫡系子女节点的各自坐标(Xl， yi)、(x2，y2)、...、(xk，yk)且步骤S2-5-5中此k个嫡系子女节点分别对应的(^、屯、…、dK， 根据极大似然法，可求得坐标(X。，y。)且1<0<(^;重复执行步骤32-5-6，直至穷尽所有(/ 种组合，这样一共可以获得C/个新坐标(x。，y。)。步骤S2-5-7，后台监测中心根据步骤S2-5-6计算出来的坐标(x。，y。)且 l<c<C], 任选其中一个坐标，以这个坐标为顶点坐标，分别计算这个坐标与余下每一 个坐标之间距离的平方和，然后计算出这个距离的平方和的平方根，再将这个距离的平方 和的平方根除以(C/-1)得到Um且Um共有C/个选择；重复步骤S2-5-7，这样一共可以获得
Cjk个平方根Um BPi<w< Ckj，然后，后台监测中心将计算出的Um分别与设定的距离偏离因
子Δ d进行比较，如果Um < Δ d，那么此Um所对应的坐标将被保存且所述的Um所对应的坐 标为计算此Um时所对应的顶点坐标；如果Um > Δ d，那么此Um所对应的坐标将被丢弃，Δ d 的取值为2m。步骤S2-5-8，后台监测中心根据步骤S2-5-7最终保存下来的所有坐标进行重心 计算且所述的重心计算是计算最终保存下来的所有坐标的X坐标的算术平均值Xest和y坐 标的算术平均值Yest。步骤S2-5-9，后台监测中心以(Xest，Yest)作为移动节点的当前坐标，从而完成移动 节点的定位过程。与现有技术相比，本发明具有如下优点
本发明针对混杂式传感器网络提出了一种移动节点自适应区域定位算法。本发明 的要点是(1)针对环境状况自适应考虑工程实际部署时的便捷性和易操作性，利用混杂 式传感器网络中移动节点自部署或者人为部署的方式实现监测环境中无线信号传播的衰 减模型的在线修正，从而提高移动节点在不同监测环境下的定位精度。(2)针对节点自身状 况自适应消除由于节点接收信号强度较弱、节点能量缺乏时引起的测量值偏小和数据丢 包等带来的影响，同时剔除出由于障碍物等引起的巨大衰减通信链路上的嫡系子女节点参 与移动节点的定位计算。(3)新部署的节点增加了网络通信中节点路由通道的选择，从而提 高了整个混杂式传感器网络的鲁棒性和可靠性。
图1是本发明的混杂式传感器网络移动节点自适应定位方法的系统组成框图；图2是本发明的混杂式传感器网络移动节点自适应定位方法的系统总体工作流 程框图；图3是本发明的混杂式传感器网络移动节点自适应定位方法的标定过程流程图；图4是本发明的混杂式传感器网络移动节点自适应定位方法的定位算法模型。
具体实施例方式图1的混杂式传感器网络自适应定位方法，其系统主要包括以下几个部分普通静态节点1、移动节点2、汇聚节点3、后台监测中心4、障碍物5和目标点6，从而实现监测区 域7的混杂式传感器网络监测。普通静态节点1与移动节点2之间通过ZigBee网状网协议进行通信，向上为数据汇总的汇聚节点3。移动节点2与汇聚节点3不能建立直接通信 时，将采用其上完成注册的嫡系子女节点进行中继路由通信。后台监测中心4通过汇聚节 点3接收ZigBee网络传输的数据信息，并且通过汇聚节点3向移动节点2发送运行控制指 令。移动节点2单跳范围内的普通静态节点1称为该移动节点2的嫡系子女节点。图2的一种混杂式传感器网络自适应定位方法，其具体步骤如下步骤S2-1，后台监测中心4启动，完成后台监测中心4与汇聚节点3进行数据传输 时的端口配置、接收数据时间间隔配置和、无线信号传播的衰减模型初始参数的设定，选择 参与组网的普通静态节点1和移动节点2。步骤S2-2，汇聚节点3启动，参与组网的普通静态节点1和移动节点2启动，普通静态节点1和移动节点2自动申请加入到汇聚节点3建立的ZigBee网络。步骤S2-3，普通静态节点1和移动节点2监视空中载波信号，等待接收后台监测中心4通过汇聚节点3发出的用户指令。步骤S2-4，后台监测中心4向现场混杂式传感器网络发送节点部署指令，通过移动节点2自部署或人为部署的方式完成新节点的部署操作，节点部署完成后，通过汇聚节 点3向后台监测中心4发送部署成功指令，完成其在移动节点2的嫡系子女节点列表的更新。步骤S2-4-1，如果移动节点2接收到后台监测中心4通过汇聚节点3发来的标定指令，则对无线信号传播的衰减模型进行在线修正，修正后的模型将成为当前的无线信号 传播的衰减模型。
步骤S2-5，如果移动节点2接收到后台监测中心4通过汇聚节点3发来的定位指 令，将采用当前的无线信号传播的衰减模型对移动节点2进行定位。所述的当前的无线信 号传播的衰减模型是指最近一次由步骤S2-4-1后生成的无线信号传播的衰减模型，如果 系统启动后，从没有执行步骤S2-4-1的话，那么所述的当前的无线信号传播的衰减模型即 指步骤S2-1中设定的初始无线信号传播的衰减模型。步骤S2-6，移动节点2根据控制指令执行前进、后退、左转和右转操作。图3的一种混杂式传感器网络自适应定位方法的标定过程，其具体步骤如下步骤S3-1，后台监测中心4启动。汇聚节点3启动。普通静态节点1和移动节点 2启动，现场混杂式传感器网络节点之间自组网并以ZigBee网状网路由协议进行通信。步骤S3-2，移动节点2以其当前位置为起始点，并根据标定指令的要求方向直线 前进且依次经过的第一、第二和第三标定点，所述的标定距离由标定指令提供且由移动节 点2的电机码盘检测功能来执行，然后后台监测中心4通过汇聚节点3分别接收新部署节 点发来的移动节点2位于不同标定点时的RSSI数据且所述新部署节点发来的RSSI数据是 新部署节点与移动节点(2)通信时由新部署节点获得，每个标定点上连续测量M次，M >3。 所述第一标定点距起始点Cltl米、第二标定点距起始点χ米、第三标定点距起始点y米，且dQ =1米，X，y e (1 10)米，d0, χ，y称为标定距离。步骤S3-3，后台监测中心4通过汇聚节点3分别接收新部署节点发来的移动节点 2位于不同标定点时的M次RSSI数据，去掉1个最大值和1个最小值，然后计算M-2个数据 的算术平均值，这样在第一、第二和第三标定点上各获得一个RSSI数据，即RSSIp RSSI2和 RSSI30步骤S3-4，后台监测中心4根据RSSIi、RSSI2和RSSI3且和标定指令里要求的三个 标定距离屯、X、y,代X公式RSSI(Cf) = RSSI(d。)-lQn赋，计算出新的无线信号传播的衰
减模型的参数η、ξ。，且此处RSSI (Cltl) =RSSI1，进而确立了新的无线信号传播的衰减模型， 从而对无线信号传播的衰减模型进行了在线修正，修正后的模型将成为当前的无线信号传 播的衰减模型。图4的一种混杂式传感器网络自适应定位方法的定位算法模型，其工作步骤如 下步骤S2-5-1，后台监测中心4置此时系统运行定位标志L，设定每一次定位操作时 连续获取RSSI数据的次数N、距离偏离因子Ad、能量阈值ΔΕ和RSSI阈值AR，后台监测 中心4分别建立一级定位参考RSSI序列、二级定位参考RSSI序列和三级定位参考RSSI序 列且一级定位参考RSSI序列、二级定位参考RSSI序列和三级定位参考RSSI序列是指在后 台监测中心4开辟三个地址无重叠的存储空间分别用来保存移动节点2的嫡系子女节点的 ID及其数据，所述的一级定位参考RSSI序列用来保存移动节点2的嫡系子女节点的ID、 RSSI数据和能量信息且每一个嫡系子女节点对应1个RSSI数据和1个能量数据，二级定位 参考RSSI序列用来保存移动节点2的嫡系子女节点的ID和RSSI数据且每一个嫡系子女节点对应1个RSSI数据，三级定位参考RSSI序列用来保存移动节点2的嫡系子女节点的 ID和RSSI数据且每一个嫡系子女节点对应1个RSSI数据，后台监测中心4通过汇聚节点 3接收嫡系子女节点发来的移动节点2处于当前待定位点处的RSSI数据和嫡系子女节点自身能量信息且所述嫡系子女节点发来的移动节点2处于当前待定位点处的RSSI数据是 嫡系子女节点与移动节点2通信时由嫡系子女节点获得的，在此待定位点上连续测量N次， N彡3。步骤S2-5-2，后台监测中心4分别将接收到的每一个嫡系子女的N次RSSI数据进行中位值平均滤波，去掉1个最大值和1个最小值，然后计算N-2个数据的算术平均值，而 对应的每一个嫡系子女节点的N次能量信息采用算术平均的方法，直接求N次能量信息的 算术平均值，然后每个嫡系子女节点将其ID及其滤波后的RSSI数据和算术平均后的能量 信息依次放入后台监测中心4的一级定位参考RSSI序列。步骤S2-5-3，后台监测中心4根据一级定位参考RSSI序列中各个嫡系子女节点 的能量信息来判断该嫡系子女节点及其对应的RSSI数据是否能放入二级定位参考RSSI序 列，能量信息超过设定能量阈值△ E的嫡系子女节点及其RSSI数据将被保存到二级定位参 考RSSI序列，能量阈值ΔΕ= IOOmW ；否则，能量状况不佳的嫡系子女节点及其RSSI数据 将被丢弃。步骤S2-5-4，后台监测中心4分别将步骤S2_5_3中获得的二级定位参考RSSI 序列中的嫡系子女节点的RSSI数据与设定的RSSI阈值AR进行比较，RSSI值超过设定 阈值的嫡系子女节点及其对应的RSSI数据入选三级定位参考RSSI序列，RSSI阈值AR =-SOdBm ；否则，该嫡系子女节点及其RSSI数据将会被丢弃。如果所述的三级定位参考RSSI序列少于3个嫡系子女节点，则提示定位失败，后 台监测中心4清系统运行定位标志L，并清一、二、三级定位参考RSSI序列，重新发送定位指 令并执行步骤S2-5。步骤S255，经过步骤S2-5-2、步骤S25-3和步骤S2_5_4处理后，若此时三级定 位参考RSSI序列中存在j个嫡系子女节点，然后将三级定位参考RSSI序列中每个嫡系
RSSI(Jq)-RSSIi,^
子女节点的RSSI数据分别代入公式+ =1o^-^，这样就获得了根据无线信号传播
的衰减模型处理得到的每个嫡系子女距离移动节点2的距离屯、d2、…、dj且此处公式中 1彡ρ彡j，RSSI (d0)、η、ξ 0是指最近一次由步骤S2-4-1后得到的RSSI1, η、ξ。，如果系 统启动后，从没有执行步骤S2-4-1的话，那么此处公式中RSSI (Cltl)、η、ξ。即指步骤S2_l 中后台监测中心4初始设定的RSSI (d0)、η、ξ 0。步骤S25-6，后台监测中心4根据三级定位参考RSSI序列中任意选中k个嫡系子 女节点且共有C/种组合且3 < k < j，根据步骤S2-2中此k个嫡系子女节点的各自坐标 (χι;γ1)>(χ2 2)> ...、(xk，yk)且步骤S2-5-5中此k个嫡系子女节点分别对应的屯、^、…、 dK，根据极大似然法，可求得坐标(X。，yc)且1<0<(^;重复执行步骤32-5-6，直至穷尽所 有C^k种组合，这样一共可以获得C/个新坐标(χ。，yc)。步骤S2-5-7，后台监测中心4根据步骤S2_5_6计算出来的坐标(x。，yc)且 Cki，任选其中一个坐标，以这个坐标为顶点坐标，分别计算这个坐标与余下每一个坐
标之间距离的平方和，然后计算出这个距离的平方和的平方根，再将这个距离的平方和的 平方根除以(C/-1)得到Um且Um共有C/个选择；重复步骤S2-5-7，这样一共可以获得C/ 个平方根UjpKmSC^，然后，后台监测中心4将计算出的Um分别与设定的距离偏离因子 Δ d进行比较，如果Um < Δ d，那么此Um所对应的坐标将被保存且所述的Um所对应的坐标为计算此Um时所对应的顶点坐标；如果Um > Δ d，那么此Um所对应的坐标将被丢弃，Δ d的取值为2m。步骤S2-5-8，后台监测中心4根据步骤S2-5-7最终保存下来的所有坐标进行重心 计算且所述的重心计算是计算最终保存下来的所有坐标的χ坐标的算术平均值Xest和y坐 标的算术平均值Yest。步骤S2-5-9，后台监测中心4以(Xest，Yest)作为移动节点2的当前坐标，从而完成 移动节点2的定位过程。—种混杂式传感器网络移动节点自适应定位方法，其系统中移动节点2的车体驱 动单元同时支持车体运动控制和电机码盘检测功能。移动节点2在后台监测中心4的控制 操作下向目标点6靠近。移动节点2处于较低速率下的勻速运行，尽量避免加速或减速运动。一种混杂式传感器网络移动节点自适应定位方法，系统中普通静态节点1的位置 信息可以由后台监测中心4指定或者由普通静态节点1自身获得并在其启动成功后传输给 后台监测中心4再由后台监测中心4保存，通过选定某个普通静态节点1充当坐标系原点 (也可以选择汇聚节点3)，然后以这个选定为坐标原点的普通静态节点1的位置为基准，选 择某一个方向为χ轴方向，垂直于此χ轴的某一个方向选定为y轴方向，这样就建立了一个 基于选定坐标原点的相对坐标系且所述的相对坐标系中任一普通静态节点1都会有其唯 一 χ坐标和y坐标。一种混杂式传感器网络移动节点自适应定位方法，针对移动节点2的定位过程主 要分成三个阶段节点部署、标定和实时定位，其中，L指系统运行定位标志，N指每一次定 位操作时连续获取RSSI数据的次数，Ad指距离偏离因子，ΔE指能量阈值，AR指RSSI阈 值，这些参数的设置通过每一次执行定位操作时由后台监测中心4指定。1、节点部署移动节点2接收到后台监测中心4通过汇聚节点3发来的节点部署指令后，通过 移动节点2自部署或人为部署的方式，在移动节点2当前位置处部署新节点。移动节点2 自行部署方式或者人为部署方式通过后台监测中心4进行设定。新部署的节点可以是普通 静态节点1，也可以是移动节点2。如果新部署节点是移动节点2，那么标定阶段新部署的移 动节点必须处于静态。新节点部署成功后，将自动加入到当前的ZigBee网络，并且自动通 过汇聚节点3向后台监测中心4发送部署成功信息，根据ZigBee组网协议设定的LQI (Link Quality Indicator)优先的原则，该新部署节点的ID将自动更新到移动节点2的嫡系子女 节点列表中。2、标定移动节点2以其当前自身位置为起始点，并根据标定指令的要求方向直线前进且 依次经过三个标定点dQ、χ、y且dQ = 1米，χ，y e (1 10)米，后台监测中心4通过汇聚 节点3分别接收新部署节点发来的移动节点2位于不同标定点时的RSSI数据且所述新部 署节点发来的RSSI数据是新部署节点与移动节点2通信时由新部署节点获得，每个标定点 上连续测量M次，M > 3，后台监测中心4分别将接收到的M次RSSI数据进行中位值平均滤 波，去掉1个最大值和1个最小值，然后计算M-2个数据的算术平均值，由三个标定距离以及移动节点2在各个标定点处返回的RSSI值，根据公式〃％/(力=/ ^。)-lWlg(f)-乙，计
算出新的无线信号传播的衰减模型的参数η、ξ。，从而对无线信号传播的衰减模型进行了 在线修正，修正后的模型将成为当前的无线信号传播的衰减模型，即完成了当前环境下的 无线信号传播的衰减模型的标定操作。3、实时定位标定阶段执行完成后，下面即可采用最新一次标定过程建立的无线信号传播的衰 减模型实现对移动节点2的定位。如果系统启动后，从没有执行标定的话，那么定位操作时 将使用后台监测中心4启动时设置的初始无线信号传播的衰减模型。后台监测中心4建立 一级定位参考RSSI序列、二级定位参考RSSI序列和三级定位参考RSSI序列。移动节点2 在定位过程中采取较低的勻速运行，或者采取每次保持静止后再进行定位的方式以获得稳 定的RSSI值，进而提高移动节点2的定位精度。后台监测中心4通过汇聚节点3接收嫡系 子女节点发来的移动节点2处于当前待定位点处的RSSI数据和嫡系子女节点自身能量信 息且所述嫡系子女节点发来的移动节点2处于当前待定位点处的RSSI数据是嫡系子女节 点与移动节点2通信时由嫡系子女节点获得的，在此待定位点上连续测量N次，N > 3。后台监测中心4分别将接收到的每一个嫡系子女的N次RSSI数据进行中位值平 均滤波，去掉1个最大值和1个最小值，然后计算Ν-2个数据的算术平均值，而对应的每一 个嫡系子女节点的N次能量信息采用算术平均的方法，直接求N次能量信息的算术平均值， 然后每个嫡系子女节点将其ID及其滤波后的RSSI数据和算术平均后的能量信息依次放入 后台监测中心4的一级定位参考RSSI序列。后台监测中心4根据一级定位参考RSSI序列中各个嫡系子女节点的能量信息来 判断该嫡系子女节点及其对应的RSSI数据是否能放入二级定位参考RSSI序列，能量信息 超过设定能量阈值ΔΕ的嫡系子女节点及其RSSI数据将被保存到二级定位参考RSSI序 列；否则，能量状况不佳的嫡系子女节点及其RSSI数据将被丢弃。后台监测中心4分别将二级定位参考RSSI序列中的嫡系子女节点的RSSI数据与 设定的RSSI阈值AR进行比较，RSSI值超过设定阈值的嫡系子女节点及其对应的RSSI数 据入选三级定位参考RSSI序列；否则，该嫡系子女节点及其RSSI数据将会被丢弃。经过上述处理，假定此时三级定位参考RSSI序列中有j个嫡系子女节点，后面再 根据下述步骤处理；否则，后台监测中心4提示定位失败，清系统运行定位标志L，并清一 级、二级、三级定位参考RSSI序列，重新发送定位指令并进入实时定位阶段。(1)将三级定位参考RSSI序列中每个嫡系子女节点的RSSI数据分别代入公式 (1)，这样就获得了根据无线信号传播的衰减模型处理得到的每个嫡系子女距离移动节点2 的距离(^、屯、…、Clj且此处公式中1彡ρ彡j, RSSI (d0), η, ξ。是指最近一次标定操作获 得，如果系统启动后，从没有执行标定操作的话，那么此处公式中RSSI (Cltl)、η、ξ。即指系统 启动时由后台监测中心4初始设定值。
RSSI(d0)~RSSIp-(a<formula>formula see original document page 13</formula>后台监测中心4从三级定位参考RSSI序列中任意选中k个嫡系子女节点且共有 C/种组合且3彡k彡j，根据此k个嫡系子女节点的各自坐标(Xl，yi)、(x2, y2)、…、(xk,yk)，根据极大似然法可求得坐标(χ。，yc)且1 < c左C；；直至穷尽所有C/种组合，这样一共可 以获得C/个新坐标(χ。，y。)，极大似然法主要是通过公式(2)来获得定位坐标的最小均方 差意义上的估计值。
<formula>formula see original document page 14</formula>(2)后台监测中心4根据步骤⑴计算出来的坐标(x。，y。)且1 < c < Cji，任选其中 一个坐标，以这个坐标为顶点坐标，根据公式(3)分别进行下面计算，首先计算这个坐标与 余下每一个坐标之间距离的平方和，然后计算出这个距离的平方和的平方根，再将这个距 离的平方和的平方根除以(C/-1)得到Um且Um共有C/个选择；重复步骤(2)，这样一共可 以获得C/个平方根Um BP1< <Ckj。后台监测中心4将计算出的Um分别与设定的距离偏离 因子Δ d进行比较，如果UmS Δ d，那么此Um所对应的坐标将被保存且所述的Um所对应的 坐标为计算此Um时所对应的顶点坐标，从而剔除由于障碍物等因素引起的巨大衰减通信链 路上的嫡系子女节点参与移动节点的定位计算；如果Um > Δ d，那么此Um所对应的坐标将 被丢弃。
<formula>formula see original document page 14</formula>(3)(3)如果根据步骤(3)处理后后台监测中心4最终保存下来h个坐标，然后采用公 式(4)进行重心计算且1 < t < h，计算最终保存下来的h个坐标的χ坐标的算术平均值 Xest和ι坐标的算术平均值Yest。<formula>formula see original document page 14</formula>⑷最后，后台监测中心4以(Xest，Yest)作为移动节点2的当前坐标，从而完成移动节 点2的定位过程。
权利要求
一种混杂式传感器网络移动节点自适应定位方法，其特征在于，包括如下步骤步骤S2-1，后台监测中心(4)启动，完成后台监测中心(4)与汇聚节点(3)进行数据传输时的端口配置和接收数据时间间隔配置，设定无线信号传播的衰减模型的参数n、ξσ、RSSI(d0)且所述的n为路径衰减指数，ξσ为标准偏差为σ的正态随机变量，RSSI(d0)为对应d0(d0＝1米)处节点收到的RSSI值，根据无线信号传播的衰减模型公式 <mrow><mi>RSSI</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>d</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>RSSI</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>d</mi><mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mn>10</mn><mi>nlg</mi><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mi>d</mi><msub> <mi>d</mi> <mn>0</mn></msub> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub> <mi>ξ</mi> <mi>σ</mi></msub><mo>,</mo> </mrow>从而建立了初始的无线信号传播的衰减模型，后面操作只要获得新的无线信号传播的衰减模型的参数，此无线信号传播的衰减模型将被自动刷新，步骤S2-2，汇聚节点(3)启动，参与组网的普通静态节点(1)和移动节点(2)启动，普通静态节点(1)和移动节点(2)自动申请加入到汇聚节点(3)建立的ZigBee网络，所述的启动的普通静态节点(1)的位置信息可以由后台监测中心(4)指定或者由普通静态节点(1)自身获得并在其启动成功后传输给后台监测中心(4)再由后台监测中心(4)保存，通过选定某个普通静态节点(1)充当坐标系原点(也可以选择汇聚节点(3))，然后以这个选定为坐标原点的普通静态节点(1)的位置为基准，选择某一个方向为x轴方向，垂直于此x轴的某一个方向选定为y轴方向，这样就建立了一个基于选定坐标原点的相对坐标系且所述的相对坐标系中任一普通静态节点(1)都会有其唯一x坐标和y坐标，步骤S2-3，普通静态节点(1)和移动节点(2)监视空中载波信号，等待接收后台监测中心(4)通过汇聚节点(3)发出的用户指令，所述用户指令包括部署指令、标定指令、定位指令及运行控制指令，不同的用户指令通过设定不同的数据包格式来实现，如果后台监测中心(4)发出的是部署指令，则执行步骤S2-4；如果后台监测中心(4)发出的是定位指令，则执行步骤S2-5；如果后台监测中心(4)发出的是运行控制指令，则执行步骤S2-6；步骤S2-4，通过移动节点(2)自部署或人为部署的方式完成新节点的部署操作，节点部署完成后，通过汇聚节点(3)向后台监测中心(4)发送部署成功指令，后台监测中心(4)等待接收新部署节点返回部署成功信息，部署成功信息通过新部署节点加入网络并且自动加入到移动节点(2)的嫡系子女序列中来表征，所述的嫡系子女节点为移动节点(2)的一跳范围内的普通静态节点(1)，步骤S2-4-1，如果移动节点(2)接收到后台监测中心(4)通过汇聚节点(3)发来的标定指令，则移动节点(2)以其当前位置为起始点，并根据标定指令的要求方向直线前进且依次经过的第一、第二和第三标定点，所述的标定距离由标定指令提供且由移动节点(2)的电机码盘检测功能来执行，然后后台监测中心(4)通过汇聚节点(3)分别接收新部署节点发来的移动节点(2)位于不同标定点时的RSSI数据且所述新部署节点发来的RSSI数据是新部署节点与移动节点(2)通信时由新部署节点获得，每个标定点上连续测量M次，M≥3，后台监测中心(4)分别将接收到的M次RSSI数据进行中位值平均滤波，去掉1个最大值和1个最小值，然后计算M-2个数据的算术平均值，这样在第一、第二和第三标定点上各获得一个RSSI数据，即RSSI1、RSSI2和RSSI3，后台监测中心(4)根据RSSI1、RSSI2和RSSI3且和标定指令里要求的三个标定距离d0、x、y，代入公式 <mrow><mi>RSSI</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>d</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>RSSI</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>d</mi><mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mn>10</mn><mi>nlg</mi><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mi>d</mi><msub> <mi>d</mi> <mn>0</mn></msub> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub> <mi>ξ</mi> <mi>σ</mi></msub><mo>,</mo> </mrow>计算出新的无线信号传播的衰减模型的参数n、ξσ，且此处RSSI(d0)＝RSSI1，进而确立了新的无线信号传播的衰减模型，从而对无线信号传播的衰减模型进行了在线修正，修正后的模型将成为当前的无线信号传播的衰减模型，所述第一标定点距起始点d0米、第二标定点距起始点x米、第三标定点距起始点y米，且d0＝1米，x，y∈(1～10)米，d0，x，y称为标定距离；否则，返回步骤S2-3，步骤S2-5，如果移动节点(2)接收到后台监测中心(4)通过汇聚节点(3)发来的定位指令，将采用当前的无线信号传播的衰减模型对移动节点(2)进行定位，所述的当前的无线信号传播的衰减模型是指最近一次由步骤S2-4-1后生成的无线信号传播的衰减模型，如果系统启动后，从没有执行步骤S2-4-1的话，那么所述的当前的无线信号传播的衰减模型即指步骤S2-1中设定的初始无线信号传播的衰减模型，步骤S2-6，移动节点(2)根据控制指令执行相应的运行操作，所述的运行控制指令主要实现移动节点(2)的前进、后退、左转和右转操作。步骤S2-5中的移动节点(2)的定位采用如下方法步骤S2-5-1，后台监测中心(4)置此时系统运行定位标志L，设定每一次定位操作时连续获取RSSI数据的次数N、距离偏离因子Δd、能量阈值ΔE和RSSI阈值ΔR，后台监测中心(4)分别建立一级定位参考RSSI序列、二级定位参考RSSI序列和三级定位参考RSSI序列且一级定位参考RSSI序列、二级定位参考RSSI序列和三级定位参考RSSI序列是指在后台监测中心(4)开辟三个地址无重叠的存储空间分别用来保存移动节点(2)的嫡系子女节点的ID及其数据，所述的一级定位参考RSSI序列用来保存移动节点(2)的嫡系子女节点的ID、RSSI数据和能量信息且每一个嫡系子女节点对应1个RSSI数据和1个能量数据，二级定位参考RSSI序列用来保存移动节点(2)的嫡系子女节点的ID和RSSI数据且每一个嫡系子女节点对应1个RSSI数据，三级定位参考RSSI序列用来保存移动节点(2)的嫡系子女节点的ID和RSSI数据且每一个嫡系子女节点对应1个RSSI数据，后台监测中心(4)通过汇聚节点(3)接收嫡系子女节点发来的移动节点(2)处于当前待定位点处的RSSI数据和嫡系子女节点自身能量信息且所述嫡系子女节点发来的移动节点(2)处于当前待定位点处的RSSI数据是嫡系子女节点与移动节点(2)通信时由嫡系子女节点获得的，在此待定位点上连续测量N次，N≥3，步骤S2-5-2，后台监测中心(4)分别将接收到的每一个嫡系子女的N次RSSI数据进行中位值平均滤波，去掉1个最大值和1个最小值，然后计算N-2个数据的算术平均值，而对应的每一个嫡系子女节点的N次能量信息采用算术平均的方法，直接求N次能量信息的算术平均值，然后每个嫡系子女节点将其ID及其滤波后的RSSI数据和算术平均后的能量信息依次放入后台监测中心(4)的一级定位参考RSSI序列，步骤S2-5-3，后台监测中心(4)根据一级定位参考RSSI序列中各个嫡系子女节点的能量信息来判断该嫡系子女节点及其对应的RSSI数据是否能放入二级定位参考RSSI序列，能量信息超过设定能量阈值ΔE的嫡系子女节点及其RSSI数据将被保存到二级定位参考RSSI序列，能量阈值ΔE＝100mW；否则，能量状况不佳的嫡系子女节点及其RSSI数据将被丢弃，步骤S2-5-4，后台监测中心(4)分别将步骤S2-5-3中获得的二级定位参考RSSI序列中的嫡系子女节点的RSSI数据与设定的RSSI阈值ΔR进行比较，RSSI值超过设定阈值的嫡系子女节点及其对应的RSSI数据入选三级定位参考RSSI序列，RSSI阈值ΔR＝-80dBm；否则，该嫡系子女节点及其RSSI数据将会被丢弃，如果所述的三级定位参考RSSI序列少于3个嫡系子女节点，则提示定位失败，后台监测中心(4)清系统运行定位标志L，并清一、二、三级定位参考RSSI序列，重新发送定位指令并执行步骤S2-5，步骤S2-5-5，经过步骤S2-5-2、步骤S2-5-3和步骤S2-5-4处理后，若此时三级定位参考RSSI序列中存在j个嫡系子女节点，然后将三级定位参考RSSI序列中每个嫡系子女节点的RSSI数据分别代入公式 <mrow><msub> <mi>d</mi> <mi>p</mi></msub><mo>=</mo><mn>10</mn><mfrac> <mrow><mi>RSSI</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>d</mi><mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub> <mi>RSSI</mi> <mi>p</mi></msub><mo>-</mo><msub> <mi>ξ</mi> <mi>σ</mi></msub> </mrow> <mrow><mn>10</mn><mi>n</mi> </mrow></mfrac><mo>,</mo> </mrow>这样就获得了根据无线信号传播的衰减模型处理得到的每个嫡系子女距离移动节点(2)的距离d1、d2、…、dj且此处公式中1≤p≤j，RSSI(d0)、n、ξσ是指最近一次由步骤S2-4-1后得到的RSSI1、n、ξσ，如果系统启动后，从没有执行步骤S2-4-1的话，那么此处公式中RSSI(d0)、n、ξσ即指步骤S2-1中后台监测中心(4)初始设定的RSSI(d0)、n、ξσ，步骤S2-5-6，后台监测中心(4)根据三级定位参考RSSI序列中任意选中k个嫡系子女节点且共有Cjk种组合且3≤k≤j，根据步骤S2-2中此k个嫡系子女节点的各自坐标(x1，y1)、(x2，y2)、…、(xk，yk)且步骤S2-5-5中此k个嫡系子女节点分别对应的d1、d2、…、dk，根据极大似然法，可求得坐标(xc，yc)且 <mrow><mn>1</mn><mo>≤</mo><mi>c</mi><mo>≤</mo><msubsup> <mi>C</mi> <mi>j</mi> <mi>k</mi></msubsup><mo>;</mo> </mrow>重复执行步骤S2-5-6，直至穷尽所有Cqk种组合，这样一共可以获得Cjk个新坐标(xc，yc)，步骤S2-5-7，后台监测中心(4)根据步骤S2-5-6计算出来的坐标(xc，yc)且 <mrow><mn>1</mn><mo>≤</mo><mi>c</mi><mo>≤</mo><msubsup> <mi>C</mi> <mi>j</mi> <mi>k</mi></msubsup><mo>,</mo> </mrow>任选其中一个坐标，以这个坐标为顶点坐标，分别计算这个坐标与余下每一个坐标之间距离的平方和，然后计算出这个距离的平方和的平方根，再将这个距离的平方和的平方根除以(Cjk-1)得到Um且Um共有Cjk个选择；重复步骤S2-5-7，这样一共可以获得Cjk个平方根Um即 <mrow><mn>1</mn><mo>≤</mo><mi>m</mi><mo>≤</mo><msubsup> <mi>C</mi> <mi>j</mi> <mi>k</mi></msubsup><mo>,</mo> </mrow>然后，后台监测中心(4)将计算出的Um分别与设定的距离偏离因子Δd进行比较，如果Um≤Δd，那么此Um所对应的坐标将被保存且所述的Um所对应的坐标为计算此Um时所对应的顶点坐标；如果Um＞Δd，那么此Um所对应的坐标将被丢弃，Δd的取值为2m，步骤S2-5-8，后台监测中心(4)根据步骤S2-5-7最终保存下来的所有坐标进行重心计算且所述的重心计算是计算最终保存下来的所有坐标的x坐标的算术平均值Xest和y坐标的算术平均值Yest，步骤S2-5-9，后台监测中心(4)以(Xest，Yest)作为移动节点(2)的当前坐标，从而完成移动节点(2)的定位过程。
全文摘要
一种混杂式传感器网络移动节点自适应定位方法，该系统主要包括多个普通静态节点、移动节点、汇聚节点和后台监测中心，普通静态节点与移动节点之间以ZigBee网状网协议进行通信，针对移动节点的定位过程主要分成三个阶段节点部署、标定和实时定位，该方法的特点在于利用移动节点自部署或人为部署新节点的方法对现场监测环境中无线信号传播的衰减模型进行在线修正，消除由于节点自身能量、数据丢包、测量RSSI值偏小等情况导致的定位误差，同时剔除出由于障碍物等引起的巨大衰减通信链路上的嫡系子女节点参与移动节点的定位计算，从而提高混杂式传感器网络移动节点的自适应定位能力和定位精度，并且部署的新节点能提高整个网络的鲁棒性和可靠性。
文档编号H04W24/02GK101801012SQ20101010359
公开日2010年8月11日 申请日期2010年1月29日 优先权日2010年1月29日
发明者丁飞, 宋光明, 宋爱国, 李建清 申请人:东南大学