CN100424521C - 无线传感器网络三角滤波凸规划定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无线传感器网络三角滤波凸规划定位方法，包括：锚节点广播发送包含自身位置的信息；未知节点接收锚节点发送的信息；未知节点接收到两个以上锚节点的信息时，计算以接收到的每个锚节点为圆心，通信半径为半径的圆的相交区域；根据未知节点是否在接收到的锚节点组成的三角形内和所述的圆的相交区域对未知节点进行位置定位。本发明在凸规划定位方法的基础上引入了锚节点构成的三角形，进一步滤掉未知节点不可能存在的区域，缩小了未知节点可能存在的范围，从而大大提高定位精度，可有效解决原有凸规划方法定位误差大、精度低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线通信领域的定位方法，尤其涉及一种无线传感器网络三角滤波凸规划定位方法.
背景技术
近年来，随着微机电系统(micro-electro-mechanism system，简称MEMS)、集成电路、无线通信、传感器和数字电子等技术的发展，生产低成本、低功耗、多功能的微型无线传感器成为可能，无线传感器具有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能。
无线传感器网络(wireless sensor network，简称WSN)是通过设置大量无线传感器到目标区域从而组成的网络结构，每个无线传感器称为WSN中的一个节点。WSN的节点可以特定地设置或者随机分布在目标区域中，例如：一些人类不适合进入的区域或者敌对区域，这些区域一般是通过飞行器抛撒无线传感器，因此每个无线传感器节点的位置都是随机并且未知的。许多应用中，无线传感器节点所采集到的数据必须结合其在测量坐标系内的位置信息才有意义，如果不知道数据所对应的地理位置，数据就会失去意义。因此，节点准确地进行自身定位是WSN应用的重要条件，并且WSN节点自身的定位还可以在外部目标的定位和追踪以及提高路由效率等方面发挥作用。因此，实现节点的自身定位对WSN具有重要的意义。
获得节点自身定位信息可以利用全球定位系统(Global PositionSystem，简称GPS)来实现。但是，为所有节点安装GPS接收器受到价格、体积、功耗以及可扩展性等因素限制，存在着一些困难，甚至在某些场合无法实现。因此，需要一种实现WSN节点自身定位的方法，利用传感器网络中少量已知位置的节点来获得其他未知位置的节点的位置信息。现有技术中，将已知位置的节点称作锚节点；未知位置的节点称作未知节点；锚节点能通信的最远距离称为通信半径。锚节点根据自身位置建立本地坐标系，未知节点根据锚节点计算出自己在锚节点本地坐标系里的相对位置，从而可以获知其位置信息。
现有无线传感器网络节点自身定位方法主要有两种：基于测距技术的定位方法和无需测距的定位方法。基于测距技术的定位方法通过测量节点间点到点的距离或角度信息计算出节点位置，这种方法的精度较高，但是对网络的硬件设施也要求较高，并且基于测距技术的定位通常需要多次测量、循环求精，在获得相对精确的定位结果的同时会产生大量计算和通信开销，所以，这种方法虽然在定位精度较高，但不适用于低功耗、低成本的应用领域。无需测距的定位方法无需距离和角度信息，仅根据网络连通性等信息即可实现节点的定位。
无需测距的定位方法在成本、功耗等方面具有很大的优势，可以应用于大多数领域，无需测距的定位方法中有一种为凸规划定位方法，主要是根据未知节点与锚节点之间的通信连接和节点的无线射程，计算出未知节点可能存在的区域，如图3所示，未知节点在以锚节点A0、A1、A2组成的通信半径的圆内，即相交区域D1，则以相交区域的最小矩形的质心作为未知节点的位置，凸规划定位方法以未知节点可能存在区域的最小矩形的质心对未知节点定位，不需要测量点与点之间的距离和角度，定位方法简单并且成本较低，但是精度相对不高，估算出的位置和真实位置之间的偏差，即定位误差较大。
发明内容
本发明针对现有凸规划定位方法定位误差大，精度不高的问题，提供一种无需测距的无线传感器网络定位方法，以减少定位误差提高定位精度。
为了实现上述目的，本发明提供了一种无线传感器网络三角滤波凸规划定位方法，包括：锚节点广播发送包含自身位置的信息；未知节点接收锚节点发送的信息；未知节点接收到两个以上锚节点的信息时，计算以接收到的每个锚节点为圆心，通信半径为半径的圆的相交区域；根据未知节点是否在接收到的锚节点组成的三角形内和所述的圆的相交区域对未知节点进行位置定位：判断未知节点是否在接收到的任意三个锚节点组成的三角形内，如果未知节点不在任意三个锚节点组成的三角形内，则以包含所述圆的相交区域的最小矩形的质心作为未知节点的位置；否则计算未知节点所在的任意三个锚节点组成的三角形的相交区域，以包含三角形的相交区域和所述圆的相交区域的最小矩形的质心作为未知节点的位置。
上述技术方案中，所述未知节点是否在接收到的锚节点组成的三角形内具体为：如果未知节点的邻居节点相对于未知节点同时远离或靠近组成三角形的锚节点，未知节点包含在所述三角形内，否则不包含在所述三角形内。
本发明提出了一种无线传感器网络三角滤波凸规划定位方法，以接收到的每个锚节点为圆心，通信半径为半径的圆的相交区域计算出未知节点可能存在的区域，并进一步引入锚节点组成的三角形从而滤掉节点不可能存在的区域，缩小未知节点可能存在的范围，从而大大提高了定位精度。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明无线传感器网络三角滤波凸规划定位方法的流程图；
图2为本发明未知节点接收锚节点信息的示意图；
图3为本发明计算以接收到的锚节点为圆心，通信半径为半径的圆的相交区域的实施例示意图；
图4为本发明根据未知节点在接收到的锚节点组成的三角形的相交区域和所述圆的相交区域对未知节点进行位置定位的实施例示意图；
图5为本发明判断未知节点是否在锚节点组成的三角形内的理论基础示意图；
图6为本发明判断未知节点是否在锚节点组成的三角形内的具体实施方法示意图；
图7为本发明无线传感器网络定位方法优选实施例流程图。
具体实施方式
为方便说明，以下：将WSN中的每个无线传感器称为WSN中的一个节点，节点分为锚节点和未知节点；将已知位置的节点称作锚节点，锚节点是预先设置于某一位置、采用GPS或其他方法已得知其具体的位置的节点；未知位置的节点称作未知节点，是需要被定位以确定位置的节点；锚节点能通信的最远距离称为通信半径；在一个锚节点的通信半径内，可直接通信的节点互相称为邻居节点。锚节点根据自身位置建立本地坐标系，未知节点根据锚节点计算出它在本地坐标系里的相对位置，从而可以确定未知节点的位置。将以锚节点Ai为圆心，通信半径为半径的圆称为圆Ai(其中，i＝0、1、2、3.....)。
图1为本发明流程图。如图1所示，本发明包括：锚节点广播发送包含自身位置的信息；未知节点接收锚节点发送的信息；未知节点接收到两个以上锚节点的信息时，计算以接收到的每个锚节点为圆心，通信半径为半径的圆的相交区域；根据未知节点是否在接收到的锚节点组成的三角形内和所述的圆的相交区域对未知节点进行位置定位：判断未知节点是否在接收到的任意三个锚节点组成的三角形内，如果未知节点不在任意三个锚节点组成的三角形内，则以包含所述圆的相交区域的最小矩形的质心作为未知节点的位置；否则计算未知节点所在的任意三个锚节点组成的三角形的相交区域，以包含三角形的相交区域和所述圆的相交区域的最小矩形的质心作为未知节点的位置。
本发明针对无线传感器网络，所以所有未知节点重复上述定位过程，以确定每个未知节点的位置，从而获知整个网络的各个节点的位置，各节点可对其采集的数据进行处理和分析。
现结合图2至图6对本发明进行说明。
图2为本发明未知节点接收锚节点信息的示意图。如图2所示，未知节点N0如果能收到某个锚节点A0的信息，那么表明此未知节点在以这个锚节点为圆心、通信半径为半径的圆内。由图2可知，如果未知节点接收到n个锚节点的信息，则此未知节点在这n个以锚节点为圆心、通信半径为半径的圆内，即n个圆的相交区域。
本发明中，未知节点接收到两个以上锚节点的信息时，计算以接收到的每个锚节点为圆心，通信半径为半径的圆的相交区域。图3为上述步骤的实施例示意图。本实施例以接收到A0、A1和A2三个锚节点为例，分别以A0、A1和A2为圆心，通信半径为半径画圆A0、A1和A2，计算三个圆的相交区域，如图3所示的阴影区域即为圆的相交区域D1。
本发明提出了一种无线传感器网络三角滤波凸规划定位方法，以接收到的每个锚节点为圆心，通信半径为半径的圆的相交区域计算出未知节点可能存在的区域，并进一步引入锚节点组成的三角形从而滤掉节点不可能存在的区域，缩小未知节点可能存在的范围，从而大大提高了定位精度。
本发明中，根据未知节点是否在接收到的锚节点组成的三角形内和圆的相交区域对未知节点进行位置定位具体为：未知节点不在接收到的锚节点组成的三角形内，则以包含所述圆的相交区域的最小矩形的质心作为未知节点的位置；否则计算包含未知节点的锚节点组成的三角形的相交区域，以包含圆的相交区域和三角形的相交区域的最小矩形的质心作为未知节点的位置。
具体工作过程为：
(1)如果接收到的N个锚节点中任意三个锚节点组成的三角形都不包含未知节点，则以包含N个锚节点的圆的相交区域的最小矩形的质心作为未知节点的位置。
(2)如果接收到的N个锚节点任意三个锚节点组成的三角形中有Q个包含了未知节点，计算所述Q个三角形的相交区域，计算N个锚节点的圆的相交区域和所述Q个三角形的相交区域，以包含圆的相交区域和三角形的相交区域的最小矩形的质心作为未知节点的位置。
图4为上述步骤的实施例示意图。图4以接收到A0、A1和A2三个锚节点为例：
1.如果这三个锚节点组成的三角形ΔA0A1A2不包含未知节点，那么以包含圆A0、圆A1和圆A2的相交区域D1的最小矩形的质心O1作为定位点，如图3所示。此时，未知节点获得定位，本方法结束。
2.因为接收到三个锚节点，所以N＝3，三个锚节点可以组成一个三角形，所以如果此三角形包含了未知节点，则Q＝1，所述三角形的区域为D2，即图4所示三角形ΔA0A1A2，计算D1和D2的相交区域D3，即图4所示画斜线的区域，以包含D3的最小矩形的质心O2作为定位点，如图4所示，此时，未知节点获得定位，本方法结束。
现有凸规划定位方法采用圆的相交区域(例如图3中D1)作为未知节点可能存在的区域，本发明进一步引入锚节点组成的三角形(例如图4中D2)，将包含圆的相交区域和三角形的相交区域的区域(例如图4中D3)作为未知节点存在的区域。由图4可看出，D3比D1的范围大大缩小，滤掉了节点不可能存在的区域，缩小了未知节点可能存在的范围，从而大大提高了定位精度。
本方法中，所述未知节点是否在接收到的锚节点组成的三角形内具体为：如果未知节点的邻居节点同时远离或靠近组成三角形的锚节点，未知节点包含在所述三角形内，否则不包含在所述三角形内。
图5为本发明判断未知节点是否在锚节点组成的三角形内的理论基础示意图。如图5所示，锚节点A、B、C组成三角形ΔABC，如果存在一个方向，使未知节点M沿着这个方向同时远离或接近A、B、C，那么未知节点M位于锚节点组成的三角形ΔABC外；否则，位于ΔABC内。
图6为本发明判断未知节点是否在锚节点组成的三角形内的具体实施方法示意图。具体实施方法为：利用无线传感器网络中一个节点距锚节点越远，接收信号强度越弱的无线传播特性来判断与锚节点之间距离的远近。通过邻居节点间信息交换，仿效节点移动，从而判断未知节点是否在三角形内，如果一个未知节点M的邻居节点没有相对于M同时远离或靠近三个锚节点A、B、C，那么M就在ΔABC内；否则，M在ΔABC外。如图6(a)所示，节点M通过与邻居节点1交换信息，获知如果移动至节点1，将远离锚节点B和C，但会接近锚节点A；节点M与邻居节点2、3、4的通信和判断过程类似，最终确定M位于ΔABC内。如图6(b)所示，节点M通过与邻居节点1交换信息，获知如果移动至邻居节点1，将同时远离锚节点A、B、C，故判断M不在ΔABC内。
图7为本发明无线传感器网络定位方法优选实施例流程图。图7与上述工作原理类似，流程更为细化，相同之处不再赘述。
1.锚节点广播发送包含自身位置的信息；
2.未知节点接收锚节点发送的信息；
3.未知节点判断接收到的锚节点数目
3.1未知节点没有接收到任何一个锚节点的信息时，执行4；
3.2未知节点接收到一个锚节点的信息时，以该锚节点的位置作为未知节点的位置，执行4；
3.3未知节点接收到两个锚节点的信息时，计算以接收到的两个锚节点为圆心，通信半径为半径的圆的相交区域，以包含两个圆的相交区域的最小矩形的质心作为未知节点的位置，执行4；
3.4未知节点接收到多于两个锚节点信息时，计算以接收到的每个锚节点为圆心，通信半径为半径的圆的相交区域；
3.4.1判断未知节点是否在接收到的任意三个锚节点组成的三角形内，如果是，执行3.4.2，否则执行3.4.3；
3.4.2计算未知节点所在的M个三角形的相交区域，以包含M个三角形的相交区域和所述圆的相交区域的最小矩形的质心作为未知节点的位置，执行4；
3.4.3以包含所述圆的相交区域的最小矩形的质心作为未知节点的位置，执行4；
4.定位结束。
综上所述，本发明提出了一种无线传感器的定位方法，在凸规划定位的基础上引入了锚节点构成的三角形，进一步滤掉未知节点不可能存在的区域，缩小了未知节点的定位范围，从而大大提高定位精度，可有效解决原有凸规划方法定位误差大、精度低的问题。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1. 一种无线传感器网络三角滤波凸规划定位方法，包括：
锚节点广播发送包含自身位置的信息；
未知节点接收锚节点发送的信息；
未知节点接收到两个以上锚节点的信息时，计算以接收到的每个锚节点为圆心，通信半径为半径的圆的相交区域；
根据未知节点是否在接收到的任意三个锚节点组成的三角形内和所述的圆的相交区域对未知节点进行定位：判断未知节点是否在接收到的任意三个锚节点组成的三角形内，如果未知节点不在任意三个锚节点组成的三角形内，则以包含所述圆的相交区域的最小矩形的质心作为未知节点的位置；否则计算未知节点所在的任意三个锚节点组成的三角形的相交区域，以包含三角形的相交区域和所述圆的相交区域的最小矩形的质心作为未知节点的位置。
2. 根据权利要求1所述的无线传感器网络三角滤波凸规划定位方法，其特征在于，所述判断未知节点是否在接收到的任意三个锚节点组成的三角形内具体为：
如果未知节点的邻居节点相对于未知节点同时远离或靠近组成三角形的锚节点，未知节点在所述三角形外；否则未知节点在所述三角形内。
3. 根据权利要求1所述的无线传感器网络三角滤波凸规划定位方法，其特征在于，所述未知节点是否在接收到的任意三个锚节点组成的三角形内具体为：
如果未知节点沿着某个方向同时远离或靠近组成三角形的锚节点，未知节点在锚节点组成的三角形外；否则未知节点在所述三角形内。
4. 根据权利要求1、2或3所述的无线传感器网络三角滤波凸规划定位方法，其特征在于，所述未知节点接收到两个以上锚节点的信息时，计算以接收到的每个锚节点为圆心，通信半径为半径的圆的相交区域具体为：
以接收到的每个锚节点为圆心，每个锚节点的通信半径为半径画圆；
计算上述各个圆的相交区域，所述相交区域为各个圆的重叠部分，即在每个圆内。
5. 根据权利要求1、2或3所述的无线传感器网络三角滤波凸规划定位方法，其特征在于，还包括：
未知节点接收到一个锚节点的信息时，以该锚节点的位置作为未知节点的位置。
6. 根据权利要求1、2或3所述的无线传感器网络三角滤波凸规划定位方法，其特征在于，还包括：
未知节点接收到两个锚节点的信息时，计算以接收到的两个锚节点为圆心，通信半径为半径的圆的相交区域，以包含两个圆的相交区域的最小矩形的质心作为未知节点的位置。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Granted publication date: 20081008 Termination date: 20160118 |
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