CN101241177A - 一种面向三维空间的无线传感器网络定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向三维空间的无线传感器网络定位系统，是由多个TelosB传感器节点、Sink节点和用户端构成。其中各个TelosB节点之间以及每个TelosB节点与Sink节点之间采用无线方式进行通信，Sink节点与用户端可以采用Internet或者USB接口进行通信。在无线传感器网络中对任意目标节点M_b进行三维自身定位中，通过判断任意目标节点M_b是否位于由任意四个可见锚节点组成的四面体的内部，筛选出位置区域P，并计算所有位置区域P的重心集合，并以此重心集合G中所有元素的坐标的平均值作为目标节点M_b在无线传感器网络中的坐标位置。本发明三维自身定位的所有定位解析都是在单个传感器节点上进行的，因此是一种分布式的定位方法。

Description

一种面向三维空间的无线传感器网络定位系统

技术领域

本发明涉及无线传感器网络领域，更特别地说，是指一种面向三维空间的无线传感器网络定位系统。

背景技术

近年来，随着无线通信技术的成熟，无线传感器网络在各种生产生活中的应用越来越广泛。而在依赖于位置信息的无线传感器网络应用中，只有掌握了传感器节点的具体位置信息，才能够明确感知数据的实际意义。目前，对于传感器节点在网络区域中的位置仅局限在二维空间中进行节点定位，而部署在三维空间的无线传感器网络相比于二维空间中的无线传感器网络具有更丰富的位置信息，且网络规模和分布密度也都有所增加，现有的二维定位系统受限于功耗与成本，很难推广到实际的三维空间应用中，因此需要设计采用新的面向三维空间的无线传感器网络定位系统。而由于传统的无线网络系统一般采用价格高昂的无线通讯与时间同步设备，并不适用低成本、低功耗的无线传感器网络，因此传感器节点必须具备自身定位的能力。其次，在监测应用中需要有移动节点采集信息，完全由静止节点构成的无线传感器网络系统已不能满足需求，需要引入面向含有移动节点无线传感器网络的定位方法。但是，无论是什么样的应用，都离不开无线传感器网络最核心的节能问题，因此，系统设计要以节能为准则。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种面向三维空间的无线传感器网络中各传感器节点自身进行定位的方法，该三维空间自身定位方法能够在三维空间中有效的估计传感器网络中目标节点的位置，且具有相对较低的通信成本。选取任意四个可见锚节点组成的四面体，并以此判断目标节点是否位于四面体内部，实现无线传感器网络中目标节点的三维位置估计。

本发明的目的之二是为了解决传感器的电池使用时间(一般只能维持几个月)较短的缺陷，在本发明中，提出一种在整个无线传感器网络中对各传感节点之间进行低功耗、动态休眠调度方法，该动态休眠调度方法解决了：(1)如何动态地调度多个锚节点的休眠与唤醒，使得目标节点的多跳连通度足够大，以满足多跳移动定位方法的要求。(2)动态的休眠唤醒机制是需要付出通信负荷增长的代价，而且活跃节点越多，网络的整体功耗也就越大，当连通度达到一定级别时，动态休眠调度机制的节能性能比一般的休眠调度机制更能节约功耗。

在本发明中，无线传感器网络中任意目标节点的三维自身定位执行下列步骤：

步骤一、拾取可见锚节点

无线传感器网络中的锚节点A_a向所述网络内的传感器节点广播信标消息S，能够接收到该信标消息S的目标节点M_b将所述锚节点A_a记为自身的可见锚节点B_ba，并在所述目标节点M_b中保存可见锚节点信息S_Aa；

可见锚节点信息S_Aa是由锚节点A_a的标识号ID、锚节点A_a在网络内的位置信息(X_Aa，Y_Aa，Z_Aa)和目标节点M_b接收到锚节点A_a广播信标消息S的信号强度RSS_Aa(简写为接收信号强度RSS_Aa)组成；

不失一般性，在无线传感器网络中锚节点与目标节点利用矩阵方式描述它们之间的可见锚节点关系： $V=\left|\begin{array}{ccc}{A}_{11}& ...& A_{1n}\\ ...& ...& ...\\ A_{w1}& ...& A_{\mathrm{wn}}\end{array}\right|,$ 其中 $A_{\mathrm{ij}}=\left\{\begin{array}{c}1,d_{\mathrm{ij}}\≤R\\ 0,d_{\mathrm{ij}}>R\end{array}\right.,$

步骤二、建立接收信号强度信息表

目标节点M_b与邻居节点K_k交换各自的可见锚节点信息S_Aa，从而获得目标节点M_b与邻居节点K_k关于可见锚节点B_ba的接收信号强度信息表I_b；所述接收信号强度信息表I_b的内容为：

$I_b=\left|\begin{array}{c}......\\ <{\mathrm{ID}}_i^b,(X_i^b,Y_i^b,Z_i^b),{\mathrm{RSS}}_{\mathrm{Ai}}^b,\{{\mathrm{RSS}}_{\mathrm{Ki}}^1,{\mathrm{RSS}}_{\mathrm{Ki}}^2......{\mathrm{RSS}}_{\mathrm{Ki}}^k\}>\\ ......\end{array}\right|;$

步骤三、构建四面体

在目标节点M_b的可见锚节点B_ba中任意选取四个可见锚节点组成一个四面体，通过穷举，可见锚节点B_ba能够组成的多个四面体记为四面体集合T；

步骤四、判断目标节点是否在一个四面体内部

采用点位于四面体内的近似法则F来获取包含目标节点M_b的四面体作为其在无线传感器网络中的位置区域P；所述点位于四面体内的近似法则F为

对四个以上可见锚节点组成的多个四面体将分别采用上述的点位于四面体内的近似法则F进行一一的位置区域匹配解析，从而得到目标节点M_b是否在步骤三中的四面体集合T内，来得包含目标节点M_b的四面体作为该目标节点M_b在无线传感器网络中的所处位置区域P；

步骤五、选取坐标平均值

计算位置区域P的重心集合，并以此重心集合G中所有元素的坐标的平均值作为目标节点M_b在无线传感器网络中的坐标位置；

重心集合G＝{G_s|G_s，s＝1……n_p}，式中，n_p表示目标节点M_b的位置区域P所包含的四面体的数目，G_s表示目标节点M_b在位置区域P中的任意一个四面体的重心；所述重心集合G中所有元素的坐标的平均值

的具体计算为： $\stackrel{\&OverBar;}{X_{G_s}}=\frac{\underset{s=1}{\overset{n_p}{\mathrm{\&Sigma;}}}{X}_{G_s}}{n_p},$

$\stackrel{\&OverBar;}{Y_{G_s}}=\frac{\underset{s=1}{\overset{n_p}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Y}_{G_s}}{n_p},$ $\stackrel{\&OverBar;}{Z_{G_s}}=\frac{\underset{s=1}{\overset{n_p}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Z}_{G_s}}{n_p}.$

在无线传感器网络中对于任意目标节点M_b在移动过程的动态休眠调度步骤：

(A)初始化定位树：

以任意目标节点M_b自身为根结点、多跳邻居锚节点为多级子结点构建初始定位树LT₁；该初始定位树LT₁仅作为第一次休眠与唤醒锚节点使用；

任意目标节点M_b通过泛洪广播方式获取无线传感器网络中各锚节点的信息，待泛洪广播结束后，将各锚节点信息存储在初始定位树LT₁中；

所述初始定位树LT₁中的每个子结点采用三元组顺序表的数据结构形式进行存储，数据结构形为<SEED_ID，HOP_COUNT，PARENT_ID>；

(B)确定进入休眠与唤醒的锚节点集合：

根据目标节点M_b在当前时刻i所在监控区域N_L×L构建一个当前定位树LT_i，并将所述当前定位树LT_i中的所有锚节点拾取出形成唤醒锚节点集合S_hi和休眠锚节点集合W_hi；

(C)休眠与唤醒调度规则：

通过传感器网络中各锚节点之间的消息转发机制，向唤醒锚节点集合S_hi中的锚节点派发WAKEUP_MSG消息，使其保持唤醒状态，进入全勤的工作方式，以确保足够高的连通度；同时，向休眠锚节点集合W_hi中的锚节点派发PRUNE_MSG消息，使其切换至休眠状态，进入低功耗工作方式；

WAKEUP_MSG消息格式为：

HEADER

CMD_WK

SEED_ID

NODE_ID

TAIL

PRUNE_MSG消息格式为：

HEADER

CMD_PR

SEED_ID

NODE_ID

TAIL

(D)定位树重构：

根据目标节点M_b在监控区域N_L×L内的位置移动，获得下一时刻i+1的定位树LT_i+1，该下一时刻定位树LT_i+1将作为下次循环进行动态休眠调度所需的定位树，顺次重复(B)步骤、(C)步骤实现目标节点的传感器网络中动态休眠调度。

在(A)步骤中目标节点M_b的泛洪广播方式为(a)目标节点M_b广播一条REQUEST_MSG消息，该REQUEST_MSG消息包含了该目标节点M的标识NODE_ID以及跳数HOP_COUNT；(b)每个接收到REQUEST_MSG消息的锚节点会在本地保存上述目标节点M_b的标识NODE_ID和跳数HOP_COUNT；并将接收到的REQUEST_MSG消息中的跳数HOP_COUNT字段加1后，向邻居节点转发该S_REQUEST_MSG消息，同时回复一条RESPONSE_MSG消息给目标节点M；该S_REQUEST_MSG消息包含了该锚节点标识SEED_ID、路径长度HOP COUNT+1以及上一跳锚节点标识PARENT_ID。

在(D)步骤中目标节点M_b移动后的泛洪广播方式为(a)目标节点M广播一条REQUEST_MSG消息，该REQUEST_MSG消息包含了该目标节点M的标识NODE_ID以及跳数HOP_COUNT；(b)每个接收到REQUEST_MSG消息的锚节点会在本地保存上述目标节点M_b的标识NODE_ID和跳数HOP_COUNT；并将接收到的REQUEST_MSG消息中的跳数HOP_COUNT字段加1后，向邻居节点转发该S_REQUEST_MSG消息，同时回复一条RESPONSE_MSG消息给目标节点M_b；该S_REQUEST_MSG消息包含了该锚节点标识SEED_ID、路径长度HOP_COUNT+1以及上一跳锚节点标识PARENT_ID；(c)若锚节点接收到来自同一个目标节点的多条REQUEST_MSG消息，则以跳数HOP_COUNT字段最小的那一条为准进行更新、转发和回复；当该锚节点接收的跳数HOP_COUNT值均小于等于所有邻居节点的跳数HOP_COUNT值时，则此次泛洪广播结束。

在(B)步骤中对当前定位树LT_i区域内的锚节点的拾取规则为(a)计算监控区域N_L×L内锚节点的每跳平均距离d_hop， $d_{\mathrm{hop}}=R(1+e^{-N}-{\&Integral;}_{-1}^1{e}^{-\frac{N(\arccos \left(t\right)-t\sqrt{1-t^2})}{\mathrm{\&pi;}}}\mathrm{dt});$ (b)计算位于目标节点M_b在下一定位时刻i+1的可能位置区域的所有锚节点在当前定位树LT_i区域内的最大层数hop_max，

(c)将当前定位树LT_i区域内位于1～hop_max层的所有子结点集合确定为目标节点选取T_i；在目标节点选取T_i中锚节点的所有h跳邻居锚节点即为唤醒锚节点集合S_hi，在目标节点选取T_i中未被选取的锚节点为休眠锚节点集合W_hi。

本发明的一种面向三维空间的无线传感器网络定位系统优点在于：(1)通过动态的调度任意目标节点M_b在监控区域N_L×L内的各锚节点的工作状态，确保了目标节点M的h跳连通度；(2)通过采用不同格式的消息转发、回复激活目标节点M_b周边的锚节点或相邻节点，基于每跳距离，从而实现依赖锚节点的位置实现精确定位；(3)依据每跳距离发送消息进行工作状态选取实现了低功耗的网络运行；(4)本发明三维自身定位方法的所有定位解析都是在单个传感器节点上进行的，因此是一种分布式的定位方法，避免了集中式的定位方法中大量数据向中心节点传输而造成的能量损耗，从而延长网络寿命，更加符合无线传感器网络对节能的需要。

附图说明

图1是无线传感器网络系统的结构示意图。

图2是本发明面向三维空间的无线传感器网络定位的流程图。

图3是TelosB节点的三维自身定位流程图。

图4是无线传感器网络中动态休眠调度的处理流程图。

图5是点位于四面体内的近似法则的具体依据的简示图。

图6是点位于四面体外的近似法则的具体依据的简示图。

图7A是判断目标节点在四面体内的简示图。

图7B是判断目标节点在四面体外的简示图。

图8A是定位误差与可见锚节点数目的关系图。

图8B是定位误差与未知节点密度的关系图。

图8C是定位误差与信号不规则度的关系图。

图8D是通信开销与可见锚节点数目的关系图。

图9是无线传感器网络中目标节点与活跃节点、休眠节点的结构示意图。

图9A是图9中显示的目标节点的定位树信息表。

图10是本发明定位树重构后在监控区域内的各节点的工作状态简示图；

图11是三种不同调度机制使用功耗的对比。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

无线传感器网络是由一组分布在设定位置的多个传感器节点以无线自组织方式构成的无线网络，用于传感器节点协作地感知、采集和处理该网络覆盖的地理区域中感测对象的信息，并及时向用户发布感测结果。与其它网络一样，无线传感器网络的协议栈包括有应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。

参见图1所示，无线传感器网络系统是由多个传感器节点(TelosB节点)、信息收集节点(Sink节点)和用户端构成。其中各个TelosB节点之间以及每个TelosB节点与Sink节点之间采用无线方式进行通信，Sink节点与用户端可以采用Internet或者USB接口进行通信。

本发明的一种面向三维空间的无线传感器网络定位系统，是采用CROSSBOW公司的TelosB无线传感节点组网(即构建一个无线传感器网络)，在该无线传感器网络初始部署中已知位置信息的TelosB无线传感器节点记为锚节点，网络初始部署中不知道位置信息的TelosB无线传感器节点记为未知节点。在本发明中，对其中的未知节点进行三维位置估计的节点记为目标节点。在目标节点通讯半径(r＝50～100m)范围内的未知节点记为目标节点的邻居节点。参见图2所示，每个TelosB无线传感器节点在无线传感器网络中首先进行拾取可见锚节点，然后任意选取四个可见锚节点构建一个四面体，多个可见锚节点将构成四面体集合；TelosB无线传感器节点通过点位于四面体内的近似法则F判断自己是否位于这个四面体内部。如果TelosB无线传感器节点在某个四面体内部，则称这个四面体为该TelosB无线传感器节点的一个可能的位置区域，通过计算所有位置区域的重心的坐标平均值，得到TelosB无线传感器节点的估计位置。TelosB无线传感器节点在无线传感器网络中移动中，当TelosB无线传感器节点进入监控区域内时启动低功耗休眠机制实现节能。移动着的TelosB无线传感器节点在本文中称作目标节点、也称作移动节点。

本发明中对任意目标节点(移动节点)的三维自身定位如下所述：

在三维自身定位中，通过判断任意目标节点M_b是否位于由任意四个可见锚节点组成的四面体的内部，筛选出位置区域P，并计算所有位置区域P的重心集合，并以此重心集合G中所有元素的坐标的平均值作为目标节点M_b在无线传感器网络中的坐标位置。本发明三维自身定位方法无需复杂的测距设备和昂贵的外部设施，且通信协议相对简单，因此是一种低成本、低功耗的无线传感器网络三维自身定位方法。

参见图3所示，适用于无线传感器网络中目标节点位置的三维自身定位方法APIT-3D(Approximate Point-In-Tetrahedron，APIT-3D)中，任意锚节点向网络内的传感器节点(有锚节点、未知节点)广播信标消息；若目标节点能够接收到来自某个锚节点的信标消息，则将该锚节点记录为所述目标节点的可见锚节点。目标节点与邻居节点交换各自的可见锚节点信息，并根据接收信号强度判断自己与邻居节点距离锚节点的远近，从而将周边区域划分为多个互相重叠的四面体，每个四面体由任意四个可见锚节点组成。目标节点通过点位于四面体内的近似法则F判断自己是否位于这个四面体内部。如果目标节点在某个四面体内部，则称这个四面体为该目标节点的一个可能的位置区域，通过计算所有位置区域的重心的坐标平均值，得到目标节点的估计位置。

在本发明的无线传感器网络中，对任意目标节点M_b的三维自身定位执行下列步骤：

步骤一、拾取可见锚节点

无线传感器网络中的锚节点A_a向所述网络内的传感器节点(既有锚节点，也有未知节点，对任意一个未知节点进行位置定位的节点称为目标节点)广播信标消息S，能够接收到该信标消息S的目标节点M_b将所述锚节点A_a记为自身的可见锚节点B_ba，并在所述目标节点M_b中保存可见锚节点信息S_Aa。可见锚节点信息S_Aa是由锚节点A_a的标识号ID、锚节点A_a在网络内的位置信息(X_Aa，Y_Aa，Z_Aa)和目标节点M_b接收到锚节点A_a广播信标消息S的信号强度RSS_Aa(简写为接收信号强度RSS_Aa)组成。

不失一般性，在无线传感器网络中锚节点与目标节点利用矩阵方式描述它们之间的可见锚节点关系： $V=\left|\begin{array}{ccc}{A}_{11}& ...& A_{1n}\\ ...& ...& ...\\ A_{w1}& ...& A_{\mathrm{wn}}\end{array}\right|,$ 其中 $A_{\mathrm{ij}}=\left\{\begin{array}{c}1,d_{\mathrm{ij}}\&le;R\\ 0,d_{\mathrm{ij}}>R\end{array}\right.,$ 式中，A₁₁表示矩阵中第1行的第1个元素，A_1n表示矩阵中第1行的最后一个元素，A_w1表示矩阵中第w行的第1个元素，A_wn表示矩阵中第w行的最后一个元素，A_ij表示矩阵中第i行的第j个元素(即矩阵中任意的一个元素，表示第j个锚节点与第i个目标节点的可见关系)，d_ij表示目标节点到可见锚节点的距离，R表示锚节点向外发布信息的通信半径。在本发明中，A_ij＝1表示第j个锚节点是第i个目标节点的可见锚节点，A_ij＝0表示第j个锚节点不是第i个目标节点的可见锚节点。

在本发明中，锚节点A_a中的a表示锚节点的标识号，采用数字进行编号，如6号锚节点记为A₆。

在本发明中，可见锚节点B_ba是指锚节点A_a广播的信标消息S能否被目标节点M_b接收到，若能够接收到，则该锚节点A_a记为目标节点M_b的可见锚节点B_ba。故可见锚节点B_ba中的a表示锚节点的标识号，采用数字进行编号，如果6号锚节点A₆广播的信标消息S被目标节点M_b接收到，则记为6号可见锚节点B_b6；如果9号锚节点A₉广播的信标消息S被目标节点M_b接收到，则记为9号可见锚节点B_b9。

在本发明中，信标消息S是以锚节点通讯半径R(R取值为200～500m)进行发布的含有锚节点A_a的标识号ID、锚节点A_a在网络内的位置信息(X_Aa，Y_Aa，Z_Aa)。

步骤二、建立接收信号强度信息表

目标节点M_b与邻居节点K_k交换各自的可见锚节点信息S_Aa，从而获得目标节点M_b与邻居节点K_k关于可见锚节点B_ba的接收信号强度信息表I_b；所述接收信号强度信息表I_b的内容为：

$I_b=\left|\begin{array}{c}......\\ <{\mathrm{ID}}_i^b,(X_i^b,Y_i^b,Z_i^b),{\mathrm{RSS}}_{\mathrm{Ai}}^b,\{{\mathrm{RSS}}_{\mathrm{Ki}}^1,{\mathrm{RSS}}_{\mathrm{Ki}}^2......{\mathrm{RSS}}_{\mathrm{Ki}}^k\}>\\ ......\end{array}\right|,$ 式中，ID_i ^b表示目标节点M_b的第i个可见锚节点的标识，(X_i ^b，Y_i ^b，Z_i ^b)表示目标节点M_b的第i个可见锚节点的位置坐标，RSS_Ai ^b表示目标节点M_b相对于M_b的第i个可见锚节点的接收信号强度，RSS_Ki ¹表示目标节点M_b的第1个邻居节点相对于M_b的第i个可见锚节点的接收信号强度，RSS_Ki ²表示目标节点M_b的第2个邻居节点相对于M_b的第i个可见锚节点的接收信号强度，RSS_Ki ^k表示目标节点M_b的第k个邻居节点相对于M_b的第i个可见锚节点的接收信号强度，其中，若目标节点M_b的第i个可见锚节点不是邻居节点K_k的可见锚节点，则 ${\mathrm{RSS}}_{\mathrm{Ki}}^k=0.$

在本发明中，邻居节点是指在目标节点通讯半径r(r取值为50～100m)内的未知节点。

步骤三、构建四面体

在目标节点M_b的可见锚节点B_ba中任意选取四个可见锚节点组成一个四面体，通过穷举，可见锚节点B_ba能够组成的多个四面体记为四面体集合T。

在本发明中，若目标节点M_b周边有5个可见锚节点(即1号可见锚节点B_b1、2号可见锚节点B_b2、3号可见锚节点B_b3、4号可见锚节点B_b4、5号可见锚节点B_b5)，则有5个四面体，数学表示为C₅ ⁴。

步骤四、判断目标节点是否在一个四面体内部

采用点位于四面体内的近似法则F来获取包含目标节点M_b的四面体作为其在无线传感器网络中的位置区域P；所述点位于四面体内的近似法则F为

式中，m，n，p，q分别表示任意的四个可见锚节点，这四个可见锚节点组成一个四面体，RSS_Bm ^b表示目标节点M_b关于第m可见锚节点的接收信号强度，RSS_Km ^k表示第k邻居节点关于第m可见锚节点的接收信号强度，RSS_Bn ^b表示目标节点M_b关于第n可见锚节点的接收信号强度，RSS_Kn ^k表示第k邻居节点关于第n可见锚节点的接收信号强度，RSS_Bp ^b表示目标节点M_b关于第p可见锚节点的接收信号强度，RSS_Kp ^k表示第k邻居节点关于第p可见锚节点的接收信号强度，RSS_Bb ^q表示目标节点M_b关于第q可见锚节点的接收信号强度，RSS_Kq ^k表示第k邻居节点关于第q可见锚节点的接收信号强度。

在本发明中，若点位于四面体内的近似法则F＝1表示目标节点位于一个四面体的内部；若点位于四面体内的近似法则F＝0表示目标节点位于一个四面体的外部。

在本发明中，四个以上可见锚节点组成的多个四面体将分别采用上述的点位于四面体内的近似法则F进行一一的位置区域匹配解析，从而得到目标节点M_b是否在步骤三中的四面体集合T内，来得包含目标节点M_b的四面体作为该目标节点M_b在无线传感器网络中的所处位置区域P；

步骤五、选取坐标平均值

计算位置区域P的重心集合，并以此重心集合G中所有元素的坐标的平均值作为目标节点M_b在无线传感器网络中的坐标位置。

重心集合G＝{G_s|G_s，s＝1……n_p}，式中，n_p表示目标节点M_b的位置区域P所包含的四面体的数目，G_s表示目标节点M_b在位置区域P中的任意一个四面体的重心。在本发明中，重心集合G中所有元素的坐标的平均值

的具体计算为：

$\stackrel{\&OverBar;}{X_{G_s}}=\frac{\underset{s=1}{\overset{n_p}{\mathrm{\&Sigma;}}}{X}_{G_s}}{n_p},$ $\stackrel{\&OverBar;}{Y_{G_s}}=\frac{\underset{s=1}{\overset{n_p}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Y}_{G_s}}{n_p},$ $\stackrel{\&OverBar;}{Z_{G_s}}=\frac{\underset{s=1}{\overset{n_p}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Z}_{G_s}}{n_p}.$

在本发明中，对步骤四中点位于四面体内的近似法则F的具体依据说明如下(参见图5所示)：

令点M在▲ABCD内部任意移动一小段距离，新位置记为点X，则分为以下两种不同的情况考虑：

(1)点X位于AM、BM、CM或DM中的任意一条线段上。在不失一般性的前提下，假设点X在AM上，命名为点Y，显而易见，AY＜AM，即新位置点X比点M更靠近顶点A，得证。

(2)点X位于▲MABC、▲MBCD、▲MACD或▲MABD的任意一个四面体内部。同样，可以不失一般性的假设点X位于▲MABC内部。从点M做△ABC(△表示三角形)所在平面的垂线，该垂线与平面的交点记为点Z。尽管点Z可能位于△ABC的内部或者外部，但易于证明，这并不与WLOG前提冲突。发明人仍然分为两种情况考虑：

①点X在线段MZ上，命名为点R。由于ZR＜ZM，则根据勾股定理，BR＜BM，说明新位置更靠近顶点B，得证。

②点X位于▲MABZ、▲MBCZ或▲MACZ中的任意一个四面体内部，根据WLOG，假设点X位于▲MBCZ的内部，命名为点S，经点S作△BCZ所在平面的垂线，交于点T，且点T位于△BCZ内部。在△BCZ中，可以假设：BT≥BZ且CT≥CZ。则可以得到∠BZC≥∠BTZ+∠CTZ＞π，显然这是矛盾的，因此，假设不成立，即BT＜BZ和CT＜CZ中至少有一个成立，假设BT＜BZ。因为ST＜MZ，则根据勾股定理，BS＜BM，说明新位置更靠近顶点B，得证。

连接线段AX、BX、CX和DX，同理可证明点M比点X更靠近A、B、C和D中至少一个顶点，即点M的新位置比点M更远离至少一个顶点。

参见图6所示，对▲ABCD外部的任意一个点M来说，四面体的四个平面总会有一个平面使得第四个顶点与点M分别位于这个平面的两侧。在不失一般性的前提下，假设△ABC所在平面即为此平面，点M与顶点D分别位于此平面的两侧。从点M做此平面的垂线，交点为Y。当点M沿此垂线向上移动到点X时，根据勾股定理，AX＜AM、BX＜BM、CX＜CM且DX＜DM，说明新位置同时靠近所有四个顶点A、B、C和D；若点选择此垂线作为点M的移动线路，当新位置X位于点M沿此垂线向下移动到点Z时，同理可证新位置同时远离所有四个顶点A、B、C和D，得证。

参见图7A、图7B所示，若与某点M的所有邻居节点没有一个比M同时接近或远离▲ABCD所有的四个顶点A、B、C和D，则点M认为自己位于▲ABCD的内部(如图7A)；否则，点M认为自己位于▲ABCD的外部(如图7B)。

本发明三维自身定位方法充分利用了传感器节点密集分布的特点，而这正是无线传感器网络最重要的特性之一，因此，在真实的网络环境中实现本发明APIT-3D是完全可行的。此外，由于本发明三维自身定位方法是在单个传感器节点上进行的，因此是一种分布式的定位方法，避免了大量数据向中心节点传输而造成的能量损耗，从而延长网络寿命，更加符合无线传感器网络对低功耗、低成本的需要。

在本发明的仿真实验与性能评估示意图中，采用Matlab对本发明三维自身定位方法进行仿真实验。实验中评估了以下实验参数对定位方法性能的影响：

1、目标节点密度(Node Density，ND)：每个传感器节点的通讯半径区域内的平均节点数目；

2、可见锚节点数目(Anchor Heard，AH)：每个传感器节点能够接收到信标的锚节点数目；

3、锚节点与传感器节点的通讯半径比(Anchor to Node Range Ratio，ANR)；

4、无线信号不规则度DOI。

图8A是定位误差随着可见锚节点AH数目的变化曲线图。此图表明，定位精度随着可见锚节点数目的增多而逐渐提高。此外，还可以从图中发现，ANR越小，APIT-3D的定位性能表现的越好，这是因为ANR越大，意味着锚节点分布的越稀疏，误差累计就越大，从而定位精度也就越低。当AH≥40时，定位精度均可以控制在0.4R左右，这是一般无线传感器网络可以接受的定位精度。

图8B是定位误差随着未知节点数目的变化曲线图。此图表明，定位精度随着未知节点数目的增多而逐渐提高。此外，还可以从图中发现，ANR越小，APIT-3D算法的定位性能表现的越好，这是因为ANR越大，意味着锚节点分布的越稀疏，误差累计就越大，从而定位精度也就越低。当AH≥40时，定位精度均可以控制在0.4R左右，这是业内认为的一般无线传感器网络可以接受的定位精度。

图8C描述了定位误差与信号传输不规则度DOI的变化关系。从图中可见，定位结果随着DOI的增大而略有恶化，这是因为信号传输的不规则会使得目标节点对锚节点的距离远近做出误判，导致APIT-3D测试的错误率上升，从而降低了定位精度。但是APIT(二维定位方法)不依赖节点间的跳数，因此DOI对APIT-3D的定位精度影响并不十分剧烈，这说明APIT-3D定位方法对于信号传输的不规则性具有较好的鲁棒能力。

图8D描述了实验中两种定位方法的通信开销随着可见锚节点数目的变化趋势。本实验在无通信冲突的传感器网络中，分别使用APIT和APIT-3D方法定位单个目标节点的通信开销情况。假设目标节点每发送一个字节的数据消耗1个单位的能量，而由于锚节点的通讯半径是传感器节点通讯半径的ANR倍，则可以粗糙的认为锚节点每发送一个字节的功耗是ANR²个单位。在二维空间中，假设目标节点接收到的可见锚节点的信标消息长度为B(α)，目标节点与邻居节点彼此交互可见锚节点位置信息表的交换消息长度为S(β)，则此次定位过程的通信开销为：

ComCost_APIT＝ANR⁴×AH×ND×B(α)+ND×S(β)                          (1)

而在三维空间中，节点坐标比在二维空间中要增加一个单位的消息长度，因此APIT-3D方法定位单个目标节点的通信开销为：

ComCost_{APIT_3D}＝ANR⁴×AH×ND×(B(α)+1)+ND×(S(β)+1)               (2)

公式(1)与公式(2)相减，得到APIT-3D方法与APIT方法定位单个节点时的通信开销之差：

A_ComCost＝ANR⁴×AH×ND+ND                                           (3)

由公式(3)可见，在ANR与ND一定的情况下，三维定位比二维定位有较大的通信开销，增加量随着可见锚节点数目的增多呈线性增加的趋势。但由于三维定位比二维定位需要更丰富的位置信息和更高的协议复杂度，因此这种线性增加的通信开销是合理的并可以接受的。从图7D可见实验结果与公式(3)是吻合的。

本发明中采用低功耗、动态休眠调度机制对各个传感器之间进行唤醒，具体实现如下所述：

在本发明中，目标节点的动态休眠调度方法是将多个无线传感器部署在一个正方形的监控区域N_L×L内(边长为L＝100～1000m)，无线传感器网络中静止不动的锚节点数目为n′，移动的目标节点的数目为m′(一般来说，n′＞＞m′)。在本发明申请中假设n′个锚节点的部署方式服从随机均匀分布，即每个锚节点位于目标区域上的任何位置的概率是相同的，且它们之间的概率分布互相独立；任意目标节点M_b的移动方式是随机的，速度与方向随》时可变，假设节点的移动速度不超过ν_max。目标节点M_b所采用的移动定位方法为h跳型，即该方法需要目标节点的h跳邻居锚节点参与定位。

本发明提出了一种适用于无线传感器网络中面向目标节点定位的动态休眠调度方法，[Proactive Sleeping and Wakeup for localization In Mobile sensornetworks(P-SWIM)]，可以动态地保持目标节点的多跳连通度。P-SWIM的基本思想是预先通知移动节点监控区域N_L×L(或称定位区域)内的活跃锚节点，使之提前进入全勤的工作方式，等待目标节点的定位请求；当目标节点离开监控区域N_L×L时，这些锚节点又重新恢复以前的低功耗工作方式。P-SWIM方法分为三个阶段：首先，当目标节点进入监控区域时，构建一棵以自身为根结点，多跳锚节点为多级子结点的树形结构，本专利申请中定义为定位树(Localization Tree)，因此这一阶段也称为定位树的构建阶段(初始化定位树)；其次，根据目标节点的当前位置，预先通知即将处于定位区域内的锚节点，进入全勤的工作方式，以确保足够高的h跳连通度，称为预唤醒阶段；在目标节点移动过程中，动态地将预唤醒的锚节点添加进定位树中，并将已离开监控区域的锚节点从定位树中移除掉，完成定位树的重构阶段。

本发明面向目标节点定位的无线传感器网络中动态休眠调度方法，包括有下列具体的动态休眠调度步骤：

(A)初始化定位树：

以任意目标节点M_b自身为根结点、多跳邻居锚节点为多级子结点构建初始定位树LT₁；该初始定位树LT₁仅作为第一次休眠与唤醒锚节点使用；

任意目标节点M_b通过泛洪广播方式获取无线传感器网络中各锚节点的信息，待泛洪广播结束后，将各锚节点信息存储在初始定位树LT₁中；

所述初始定位树LT₁中的每个子结点采用三元组顺序表的数据结构形式进行存储，数据结构形式为<SEED_ID，HOP_COUNT，PARENT_ID>(参见图9A所示的表格)；SEED_ID表示锚节点的标识，HOP_COUNT表示到根结点的最短路径长度，PARENT_ID表示直接父结点的标识；

此步骤中，多个无线传感器构成如图9所示的无线传感器网络结构示意图，在无线传感器网络部署中已知位置的传感器节点称作锚节点，未知位置的传感器节点称作目标节点(在本专利申请中称移动节点)。图中圆圈中带有编号的是指活跃节点，黑圆圈的是指休眠节点，这两种节点均为锚节点。

(B)确定进入休眠与唤醒的锚节点集合：

根据目标节点M_b在当前时刻i所在监控区域N_L×L构建一个当前定位树LT_i，并将所述当前定位树LT_i中的所有锚节点拾取出形成唤醒锚节点集合S_hi和休眠锚节点集合W_hi；

(C)休眠与唤醒调度规则：

通过传感器网络中各锚节点之间的消息转发机制，向唤醒锚节点集合S_hi中的锚节点派发WAKEUP_MSG消息，使其保持唤醒状态，进入全勤的工作方式，以确保足够高的连通度；同时，向休眠锚节点集合W_hi中的锚节点派发PRUNE_MSG消息，使其切换至休眠状态，进入低功耗工作方式；

WAKEUP_MSG消息格式为：

HEADER

CMD_WK

SEED_ID

NODE_ID

TAIL

HEADER表示WAKEUP_MSG消息的报文头，CMD_WK表示WAKEUP_MSG消息的命令字，SEED_ID表示WAKEUP_MSG消息的待唤醒的锚节点标识，NODE_ID表示WAKEUP_MSG消息的目标节点标识，TAIL表示WAKEUP_MSG消息的报文尾。

PRUNE_MSG消息格式为：

HEADER

CMD_PR

SEED_ID

NODE_ID

TAIL

HEADER表示PRUNE_MSG消息的报文头，CMD_PR表示PRUNE_MSG消息的命令字，SEED_ID表示PRUNE_MSG消息的待唤醒的锚节点标识，NODE_ID表示PRUNE_MSG消息的目标节点标识，TAIL表示PRUNE_MSG消息的报文尾。

(D)定位树重构：

根据目标节点M_b在监控区域N_L×L内的位置移动，获得下一时刻i+1的定位树LT_i+1，该下一时刻定位树LT_i+1将作为下次循环进行动态休眠调度所需的定位树，顺次重复(B)步骤、(C)步骤实现目标节点的传感器网络中动态休眠调度。

在(A)步骤中目标节点M_b的泛洪广播方式为(a)目标节点M_b广播一条REQUEST_MSG消息，该REQUEST_MSG消息包含了该目标节点M_b的标识NODE_ID以及跳数HOP_COUNT；(b)每个接收到REQUEST_MSG消息的锚节点会在本地保存上述目标节点M的标识NODE_ID和跳数HOP_COUNT；并将接收到的REQUEST_MSG消息中的跳数HOP_COUNT字段加1后，向邻居节点转发该S_REQUEST_MSG消息，同时回复一条RESPONSE_MSG消息给目标节点M_b；该S_REQUEST_MSG消息包含了该锚节点标识SEED_ID、路径长度HOP_COUNT+1以及上一跳锚节点标识PARENT_ID。

在(D)步骤中目标节点M_b移动后的泛洪广播方式为(a)目标节点M_b广播一条REQUEST_MSG消息，该REQUEST_MSG消息包含了该目标节点M_b的标识NODE_ID以及跳数HOP_COUNT；(b)每个接收到REQUEST_MSG消息的锚节点会在本地保存上述目标节点M_b的标识NODE_ID和跳数HOP_COUNT；并将接收到的REQUEST_MSG消息中的跳数HOP_COUNT字段加1后，向邻居节点转发该S_REQUEST_MSG消息，同时回复一条RESPONSE_MSG消息给目标节点M_b；该S_REQUEST_MSG消息包含了该锚节点标识SEED_ID、路径长度HOP_COUNT+1以及上一跳锚节点标识PARENT_ID；(c)若锚节点接收到来自同一个目标节点的多条REQUEST_MSG消息，则以跳数HOP_COUNT字段最小的那一条为准进行更新、转发和回复；当该锚节点接收的跳数HOP_COUNT值均小于等于所有邻居节点的跳数HOP_COUNT值时，则此次泛洪广播结束。

在(B)步骤中对当前定位树LT_i区域内的锚节点的拾取规则为(a)计算监控区域N_L×L内锚节点的每跳平均距离d_hop， $d_{\mathrm{hop}}=R(1+e^{-N}-{\&Integral;}_{-1}^1{e}^{-\frac{N(\arccos \left(t\right)-t\sqrt{1-t^2})}{\mathrm{\&pi;}}}\mathrm{dt});$ (b)计算位于目标节点M在下一定位时刻i+1的可能位置区域的所有锚节点在当前定位树LT_i区域内的最大层数hop_max，

(c)将当前定位树LT_i区域内位于1～hop_max层的所有子结点集合确定为目标节点选取T_i；在目标节点选取T_i中锚节点的所有h跳邻居锚节点即为唤醒锚节点集合S_hi，在目标节点选取T_i中未被选取的锚节点为休眠锚节点集合W_hi。

在本发明中，动态休眠调度的处理流程参见图4所示。当目标节点M进入监控区域N_L×L时，首先，任意目标节点M_b广播一条REQUEST_MSG消息，该REQUEST_MSG消息包含了该目标节点M_b的标识NODE_ID以及跳数HOP_COUNT(记录锚节点到目标节点的跳数，初始化为0)；

然后，每个接收到REQUEST_MSG消息的锚节点会在本地保存目标节点M_b的NODE_ID和HOP_COUNT，并将REQUEST_MSG消息中的HOP_COUNT字段加1后形成锚节点的S_REQUEST_MSG消息；并将该锚节点的S_REQUEST_MSG消息向邻居节点转发，同时回复一条RESPONSE_MSG消息给目标节点M_b；S_REQUEST_MSG消息含了该锚节点标识SEED_ID、路径长度HOP_COUNT+1以及上一跳锚节点标识PARENT_ID(若上一跳为目标节点，则PARENT＝0)；

若锚节点接收到来自同一个目标节点的多条REQUEST_MSG消息，则以HOP_COUNT字段最小的那一条为准进行转发和回复；当锚节点的HOP_COUNT值均小于等于所有邻居节点的HOP_COUNT值时，则此次泛洪广播结束。

整个无线传感器网络中的锚节点分别执行完消息更新、转发、回复步骤，泛洪广播结束后，目标节点将整个邻居区域的锚节点信息存储在定位树中。该定位树以目标节点为根结点，采用三元组顺序表(该顺序表结构如图9A所示)的数据结构进行存储。三元组基本格式为<SEED_ID，HOP_COUNT，PARENT_ID>，分别表示锚节点的标识、到根结点的最短路径长度以及父结点的标识。

定位树构建以后，目标节点M掌握了周边的邻居锚节点的结构，从而可以估计出哪些锚节点将处于自己的定位区域内，以便唤醒这些锚节点，使其进入全勤的工作方式。为了区别正常的睡眠与活跃状态，每个锚节点的工作状态可以根据功耗水平的不同更加细化的分为：睡眠状态(Sleeping mode)、RIS活跃状态(RIS-Active mode)、全勤状态(Full Duty mode)与定位状态(Localizing mode)。睡眠状态时的功耗最低；RIS活跃状态表示锚节点处于RIS低功耗工作方式中的活跃状态；全勤状态表示锚节点进入全勤工作方式，始终保持活跃状态；定位状态表示锚节点正在参与目标节点定位，该状态时锚节点的功耗包括通信负荷与运算开销，处于最高峰。可见，定位树中的锚节点均处于全勤或定位两种工作状态。

以如图10为例，目标节点M需要预唤醒将在当前时刻t_i+1属于其定位区域内的锚节点，即h跳邻居锚节点为唤醒锚节点集合S_hi(监控区域内的所有锚节点)。目标节点M首先要估计出在t_i+1时刻的所有锚节点，将位于目标节点可能的位置区域内的所有锚节点定义为集合T_i，集合T_i是位于以目标节点为圆心，以r+ν_maxΔt为半径的圆面内的所有锚节点。

为了降低额外的功耗，本发明中提出了一种不依赖于位置信息的锚节点筛选方法。首先，计算网络的每跳平均距离，根据Kleinrock和Silvester给出的网络每跳平均距离的计算方法：

$d_{\mathrm{hop}}=R(1+e^{-N}-{\&Integral;}_{-1}^1{e}^{-\frac{N(\arccos \left(t\right)-t\sqrt{1-t^2})}{\mathrm{\&pi;}}}\mathrm{dt})---\left(4\right)$

其中，R为锚节点的通讯半径，R＝200～500m，t为邻居节点之间方向角的角度系数，N为邻居节点的平均数目，且 $N=\frac{{\mathrm{\&pi;nr}}^2}{L^2},$ n为监控区域N_L×L内活跃锚节点的数目，dt为微分标识。由此，可以得出T_i中的锚节点在定位树LT_i中的最大层数为：

然后，T_i确定为定位树LT_i中的层数1～hop_max的所有子结点。最后，目标节点M选取T_i中锚节点的所有h跳邻居节点作为唤醒锚节点集合S_hi，即在定位树LT_i中位于层数h+1～h+hop_max层的所有锚节点。在该筛选方法中，虽然d_hop的计算复杂度较高，但由于网络每跳平均距离是恒定的，因此只需要计算一次，所以其更适合在定位树这种数据结构中快速查找到满足条件的锚节点。S_hi确定之后，目标节点M向S_hi中的锚节点发送WAKEUP_MSG消息，预唤醒将在t_i+1时刻属于其h跳邻居的锚节点，使其进入全勤工作方式，保持活跃状态。同时，而定位树LT_i中的其他锚节点则构成了需要恢复低功耗工作方式的休眠锚节点集合W_hi，目标节点向这些锚节点发送PRUNE_MSG消息，在下一次重构定位树阶段时从定位树中剪除掉这些锚节点。为了尽可能地节省功耗，当目标节点的h跳连通度足以满足定位方法的要求时，可以中止预唤醒算法。

随着锚节点的休眠以及目标节点的移动，定位树的结构也会随之发生变化，这就需要动态地重构定位树。由于定位树中的锚节点集合均处于全勤和定位两种工作状态，因此，该重构过程就是根据锚节点的工作状态动态地将预唤醒的锚节点添加进定位树中，并将已离开定位区域的锚节点从定位树中移除掉。

在本发明中，定位树重构的方法类似于定位树构建的方法，目标节点M向传感器网络中继续广播REQUEST_MSG消息，只有处于全勤或定位两种工作状态的锚节点回复RESPONSE_MSG消息响应目标节点。目标节点M接收到该消息后，更新三元组顺序表中的锚节点信息，便可完成定位树的重构。

本发明提出的一种面向目标节点定位的无线传感器网络中动态休眠调度方法，该动态休眠调度方法通过通知目标节点周边的锚节点进入全勤的工作方式，而网络内其他锚节点则仍然保持低功耗的工作方式，因此尽可能的降低了节点功耗，延长了网络寿命。实验结果表明，移动节点定位方法采用P-SWIM相比于采用静态休眠调度机制RIS(Random Independent Scheme)和GAF(Geographic Adaptive Fedility)能够显著提高定位性能；且P-SWIM引入的运行功耗也是三种策略中最低的，比RIS和GAF最多可节省47.6％和60.2％的功耗(参见图11所示)。而且，P-SWIM引入的附加网络功耗最少，是一种面向移动节点定位的节能型休眠调度机制。

表1不同休眠调度方法的等效参数组

方法名称	参数名称	第一组参数	第二组参数	第三组参数	第四组参数
						GAFRISP-SWIM	虚拟网格大小发现时间长度时槽长度活跃百分比时槽长度活跃百分比	10m10s10s110s0.6	20m10s10s0.610s0.25	40m10s10s0.410s0.15	50m10s10s0.310s0.1

Claims (8)

1、一种面向三维空间的无线传感器网络定位系统，无线传感器网络系统包含有多个传感器节点、信息收集节点和用户端，各个传感器节点之间以及每个传感器节点与信息收集节点之间采用无线方式进行通信，信息收集节点与用户端采用Internet或者USB接口进行通信，多个无线传感节点组成一个无线传感器网络，其特征在于：传感器节点采用TelosB无线传感节点；无线传感器网络初始部署中民知位置信息的传感器节点记为锚节点，无线传感器网络初始部署中不知道位置信息的传感器节点记为未知节点；对其中的未知节点进行三维位置估计的节点记为目标节点；在目标节点通讯半径r范围内的未知节点记为目标节点的邻居节点；

在无线传感器网络中对于任意目标节点M_b的三维自身定位执行下列步骤：

步骤一、拾取可见锚节点

无线传感器网络中的锚节点A_a向所述网络内的传感器节点广播信标消息S，能够接收到该信标消息S的目标节点M_b将所述锚节点A_a记为自身的可见锚节点B_ba，并在所述目标节点M_b中保存可见锚节点信息S_Aa；

可见锚节点信息S_Aa是由锚节点A_a的标识号ID、锚节点A_a在网络内的位置信息(X_Aa，Y_Aa，Z_Aa)和目标节点M_b接收到锚节点A_a广播信标消息S的信号强度RSS_Aa(简写为接收信号强度RSS_Aa)组成；

不失一般性，在无线传感器网络中锚节点与目标节点利用矩阵方式描述它们之间的可见锚节点关系： $V=\left|\begin{array}{ccc}{A}_{11}& ...& A_{1n}\\ ...& ...& ...\\ A_{w1}& ...& A_{\mathrm{wn}}\end{array}\right|,$ 其中 $A_{\mathrm{ij}}=\left\{\begin{array}{c}1,d_{\mathrm{ij}}\&le;R\\ 0,d_{\mathrm{ij}}>R\end{array}\right.,$ 式中，A₁₁表示矩阵中

第1行的第1个元素，A_1n表示矩阵中第1行的最后一个元素，A_w1表示矩阵中第w行的第1个元素，A_wn表示矩阵中第w行的最后一个元素，A_ij表示第j个锚节点与第i个目标节点的可见关系，d_ij表示目标节点到可见锚节点的距离，R表示锚节点向外发布信息的通信半径。在本发明中，A_ij＝1表示第j个锚节点是第i个目标节点的可见锚节点，A_ij＝0表示第j个锚节点不是第i个目标节点的可见锚节点；

步骤二、建立接收信号强度信息表

目标节点M_b与邻居节点K_k交换各自的可见锚节点信息S_Aa，从而获得目标节点M_b与邻居节点K_k关于可见锚节点B_ba的接收信号强度信息表I_b；所述接收信号强度信息表I_b的内容为：

$I_b=\left|\begin{array}{c}......\\ <{\mathrm{ID}}_i^b,(X_i^b,Y_i^b,Z_i^b),{\mathrm{RSS}}_{\mathrm{Ai}}^b,\{{\mathrm{RSS}}_{\mathrm{Ki}}^1,{\mathrm{RSS}}_{\mathrm{Ki}}^2......{\mathrm{RSS}}_{\mathrm{Ki}}^k\}>\\ ......\end{array}\right|,$ 式中，ID_i ^b表示目标节点M_b的第i个可见锚节点的标识，(X_i ^b，Y_i ^b，Z_i ^b)表示目标节点M_b的第i个可见锚节点的位置坐标，RSS_Ai ^b表示目标节点M_b相对于M_b的第i个可见锚节点的接收信号强度，RSS_Ki ¹表示目标节点M_b的第1个邻居节点相对于M_b的第i个可见锚节点的接收信号强度，RSS_Ki ²表示目标节点M_b的第2个邻居节点相对于M_b的第i个可见锚节点的接收信号强度，RSS_Ki ^k表示目标节点M_b的第k个邻居节点相对于M_b的第i个可见锚节点的接收信号强度，其中，若目标节点M_b的第i个可见锚节点不是邻居节点K_k的可见锚节点，则 ${\mathrm{RSS}}_{\mathrm{Ki}}^i=0;$

步骤三、构建四面体

在目标节点M_b的可见锚节点B_ba中任意选取四个可见锚节点组成一个四面体，通过穷举，可见锚节点B_ba能够组成的多个四面体记为四面体集合T；

步骤四、判断目标节点是否在一个四面体内部

采用点位于四面体内的近似法则F来获取包含目标节点M_b的四面体作为其在无线传感器网络中的位置区域P；所述点位于四面体内的近似法则F为

式中，m，n，p，q分别表示任意的四个可见锚节点，这四个可见锚节点组成一个四面体，RSS_Bm ^b表示目标节点M_b关于第m可见锚节点的接收信号强度，RSS_Km ^k表示第k邻居节点关于第m可见锚节点的接收信号强度，RSS_Bn ^b表示目标节点M_b关于第n可见锚节点的接收信号强度，RSS_Kn ^k表示第k邻居节点关于第n可见锚节点的接收信号强度，RSS_Bp ^b表示目标节点M_b关于第p可见锚节点的接收信号强度，RSS_Kp ^k表示第k邻居节点关于第p可见锚节点的接收信号强度，RSS_Bq ^b表示目标节点M_b关于第q可见锚节点的接收信号强度，RSS_Kq ^k表示第k邻居节点关于第q可见锚节点的接收信号强度；

对四个以上可见锚节点组成的多个四面体将分别采用上述的点位于四面体内的近似法则F进行一一的位置区域匹配解析，从而得到目标节点M_b是否在步骤三中的四面体集合T内，来得包含目标节点M_b的四面体作为该目标节点M_b在无线传感器网络中的所处位置区域P；

步骤五、选取坐标平均值

计算位置区域P的重心集合，并以此重心集合G中所有元素的坐标的平均值作为目标节点M_b在无线传感器网络中的坐标位置；

重心集合G＝{G_s|G_s，s＝1……n_p}，式中，n_p表示目标节点M_b的位置区域P所包含的四面体的数目，G_s表示目标节点M_b在位置区域P中的任意一个四面体的重心；

所述重心集合G中所有元素的坐标的平均值

的具体计算为：

$\stackrel{\&OverBar;}{X_{G_s}}=\frac{\underset{s=1}{\overset{n_p}{\mathrm{\&Sigma;}}}{X}_{G_s}}{n_p},$ $\stackrel{\&OverBar;}{Y_{G_s}}=\frac{\underset{s=1}{\overset{n_p}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Y}_{G_s}}{n_p},$ $\stackrel{\&OverBar;}{Z_{G_s}}=\frac{\underset{s=1}{\overset{n_p}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Z}_{G_s}}{n_p};$

在无线传感器网络中对于任意目标节点M_b在移动过程的动态休眠调度步骤：

(A)初始化定位树：

以任意目标节点M_b自身为根结点、多跳邻居锚节点为多级子结点构建初始定位树LT₁；该初始定位树LT₁仅作为第一次休眠与唤醒锚节点使用；

任意目标节点M_b通过泛洪广播方式获取无线传感器网络中各锚节点的信息，待泛洪广播结束后，将各锚节点信息存储在初始定位树LT₁中；

所述初始定位树LT₁中的每个子结点采用三元组顺序表的数据结构形式进行存储，数据结构形式为<SEED_ID，HOP_COUNT，PARENT_ID>；

(B)确定进入休眠与唤醒的锚节点集合：

根据目标节点M_b在当前时刻i所在监控区域N_L×L构建一个当前定位树LT_i，并将所述当前定位树LT_i中的所有锚节点拾取出形成唤醒锚节点集合S_hi和休眠锚节点集合W_hi；

(C)休眠与唤醒调度规则：

通过传感器网络中各锚节点之间的消息转发机制，向唤醒锚节点集合S_hi中的锚节点派发WAKEUP_MSG消息，使其保持唤醒状态，进入全勤的工作方式，以确保足够高的连通度；同时，向休眠锚节点集合W_hi中的锚节点派发PRUNE_MSG消息，使其切换至休眠状态，进入低功耗工作方式；

WAKEUP_MSG消息格式为：

  HEADER   CMD_WK   SEED_ID   NODE_ID   TAIL

PRUNE_MSG消息格式为：

  HEADER   CMD_PR   SEED_ID   NODE_ID   TAIL

(D)定位树重构：

根据目标节点M在监控区域N_L×L内的位置移动，获得下一时刻i+1的定位树LT_i+1，该下一时刻定位树LT_i+1将作为下次循环进行动态休眠调度所需的定位树，顺次重复(B)步骤、(C)步骤实现目标节点的传感器网络中动态休眠调度。

2、根据权利要求1所述的面向三维空间的无线传感器网络定位系统，其特征在于：所述(A)步骤中目标节点M_b的泛洪广播方式为(a)目标节点M_b广播一条REQUEST_MSG消息，该REQUEST_MSG消息包含了该目标节点M_b的标识NODE_ID以及跳数HOP_COUNT；(b)每个接收到REQUEST_MSG消息的锚节点会在本地保存上述目标节点M_b的标识NODE ID和跳数HOP_COUNT；并将接收到的REQUEST_MSG消息中的跳数HOP_COUNT字段加1后，向邻居节点转发该S_REQUEST_MSG消息，同时回复一条RESPONSE_MSG消息给目标节点M_b；该S_REQUESST_MSG消息包含了该锚节点标识SEED_ID、路径长度HOP_COUNT+1以及上一跳锚节点标识PARENT_ID。

3、根据权利要求1所述的面向三维空间的无线传感器网络定位系统，其特征在于：所述(D)步骤中目标节点M移动后的泛洪广播方式为(a)目标节点M_b广播一条REQUEST_MSG消息，该REQUEST_MSG消息包含了该目标节点M_b的标识NODE_ID以及跳数HOP_COUNT；(b)每个接收到REQUEST_MSG消息的锚节点会在本地保存上述目标节点M_b的标识NODE_ID和跳数HOP_COUNT；并将接收到的REQUEST_MSG消息中的跳数HOP_COUNT字段加1后，向邻居节点转发该S_REQUEST_MSG消息，同时回复一条RESPONSE_MSG消息给目标节点M；该S_REQUEST_MSG消息包含了该锚节点标识SEED_ID、路径长度HOP_COUNT+1以及上一跳锚节点标识PARENT_ID；(c)若锚节点接收到来自同一个目标节点的多条REQUEST_MSG消息，则以跳数HOP_COUNT字段最小的那一条为准进行更新、转发和回复；当该锚节点接收的跳数HOP_COUNT值均小于等于所有邻居节点的跳数HOP_COUNT值时，则此次泛洪广播结束。

4、根据权利要求1所述的面向三维空间的无线传感器网络定位系统，其特征在于：

所述(B)步骤中对当前定位树LT_i区域内的锚节点的拾取规则为(a)计算监控区域N_L×L内锚节点的每跳平均距离d_hop， $d_{\mathrm{hop}}=R(1+e^{-N}-{\&Integral;}_{-1}^1{e}^{-\frac{N(\arccos \left(t\right)-t\sqrt{1-t^2})}{\mathrm{\&pi;}}}\mathrm{dt}),$

式中R为锚节点的通讯半径，t为邻居节点之间方向角的角度系数，N为邻居节点的平均数目，且 $N=\frac{\mathrm{\&pi;}{\mathrm{nr}}^2}{L^2},$ n为监控区域N_L×L内活跃锚节点的数目，dt为微分标识；(b)计算位于目标节点M_b在下一定位时刻i+1的可能位置区域的所有锚节点在当前定位树LT_i区域内的最大层数hop_max，

式中ν_max为目标节点M_b的最大移动速度，Δt为循环时间间隔；(c)将当前定位树LT_i区域内位于1～hop_max层的所有子结点集合确定为目标节点选取T_i；在目标节点选取T_i中锚节点的所有h跳邻居锚节点即为唤醒锚节点集合S_hi，在目标节点选取T_i中未被选取的锚节点为休眠锚节点集合W_hi。

5、根据权利要求1所述的面向三维空间的无线传感器网络定位系统，其特征在于：所述监控区域N_L×L是以边长为L的正方形区域，边长L为100～1000m。

6、根据权利要求1所述的面向三维空间的无线传感器网络定位系统，其特征在于：信标消息S的锚节点通讯半径R为200～500m。

7、根据权利要求1所述的面向三维空间的无线传感器网络定位系统，其特征在于：邻居节点是指在目标节点通讯半径r为50～100m内的未知节点。

8、根据权利要求1所述的面向三维空间的无线传感器网络定位系统，其特征在于：点位于四面体内的近似法则F＝1表示目标节点位于一个四面体的内部；点位于四面体内的近似法则F＝0表示目标节点位于一个四面体的外部。

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