CN101572960A - 无线传感器网络中基于距离和信标节点的定位方法 - Google Patents

Abstract

无线传感器网络中基于距离和信标节点的定位方法主要用于解决无线传感器网络中的节点定位问题。该方法主要包括三种节点：普通传感器节点、新标节点和基站。从基站开始洪泛，在洪泛过程中本算法通过已知信标节点和基站的位置，逐步建立以未知节点为原点的直角坐标系并确立基站在该直角坐标系中的坐标，并进一步确定该节点在标准坐标系中的坐标。最终洪泛完毕后所有的节点的坐标将全部确定并按距离最短优先的算法发送到基站中保存。本算法经过一次洪泛就完成了整个网络的准确定位，且未知节点的位置计算均在自身内部计算，这样分布式计算提高了整体稳定性，均衡消耗能量，从而延长了网络寿命。

Description

无线传感器网络中基于距离和信标节点的定位方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络中节点位置定位的解决方法，属于计算机网络与无线通信的交叉领域。

背景技术

无线传感器网络(wireless sensor network，WSN)就是由部署在监测区域内大量的廉价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字组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素。无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变人类与自然界的交互方式。人们可以通过传感器网络直接感知客观世界从而极大的扩展现有的网络功能和人类认识世界的能力。

在传感器网络中，位置信息对传感器网络的检测活动至关重要，事件发生的位置或获取信息的节点位置是传感器节点检测消息中所包含的重要信息，没有位置信息的检测消息往往毫无意义。因此，确定事件发生的位置或获取消息的节点位置是传感器网络最基本的功能之一，对传感器网络应用的有效性起着关键性的作用。

无线传感器节点通常随机布放在不同的环境中执行各种检测任务，以自组织的方式相互协调工作。随机布放的传感器节点无法实现知道自身的位置，因此传感器节点必须能够在布放后实时地进行定位。传感器节点自身定位就是根据少数已知位置的节点，按照某种定位机制确定自身的位置。只有在传感器节点自身正确定位后才能确定传感器节点监测到的事件发生的具体位置，这需要监测到该事件的多个传感器节点之间相互协作，并利用他们自身的位置信息，使用特定定位机制确定事件发生的位置。在传感器网络中，传感器节点自己的正确定位是提供监测事件位置信息的前提。

在传感器网络中，定位算法通常有以下几类：(1)基于距离的定位算法和距离无关的定位算法：前者需要测量相邻节点间的绝对距离或者方位，并利用节点间的实际距离或者方位来计算未知节点的位置；后者无需测量节点间的距离或者方位，而是利用节点间的估计距离计算节点位置。(2)递增式的定位算法和并发式的定位算法：它根据节点定位的先后次序分类的。前者通常从信标节点开始，信标节点附近的几点首先开始定位，又一次向外延伸，各节点逐次进行定位，这类算法的主要缺点是定位过程中累计或者传播测量误差；后者是所有的节点同时进行位置计算。(3)基于信标节点的定位算法和无信标节点的定位算法：它根据定位过程中是否使用信标节点来分类。前者在定位过程中，以信标节点作为定位中的参考点，各节点定位后产生整体绝对坐标系；后者指关心节点间的相对位置，在定位过程中无需信标节点，各节点先以自身作为参考点，将临近的节点纳入自己定义的坐标系中，相邻的坐标系统依次转换合并，最后产生整体相对坐标系统。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种无线传感器网络中基于距离和信标节点的定位方法，该方法是在无线传感器引入相对坐标系，通过普通节点与信标节点相互协作，计算基站和信标节点在相对坐标系中的位置来达到计算整个网络在标准坐标系中的坐标，实现精确定位的目的。

技术方案：本发明的方法是一种策略性的方法，在深入分析无线传感器网络中现有的定位技术的基础上，考虑到无线传感器网络的部署方式以及传感器节点的处理能力和能量消耗问题，提出一种尽量简化的算法。其目的是通过该定位算法让节点知道基站和初始信标节点在相对坐标系中的坐标和该节点在标准坐标系中的坐标。

信标节点：已经知道自己的方位和坐标的节点，其他方面的性能和普通节点相同，没有什么区别。

基站：在无线传感器网络中电源能量、通信能力、计算和存储能力等性能最好的节点，负责整个网络的管理。

一、体系结构

无线传感器网络一般有两种结构：平面结构和分级结构。平面结构的网络比较简单，所有节点地位平等，都参与数据采集和路由转发，所以又可以称为对等式结构，这种结构原则上不存在瓶颈，所以健壮性比较好。在分级结构中，网络被划分为簇。每个簇由一个簇头和多个成员组成。这些簇形成了高一级的网络，在高一级的网络中，又可以分簇，再一次形成更高一级的网络，直至最高级。在分级结构中，簇头节点负责簇间数据的转发。簇头可以预先制定，也可以由节点使用算法自动选举产生。本算法用于平面结构中，图1给出了平面式无线传感器网络的拓扑结构示意图。

二、方法流程

本发明是已知基站和两个信标节点的方位，基站同时也是信标节点。在洪泛过程中通过逐步建立相对直角坐标系确定基站在该坐标系中的位置，进而计算该节点在标准坐标系中的坐标，计算完毕后以距离优先的路由，以尽快的方式反送回基站，最终完成整个网络中所有节点的定位。原理如图2。具体步骤如下：

步骤1)以基站A为中心一跳范围内选取两个节点B、C作为信标节点，以基站作为直角坐标系原点，B、C两个信标节点之一(设该节点为B)和原点一起标记X轴，该点称为轴点，逆时针旋转90度作为Y轴。该坐标为标准坐标。

步骤2)基站A授权信标节点C为原点，作为即将建立的直角坐标系的原点。

步骤3)被授权的原点收集8个到本节点的距离保存到自己的队列中并为这些节点编号。

步骤4)原点从这个8个距离中找出离本节点最近的节点。

步骤5)判断该节点是否能够收集到授权节点及其轴点的距离。如果不可以则转向步骤6，否则，转向步骤7。

步骤6)判断该节点的编号是否小于8。如果小于则转向步骤4。否则转向步骤3。

步骤7)以被选出的节点为轴点和原点建立直角坐标系，并把方向标记置1，代表以原点为起点到轴点的方向为X轴的正向。

步骤8)选择距离次短的节点授权它为下一个坐标系的即将建立坐标系的原点。

步骤9)判断刚建立的坐标系的原点是否为初始信标节点C，如果是，则转向步骤10，否则转向步骤11。

步骤10)已知信标节点在标准坐标系中的坐标和轴点在刚建立的坐标系中的坐标，利用余弦定理计算两个坐标系X坐标轴的夹角，根据坐标旋转公式计算轴点在标准坐标系中的坐标，转向步骤18。

步骤11)根据授权节点到被授权节点(原点)和轴点的距离计算授权节点在该坐标系中的坐标，此时X坐标确定，Y坐标会出现正负两种情况。此时先取y为负值。

步骤12)已知基站A在以授权节点为原点的坐标系中的坐标和授权节点在以被授权节为原点的坐标系中的坐标，根据坐标旋转公式计算基站A和新标节点B在该坐标系中的坐标。

步骤13)已知标准坐标系的方位，计算原点到基站A的距离，在反过来计算原点在标准坐标系中的坐标。

步骤14)判断y是否大于0，如果大于则转向步骤17，否则转向步骤15。

步骤15)根据标准坐标系中授权节点和原点的坐标，计算这两点之间的距离，判断该距离是否与实测距离相同，如果相同，则转向步骤17，否则，转向步骤16。

步骤16)Y取正值，并转向步骤13。

步骤17)已知原点在标准坐标系中的坐标和轴点在该坐标系中的坐标，根据坐标旋转公式计算轴点在标准坐标系中的坐标。

步骤18)以轴点作为原点，原点作为轴点建立坐标系，相当于Y轴平移到原来的轴点上，但坐标轴方向不变，方向标记置0，代表以原点为起点到轴点的直线为X轴的负方向。

步骤19)计算基站A和信标节点B在该坐标系中坐标，保存结果并把最终结果以距离优先的算法发送到基站A。

有益效果：本发明提出了一种无线传感器网络中基于距离和信标节点的定位方法，该方法从基站开始进行洪泛，通过信标节点的方位和未知节点收集的距离利用坐标旋转公式计算基站在相对坐标系中的坐标，并进一步计算该节点在标准坐标系中的坐标，最终完成所有节点的定位，具有如下几个优点：

(1)自组织性好：在本算法中传感器网络节点可以随机分布，而不是刻意的去按照某种框架去布网，当然它也能适应在固定框架内的定位。

(2)一举两得：本算法执行完毕后不仅可以得知所有节点在标准坐标系中的坐标而且可以得到基站在以未知节点为原点建立的坐标系中的坐标，从而达到一举两得的效果。

(3)迅速高效：在未知节点计算出本身在标准坐标系中的坐标后将根据距离最短优先的算法以接近最快的速度把计算结果发送到基站，从而提高定位的效率。

(4)能量高效：经过一次洪泛就可以得到所有的节点的定位，从而节省能量，延长节点的寿命，从而延长整个网络的寿命。

(5)分布式计算：每个未知节点都是自己计算本身的位置，而不是将所有信息传送到某个节点或者基站进行集中计算从而提高稳定性。

附图说明

图1平面式无线传感器网络的拓扑结构示意图。

图2本发明的定位过程原理图。

图3本发明中的定位方法的流程图。

具体实施方式

首先要布网，本算法应用于平面式分布的网络中，所以节点可以随机分布。另外在初始时要确定基站和另外两个信标节点的方位，以为后面的计算做好准备。本发明通过一次洪泛来达到把所有未知节点的在标准坐标系中的坐标和基站在相对坐标系中的坐标，准确高效且节省能量从而延长了网络的寿命。

本发明提出的无线传感器网络中基于距离的定位算法有以下步骤：

步骤1)以基站A为中心一跳范围内选取两个节点B、C作为信标节点，以基站作为直角坐标系原点，B、C两个信标节点之一(设该节点为B)和原点一起标记X轴，该点称为轴点，逆时针旋转90度作为Y轴。该坐标为标准坐标。

步骤2)基站A授权信标节点C为原点，作为即将建立的直角坐标系的原点。

步骤3)被授权的原点收集8个到本节点的距离保存到自己的队列中并为这些节点编号。

步骤4)原点从这个8个距离中找出离本节点最近的节点。

步骤5)判断该节点是否能够收集到授权节点及其轴点的距离。如果不可以则转向步骤6，否则，转向步骤7。

步骤6)判断该节点的编号是否小于8。如果小于则转向步骤4。否则转向步骤3。

步骤7)以被选出的节点为轴点和原点建立直角坐标系，并把方向标记置1，代表以原点为起点到轴点的方向为X轴的正向。

步骤8)选择距离次短的节点授权它为下一个坐标系的即将建立坐标系的原点。

步骤9)判断刚建立的坐标系的原点是否为初始信标节点C，如果是，则转向步骤10，否则转向步骤11。

步骤10)已知信标节点在标准坐标系中的坐标和轴点在刚建立的坐标系中的坐标，利用余弦定理计算两个坐标系X坐标轴的夹角，根据坐标旋转公式计算轴点在标准坐标系中的坐标，转向步骤18。

步骤11)根据授权节点到被授权节点(原点)和轴点的距离计算授权节点在该坐标系中的坐标，此时X坐标确定，Y坐标会出现正负两种情况。此时先取y为负值。

步骤12)已知基站A在以授权节点为原点的坐标系中的坐标和授权节点在以被授权节为原点的坐标系中的坐标，根据坐标旋转公式计算基站A和新标节点B在该坐标系中的坐标。

步骤13)已知标准坐标系的方位，计算原点到基站A的距离，在反过来计算原点在标准坐标系中的坐标。

步骤14)判断y是否大于0，如果大于则转向步骤17，否则转向步骤15。

步骤15)根据标准坐标系中授权节点和原点的坐标，计算这两点之间的距离，判断该距离是否与实测距离相同，如果相同，则转向步骤17，否则，转向步骤16。

步骤16)Y取正值，并转向步骤13。

步骤17)已知原点在标准坐标系中的坐标和轴点在该坐标系中的坐标，根据坐标旋转公式计算轴点在标准坐标系中的坐标。

步骤18)以轴点作为原点，原点作为轴点建立坐标系，相当于Y轴平移到原来的轴点上，但坐标轴方向不变，方向标记置0，代表以原点为起点到轴点的直线为X轴的负方向。

步骤19)计算基站A和信标节点B在该坐标系中坐标，保存结果并把最终结果以距离优先的算法发送到基站A。

Claims (1)

1、一种无线传感器网络中基于距离和信标节点的定位方法，其特征在于定位过程中所包含的步骤为：

步骤1)以基站A为中心一跳范围内选取两个节点B、C作为信标节点，以基站作为直角坐标系原点，B、C两个信标节点之一(设该节点为B)和原点一起标记X轴，该点称为轴点，逆时针旋转90度作为Y轴。该坐标为标准坐标。

步骤2)基站A授权信标节点C为原点，作为即将建立的直角坐标系的原点。

步骤3)被授权的原点收集8个到本节点的距离保存到自己的队列中并为这些节点编号。

步骤4)原点从这个8个距离中找出离本节点最近的节点。

步骤5)判断该节点是否能够收集到授权节点及其轴点的距离。如果不可以则转向步骤6，否则，转向步骤7。

步骤6)判断该节点的编号是否小于8。如果小于则转向步骤4。否则转向步骤3。

步骤7)以被选出的节点为轴点和原点建立直角坐标系，并把方向标记置1，代表以原点为起点到轴点的方向为X轴的正向。

步骤8)选择距离次短的节点授权它为下一个坐标系的即将建立坐标系的原点。

步骤9)判断刚建立的坐标系的原点是否为初始信标节点C，如果是，则转向步骤10，否则转向步骤11。

步骤10)已知信标节点在标准坐标系中的坐标和轴点在刚建立的坐标系中的坐标，利用余弦定理计算两个坐标系X坐标轴的夹角，根据坐标旋转公式计算轴点在标准坐标系中的坐标，转向步骤18。

步骤11)根据授权节点到被授权节点(原点)和轴点的距离计算授权节点在该坐标系中的坐标，此时X坐标确定，Y坐标会出现正负两种情况。此时先取y为负值。

步骤12)已知基站A在以授权节点为原点的坐标系中的坐标和授权节点在以被授权节为原点的坐标系中的坐标，根据坐标旋转公式计算基站A和新标节点B在该坐标系中的坐标。

步骤13)已知标准坐标系的方位，计算原点到基站A的距离，在反过来计算原点在标准坐标系中的坐标。

步骤14)判断y是否大于0，如果大于则转向步骤17，否则转向步骤15。

步骤15)根据标准坐标系中授权节点和原点的坐标，计算这两点之间的距离，判断该距离是否与实测距离相同，如果相同，则转向步骤17，否则，转向步骤16。

步骤16)Y取正值，并转向步骤13。

步骤17)已知原点在标准坐标系中的坐标和轴点在该坐标系中的坐标，根据坐标旋转公式计算轴点在标准坐标系中的坐标。

步骤18)以轴点作为原点，原点作为轴点建立坐标系，相当于Y轴平移到原来的轴点上，但坐标轴方向不变，方向标记置0，代表以原点为起点到轴点的直线为X轴的负方向。

步骤19)计算基站A和信标节点B在该坐标系中坐标，保存结果并把最终结果以距离优先的算法发送到基站A。

Images