CN102083201A - 一种基于无线传感器网络的定位方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于无线传感器网络的定位方法和装置，该方法包括步骤：配置各锚节点的位置坐标，根据各锚节点的位置坐标划分其所属区域，根据各锚节点的所属区域为其配置所属区域标识；获取多个锚节点对移动目标的测距结果和接入信号强度，选取具有最大接收信号强度的锚节点，根据该锚节点的所属区域标识，选取与该锚节点的所属区域标识相同的多个锚节点作为锚节点输入序列，通过锚节点输入序列分组求交的方式确定算法输入，进行定位运算。该方法从算法输入角度屏蔽室内外测距误差、不同楼层测距误差等，有效地提高了室内外定位的准确度。

Description

一种基于无线传感器网络的定位方法和装置

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于无线传感器网络的定位方法和装置。

背景技术

随着传感器技术、低功耗无线通信技术以及嵌入式计算技术的飞速发展和日益成熟，生产具备感应、无线通信以及信息处理能力的低功耗微型传感器节点成为可能。这些微型的传感器节点共同组成无线传感器网络(WSN，Wireless Sensor Network)，它们通过节点间的短距离通信来协作感知、采集和处理覆盖区域内的多种环境信息，并汇聚给远程基站(Sink)进行处理，以满足不同传感器网络中不同应用的需求。无线传感器网络定位技术是大多数应用的基础，可在应急救援、建筑物安全监控、工厂设备和信息的跟踪等应用领域实现复杂的大规模监测和追踪任务。

定位系统通常由移动目标和位置已知的锚节点构成，现有的无线定位方法一般是通过多个已知地理位置的基站一起来确定移动目标的位置。通过部署一定数量的锚节点作为已知地理位置的基站，锚节点收集与移动目标的相关信息，通过定位运算得到移动目标的位置。

由于无线信号本身特性及实际传输环境的影响，计算得到的锚节点与移动目标之间的距离值都存在误差，尤其对于室内、室外环境变化大，室内受多径衍射、干扰较大，该误差对定位结果的影响更大，并且该误差随着距离的增大而增大，因此，距离远近不同的锚节点对定位结果有着不同程度的影响，距离越远的锚节点，其距离误差越大，该锚节点的坐标在定位算法中引入的误差也就越大。理想的三边测量法是根据测距计算得到的移动目标到锚节点的距离，通过以移动目标的位置坐标为未知数求解二元方程组，得到移动节点的位置坐标。由于实际测距值中存在误差，即移动目标与锚节点的测距都可能存在误差，使得方程组很可能无解，或存在多组解。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提出一种基于无线传感器网络的定位方法和装置，提高定位精度和准确度。

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于无线传感器网络的定位方法，包括步骤：

配置各锚节点的位置坐标，根据各锚节点的位置坐标划分其所属区域，根据各锚节点的所属区域为其配置所属区域标识；

获取多个锚节点对移动目标的测距结果和接入信号强度，选取具有最大接收信号强度的锚节点，根据该锚节点的所属区域标识，选取与该锚节点的所属区域标识相同的多个锚节点作为锚节点输入序列进行定位运算。

进一步地，上述方法还可具有以下特点：

所述根据所述锚节点输入序列进行定位运算包括：

将所述锚节点输入序列中的锚节点每2个分为一组，然后根据每组内的2个锚节点的位置坐标及其对移动目标的测距结果计算移动目标的位置坐标；

以各组计算出的移动目标的位置坐标作为顶点组成一多边形，计算该多边形质心的位置坐标，以该质心的位置坐标作为最终定位出的移动目标的位置坐标。

进一步地，上述方法还可具有以下特点：

根据组内的2个锚节点计算移动目标的位置坐标包括：

根据组内的2个锚节点的坐标及其对移动目标的测距结果计算出2个移动目标的位置坐标；

选取一个组外的锚节点，分别计算所述2个移动目标的位置坐标到所述组外的锚节点的位置坐标的距离，然后分别计算所述得到的2个距离与所述组外的锚节点对移动目标的测距距离之差的绝对值；

选取最小绝对值对应的移动目标的位置坐标作为根据组内的两个锚节点计算移动目标的位置坐标。

进一步地，上述方法还可具有以下特点：

所述获取多个锚节点对移动目标的测距结果和接入信号强度包括：

各锚节点对移动目标进行测距以及计算接收信号强度，然后将测距数据和接收信号强度值发送给移动目标；

移动目标将一预定时间内接收到的多个锚节点的测距数据和接收信号强度值打包发送给上位机；

上位机接收并解析移动目标发送来的数据包，以获取多个锚节点对移动目标的测距结果和接入信号强度。

进一步地，上述方法还可具有以下特点：

在根据一锚节点输入序列进行定位运算前，还判断所述锚节点输入序列中的锚节点的个数，只有当所述锚节点输入序列中的锚节点的个数大于或者等于3时，才根据所述锚节点序列进行定位运算。

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于无线传感器网络的定位装置，包括配置单元和处理单元，其中：

所述配置单元，用以配置各锚节点的位置坐标，根据各锚节点的位置坐标划分其所属区域，根据各锚节点的所属区域为其配置所属区域标识；

所述处理单元，用以获取多个锚节点对移动目标的测距结果和接入信号强度，选取具有最大接收信号强度的锚节点，根据该锚节点的所属区域标识，选取与该锚节点的所属区域标识相同的多个锚节点作为锚节点输入序列进行定位运算。

进一步地，上述定位装置还可具有以下特点：

所述处理单元根据所述锚节点输入序列进行定位运算包括：

将所述锚节点输入序列中的锚节点每2个分为一组，然后根据每组内的2个锚节点的位置坐标及其对移动目标的测距结果计算移动目标的位置坐标；

以各组计算出的移动目标的位置坐标作为顶点组成一多边形，计算该多边形质心的位置坐标，以该质心的位置坐标作为最终定位出的移动目标的位置坐标。

进一步地，上述定位装置还可具有以下特点：

所述处理单元根据组内的2个锚节点计算移动目标的位置坐标包括：

根据组内的2个锚节点的坐标及其对移动目标的测距结果计算出2个移动目标的位置坐标；

选取一个组外的锚节点，分别计算所述2个移动目标的位置坐标到所述组外的锚节点的位置坐标的距离，然后分别计算所述得到的2个距离与所述组外的锚节点对移动目标的测距距离之差的绝对值；

选取最小绝对值对应的移动目标的位置坐标作为根据组内的两个锚节点计算移动目标的位置坐标。

进一步地，上述定位装置还可具有以下特点：

所述处理单元在根据一锚节点输入序列进行定位运算前，还判断所述锚节点输入序列中的锚节点的个数，只有当所述锚节点输入序列中的锚节点的个数大于或者等于3时，才根据所述锚节点序列进行定位运算。

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于无线传感器网络的定位系统，其特征在于，包括多个锚节点、移动目标，以及上述定位装置，其中：

所述锚节点对移动目标进行测距以及计算接收信号强度，然后将测距数据和接收信号强度值发送给移动目标；

所述移动目标将一预定时间内接收到的多个锚节点的测距数据和接收信号强度值打包发送给所述定位装置；

所述定位装置接收所述移动目标发送来的数据包，解析出多个锚节点对移动目标的测距结果和接入信号强度，并据以进行定位运算。

本发明提出的一种基于无线传感器网络的定位方法和装置，提出从算法输入角度屏蔽室内外测距误差、不同楼层测距误差等，转化求解过程，巧妙地将RSSI技术与TOF测距技术结合，实现室内外联合的高精度定位。TOF测距具有测距精度高、受干扰影响小、适用距离远等特点；RSSI值可以表征移动节点与锚节点间的通信信号衰减情况，将RSSI技术与TOF测距技术结合，非常适合于低能耗，高精度的室内外定位方案。

附图说明

图1是本发明实施例一种基于无线传感器网络的定位方法流程图；

图2是本发明实施例移动目标向上位机发送的封装有多个锚节点的测距数据和接收信号强度值的数据包格式；

图3是本发明实施例一种基于无线传感器网络的定位方法示意图；

图4是本发明实施例一种基于无线传感器网络的定位系统方框图。

具体实施方式

下面将结合附图来详细说明本发明实施方式。

参见图1，该图示出了本发明实施例一种基于无线传感器网络的定位方法，具体包括如下步骤：

步骤S101：上位机配置各锚节点的位置坐标，根据各锚节点的位置坐标划分其所属区域，根据各锚节点的所属区域为其配置区域标识BState_k(k＝1......N，N为当前系统中锚节点的总数量)，区域标识BState_k可取值为任意整数；

所述各锚节点可以分布于多层建筑的各个楼层平面以及楼外广场区域。上位机可以根据锚节点地理位置信息划分其所属区域为楼内区域和楼外区域，对于楼内区域还可以进一步进行区域划分，将每一楼层划分为一区域。

上位机进行系统初始时，令各锚节点的所属区域标识BState_k＝0(k＝1......N，N为当前系统中锚节点的总数量)，上位机完成对各锚节点的位置坐标的配置后，根据各锚节点的所属区域对其所属区域标识BState_k重新赋值：例如，当一锚节点BS_k位于楼外某一划定区域内时，令其所属区域标识BState_k＝-1；当该锚节点BS_k位于在楼内某一层平面部署时，令其所属区域标识BState_k＝K，K为当前楼层号。

步骤S102：各锚节点对移动目标进行测距以及计算接收信号强度，然后将测距数据和接收信号强度值发送给移动目标；

假定移动目标M_j与锚节点BS_k、BS_k+1、BS_k+2、BS_k+3......BS_k+n间所测距离为D_jk、D_jk+1、D_jk+2、D_jk+3......D_jk+n，接收信号强度为RS_k、RS_k+1、RS_k+2、RS_k+3......RS_k+n，其中：各锚节点可以对移动目标进行TOF测距，具体计算方式可以为：D_jk＝(T_i-T_i-1)*V，T_i和T_i-1表示移动目标发送信号时间和到达锚节点的接收时间，V表示无线信号传输的速度；其中，接收信号强度RS_k、RS_k+1、RS_k+2、RS_k+3......RS_k+n是各锚节点通过以相同的发射功率发射无线信号，以接收时Friis公式计算得到，这里不再详述。

步骤S103：移动目标将一定时间Δt内接收到的多个锚节点的测距数据和接收信号强度值打包发送给上位机；

移动目标将一定时间Δt内接收到的多个锚节点的测距数据和接收信号强度值打包发送给上位机，可以是，例如设置Δt＝1s，则移动目标将1s内接收到n个锚节点的测距数据打包后发送给上位机。打包格式可以如图2所示，Tag_m表示移动目标m，n表示在Δt时间间隔内移动目标m接收到n个锚节点与Tag_m的测距信息。

在另一实施例中，当网络规模较小、环境干扰较少时，步骤S103也可以是，移动目标将接收信号强度RSSI值大于某一预设值的多个锚节点的测距数据和接收信号强度值打包发送给上位机。

步骤S104：上位机接收并解析移动目标发送来的数据包，通过数据包长度判断接收数据包包含锚节点的个数，若锚节点个数小于3，表示当前测距数据无效，返回步骤S104；否则，进入步骤S105；

步骤S105：选取出具有最大接收信号强度的锚节点，根据该锚节点的所属区域标识BState，从接收数据包中解析出，与该锚节点的BState值相同的多个锚节点，即{BS_i|BState_i＝BState}，所选锚节点组成锚节点输入序列；

例如，上位机软件解析接收数据包，解析出具有最大接收信号强度的锚节点的所属区域标识为BState＝-1，即该具有最大接收信号强度的锚节点设置在楼外区域中，判定当前移动目标在楼外区域范围，选择当前数据包中满足区域标识BState＝-1的锚节点，即{BS_i|BState_i＝-1}，i∈[0，N]，组成锚节点输入序列；

再例如，上位机软件解析接收数据包，解析出具有最大接收信号强度的锚节点的所属区域标识为BState＝K，即该具有最大接收信号强度的锚节点设置在楼层K的平面上，判定当前移动目标在楼层K的平面上，选择当前数据包中满足{BS_i|BState_i＝K}，i∈[0，N]的锚节点作为定位输入序列；

步骤S106：对步骤S105中所选锚节点输入序列进行分组，将每2个锚节点分为一组，然后根据每个分组内的2个锚节点的坐标及其对移动目标的测距距离计算移动目标的位置坐标；

对锚节点输入序列进行分组可以是：假定选择的锚节点序列中有J个锚节点，当J≥3时，对锚节点序列进行分组：取变量j表示锚节点序列的第j个锚节点，将序列中第j个与第j+1个分成一组，j的取值范围是从1至输入序列中锚节点总个数J，另外，将第J个和第1个锚节点分为一组，共计J个分组；当J＜3时，当前数据包引入较大误差，无法进行定位计算，返回步骤S104；

步骤S107：上位机对每一组执行：将由组内的两个锚节点计算得到的两个坐标值假定为移动目标的可能值，设为M_i和M_j，任选组外，即锚节点序列组中其余(J-2)个锚节点中的一个锚节点BS_k，计算M_i到BS_k的距离，计算M_j到BS_k的距离，并分别与接收数据包中锚节点BS_k测距值D_k比较，选择绝对差值最小的坐标值作为该组最终计算出的移动目标的位置坐标；

步骤S108：以各组计算出的移动目标的位置坐标作为顶点组成一多边形，计算该多边形质心的位置坐标，以该质心的位置坐标作为最终定位出的移动目标的位置坐标。

参见图3，该图示出了本发明实施例一种基于无线传感器网络的定位方法示意图，上位机接收到各锚节点对移动目标的测距结果和接收信号强度后，判断出具备最大接收信号强度的锚节点为BS_k，根据该锚节点为BS_k的所属区域标识BState从该锚节点所属区域中选取满足一预定条件的3个锚节点BS_k、BS_k+1、BS_k+2组成锚节点输入序列，然后将这3个锚节点两两组合求解并确定交点：根据BS_k和BS_k+1与移动目标的距离值D_jk和D_jk+1可求得交点Mk_k+1和M_kk+1’，将M_kk+1和M_kk+1’分别和锚节点BS_k+2计算两点间距离，将所得距离值与D_jk+2比较，选择误差最小的结果M_kk+1作为所求交点；根据BS_k+1和BS_k+2与移动目标的距离值D_jk+1和D_jk+2可求得交点M_k+1k+2和M_k+1k+2’，将M_k+1k+2和M_k+1k+2’分别和锚节点BS_k计算两点间距离，将所得距离值与D_jk比较，选择误差最小的结果M_k+1k+2作为所求交点；根据BS_k和BS_k+2与移动目标的距离值D_jk和D_jk+2可求得交点M_kk+2和M_kk+2’，将M_kk+2和M_kk+2’分别和锚节点BS_k+1计算两点间距离，将所得距离值与D_jk+1比较，选择误差最小的结果M_kk+2作为所求交点。然后将计算得到的交点序列M_kk+1、M_k+1k+2和M_kk+2作为多边形的顶点求质心，计算得到当前移动目标的物理位置坐标M_j。

本定位方法也适合于多个锚节点在同一直线等一些特殊多边形的情况。

为了实现上述方法，本发明还提出了一种基于无线传感器网络的定位装置，如图3所示，包括配置单元41和处理单元42，其中：

所述配置单元41，用以配置各锚节点的位置坐标，根据各锚节点的位置坐标划分其所属区域，根据各锚节点的所属区域为其配置所属区域标识；

所述处理单元42，用以获取多个锚节点对移动目标的测距结果和接入信号强度，选取具有最大接收信号强度的锚节点，根据该锚节点的所属区域标识，选取与该锚节点的所属区域标识相同的多个锚节点作为锚节点输入序列进行定位运算。

进一步地，所述处理单元42根据所述锚节点输入序列进行定位运算包括：

将所述锚节点输入序列中的锚节点每2个分为一组，然后根据每组内的2个锚节点的位置坐标及其对移动目标的测距结果计算移动目标的位置坐标；

以各组计算出的移动目标的位置坐标作为顶点组成一多边形，计算该多边形质心的位置坐标，以该质心的位置坐标作为最终定位出的移动目标的位置坐标。

进一步地，所述处理单元42根据组内的2个锚节点计算移动目标的位置坐标包括：

根据组内的2个锚节点的坐标及其对移动目标的测距结果计算出2个移动目标的位置坐标；

选取一个组外的锚节点，分别计算所述2个移动目标的位置坐标到所述组外的锚节点的位置坐标的距离，然后分别计算所述得到的2个距离与所述组外的锚节点对移动目标的测距距离之差的绝对值；

选取最小绝对值对应的移动目标的位置坐标作为根据组内的两个锚节点计算移动目标的位置坐标。

进一步地，所述处理单元42在根据一锚节点输入序列进行定位运算前，还判断所述锚节点输入序列中的锚节点的个数，只有当所述锚节点输入序列中的锚节点的个数大于或者等于3时，才根据所述锚节点序列进行定位运算。

本发明提供的无线定位方法和装置，考虑到室内外环境不同、距离远近不同的锚节点对移动目标的定位结果有不同程度的影响，因而在定位计算中，对锚节点进行了区域划分，以减少环境因素对定位结果的影响；并且，本发明实施例中，还根据RSSI值最大的锚节点，选择同一区域中合适的多个锚节点，通过简单的距两已知点距离求交点，进而计算确定输入多边形的顶点，最终以多边形质心计算得到移动目标的位置坐标，有效地提高了定位结果的精度。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于无线传感器网络的定位方法，其特征在于，包括步骤：

配置各锚节点的位置坐标，根据各锚节点的位置坐标划分其所属区域，根据各锚节点的所属区域为其配置所属区域标识；

获取多个锚节点对移动目标的测距结果和接入信号强度，选取具有最大接收信号强度的锚节点，根据该锚节点的所属区域标识，选取与该锚节点的所属区域标识相同的多个锚节点作为锚节点输入序列进行定位运算。

2.如权利要求1所述的定位方法，其特征在于，所述根据所述锚节点输入序列进行定位运算包括：

将所述锚节点输入序列中的锚节点每2个分为一组，然后根据每组内的2个锚节点的位置坐标及其对移动目标的测距结果计算移动目标的位置坐标；

以各组计算出的移动目标的位置坐标作为顶点组成一多边形，计算该多边形质心的位置坐标，以该质心的位置坐标作为最终定位出的移动目标的位置坐标。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，根据组内的2个锚节点计算移动目标的位置坐标包括：

根据组内的2个锚节点的坐标及其对移动目标的测距结果计算出2个移动目标的位置坐标；

选取一个组外的锚节点，分别计算所述2个移动目标的位置坐标到所述组外的锚节点的位置坐标的距离，然后分别计算所述得到的2个距离与所述组外的锚节点对移动目标的测距距离之差的绝对值；

选取最小绝对值对应的移动目标的位置坐标作为根据组内的两个锚节点计算移动目标的位置坐标。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取多个锚节点对移动目标的测距结果和接入信号强度包括：

各锚节点对移动目标进行测距以及计算接收信号强度，然后将测距数据和接收信号强度值发送给移动目标；

移动目标将一预定时间内接收到的多个锚节点的测距数据和接收信号强度值打包发送给上位机；

上位机接收并解析移动目标发送来的数据包，以获取多个锚节点对移动目标的测距结果和接入信号强度。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

在根据一锚节点输入序列进行定位运算前，还判断所述锚节点输入序列中的锚节点的个数，只有当所述锚节点输入序列中的锚节点的个数大于或者等于3时，才根据所述锚节点序列进行定位运算。

6.一种基于无线传感器网络的定位装置，其特征在于，包括配置单元和处理单元，其中：

所述配置单元，用以配置各锚节点的位置坐标，根据各锚节点的位置坐标划分其所属区域，根据各锚节点的所属区域为其配置所属区域标识；

所述处理单元，用以获取多个锚节点对移动目标的测距结果和接入信号强度，选取具有最大接收信号强度的锚节点，根据该锚节点的所属区域标识，选取与该锚节点的所属区域标识相同的多个锚节点作为锚节点输入序列进行定位运算。

7.如权利要求6所述的定位装置，其特征在于，所述处理单元根据所述锚节点输入序列进行定位运算包括：

将所述锚节点输入序列中的锚节点每2个分为一组，然后根据每组内的2个锚节点的位置坐标及其对移动目标的测距结果计算移动目标的位置坐标；

以各组计算出的移动目标的位置坐标作为顶点组成一多边形，计算该多边形质心的位置坐标，以该质心的位置坐标作为最终定位出的移动目标的位置坐标。

8.如权利要求7所述的定位装置，其特征在于，所述处理单元根据组内的2个锚节点计算移动目标的位置坐标包括：

根据组内的2个锚节点的坐标及其对移动目标的测距结果计算出2个移动目标的位置坐标；

选取一个组外的锚节点，分别计算所述2个移动目标的位置坐标到所述组外的锚节点的位置坐标的距离，然后分别计算所述得到的2个距离与所述组外的锚节点对移动目标的测距距离之差的绝对值；

选取最小绝对值对应的移动目标的位置坐标作为根据组内的两个锚节点计算移动目标的位置坐标。

9.如权利要求6所述的定位装置，其特征在于：

所述处理单元在根据一锚节点输入序列进行定位运算前，还判断所述锚节点输入序列中的锚节点的个数，只有当所述锚节点输入序列中的锚节点的个数大于或者等于3时，才根据所述锚节点序列进行定位运算。

10.一种基于无线传感器网络的定位系统，其特征在于，包括多个锚节点、移动目标，以及权利要求6-9中任何一项所述的定位装置，其中：

所述锚节点对移动目标进行测距以及计算接收信号强度，然后将测距数据和接收信号强度值发送给移动目标；

所述移动目标将一预定时间内接收到的多个锚节点的测距数据和接收信号强度值打包发送给所述定位装置；

所述定位装置接收所述移动目标发送来的数据包，解析出多个锚节点对移动目标的测距结果和接入信号强度，并据以进行定位运算。

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