CN103152828A - 一种基于移动锚节点的无线传感器网络节点自定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线传感技术领域，针对现有采用移动锚节点定位方法复杂度高的问题，本发明公开了一种基于移动锚节点的无线传感器网络节点自定位方法，包括：针对监测区域建立二维平面直角坐标系，使传感器网络监测区域全都处于第一象限，锚节点起始位置在坐标原点。锚节点间隙定向广播位置信息，定向广播位置信息时不移动，并通过定向天线的旋转使所有未知节点均能收到位置信息，未知节点存储接收到的位置信息以及接收信号强度，当不再收到位置信息后，选择接收信号强度最大的位置信息作为自定位可用数据。随着锚节点的移动，所有未知节点至少两次接收到不同位置信息，利用选定的自定位可用数据计算自身的位置。

Description

一种基于移动锚节点的无线传感器网络节点自定位方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络（WSN）技术领域，特别是涉及一种基于移动锚节点的无线传感器网络节点自定位方法。

背景技术

无线传感器网络是近几年发展起来的一种无线自组织网络。由于其简单易用、可靠、高性价比、低功耗，所以应用前景十分广阔，在军事国防、工业生产、城市管理、医疗健康、环境监测、设施农业、抢险救灾、防恐反恐、空间探索、危险区域与远程控制等许多重要领域都有潜在的实用价值，被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一。

由于传感器节点在部署时的不可控制性，网络中大多数节点位置不能事先确定，而位置信息对传感器网络的监测活动至关重要，事件发生的位置或获取信息的节点位置是传感器节点监测消息中所包含的重要信息，没有位置信息的监测消息往往毫无意义。因此，节点定位技术是无线传感网络的主要支撑技术之一，近年来对节点定位问题的研究也很广泛。未知节点一般根据少量锚节点（已知位置的节点），按照某种定位机制确定自身的位置。只有在节点自身正确定位之后，才能确定传感器节点监测到的事件的具体位置，一般需要监测到该事件的多个传感器节点之间相互协作，并利用他们自身的定位机制确定事件发生的位置。

目前，无线传感器网络定位方法主要有基于测距的定位方法和无须测距的定位方法，现有定位方法中大多应用静态锚节点，往往需要一定数量的锚节点才能实现对所有未知节点的定位，因此定位成本较高。而移动锚节点的使用可以大大减少锚节点的数量，降低成本，近年来引起了不少学者的关注，如论文《Very LowEnergy Consumption Wireless Sensor Localization for Danger Environments withSingle Mobile Anchor Node》研究了一种利用单锚节点移动实现定位的算法，但y坐标精度较低。再如发明专利“一种基于移动锚节点的无线传感器网络节点加权质心定位方法”（申请号201210164666.1）应用移动锚节点改进加权质心定位算法。总体来说，目前应用移动锚节点进行定位的研究中，大多通过对锚节点移动路径的规划研究实现对全网所有未知节点通信覆盖，使未知节点获取需要定位的数据实现自定位，算法复杂度往往比较高。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于移动锚节点的无线传感器网络节点自定位方法，本发明利用带定向天线的移动锚节点实现无线传感器网络节点自定位，且无需复杂的锚节点移动路径规划。

本发明采用如下技术方案：一种基于移动锚节点的无线传感器网络节点自定位方法，锚节点采用可自动精确调整方向的定向天线，包含以下步骤：

（1）传感器节点随机抛撒在监测区域中，未知节点抛撒下去后进入等待接收状态；

（2）由基站应用同步算法实现全网同步，然后未知节点即进入休眠状态；

（3）针对监测区域建立二维平面直角坐标系，使传感器网络监测区域都处于第一象限，锚节点起始位置在坐标原点，并能沿坐标轴移动或沿坐标轴和与坐标轴平行的网络分层线移动，同时以定向天线的方向与坐标轴正向之间的夹角为方位角；

（4）锚节点多轮次广播位置信息，进入锚节点通信范围中的未知节点被唤醒，在一轮中锚节点每定向广播一次位置信息，定向天线即旋转到一个新方位角，并通过定向天线的旋转使所有通信范围内未知节点均能收到位置信息，未知节点存储并比较接收到的位置信息以及接收信号强度，当未知节点最后一次接收到位置信息后，选择接收信号强度最大的位置信息作为本轮次自定位数据，然后未知节点进入休眠状态；

（5）进入下一轮广播位置信息时间时，锚节点停止移动并开始新一轮位置信息的定向广播，这时未知节点重新进入等待接收状态；

（6）未知节点根据多轮次获得的自定位数据计算自身位置。

其中，步骤（3）中，在网络规模较大或为提高距锚节点较远未知节点的定位精度的场景中，可在第一象限内划坐标轴平行线将网络等距离分成若干层，锚节点在坐标轴和网络分层线上移动，分层实现对未知节点的定位。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明在不增加额外开销的情况下，提供了一种无线传感器网络节点自定位方式，最少只需一个带方向可调定向天线的移动锚节点即可实现传感器节点的自定位，定位天线方向可实现自动精确调整，且定位精度高、算法简单、成本低。

附图说明

图1（a）、（b）、（c）为本发明实施例一的定位原理图；

图2为本发明实施例二的定位原理图。

图3为本发明实施例三的定位原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

实施例1

如图1所示，锚节点沿x轴移动实现定位原理图，图1（a）、（b）、（c）分别表示了几种不同情况下未知节点的定位原理，图中外围虚线与坐标轴围起来的区域为监测区域，空心圈表示需要定位的传感器节点（未知节点），坐标轴上的实心圈表示移动的锚节点，未知节点A（xa，ya）、B（xb，yb）、C（xc，yc）分别代表了几种不同情况下的任意选择的未知节点，通过未知节点A、B、C的自定位原理说明自定位方法。定位步骤如下：

步骤一：传感器节点随机抛撒在监测区域中，节点抛撒下去后即进入等待接收状态；

步骤二：由基站应用同步算法（如RBS同步算法）实现全网同步，然后未知节点即进入休眠状态；

步骤三：建立二维平面直角坐标系，使传感器网络监测区域全都处于第一象限，并将锚节点安置在坐标原点O（0,0）处，且锚节点定向天线与x轴之间的起始方位角为0°；

步骤四：锚节点在坐标原点O（0,0）从方位角0°开始第一轮定向广播位置信息，处于锚节点通信范围中的未知节点被唤醒，位置信息包括（轮次，当前锚节点坐标，当前方位角，下轮位置信息发送时间），这里要注意锚节点下轮位置信息开始发送时间与本轮开始发送的时间间隔必须大于本轮发送时间与所有未知节点实现两次状态转换所需时间的和；锚节点沿某方向定向发送一次后定向天线即逆时针旋转，方位角每增加δ度（如1°）即定向广播一次位置信息，处于定向广播范围中的未知节点接收到位置信息后即存储该信息并记录当前接收信号强度，当未知节点最后一次接收到位置信息以后，即比较所有接收到的位置信息的接收信号强度，选择信号强度最大的一次位置信息作为本轮自定位数据，此时的方位角可看做未知节点与锚节点连线与x轴正向的夹角，然后该未知节点进入休眠状态；

步骤五：当锚节点定向天线转到与y轴重合，即定向天线与x轴方位角为90°时，锚节点停止发送位置信息，然后定向天线回到0°方位角位置，未知节点在确定自定位数据后均进入休眠状态。在这一轮锚节点广播位置信息过程中，图1（a）、（b）、（c）所示未知节点A（xa，ya）、B（xb，yb）、C（xc，yc）确定的方位角分别为α_A、α_B、α_C，且锚节点位置为O（0，0）；

步骤六：锚节点沿着x轴直线移动，当锚节点移动到M（xm，0）时，到达约定的下一次位置信息发送时间，则锚节点停止移动并开始新一轮位置信息的定向广播，这时所有未知节点被内部时钟唤醒重新进入等待接收状态；锚节点定向广播一次即逆时针旋转，同样方位角每增加δ度（如1°）即定向广播位置信息，直到方位角为180°为止。未知节点接收到位置信息以后即存储并记录当前接收信号强度，当未知节点最后一次接收到位置信息以后，即比较所有接收位置信息的接收信号强度，选择接收信号强度最大的一次位置信息作为本轮自定位数据，此时的方位角可看做未知节点与锚节点连线与x轴正向之间的夹角。在这一轮锚节点广播位置信息过程中，图1（a）、（b）、（c）所示未知节点A（xa，ya）、B（xb，yb）、C（xc，yc）确定的方位角分别为β_A、β_B、β_C，且锚节点位置为O（xm，0）；

步骤七：未知节点根据两次自定位数据即可计算自身位置，这时未知节点与锚节点两轮定向广播位置信息时所在位置构成一个三角形。如图1（a）所示，原点O、锚节点新一轮发送位置信息时所在M点和未知节点A可构成三角形OAM，在三角形OAM中，易计算（xa，ya）得：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{xa}=\frac{\tan {\mathrm{\β}}_A}{\tan {\mathrm{\β}}_A-\tan {\mathrm{\α}}_A}\mathrm{xm}\\ \mathrm{ya}=\frac{{\tan \mathrm{\α}}_A\tan {\mathrm{\β}}_A}{{\tan \mathrm{\β}}_A-\tan {\mathrm{\α}}_A}\mathrm{xm}\end{array}\right.---\left(1\right)$

同样如图1（b）所示，原点O、锚节点新一轮发送位置信息时所在M点和未知节点B可构成三角形OBM，在三角形OBM中，易计算（xb，yb）得：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{xb}=\frac{\tan {\mathrm{\β}}_B}{\tan {\mathrm{\β}}_B-\tan {\mathrm{\α}}_B}\mathrm{xm}\\ \mathrm{yb}=\frac{{\tan \mathrm{\α}}_B\tan {\mathrm{\β}}_B}{{\tan \mathrm{\β}}_B-\tan {\mathrm{\α}}_B}\mathrm{xm}\end{array}\right.---\left(2\right)$

显然，式（2）、（3）均可用式（1）表示，而图1（c）情况比较特殊，CM与x轴垂直，即β_C=90°，原点O、锚节点新一轮发送位置信息时所在M点和未知节点C构成直角三角形OCM，则在直角三角形OCM中易计算（xc，yc）得：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{xc}=\mathrm{xm}\\ \mathrm{yc}=\mathrm{xm}\tan {\mathrm{\α}}_C\end{array}\right.---\left(3\right)$

而如果将x1=0,x2=xm,β=90°带入式（1），可得：

$\left\{\begin{array}{c}x=\mathrm{xm}\\ y=\mathrm{xm}\tan \mathrm{\α}\end{array}\right.---\left(4\right)$

显然式（3）与式（4）相同，因此即使未知节点处于比较特殊的位置，其位置的计算同样可以用式（1）表示。

因此，所有未知节点均可通过上述方法计算出坐标位置，实现自定位。

实施例2

如图2所示，两个锚节点分别沿x轴和y轴移动实现定位原理图，其中沿x轴移动的为第一锚节点201，沿y轴移动的为第二锚节点202，则定位步骤如下：

步骤一：传感器节点随机抛撒在监测区域中，节点抛撒下去后即进入等待接收状态；

步骤二：由基站应用同步算法（如RBS同步算法）实现全网同步，然后未知节点即进入休眠状态；

步骤三：建立二维平面直角坐标系，使传感器网络监测区域全都处于第一象限，并将第一锚节点201安置在坐标原点O（0,0）处，且第一锚节点201定向天线与x轴之间的起始方位角为0°；第二锚节点202安置在y轴上靠近原点处的N1（0，xn1）处，且第二锚节点202定向天线与y轴之间的起始方位角为180°；

步骤四：首先由第一锚节点201在坐标原点O（0,0）从方位角0°开始定向广播第一轮位置信息，处于锚节点通信范围中的未知节点被唤醒，位置信息包括（锚节点号，轮次，当前第一锚节点坐标，当前方位角，下轮位置信息发送时间t1），这里要注意锚节点下轮位置信息开始发送时间与本轮发送的时间间隔必须大于本轮发送位置信息的时间与所有未知节点接收第二锚节点202发送位置信息时间以及实现两次状态转换（当前等待接收状态转换为休眠状态，再次从休眠状态转换为等待接收状态）所需时间的和；一次位置信息发送完毕后第一锚节点定向天线即逆时针旋转，方位角每增加δ度（如1°）即定向广播位置信息，处于定向广播范围中的未知节点接收到位置信息后即存储该信息并记录当前接收信号强度，在第一锚节点201定向天线旋转过程中，未知节点可能收到多次位置信息，当未知节点最后一次接收到位置信息以后，即比较所有接收到的位置信息的接收信号强度，选择信号强度最大的一次位置信息作为本轮自定位数据，此时的方位角可看做未知节点与第一锚节点201连线与x轴正向的夹角，然后未知节点等待第二锚节点202发送位置信息；

步骤五：当第一锚节点201定向天线与y轴重合，即定向天线与x轴方位角为90°时，第一锚节点201最后发送的位置信息被第二锚节点202收到，第二锚节点202接收到第一锚节点201的位置信息后，第二锚节点202的定向天线立即回到方位角0°位置，准备开始发送自己的位置信息。这时第一锚节点201停止发送位置信息，且第一锚节点201定向天线回到0°方位角位置，此时所有未知节点等待第二锚节点202发送位置信息；

步骤六：第一锚节点201沿着x轴直线移动，同时第二锚节点202开始在N₁点处第一轮定向广播位置信息，位置信息包括（锚节点号，轮次，当前第二锚节点坐标，当前方位角，下轮位置信息发送时间t2），注意：

t2=t1+△t        （5）

其中△t为第一锚节点201旋转180度所需要的时间

步骤七：一次位置信息发送完毕后第二锚节点202定向天线即顺时针旋转，方位角每增加δ度（如1°）即定向广播位置信息，处于定向广播范围中的未知节点接收到位置信息后即存储该信息并记录当前接收信号强度，在第二锚节点202定向天线旋转过程中，未知节点可能收到多次位置信息，当未知节点最后一次接收到位置信息以后，即比较所有接收到的位置信息的接收信号强度，选择信号强度最大的一次位置信息作为本轮自定位数据，此时的方位角可看做未知节点与锚节点连线与y轴正向的夹角，然后未知节点进入休眠状态；

步骤八：当第二锚节点202定向天线与y轴方位角为180°时，第二锚节点202停止发送位置信息，然后定向天线回到0°方位角位置，所有未知节点进入休眠状态；

步骤九：当时间到达约定的下一次位置信息发送时间t1时，所有未知节点再次进入等待接收状态，设此时第一锚节点201处于M（xm，0），第二锚节点202处于N2（0，yn2）处，如图2所示，注意锚节点的位置最多不超过监测区域边界，一旦到达边界即停止移动；然后锚节点保持位置，首先依然由第一锚节点201开始新一轮定向广播位置信息，广播一次后即逆时针旋转，同样方位角每增加δ度（如1°）即定向广播位置信息，直到方位角为180°为止。未知节点接收到位置信息以后即存储并记录当前接收信号强度，当未知节点最后一次接收到位置信息以后，即比较所有接收位置信息的接收信号强度，选择信号强度最大的一次位置信息作为本轮x轴方向自定位数据，此时的方位角可看做未知节点与第一锚节点201连线与x轴正向之间的夹角。然后，第二锚节点202开始从0°方位角开始发送位置信息，广播一次后即顺时针选转同样方位角每增加δ度（如1°）即定向广播位置信息，直到方位角为180°为止，未知节点同样依据上述方法选定本轮y轴方向自定位数据，然后未知节点进入休眠状态；

步骤十：随着两个锚节点的移动，位置节点可能收到两个锚节点分别在不同位置发送的位置信息，直到两个锚节点均到达监测区域边缘为止；

步骤十一：如图2所示，原点O、第一锚节点201某一轮发送位置信息时所在M点和未知节点D可构成三角形ODM，在三角形ODM中，易计算D点坐标（xd1，yd1）得：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{xd}1=\frac{\tan \mathrm{\β}}{\tan \mathrm{\β}-\tan \mathrm{\α}}\mathrm{xm}\\ \mathrm{yd}2=\frac{\tan \mathrm{\α}\tan \mathrm{\β}}{\tan \mathrm{\β}-\tan \mathrm{\α}}\mathrm{xm}\end{array}\right.---\left(6\right)$

同样如图2所示，N₁点、第二锚节点202某轮发送位置信息时所在N₂点和未知节点D可构成三角形N₁DN₂，在三角形N₁DN₂中，易计算D点坐标（xd2，yd2）得：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{xd}1=\frac{\mathrm{yn}2{\tan \mathrm{\γ}}_D\tan {\mathrm{\θ}}_D-\mathrm{yn}1\mathrm{ta}{n}^2{\mathrm{\θ}}_D}{\tan {\mathrm{\γ}}_D-{\tan \mathrm{\θ}}_D}\\ \mathrm{yd}2=\frac{\mathrm{yn}2\tan {\mathrm{\γ}}_D-\mathrm{yn}1{\tan \mathrm{\θ}}_D}{\tan {\mathrm{\γ}}_D-\tan {\mathrm{\θ}}_D}\end{array}\right.---\left(7\right)$

可取D点坐标（xd，yd）为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{xd}=\frac{\mathrm{xd}1+\mathrm{xd}2}{2}\\ \mathrm{yd}=\frac{\mathrm{yd}1+\mathrm{yd}2}{2}\end{array}\right.---\left(8\right)$

实施例3

如图3所示，传感器网络分层定位实现方法。假设网络以层高为h实现网络分层，h的大小根据锚节点通信能力、网络规模等信息确定，且分层线与坐标轴平行。锚节点起始位置在坐标原点，首先沿x轴正向移动，采用实施例1的方法可实现对第一层未知节点的定位，当锚节点到达网络边界的时候，如图3中O1点，锚节点则转向沿O1O2方向向上移动，当锚节点到达O2点时，则沿O2O3方向向左移动，进入第二层定位，直至到达O3点完成第二层未知节点定位，然后锚节点再转向沿O3O4向上移动，直至到达O4点，再沿O4O5向左移动，按此方法锚节点可实现对网络中所有未知节点的遍历，最终实现全网未知节点的定位。当锚节点进入某层时，该层中处于锚节点通信范围中的节点被唤醒，可接收位置信息，否则处于休眠状态。

对于图中某层未知节点定位时，依然根据未知节点至少两轮接收到的可用位置信息进行定位，如图3中第二层未知节点E（xe,ye）与锚节点两轮定向广播位置信息时所在位置N(xn,h)、M(xm,h)构成三角形MEN，则在三角形MEN中可计算E点坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{xe}=\mathrm{xm}+\frac{\tan {\mathrm{\β}}_E}{\tan {\mathrm{\β}}_E-\tan {\mathrm{\α}}_E}(\mathrm{xn}-\mathrm{xm})\\ \mathrm{ye}=h+\frac{\tan {\mathrm{\α}}_E\tan {\mathrm{\β}}_E}{\tan {\mathrm{\β}}_E-{\tan \mathrm{\α}}_E}(\mathrm{xn}-\mathrm{xm})\end{array}\right.---\left(9\right)$

Claims (4)

1.一种基于移动锚节点的无线传感器网络节点自定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）传感器节点随机抛撒在监测区域中，未知节点抛撒下去后进入等待接收状态；

（2）由基站应用同步算法实现全网同步，然后所有未知节点进入休眠状态；

（3）针对监测区域建立二维平面直角坐标系，使传感器网络监测区域都处于第一象限，锚节点起始位置在坐标原点，并仅沿坐标轴移动或者沿坐标轴和与坐标轴平行的网络分层线移动，同时以定向天线的方向与坐标轴正向之间的夹角为方位角；

（4）锚节点多轮次广播位置信息，进入锚节点通信范围中的未知节点被唤醒，在每一轮广播中锚节点每定向广播完一次位置信息，定向天线即旋转到一个新的方位角，通过定向天线的旋转使锚节点通信范围内的未知节点均能收到锚节点位置信息，未知节点存储接收到的位置信息以及接收信号强度，当未知节点最后一次接收到位置信息后，选择接收信号强度最大的位置信息作为本轮次自定位数据，然后未知节点进入休眠状态；

（5）进入下一轮广播位置信息时间时，锚节点停止移动并开始新一轮位置信息的定向广播，这时未知节点重新进入等待接收状态；

（6）未知节点根据多轮次获得的自定位数据计算自身位置。

2.如权利要求1所述的一种基于移动锚节点的无线传感器网络节点自定位方法，其特征在于，（3）中，在第一象限中锚节点至少沿一个坐标轴移动，实现对未知节点的定位。

3.如权利要求1所述的一种基于移动锚节点的无线传感器网络节点自定位方法，其特征在于，（3）中，在网络规模较大或者为提高距锚节点较远未知节点的定位精度时，在第一象限内划坐标轴平行线将网络等距离分成若干层，锚节点在坐标轴和网络分层线上移动，分层实现对未知节点的定位。

4.如权利要求1所述的一种基于移动锚节点的无线传感器网络节点自定位方法，其特征在于，两轮次的时间间隔大于本轮发送持续时间与锚节点通信范围内未知节点实现两次状态转换所需时间的和。

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