CN103269496B - 一种降低能耗的无线传感器网络目标定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种降低能耗的无线传感器网络目标定位方法，每个目标节点周期广播记录自身ID的数据包，收到目标节点数据包的传感节点把记录目标节点ID、传感节点坐标和接收信号强度值的数据包发到上位机；上位机估计目标节点运动状态，若估计目标节点移动，计算目标节点定位坐标值；若估计目标节点静止，上位机发送命令使目标节点休眠一段时间后自动唤醒继续广播数据包，同时计算目标静止位置坐标并作为目标节点休眠期间定位结果。若上位机判断不能正常接收包含某个目标节点ID的传感节点数据包，针对该目标节点发送告警信息。本发明的有益效果是：通过降低目标节点能耗延长其工作寿命，并在发现目标节点异常时发送告警信息。

Description

一种降低能耗的无线传感器网络目标定位方法

技术领域

本发明涉及目标定位方法，尤其涉及一种降低能耗的无线传感器网络目标定位方法。

背景技术

在诸如仓库管理等很多应用领域，用户通常需要随时掌握监管对象所在位置，同时也希望在监管对象异常失踪时能够收到消息。无线传感器网络目标定位技术为实现上述应用提供了一种低成本、易实现、适用环境广泛的新的解决方案。它以无线传感器网络为基础平台，通过在监管对象上加装能够发射信号的目标节点，利用无线传感器网络中的传感节点测量接收目标节点信号强度来估计监管对象所在位置。无线传感器网络目标定位技术近年来在许多领域得到广泛应用，但是在定位对象经常处于静止状态的定位应用中，应用无线传感器网络目标定位技术会导致出现两方面问题，一是，由于复杂环境因素影响，传感节点对同一静止目标重复测得RSSI值会随机变化，导致对静止目标重复定位位置出现随机变化的现象，难以为用户提供确定的定位结果；二是，对静止目标进行重复定位意义不大，会造成目标节点能量白白浪费，从而会影响到目标节点工作寿命。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种降低能耗的无线传感器网络目标定位方法。

本发明提供了一种降低能耗的无线传感器网络目标定位方法，包括如下步骤：

A.每个目标节点周期广播一个记录唯一ID的数据包；

B.收到目标节点数据包的传感节点，从目标节点数据包中提取目标节点ID并测量接收信号强度值，将记录目标节点ID、传感节点坐标和接收信号强度值的传感节点数据包发向上位机；

C.上位机顺序接收各传感节点发来的数据包，汇集记录同一个目标节点ID的传感节点数据包，从中提取传感节点坐标和接收信号强度值；

D.上位机根据接收数据估计目标节点运动状态，若估计目标节点是移动的，则执行步骤E；若估计目标节点是静止的，则执行步骤F；

E.上位机根据从记录目标节点ID的传感节点数据包中提取的传感节点坐标和接收信号强度值，计算目标节点定位坐标值，然后执行步骤I；

F.上位机向目标节点发送休眠命令，命令目标节点休眠指定长度时间，目标节点收到休眠命令后立即进入休眠状态，然后执行步骤G；

G.上位机计算目标静止位置坐标值，并将计算结果作为目标节点休眠期间的定位结果，然后执行步骤H；

H.目标节点休眠结束后自动唤醒，准备继续开始周期广播数据包；

I.上位机判断是否能够正常接收包含每个目标节点ID的传感节点数据包，若是，返回步骤A；若否，针对该目标节点发送告警信息，然后返回步骤A；

作为本发明的进一步改进，所述无线传感器网络目标定位方法能够适用于无线传感器网络目标定位系统包含任意多个目标节点的情况；所述定位方法对每个目标节点分配不同ID，各目标节点分别设置相同或不同广播周期，各目标节点可按照不同时序广播数据包。

作为本发明的进一步改进，上位机以并行方式对多个目标节点分头进行状态估计、定位、命令休眠、检测异常和告警。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤C中，在某个目标节点的一个广播周期内，上位机收到包含该目标节点ID的第一个传感节点数据包时，记录收到该数据包的时间。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤F中，上位机发送休眠命令包含目标节点ID和休眠时间长度信息；目标节点收到记录自身ID的休眠命令后进入休眠状态，并在休眠时间长度过后自动唤醒。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤F中，上位机向目标节点发送休眠命令时，记录发送休眠命令的时间。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤I中，上位机顺序检查每个目标节点上次估计运动状态，若估计目标节点静止，且目标节点休眠结束一定时间后上位机未收到记录该目标节点ID传感节点数据包，则认为该目标节点异常并发送告警信息；若估计目标节点移动，且从上次收到包含该目标节点ID的传感节点数据包开始，一个广播周期结束再过一定时间后上位机未收到记录该目标节点ID传感节点数据包，则认为该目标节点异常并发送告警信息；其它情况下不发送告警信息。

作为本发明的进一步改进，上位机保存一张异常目标节点检测信息表，该表记录每个目标节点ID、目标节点对应的告警标志、上次估计目标节点运动状态标志、上次收到包含目标节点ID的传感节点数据包时间、附加时间；若上次估计目标节点是静止的，还记录上次向目标节点发送休眠命令时间、目标节点休眠时间；若上次估计目标节点是移动的，则记录目标节点广播周期；根据上位机、传感节点和目标节点之间信息传递的延迟时间来确定所述附加时间，附加时间不小于测试得出的最长网络延迟时间。

作为本发明的进一步改进，上位机通过定期扫描异常目标节点检测信息表中每个目标节点对应信息检测异常目标节点，并针对异常目标节点发送告警信息；针对每个目标节点对应信息，包括如下步骤：

a.检查目标节点对应的告警标志，若显示已告警，则扫描下一个目标节点对应信息，重新执行步骤a；否则，执行步骤b；

b.检查上次估计目标节点运动状态标志，若显示上次估计目标节点是静止的，执行步骤c；若显示上次估计目标节点是移动的，执行步骤d；

c.检查当前时间是否大于上次向目标节点发送休眠命令时间、目标节点休眠时间与附加时间之和，并且上次收到包含目标节点ID传感节点数据包时间小于或等于上次向目标节点发送休眠命令时间、目标节点休眠时间长度之和；若是，发送告警信息；若否，扫描下一个目标节点对应信息，返回步骤a；

d.检查当前时间是否大于上次收到包含目标节点ID的传感节点数据包时间、目标节点广播周期及附加时间之和，若是，发送告警信息；若否，扫描下一个目标节点对应信息，返回步骤a。

作为本发明的进一步改进，上位机保存目标定位信息表，记录每个目标节点ID、目标节点最新定位坐标、目标节点最新估计状态；上位机估计出任意目标节点运动状态和最新定位坐标值后，将估计状态标志和最新定位坐标填入目标定位信息表；每次更新完目标定位信息表后，按照目标定位信息表中的信息重新显示各目标节点定位位置和估计状态。

本发明的有益效果是：在无线传感器网络目标定位应用中，可通过降低目标节点能耗延长其工作寿命，能针对多个目标分别估计定位位置和运动状态，并在发现目标节点异常时发送告警信息。

附图说明

图1是本发明的降低能耗的无线传感器网络目标定位方法流程图。

图2是本发明的无线传感器网络目标定位系统结构图。

图3是本发明的无线传感器网络目标定位应用示意图。

图4是本发明的节点数据包和休眠命令信息结构示意图。

图5是本发明的上位机软件功能模块与逻辑关系图。

图6是本发明的异常目标节点检测流程图。

图7是本发明的异常目标节点检测信息表的示例。

图8是本发明的目标定位信息表的示例。

具体实施方式

如图1所示，本发明公开了一种降低能耗的无线传感器网络目标定位方法，包括如下步骤：在步骤S1中，每个目标节点周期广播一个记录唯一ID的数据包；在步骤S2中，收到目标节点数据包的传感节点，从目标节点数据包中提取目标节点ID并测量接收信号强度值，将记录目标节点ID、传感节点坐标和接收信号强度值的传感节点数据包发向上位机；在步骤S3中，上位机顺序接收各传感节点发来的数据包，汇集记录同一个目标节点ID的传感节点数据包，从中提取传感节点坐标和接收信号强度值；在步骤S4中，上位机根据接收数据估计目标节点运动状态，若估计目标节点是移动的，则执行步骤S5；若估计目标节点是静止的，则执行步骤S6；在步骤S5中，上位机根据从记录目标节点ID的传感节点数据包中提取的传感节点坐标和接收信号强度值，计算目标节点定位坐标值，然后执行步骤S9；在步骤S6中，上位机向目标节点发送休眠命令，命令目标节点休眠指定长度时间，目标节点收到休眠命令后立即进入休眠状态，然后执行步骤S7；在步骤S7中，上位机计算目标静止位置坐标值，并将计算结果作为目标节点休眠期间的定位结果，然后执行步骤S8；在步骤S8中，目标节点休眠结束后自动唤醒，准备继续开始周期广播数据包；在步骤S9中，上位机判断是否能够正常接收包含每个目标节点ID的传感节点数据包，若是，返回步骤S1；若否，针对该目标节点发送告警信息，然后返回步骤S1。

所述无线传感器网络目标定位方法能够适用于无线传感器网络目标定位系统包含任意多个目标节点的情况。所述定位方法对每个目标节点分配不同ID，各目标节点分别设置相同或不同广播周期，各目标节点可按照不同时序广播数据包。

上位机以并行方式对多个目标节点分头进行状态估计、定位、命令休眠、检测异常和告警。

在所述步骤S3中，在某个目标节点的一个广播周期内，上位机收到包含该目标节点ID的第一个传感节点数据包时，记录收到该数据包的时间。

在所述步骤S6中，上位机发送休眠命令包含目标节点ID和休眠时间长度信息；目标节点收到记录自身ID的休眠命令后进入休眠状态，并在休眠时间长度过后自动唤醒。

在所述步骤S6中，上位机向目标节点发送休眠命令时，记录发送休眠命令的时间。

在所述步骤S9中，上位机顺序检查每个目标节点上次估计运动状态，若估计目标节点静止，且目标节点休眠结束一定时间后上位机未收到记录该目标节点ID传感节点数据包，则认为该目标节点异常并发送告警信息；若估计目标节点移动，且从上次收到包含该目标节点ID的传感节点数据包开始，一个广播周期结束再过一定时间后上位机未收到记录该目标节点ID传感节点数据包，则认为该目标节点异常并发送告警信息；其它情况下不发送告警信息。

上位机保存一张异常目标节点检测信息表，该表记录每个目标节点ID、目标节点对应的告警标志、上次估计目标节点运动状态标志、上次收到包含目标节点ID的传感节点数据包时间、附加时间；若上次估计目标节点是静止的，还记录上次向目标节点发送休眠命令时间、目标节点休眠时间；若上次估计目标节点是移动的，则记录目标节点广播周期；根据上位机、传感节点和目标节点之间信息传递的延迟时间来确定所述附加时间，附加时间不小于测试得出的最长网络延迟时间。

上位机通过定期扫描异常目标节点检测信息表中每个目标节点对应信息检测异常目标节点，并针对异常目标节点发送告警信息；针对每个目标节点对应信息，包括如下步骤：

a.检查目标节点对应的告警标志，若显示已告警，则扫描下一个目标节点对应信息，重新执行步骤a；否则，执行步骤b；

b.检查上次估计目标节点运动状态标志，若显示上次估计目标节点是静止的，执行步骤c；若显示上次估计目标节点是移动的，执行步骤d；

c.检查当前时间是否大于上次向目标节点发送休眠命令时间、目标节点休眠时间与附加时间之和，并且上次收到包含目标节点ID传感节点数据包时间小于或等于上次向目标节点发送休眠命令时间、目标节点休眠时间长度之和；若是，发送告警信息；若否，扫描下一个目标节点对应信息，返回步骤a；

d.检查当前时间是否大于上次收到包含目标节点ID的传感节点数据包时间、目标节点广播周期及附加时间之和，若是，发送告警信息；若否，扫描下一个目标节点对应信息，返回步骤a。

上位机保存目标定位信息表，记录每个目标节点ID、目标节点最新定位坐标、目标节点最新估计状态；上位机估计出任意目标节点运动状态和最新定位坐标值后，将估计状态标志和最新定位坐标填入目标定位信息表。

每次更新完目标定位信息表后，按照目标定位信息表中的信息重新显示各目标节点定位位置和估计状态。

图2是本发明的无线传感器网络目标定位系统结构图，这里以四个目标定位应用为例，无线传感器网络目标定位系统包括目标节点、传感节点、网关节点、传输媒介、上位机、移动终端等。首先在定位区域周围适当位置安装部署一个网关节点和若干传感节点，由网关节点主动发起，网关节点和其它传感节点通过无线方式相互连接自组织形成多跳传输网络。结合应用场景实际情况，网关节点可以通过串口数据线、移动通信网、以太网、卫星通信网等多种方式与上位机连接，实现不同距离下稳定可靠的数据传输。上位机运行定位应用软件，用来接收、存储和处理传感节点发来的数据，实现每个目标运动状态和位置估计。此外，还可以额外配置移动终端（例如手机）等设备，用于上位机向用户发布定位告警信息。上述系统上电连接调试完成后，定位系统准备就绪，可随时为进入定位区域的目标提供定位服务。

每个将要进入定位区域的定位对象都要安装或携带一个目标节点，目标节点记录有唯一ID，便于定位过程中对目标进行识别。每个目标进入定位区域前后，工作人员只需给目标节点上电即可，然后就可以开展目标移位、摆放等日常作业，此时定位系统就开始针对该目标节点提供定位服务。具体过程是，目标节点上电后，会通过无线方式自动加入到网关节点和传感节点组成的无线网络，然后自动周期广播目标数据包。目标节点每广播一个数据包，周围会有几个传感节点收到这个数据包，这些传感节点随后向上位机发送包含传感节点坐标、接收信号强度值等信息的数据包。数据包通过其它传感节点多跳传输方式到达网关节点，网关节点通过传输媒介把传感节点数据包中的信息传递到上位机。上位机接收和处理传感节点数据包中的信息，进而估计目标当前运动状态和所在位置。当上位机估计某个目标当前时刻静止时，自动向该目标节点发送休眠命令。休眠命令由上位机发出后，经由传输媒介、网关节点和传感节点最终传送到指定的目标节点。目标节点收到休眠命令后，按照要求时间长度自动休眠一段时间，然后唤醒继续周期广播数据包。上位机除发送休眠命令外还要估计目标静止位置坐标。由于目标可能会静止放置很长时间，为了节省目标节点能耗及为用户提供稳定的目标位置，上位机会在目标节点休眠时间段内假定目标一直固定在估计的静止位置。直到目标节点唤醒后重新周期广播数据包，上位机收到针对该目标节点的传感节点数据包后，重复对目标节点进行定位。上位机任意时刻估计目标移动时计算目标定位坐标，并在目标节点广播下一个数据包后，继续估计目标运动状态和定位坐标，直到估计目标静止时重复前面发送休眠命令、估计目标静止位置坐标等过程。上位机对目标节点每估计一次新的定位坐标和运动状态，就将目标位置和运动状态显示给用户。对于已经发送休眠指令的目标节点，上位机会在目标节点休眠时间结束经过一个附加时间后，检查是否收到针对该目标节点的传感节点数据包。若收到数据包，说明该目标节点还在定位区域内且能正常工作；若未收到，说明该目标节点可能发生故障或者该目标已经离开定位区域。这种情况下，上位机要立即向用户发送告警信息；而对于上次估计处于移动状态的目标节点，上位机从上次收到包含目标节点ID的传感节点数据包的时间开始，经过一个广播周期和一个附加时间之后，看是否仍能收到含有该目标节点ID的传感节点数据包，若能收到，说明目标节点能正常工作；若未收到，说明该目标节点可能发生故障或者该目标已经离开定位区域。这种情况下，上位机要立即向用户发送告警信息。发布信息渠道可灵活选择，例如，上位机通过移动网络向用户发送将告警信息。用户利用随身携带的移动终端可以很方便地接收告警信息。

图3是本发明的无线传感器网络目标定位应用示意图，以图3所示四个目标定位应用为例，图中包含的每幅图左半部分显示当前目标实际状态和位置，利用正方形点表示安装在每个目标上的目标节点S_i(i=1,2,3,4)，利用箭头表示当前目标移动方向。图中包含的每幅图右半部分表示上位机图形界面显示的目标状态和位置估计结果，其中空心正方形点表示当前目标移动状态下的定位位置，实心正方形点表示估计的当前目标静止位置。图3(a)表示四个目标都在移动时的目标定位结果，左图中的箭头表示目标正在向不同方向移动，右图空心正方形点显示四个移动目标的当前定位位置。图3(b)表示三个目标已经静止，另外一个目标还在移动时的定位情形。左图表示目标S₁、S₃和S₄均已移动到预定位置后静止放置，而同时目标S₂还在向左移动，右边图形界面分别用三个实心正方形点指示目标S₁、S₃和S₄的静止位置，用一个空心正方形点表示当前目标S₂移动状态下的定位位置。图3(c)表示经过一段时间后四个目标均静止不动时的定位情形。左图表示目标S₂移动到预定位置后保持静止，而其它三个目标依然静止在原地，此时上位机图形界面上显示出四个实心正方形点来表示四个目标的静止位置。图3(d)表示一段时间后其中一个目标离开定位区域的情形。左图显示目标S₁离开目标定位区域，其它三个目标原地不动。目标节点S₁休眠时间到达后若上位机未收到记录目标节点S₁接收信号强度的传感节点数据包，则发布告警信息，同时在上位机图形界面上用×表示目标S₁信号异常。

图4是本发明的节点数据包和休眠命令信息结构示意图，图4(a)为目标节点广播数据包结构，包括通信协议信息、目标节点ID和其它信息。每个目标节点提前分配用于标识身份的唯一ID，目标节点数据包除包含通信协议信息，必须记录目标节点ID。目标定位过程中，目标节点每个周期只广播一个数据包。图4(b)为传感节点数据包结构，包括通信协议信息、目标节点ID、传感节点坐标、接收信号强度值及其它信息。传感节点可接收任意目标节点数据包，在传感节点收到某一目标节点数据包后，先提取数据包中该目标节点ID，并获取目标数据包的接收信号强度值，然后将目标节点ID、传感节点自身坐标和接收信号强度值记入传感节点数据包并发送到上位机，用于说明“哪个坐标的传感节点对哪个目标节点测量的接收信号强度值是多少”。上位机依次接收和存储不同传感节点发来的数据包，从存储的数据包队列中挑选记录相同目标节点ID的传感节点数据包，并从这些数据包中提取传感节点坐标和接收信号强度值，这些接收信号强度值是多个传感节点针对同一目标节点的信号测量结果，故可用来估计目标节点ID对应目标的状态和位置，并在定位完成后，根据目标节点ID和携带目标节点的目标之间对应关系，向用户同时显示目标身份及其位置，便于用户对目标进行管理。图4(c)为休眠命令信息结构示意图。上位机判断某目标节点静止时，向该目标节点发送休眠命令。上位机发出的信息需包含目标节点ID和休眠时长。休眠命令经过不同通信介质逐次传递后，最终由传感节点向指定ID的目标节点发送信息结构如图4(c)所示形式的休眠命令。目标节点收到休眠命令后，提取其中的休眠时长信息，并按照这个休眠时间长度进行休眠。

图5是本发明的上位机软件功能模块与逻辑关系图。上位机软件功能模块主要包括上位机通信模块、数据包存储模块、数据包信息提取模块、目标状态估计模块、数据包信息历史数据库、目标定位算法模块、目标定位信息表和目标定位信息显示模块、休眠命令发送模块、异常目标节点检测信息表、异常目标节点检测模块、告警信息触发模块等。上位机通信模块提供上位机和无线传感器网络之间双向通信的软件接口，一方面可用于接收传感节点发来的数据包，并将接收数据包的时间存入异常目标节点检测信息表；另一方面可通过此接口向指定目标节点发送休眠命令。数据包存储模块用来存储上位机接收的传感节点数据包记录的目标节点ID、传感节点坐标和接收信号强度值等信息。这些数据以队列形式存储在上位机动态分配的存储空间。数据包信息提取模块用于从传感节点数据包信息动态存储空间中，提取相同目标节点ID对应的所有传感节点坐标和接收信号强度值进行目标状态估计和定位。当把任意目标节点ID对应的信息从存储空间中提取出来后，在动态存储空间中立即删除这些信息，避免数据重复使用。此外，还将提取的数据包信息存入数据包信息历史数据库。数据包信息历史数据库用于存储上位机收到所有传感节点数据包的历史数据，为上位机估计目标运动状态提供原始信息；目标状态估计模块基于数据包信息历史数据库，采用一定数学方法估计目标节点ID对应目标的当前运动状态。本发明专利可以选择任意合适的目标运动状态估计算法，这里仅举一例说明之。

首先要在定位现场建立接收信号强度变化幅度的数学模型用于目标状态估计。具体步骤是，在定位现场将传感节点到目标节点的距离值调整到d(1≤d≤D)米（D大于或等于目标节点到传感节点通信距离，并称d为测量距离）。令目标节点重复发送M(M≥2)个数据包到传感节点，传感节点每收到一个目标数据包就测得一个接收信号强度值，故一共将测得M个接收信号强度值。从d=1米开始上述测量工作，则测量距离d每增加Δd（Δd=D/C，C为不小于2的正整数）传感节点将测得M个接收信号强度值，测量工作一直进行到d=D为止。基于所有测得接收信号强度数据，分别找出每个测量距离值d(d=1+c·Δd,0≤c≤C)下接收信号强度值的最大值和最小值，利用所有测量距离值下接收信号强度值最大值拟合出距离值d和接收信号强度值r的多项式函数：

r=f₁(d)

利用所有测量距离值下接收信号强度值最小值拟合多项式函数：

r=f₂(d)

相同距离值下这两个函数的差值Δr=f₁(d)-f₂(d)体现出目标节点静止情况下接收信号强度变化幅度。

建立好上述模型后，就可将其用于目标定位时状态估计。若当前广播周期为第k个广播周期，N个传感节点S_i(x_i,y_i)(i=1,2,…,N,N≥4)收到目标T(x_T,y_T)数据包，那么，这些传感节点可以测量到N个接收信号强度值。从前面第k-L+1(L≥2)个广播周期到当前第k个广播周期共L个广播周期内，若每个广播周期测量到目标节点接收信号强度值的传感节点不完全相同，则在当前广播周期判断目标处于移动状态。否则，若L个广播周期测量到目标节点接收信号强度值的传感节点完全相同，则进行如下判断：对于第i个传感节点S_i，从前面第k-L+1个广播周期到当前第k个广播周期共L个广播周期内，传感节点S_i测得接收信号强度值可以组成接收信号强度时间序列J_i(k)={r_i(k-L+1),r_i(k-L+2),…,r_i(k)}，找到该序列中的最大接收信号强度值r_imax和最小接收信号强度值r_imin，然后在区间搜索距离值d∈[1,D]，看是否存在一个距离值d_i(k)，满足下列不等式：

f₂(d_i(k))≤r_imin≤r_imax≤f₁(d_i(k))

若存在距离值d_i(k)满足上式，则第i个传感节点S_i判断目标静止，否则判断目标移动。按照上述方法，对于所有N个传感节点分别取其最大接收信号强度值和最小接收信号强度值，并进行上述条件判断。若所有N个传感节点都判断目标处于静止状态，则上位机在当前广播周期估计目标状态是静止的；若存在某个传感节点判断目标处于移动状态，则上位机在当前广播周期估计目标状态是移动的。上位机在每个广播周期均按照上述过程实现目标运动状态估计。

若估计目标当前正在移动，由目标定位算法模块根据前面提取的传感节点坐标和接收目标信号强度值估算目标定位坐标，并将目标定位坐标填入目标定位信息表，并通过目标定位显示模块显示目标定位位置。若估计目标当前处于静止状态，通过休眠命令发送模块发送记录目标节点ID和休眠时长的休眠命令，经过上位机通信模块把休眠命令传送到目标节点，随后将目标节点ID、休眠命令发送时间、休眠时长等信息填进异常目标节点检测信息表；另外，通过目标定位算法模块估计目标静止位置坐标，把静止位置坐标值填到目标定位信息表，并通过目标定位信息显示模块显示出目标静止位置。本发明专利目标定位算法模块可选用任意合适定位算法计算目标定位坐标，这里仅举一例说明之。

若当前第k个广播周期，收到目标T(x_T,y_T)数据包的传感节点S_i(x_i,y_i)(i=1,2,…,N,N≥3)所测接收信号强度值为r_i(k)，利用最小二乘法计算目标定位坐标，求解如下最优化问题：

$\underset{x_T,y_T}{\min }\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}A-\mathrm{\η}\·\lg \left(d_i\right)-r_i\left(k\right)$

$=\underset{x_T,y_T}{\min }\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}A-\mathrm{\η}\·\lg \left(\sqrt{{(x_i-x_T)}^2+{(y_i-y_T)}^2}\right)-r_i\left(k\right)$

其中，A、η为定位现场提前标定好的信号强度对数衰减模型参数，A为常数项，η为衰减因子，d_i为传感节点S_i(x_i,y_i)到目标节点T(x_T,y_T)的距离。上述最优化问题的解即为目标定位坐标。

目标定位信息表用于记录定位区域内各目标最新定位坐标和估计运动状态，通过上述目标状态估计模块和目标定位算法模块不断更新各目标节点最新运动状态和定位坐标值。目标定位信息显示模块用于显示定位区域内所有目标最新定位位置和估计运动状态。每当上位机更新目标定位信息表，都会触发目标定位信息显示模块按照最新目标定位信息表显示目标位置和运动状态。异常目标节点检测信息表记录供异常目标节点检测模块定期检测异常目标节点所用信息，包括各目标节点ID，目标节点对应的告警标志、上次估计运动状态标志、上次收到包含目标节点ID传感节点数据时间。若上次估计状态是静止的，还记录目标节点ID对应的上次向目标节点发送休眠命令时间、目标节点休眠时间；若上次估计目标节点是移动的，则记录该目标节点广播周期。此外，还要根据网络延迟情况记录一个合适的附加时间，该附加时间不小于测试得到的最长网络延迟时间。异常目标节点检测模块用于定期扫描异常目标节点检测信息表检测是否存在异常目标节点（目标节点可能离开定位区域或发生故障），进而触发告警模块发布告警信息。基本检测原理是，对于估计静止的目标节点，上位机在目标节点休眠时间结束经过一定附加时间后检查是否收到记录该目标节点ID的传感节点数据包；对于估计移动的目标节点，是看上位机从上次收到记录目标节点ID的传感节点数据时间开始，一个广播周期结束再过一定附加时间后是否仍能收到记录该目标节点ID的传感节点数据包。对于上面两种情况，若有收到数据包，说明目标节点尚在目标定位区域内且目标节点能正常工作；若未收到数据包，说明目标节点可能离开定位区域或发生故障，则针对该目标节点触发告警模块发布告警信息。告警模块是指启动告警程序的软件接口程序，它受到异常目标节点检测模块触发后，通过上位机通信模块向用户发布告警信息。

图6是本发明的异常目标节点检测流程图。目标定位过程中，上位机软件的异常目标节点检测模块不停定期扫描异常目标节点检测信息表，检测可能随时出现的异常目标节点。每次扫描时，异常目标节点检测模块逐条核查每个目标节点ID对应的相关信息判断目标节点是否异常。对于任意一个目标节点，首先检查其告警标志，若上位机已针对该目标节点发布告警信息，则继续核查下一个目标节点相关信息；若显示上位机尚未针对该目标节点发布告警信息，则核查其上次状态估计标志位。若显示上次估计目标是静止状态，进一步判断当前时间是否大于上次发送休眠命令的时间、休眠时长和附加时间之和。若否，继续核查下一个目标节点相关信息；若是，进一步判断上次收到目标节点数据时间是否大于发送休眠命令时间、休眠时长和附加时间之和。若是，继续核查下一个目标节点相关信息；若否，将告警标志设置为告警状态标志并发布告警信息，然后继续核查下一个目标节点相关信息。若显示上次估计目标是移动状态，则判断当前时间是否大于上次收到目标节点数据时间、广播周期和附加时间之和。若是，将告警标志设置为告警状态标志并发布告警信息，然后继续核查下一个目标节点相关信息；若否，继续核查下一个目标节点相关信息。上位机软件的异常目标节点检测模块按照上述流程逐条核查每个目标节点信息完毕后，结束本次扫描。

图7为本发明的异常目标节点检测信息表的示例。这里假定有五个目标节点，目标节点ID分别设定为1～5。告警标志取值为0或1，0表示未告警，1表示已告警。上次估计状态标志取值为0或1，0表示静止，1表示移动。上次估计状态标志为0时，填写上次向目标节点发送休眠命令时间、目标节点休眠时间两项；上次估计状态标志为1时，则填写目标节点广播周期。此外还包括上次收到包含目标节点ID传感节点数据包的时间、附加时间。这里采用“时：分：秒”的格式表示时间信息，假设当前时间为12:03:12，根据目标节点ID顺序依次检查每个目标节点信息。由表可见，未针对1号目标节点发过告警信息，上次估计1号目标节点是静止的，上次向1号目标节点发送休眠命令的时间为10:00:00，目标节点休眠2小时，附加时间设定为30秒，而上次收到1号目标节点的传感节点数据包的时间是12:00:08。当前时间12:03:12大于发送休眠命令时间（10:00:00）、目标节点休眠时间（2小时）和附加时间（30秒）之和，此时1号目标节点应该已经休眠结束重新唤醒开始广播数据包。由于上次收到1号目标节点的传感节点数据包时间是12:00:08，大于发送休眠命令时间（10:00:00）、目标节点休眠时间（2小时）之和，说明1号目标节点已经唤醒开始广播数据包且在目标定位区域内，那么对于1号目标节点就不发送告警信息；继续检测2号目标节点，发现2号目标节点的告警标志为1，说明之前认为2号目标节点异常并已发布告警信息，故不再继续检测2号目标节点；继续检测3号目标节点，3号目标节点告警标志为0，且上次估计状态标志为0，说明上次估计3号目标节点是静止的。上次向3号目标节点发送休眠命令的时间是09:58:00，休眠时间为2小时，当前时间（12:03:12）大于发送休眠命令时间、目标节点休眠时间和附加时间之和，此时3号目标节点应该已经唤醒并广播数据包，但上次收到3号目标节点传感节点数据包的时间却为09:57:57，说明3号目标节点已离开定位区域、发生故障或者其它原因造成上位机不能正常接收3号目标节点的传感节点数据包，这时就将3号目标节点的告警标志更改为1，并发布告警信息；继续检测4号目标节点，4号目标节点告警标志为0，且上次估计状态为1，说明上次估计4号目标节点是移动的。由于当前时间大于上次收到目标节点数据时间（12:02:00）、目标节点广播周期（30秒）和附加时间（30秒）之和，则认为4号目标节点从上次广播完数据包后经过一个广播周期没有正常广播下一个数据包，故判断4号目标节点可能离开定位区域、发生故障或发生其它异常，故将4号目标节点的告警标志更改为1，并发布告警信息；继续检查5号目标节点告警标志为0，上次估计状态标志为1，说明上次估计5号目标节点是移动的。由于当前时间小于上次收到目标节点数据时间（12:02:30）、目标节点广播周期（30秒）和附加时间（30秒）之和，说明还没有到上位机下一次接收5号目标节点的传感节点数据包时间，不能认为5号目标节点异常，故不对5号目标节点发送告警信息。

图8为本发明的目标定位信息表的示例。以ID为1～4的四个目标节点为例，某时刻四个目标节点定位坐标分别为(3.5,4.5)、(6.7,13.5)、(9.3,12.4)、(7.5,9.5)，目标估计状态标志分别为1、1、0、1，表示当前估计1号、2号和4号目标节点处于移动状态，而3号目标节点正处于静止状态。每个目标节点的定位坐标和估计的运动状态都采用单独更新的方式，而每次更新目标定位信息表后，立即根据表中内容重新显示所有目标节点的位置和运动状态。

Claims (10)

1.一种降低能耗的无线传感器网络目标定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

A.每个目标节点周期广播一个记录唯一ID的数据包；

B.收到目标节点数据包的传感节点，从目标节点数据包中提取目标节点ID并测量接收信号强度值，将记录目标节点ID、传感节点坐标和接收信号强度值的传感节点数据包发向上位机；

C.上位机顺序接收各传感节点发来的数据包，汇集记录同一个目标节点ID的传感节点数据包，从中提取传感节点坐标和接收信号强度值；

D.上位机根据接收数据估计目标节点运动状态，若估计目标节点是移动的，则执行步骤E；若估计目标节点是静止的，则执行步骤F；

E.上位机根据从记录目标节点ID的传感节点数据包中提取的传感节点坐标和接收信号强度值，计算目标节点定位坐标值，然后执行步骤I；

F.上位机向目标节点发送休眠命令，命令目标节点休眠指定长度时间，目标节点收到休眠命令后立即进入休眠状态，然后执行步骤G；

G.上位机计算目标静止位置坐标值，并将计算结果作为目标节点休眠期间的定位结果，然后执行步骤H；

H.目标节点休眠结束后自动唤醒，准备继续开始周期广播数据包；

I.上位机判断是否能够正常接收包含每个目标节点ID的传感节点数据包，若是，返回步骤A；若否，针对该目标节点发送告警信息，然后返回步骤A；

在所述步骤E中，若当前第k个广播周期，收到目标T(x_T,y_T)数据包的传感节点S_i(x_i,y_i)(i＝1,2,…,N,N≥3)所测接收信号强度值为r_i(k)，利用最小二乘法计算目标定位坐标，求解如下最优化问题：

$\begin{array}{c}\underset{x_T,y_T}{\min }\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}A-\mathrm{\η}\·\lg \left(d_i\right)-r_i\left(k\right)\\ =\underset{x_T,y_T}{\min }\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}A-\mathrm{\η}\·\lg \left(\sqrt{{(x_i-x_T)}^2+{(y_i-y_T)}^2}\right)-r_i\left(k\right)\end{array}$

其中，A、η为定位现场提前标定好的信号强度对数衰减模型参数，A为常数项，η为衰减因子，d_i为传感节点S_i(x_i,y_i)到目标节点T(x_T,y_T)的距离；上述最优化问题的解即为目标定位坐标。

2.根据权利要求1所述的一种降低能耗的无线传感器网络目标定位方法，其特征在于：所述无线传感器网络目标定位方法能够适用于无线传感器网络目标定位系统包含任意多个目标节点的情况；所述定位方法对每个目标节点分配不同ID，各目标节点分别设置相同或不同广播周期，各目标节点可按照不同时序广播数据包。

3.根据权利要求1所述的一种降低能耗的无线传感器网络目标定位方法，其特征在于：上位机以并行方式对多个目标节点分头进行状态估计、定位、命令休眠、检测异常和告警。

4.根据权利要求1所述的一种降低能耗的无线传感器网络目标定位方法，其特征在于：在步骤C中，在某个目标节点的一个广播周期内，上位机收到包含该目标节点ID的第一个传感节点数据包时，记录收到该数据包的时间。

5.根据权利要求1所述的一种降低能耗的无线传感器网络目标定位方法，其特征在于：在所述步骤F中，上位机发送休眠命令包含目标节点ID和休眠时间长度信息；目标节点收到记录自身ID的休眠命令后进入休眠状态，并在休眠时间长度过后自动唤醒。

6.根据权利要求1所述的一种降低能耗的无线传感器网络目标定位方法，其特征在于：在所述步骤F中，上位机向目标节点发送休眠命令时，记录发送休眠命令的时间。

7.根据权利要求1所述的一种降低能耗的无线传感器网络目标定位方法，其特征在于：在所述步骤I中，上位机顺序检查每个目标节点上次估计运动状态，若估计目标节点静止，且目标节点休眠结束一定时间后上位机未收到记录该目标节点ID传感节点数据包，则认为该目标节点异常并发送告警信息；若估计目标节点移动，且从上次收到包含该目标节点ID的传感节点数据包开始，一个广播周期结束再过一定时间后上位机未收到记录该目标节点ID传感节点数据包，则认为该目标节点异常并发送告警信息；其它情况下不发送告警信息。

8.根据权利要求7所述的一种降低能耗的无线传感器网络目标定位方法，其特征在于：上位机保存一张异常目标节点检测信息表，所述异常目标节点检测信息表记录每个目标节点ID、目标节点对应的告警标志、上次估计目标节点运动状态标志、上次收到包含目标节点ID的传感节点数据包时间、附加时间；若上次估计目标节点是静止的，还记录上次向目标节点发送休眠命令时间、目标节点休眠时间；若上次估计目标节点是移动的，则记录目标节点广播周期；根据上位机、传感节点和目标节点之间信息传递的延迟时间来确定所述附加时间，附加时间不小于测试得出的最长网络延迟时间。

9.根据权利要求8所述的一种降低能耗的无线传感器网络目标定位方法，其特征在于：上位机通过定期扫描异常目标节点检测信息表中每个目标节点对应信息检测异常目标节点，并针对异常目标节点发送告警信息；针对每个目标节点对应信息，包括如下步骤：

a.检查目标节点对应的告警标志，若显示已告警，则扫描下一个目标节点对应信息，重新执行步骤a；否则，执行步骤b；

b.检查上次估计目标节点运动状态标志，若显示上次估计目标节点是静止的，执行步骤c；若显示上次估计目标节点是移动的，执行步骤d；

c.检查当前时间是否大于上次向目标节点发送休眠命令时间、目标节点休眠时间与附加时间之和，并且上次收到包含目标节点ID传感节点数据包时间小于或等于上次向目标节点发送休眠命令时间、目标节点休眠时间长度之和；若是，发送告警信息；若否，扫描下一个目标节点对应信息，返回步骤a；

d.检查当前时间是否大于上次收到包含目标节点ID的传感节点数据包时间、目标节点广播周期及附加时间之和，若是，发送告警信息；若否，扫描下一个目标节点对应信息，返回步骤a。

10.根据权利要求1所述的一种降低能耗的无线传感器网络目标定位方法，其特征在于：上位机保存目标定位信息表，记录每个目标节点ID、目标节点最新定位坐标、目标节点最新估计状态；上位机估计出任意目标节点运动状态和最新定位坐标值后，将估计状态标志和最新定位坐标填入目标定位信息表；每次更新完目标定位信息表后，按照目标定位信息表中的信息重新显示各目标节点定位位置和估计状态。