CN103414999A - 一种基于无线传感器网络的定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无线传感器网络的定位方法,包括步骤:(1)确定各个固定节点的坐标;(2)移动节点周期性的向其周围的固定节点发送广播信息;(3)查找接收到广播信息的各固定节点的坐标位置,并通过RSSI值计算固定节点到移动节点的距离;(4)根据接收到广播信息的固定节点的个数,计算移动节点的当前坐标:当有两个或两个以上的固定节点接收到移动节点发出的广播信息时,以各个固定节点为中心、移动节点到该固定节点的距离的1.5-3倍为边长绘制矩形,并计算出所有矩形的交集,该交集的中心坐标即为移动节点的当前坐标。通过本发明方法的实现定位,提高了定位精度,且减少了运算量。
Description
技术领域
本发明涉及无线定位技术领域,特别涉及一种基于无线传感器网络的定位方法。
背景技术
养老院、福利院、精神病院等是生活自理能力有限、需要更多关注和照顾的特殊人群的收容场所。随着经济条件的提高,现在的养老院、福利院、精神病院等基础建设日趋先进,通常配置有花园、健身场地、娱乐场地、休闲场地等,人们的活动范围更广。但是养老院、福利院、精神病院等收容的特殊人员众多,不可能每个特殊人员都有一个看护陪同,活动范围的扩大增加了看护人员随时监看特殊人员的工作难度。因此,采用定位技术对收容所里面的特殊人员进行定位,以便在特殊人员需要帮助时可及时找到其当前位置显得非常重要。
目前常用的定位方法是,通过获取到多个固定节点到移动节点之间的RSSI(信号强度指示)值,计算出移动节点到多个固定节点之间的距离,然后利用三边定位法或质心算法,根据固定节点的坐标、移动节点到多个固定节点之间的距离建立方程组,最终求解出移动节点的坐标位置。然而RSSI值受外界条件影响较大,距离越远稳定性越差,在2米以上的波动较大,导致对RSSI线性度要求较高的定位算法计算出的结果与实际存在较大偏差,定位精度较差。而且求解方程组的运算过程复杂,计算量大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的定位精度较差及运算量较大的不足,提供一种基于无线传感器网络的定位方法,通过该方法进行定位,受RSSI的无规律变化影响较小,定位精度高,而且运算过程简单,计算量小。
为了实现上述发明目的,本发明提供了以下技术方案:
一种基于无线传感器网络的定位方法,包括以下步骤:
(1)布局固定节点的安装位置,并根据固定节点的安装位置确定各个固定节点的坐标,并保存;
(2)移动节点按照设定的周期向其周围的固定节点发送广播信息,接收到该广播信息的固定节点,将自身的编号及移动节点发出的信号强度指示信号的RSSI值上传至数据交换机;
(3)数据交换机根据各固定节点上传的编号查找出各固定节点的坐标位置,再通过RSSI值计算出该固定节点到发出广播信息的移动节点的距离;
(4)统计接收到广播信息的固定节点的个数,并根据接收到广播信息的固定节点的个数,计算发出广播信息的移动节点的当前坐标,具体的:
a.当只有一个固定节点接收到移动节点的广播信息时,该固定节点的坐标即为该移动节点的当前坐标;
b.当有两个或两个以上的固定节点接收到移动节点发出的广播信息时,数据交换机分别以各个固定节点为中心、移动节点到该固定节点的距离的1.5-3倍为边长绘制矩形,并计算出所有矩形的交集,然后求取该交集的中心坐标,该中心坐标即为移动节点的当前坐标。
优选的,上述方法中,所述矩形为正方形,且正方形的边长为移动节点到固定节点的距离的2倍。
进一步的,上述方法中,计算所有正方形的交集,并求取该交集的中心坐标的步骤包括:
b1.求取各个正方形上的四个交点的坐标:设固定节点的坐标为(xs,ys),移动节点到该固定节点的距离为L,则四个交点的坐标分别为(xs-L,ys-L)、(xs+L,ys-L)、(xs+L,ys+L)、(xs-L,ys+L),所述交点为相邻两条边形成的交点;
b2.求取所有正方形的交集:利用两个矩形的交集为矩形,且矩形的交点与两个正方形的交点同横坐标或同纵坐标,用正方形的交点的坐标表示矩形的四个交点的坐标,首先求取出两个正方形的交集,然后再用该交集依次与剩下的正方形求交集,最后得到所有正方形的交集;
b3.设最后得到的所有正方形的交集的四个交点的坐标分别为(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4),那么交集的中心的坐标为((x2-x1)/2,(y4-y1)/2),即移动节点的当前坐标位置为((x2-x1)/2,(y4-y1)/2)。
与现有技术相比,本发明的有益效果:
本发明定位方法,首先根据RSSI值计算出来的距离作正方形,然后通过求取多个正方形的交集(即重叠部分)的中心来求取移动节点的当前坐标,由于接收到广播信息的所有固定节点的值都代入进行移动节点坐标计算,移动节点坐标计算受RSSI值的不规律性影响较小,相比于受RSSI值的不规律性影响较大的三边定位或质心算法,本发明方法定位精度更高,具有较高的定位精度。
本发明定位方法是通过计算N个正方形交集的中心位置来实现定位,经过N-1次坐标求取过程就可以将所有正方形的交集计算出来,运算过程简单(坐标求取仅涉及加减法运算),相比于求解方程组的运算过程,大大减少了计算量,运算速度快,效率高。
附图说明:
图1为基于无线传感器网络的定位系统结构示意图。
图2为本发明基于无线传感器网络的定位方法的流程图。
图3为多个正方形形成交集的示意图。
图4为正方形的四个交点坐标表示的示意图。
图5(a)至图5(f)为两个矩形相交的六种方式。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例,凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
参考图1,一种基于无线传感器网络的定位系统,本发明方法基于该定位系统实现,包括若干个移动节点和固定节点组成的无线传感器网络、数据交换机和后台监控主机,移动节点按照一定时间间隔向其周围的固定节点发送广播信息,无线传感器网络中接收到该广播信息的固定节点将自身的编号(即固定节点地址)及接收到的信号强度指示值(即RSSI值)上传至数据交换机,数据交换机再传输至后台监控主机。所述移动节点为移动终端,该定位系统应用于养老院、福利院、精神病院等场所时,移动终端被待定位人员随身携带,待定位人员即是指被收容于养老院、福利院、精神病院等场所中需要特殊照顾的人员,只要定位出移动终端的位置即实现对待定位人员的定位。
参考图2,本发明基于无线传感器网络的定位方法,包括以下步骤:
(1)布局固定节点的安装位置,并根据固定节点的安装位置确定各个固定节点的坐标,并保存。每个固定节点有相应的编号,掌握了该编号就可明确相应的固定节点的地址。
(2)移动节点按照设定的周期向其周围的固定节点发送广播信息,接收到该广播信息的固定节点,将自身的编号及移动节点发出的信号强度指示信号的值(RSSI值)上传至数据交换机。
(3)数据交换机根据各固定节点上传的编号查找出各固定节点的坐标位置,再通过RSSI值计算出该固定节点到发出广播信息的移动节点的距离。距离d=10(-RSSI+A)/B,其中,A为移动节点与固定节点相距1米时的RSSI值,B为环境常量,一般取值为35。
(4)统计接收到广播信息的固定节点的个数(由于接受到广播信息的固定节点会向数据交换机发送其自身的编号,因此数据交换机可根据接收到的固定节点的编号的个数计量固定节点的个数),并根据接收到广播信息的固定节点的个数,计算发出广播信息的移动节点的当前坐标,具体的:
a.当只有一个固定节点接收到移动节点的广播信息时,数据交换机将默认为该移动节点的当前坐标就是该固定节点的坐标。
b.当有两个或两个以上的固定节点接收到移动节点发出的广播信息时,数据交换机分别以各个固定节点为中心、移动节点到该固定节点的距离的1.5-3倍为边长绘制矩形,并计算出这些矩形相互重叠的部分,然后求取该重叠部分的中心坐标,重叠部分的中心坐标位置即为移动节点的坐标位置。为了计算更简便,同时保障定位的精度,优选矩形为正方形,且正方形的边长为移动节点到固定节点的距离的2倍。本实施例以正方形为例,如图3所示,当有3个固定节点接收到移动节点发出的广播信息时,绘制3个正方形并求取重叠部分中心坐标的示意图。图3中,固定节点分别为S1、S2、S3,M表示移动节点,移动节点与固定节点S1、S2、S3的距离分别为L1、L2、L3,分别以S1、S2、S3的坐标位置为中心,2L1、2L2、2L3为边长,绘制出正方形Q1、Q2、Q3,正方形Q1、Q2、Q3的重叠部分(即交集)如阴影部分所示,Z为重叠部分的中心。
本步骤中,求取两个或两个以上正方形的交集之前,需要求取各个正方形的四个交点(即正方形中相邻两条边的交点)的坐标。参考图4,设固定节点的坐标为(xs,ys),正方形的四个交点的坐标分别为D1(x1,y1),D2(x2,y2),D3(x3,y3),D4(x4,y4),L为移动节点到固定节点的距离,则有x4=x1=xs-L,x3=x2=xs+L,y2=y1=ys-L,y4=y3=ys+L,即四个交点的坐标分别为(xs-L,ys-L)、(xs+L,ys-L)、(xs+L,ys+L)、(xs-L,ys+L)。
由于所有正方形的交集最终为一个矩形,且该矩形可看作为两个矩形(此两个矩形可能一个为未求交集的正方形、一个为求交集之后形成的矩形,或者两个均是求交集之后形成的矩形)的交集,因此,在求取两个或两个以上正方形的交集过程中,可以先求取两个正方形的交集(交集为矩形),然后该矩形再依次与剩下的正方形求取交集,直至求取到所有正方形的交集;或者采取倒找顺求的方式,即是说,先倒序找出形成交集的两个矩形,然后再找出分别形成该两个矩形的矩形,以此类推,直至找出所有的正方形;然后再顺序求取求交集过程中涉及的矩形的4个交点的坐标,直至求取所有正方形的交集的4个交点的坐标。例如图3所示,求取三个正方形Q1、Q2、Q3形成的交集(图中阴影部分)的过程中,首先找出形成交集的两个矩形分别为正方形Q3和正方形Q1、Q2形成的交集(也可以看着两个矩形分别为正方形Q1和正方形Q2、Q3形成的交集,或者两个矩形分别为正方形Q2和正方形Q1、Q3形成的交集),然后再顺序求取正方形Q3的4个交点的坐标和正方形Q1、Q2形成的交集的4个交点的坐标,最后求取交集(图中阴影部分)的4个交点的坐标。
参考图5(a)至图5(f),多个正方形最终形成交集有图5(a)至图5(f)6种方式,其中,Qj为多个正方形形成的交集,J1、J2分别为形成交集Qj的两个矩形。图5(a)至图5(e)所示的6种方式形成的交集Qj的4个交点(从左至右沿逆时针方向走依次为第一个交点、第二个交点、第三个交点、第四个交点)坐标表示分别为:
图5(a)所示的方式:Qj的4个交点坐标表示分别为(xJ21,yJ11),(xJ12,yJ12),(xJ12,yJ23),(xJ24,yJ24)。
图5(b)所示的方式:Qj的4个交点坐标表示分别为(xJ21,yJ21),(xJ12,yJ21),(xJ13,yJ13),(xJ21,yJ13)。
图5(c)所示的方式:Qj的4个交点坐标表示分别为(xJ21,yJ21),(xJ22,yJ22),(xJ23,yJ23),(xJ24,yJ24)。
图5(d)所示的方式:Qj的4个交点坐标表示分别为(xJ11,yJ21),(xJ12,yJ22),(xJ13,yJ23),(xJ14,yJ24)。
图5(e)所示的方式:Qj的4个交点坐标表示分别为(xJ21,yJ21),(xJ12,yJ22),(xJ13,yJ23),(xJ24,yJ24)。
图5(f)所示的方式:Qj的4个交点坐标表示分别为(xJ21,yJ11),(xJ22,yJ12),(xJ23,yJ23),(xJ24,yJ24)。
其中,xJ11为矩形J1的第一个交点的横坐标,xJ12为矩形J1的第二个交点的横坐标,xJ13为矩形J1的第三个交点的横坐标,xJ14为矩形J1的第四个交点的横坐标,xJ21为矩形J2的第一个交点的横坐标,xJ22为矩形J2的第二个交点的横坐标,xJ23为矩形J2的第三个交点的横坐标,xJ24为矩形J2的第四个交点的横坐标;yJ11为矩形J1的第一个交点的纵坐标,yJ12为矩形J1的第二个交点的纵坐标,yJ13为矩形J1的第三个交点的纵坐标,yJ21为矩形J2的第一个交点的纵坐标,yJ22为矩形J2的第二个交点的纵坐标,yJ23为矩形J2的第三个交点的纵坐标,yJ24为矩形J2的第四个交点的纵坐标。
设最后求得的交集的四个交点的坐标分别为(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4),那么交集的中心的坐标为((x2-x1)/2,(y4-y1)/2),即移动节点的当前坐标位置为((x2-x1)/2,(y4-y1)/2)。
传统的三边定位法或质心算法,由于一次计算只能输入三个量,得出一个值,即一次只能取三个固定节点的RSSI值计算移动节点坐标,如果有n(n>3)个固定节点,那么需要用Cn 3次解方程组计算,再将多次计算的结果做平均得出最终结果。但是实际应用中,由于处理能力有限,不可能采用Cn 3次解方程组计算,而是仅从n个固定节点中筛选出信号强度较高的三个固定节点的RSSI值进行计算。由于受RSSI值波动的影响,因此计算出来的结果不准确。而本发明方法,只需要进行简单的加法运算即可求出移动节点的当前坐标位置,计算简单,输入量可以是任意多个固定节点的值,因此不是只选取信号强度较高的三个固定节点的值进行计算,而是将所有接收到广播信息的固定节点的值都用于计算。固定节点越多,受RSSI值波动的影响越小,计算得到的移动节点坐标的精度越高,因此本发明方法可大大提高定位精度。经过实际试验测试得出,当获取广播信息的固定节点的个数小于等于3、且通过RSSI值计算出的距离小于2米时,三边定位或质心算法得出的精度与本发明方法得出的精度有微小的差别,但是当获取广播信息的固定节点的个数大于3,或者通过RSSI值计算出的距离大于2米时,本发明方法得出的精度明显高于三边定位或质心算法得出的精度,因此本发明方法可实现更加准确的定位。
本说明书中公开的所有特征,或公开的所有方法或过程中的步骤,除了互相排斥的特征和/或步骤以外,均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征,除非特别叙述,均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即,除非特别叙述,每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
Claims (3)
1.一种基于无线传感器网络的定位方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)布局固定节点的安装位置,并根据固定节点的安装位置确定各个固定节点的坐标,并保存至数据交换机;
(2)移动节点按照设定的周期向其周围的固定节点发送广播信息,接收到该广播信息的固定节点,将自身的编号及移动节点发出的信号强度指示信号的RSSI值上传至数据交换机;
(3)数据交换机根据各固定节点上传的编号查找出各固定节点的坐标位置,再通过RSSI值计算出该固定节点到发出广播信息的移动节点的距离;
(4)统计接收到广播信息的固定节点的个数,并根据接收到广播信息的固定节点的个数,计算发出广播信息的移动节点的当前坐标,包括步骤:
a.当只有一个固定节点接收到移动节点的广播信息时,该固定节点的坐标即为该移动节点的当前坐标;
b.当有两个或两个以上的固定节点接收到移动节点发出的广播信息时,数据交换机分别以各个固定节点为中心、移动节点到该固定节点的距离的1.5-3倍为边长绘制矩形,并计算出所有矩形的交集,然后求取该交集的中心坐标,该中心坐标即为移动节点的当前坐标。
2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的定位方法,其特征在于,所述矩形为正方形,且正方形的边长为移动节点到固定节点的距离的2倍。
3.根据权利要求2所述的基于无线传感器网络的定位方法,其特征在于,计算所有正方形的交集,并求取该交集的中心坐标的步骤包括:
b1.求取各个正方形上的四个交点的坐标:设固定节点的坐标为(xs,ys),移动节点到该固定节点的距离为L,则四个交点的坐标分别为(xs-L,ys-L)、(xs+L,ys-L)、(xs+L,ys+L)、(xs-L,ys+L),所述交点为相邻两条边形成的交点;
b2.求取所有正方形的交集:利用两个矩形的交集为矩形,且矩形的交点与两个正方形的交点同横坐标或同纵坐标,用正方形的交点的坐标表示矩形的四个交点的坐标,首先求取出两个正方形的交集,然后再用该交集依次与剩下的正方形求交集,最后得到所有正方形的交集;
b3.设最后得到的所有正方形的交集的四个交点的坐标分别为(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4),那么交集的中心的坐标为((x2-x1)/2,(y4-y1)/2),即移动节点的当前坐标位置为((x2-x1)/2,(y4-y1)/2)。
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
CB02 | Change of applicant information |
Address after: 610041, 30, 1, 3003, 138 Tianfu two street, Chengdu hi tech Zone, Sichuan, China Applicant after: Chengdu Si Han Science and Technology Co., Ltd. Address before: West high tech Zone Fucheng Road in Chengdu city of Sichuan province 610041 No. 399 Tianfu New Valley No. 5 Building 8 floor Applicant before: Chengdu Sihan Technology Co., Ltd. |
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C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20131127 |