CN103945528B - 无线传感器网络中的单目标定位方法 - Google Patents
无线传感器网络中的单目标定位方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种无线传感器网络中的单目标定位方法，主要解决现有技术定位精度较低的问题。其实现步骤为：当有目标进入无线传感器网络中时，选取当前距离目标最近的节点作为根节点；网络中发现目标的节点将各自与目标间的距离和本身的位置坐标发送到当前根节点；根节点接收到节点的信息后，计算三个节点构成三角形的面积和三个节点在以与目标间的距离为半径的同心圆上移动时构成三角形面积最大值的比值，取多组比值较大数据组合计算的目标位置的横坐标均值和纵坐标均值得到目标的最终位置坐标；随着目标的移动，重复上述步骤对目标动态定位。本发明能够改善目标的定位精度，避免了所有节点数据的定位计算，可用于目标跟踪和探测。
Description
技术领域
本发明属于无线传感器网络领域，涉及大规模无线传感器网络中的单运动目标的定位方法，适用于现有的不同应用场景的大规模无线传感器网络。
背景技术
无线传感器网络作为一种全新的信息获取和处理技术在目标跟踪、入侵监测及一些定位相关领域有广泛的应用前景。然而,无论是在军事侦察或地理环境监测,还是交通路况监测或医疗卫生中对病人的跟踪等应用场合,很多获取的监测信息需要附带相应的位置信息,否则,这些数据就是不确切的,甚至有时候会失去采集的意义,因此网络中传感器节点自身位置信息的获取是大多数应用的基础。首先,传感器节点必须明确自身位置才能详细说明“在什么位置发什么了什么事件”,从而实现对外部目标的定位和跟踪；其次,了解传感器节点的位置分布状况可以对提高网络的路由效率提供帮助,从而实现网络的负载均衡以及网络拓扑的自动配置,改善整个网络的覆盖质量。因此,必须采取一定的机制或算法来实现无线传感器网络中各节点的定位,无线传感器网络定位技术已经成为一个非常活跃的研究领域。
无线传感器网络的节点定位涉及很多方面的内容,包括定位精度、网络规模、锚节点密度、网络的容错性和鲁棒性以及功耗等,如何平衡各种关系对于无线传感器网络的定位问题非常具有挑战性。可以说无线传感器网络节点自身定位问题在很大程度上决定着其应用前景。因此,研究节点定位问题不仅必要,而且具有很重要的现实意义
无线传感器网络中单目标定位根据是否需要与目标间的距离分为基于距离的定位方法和与距离无关的定位方法，基于距离的定位方法有三边定位方法、最大似然方法等，相比于三边定位方法，最大似然方法的计算复杂度较高。与距离无关的定位方法有质心法、DV-Hop法、Amorphous算法等，其中质心方法计算简单，定位精度受节点分布的影响较大；DV-Hop方法虽然改善了定位精度，但是在网络规模较大时，平均每跳距离误差变大，定位性能变差；Amorphous算法受到网络中节点密度的影响，节点分布密度较大时定位精度较高。基于距离的定位方法中无线传感器节点可以得到与目标间的距离，通过三个节点的位置坐标和与目标间的距离可以计算得到目标的位置坐标。但是在现实情况下,无线信号在传播过程中会遇到反射、多径传播、非视距等环境因素的干扰，超声波在空气传播过程中，温度、湿度、气压等都会影响传播速度，导致探测节点与目标之间的测距信息存在误差，选取不合适的数据组合用于定位计算会影响目标的定位精度。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种无线传感器网络中的单目标定位方法，以降低由于测距误差产生的定位误差，提高定位精度。
实现本发明目的的技术方案包括如下步骤：
(1)网络中分布的无线传感器节点获取自己与目标之间的距离:
当网络中没有目标进入时,节点周期的探测网络中是否有目标出现；
当网络中有目标进入时,目标周围的节点探测到目标的出现，并广播各自与目标间的距离信息，选择当前距离目标最近的节点作为根节点，其它节点作为侦测节点；
(2)根节点向网络中的侦测节点广播自己当选为根节点信息，网络中的侦测节点将各自与目标间的距离信息和本身的位置坐标信息发送到当前的根节点；
(3)根节点接收到侦测节点发送的信息后，计算目标的位置坐标：
(3a)根节点接收到所有侦测节点的信息后,以每三个侦测节点的信息为一组数据，每组数据中的三个侦测节点构成三角形，分别计算每个三角形面积Si，其中i表示第i组数据，i为整数，M表示当前根节点接收到的侦测信息个数，表示数据组的总个数；
(3b)分别计算每组数据中三个节点在以其自身与目标之间的距离为半径、以直角坐标系原点为圆心的三个同心圆上移动时所形成三角形面积的最大值S'imax；
(3c)计算当前数据Si与S'imax的比值,按照Si与S'imax比值由大到小排序，选取比值最大的前n组数据，1≤n≤30，n为整数；将每组数据中以三个侦测节点为圆心，并以该三个侦测节点与目标之间的距离为半径做三个圆，这三个圆两两相交，每两个圆的两个交点构成一条直线，通过计算三条直线的交点作为目标定位位置；再将这n组数据分别计算得到的目标位置取质心，得到目标的最终位置；
(4)侦测节点随着目标的移动持续侦测，重复步骤(1)-(3)对目标进行动态定位。
本发明通过选取Si与S'imax比值较大的数据组合用于目标定位计算，既避免了采用共线、分布较差的三个侦测节点对目标定位，改善了定位精度；同时又避免了根节点采用所有数据计算目标的位置，减少了根节点的计算量。
附图说明
图1是本发明的实现流程图；
图2是现有的三角形坐标示意图；
图3是现有的三角形圆心角示意图；
图4是现有的三边定位示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施作详细叙述：
本发明适用于大规模无线传感器网络场景，多个无线传感器节点分布在区域中，节点一旦配置完成即保持静止不动，在节点的位置坐标已知，并且节点配备有超声波、红外线等设备的条件下，可以实现探测目标是否出现和得到节点与目标间距离的功能。
参照图1，本发明的实现步骤如下：
步骤1，选取无线传感器网络中的根节点。
在大规模传感器网络场景中，通过无线传感器节点探测是否有移动目标的出现，当有移动目标进入无线传感器网络中时，目标周围的节点能够侦测到该目标的出现并得到与该目标间的距离；
探测到目标的节点相互交互各自与目标之间的距离,选择当前距离目标最近的节点作为根节点,用于接收无线传感器节点的侦测数据和目标定位计算。
步骤2，根节点广播当选信息并接收其他节点侦测信息。
根节点将自己当选为根节点的信息进行广播，在通信范围内接收到根节点广播信息的无线传感器节点，将各自与目标间的距离信息和自己本身的位置坐标再发送给当前根节点。
步骤3，根节点计算目标的位置坐标。
(3.1)根节点接收到所有侦测节点的信息后，结合自己本身的坐标和它与目标间的距离，以每三个侦测节点的信息为一组数据，构成三角形，分别计算每个三角形面积Si：
其中，i表示第i组数据，i为整数，M表示当前根节点接收到的侦测信息个数，表示数据组的总个数；(x1,y1)表示第i组数据中与目标间的距离最大的侦测节点的位置坐标，(x3,y3)表示第i组数据中与目标间的距离最小的侦测节点的位置坐标，(x2,y2)表示第i组数据中第三个侦测节点的位置坐标，如图2所示；
(3.2)在直角坐标系中，构建分别以原点为圆心，以第i组数据中的三个侦测节点与目标之间的距离为半径的三个同心圆；
(3.3)在每个同心圆上都有一个不断移动的点，用这三个同心圆上的三个点构成一个新的三角形，并计算该新三角形的面积Si'：
式中，R1、R2、R3表示第i组数据中三个侦测节点得到的与目标间的距离，R1≥R2≥R3，第一个点在以原点为圆心、半径为R1的圆上移动，第二个点在以原点为圆心，半径为R2的圆上移动，第三个点在以原点为圆心，半径为R3的圆上移动，α表示第二个点按照顺时针方向旋转到第一个点时的角度，β表示第一个点按照顺时针方向旋转到第三个点时的角度，如图3所示；
(3.4)对式[2]中所述的角度α和β求导，得到所述Si'取得最大值时的所述角度αm与βm：
式中
(3.5)将按照式[3]和式[4]计算求得的三组αm与βm的值带入到Si'计算公式中，比较这三组Si'值的大小，从这三组值中选出最大值S'imax，并计算当前数据组的Si与S'imax比值；
(3.6)根节点遍历所有数据组，将所有数据组的Si与S'imax比值由大到小排序，选取比值最大的前n组数据，本实例选比值最大的前10组数据；
(3.7)将选取的10组数据中的每组数据分别以三个侦测节点为圆心，并以该三个侦测节点与目标之间的距离为半径做三个圆，这三个圆两两相交，每两个圆的两个交点构成一条直线，构建每组数据的三条直线方程：
其中，1≤j≤10，j为整数，(x1,y1)表示第j组数据中与目标间的距离最大的侦测节点的位置坐标，(x3,y3)表示第j组数据中与目标间的距离最小的侦测节点的位置坐标，(x2,y2)表示第j组数据中第三个侦测节点的位置坐标；R1、R2、R3分别表示第j组数据中三个侦测节点得到的与目标间的距离，R1≥R2≥R3；式[5]表示以(x1,y1)为圆心，以R1为半径的圆和以(x2,y2)为圆心，以R2为半径的圆的交点构成的直线；式[6]表示以(x2,y2)为圆心，以R2为半径的圆和以(x3,y3)为圆心，以R3为半径的圆的交点构成的直线；式[7]表示以(x1,y1)为圆心，以R1为半径的圆和以(x3,y3)为圆心，以R3为半径的圆的交点构成的直线；(x'j,y'j)表示三条直线的交点；如图4所示；
(3.8)联立三条直线方程，计算出第j组数据的目标位置(x'j,y'j)：
(3.9)分别求取10组数据的目标位置的横坐标均值和纵坐标均值，得到目标的最终位置坐标(xT,yT)：
步骤4，随着目标的移动，侦测节点持续对目标进行侦测，重复步骤1-3对目标进行动态定位。
Claims (4)
1.一种无线传感器网络中的单目标定位方法，包括如下步骤:
(1)网络中分布的无线传感器节点获取自己与目标之间的距离:
当网络中没有目标进入时,节点周期的探测网络中是否有目标出现；
当网络中有目标进入时,目标周围的节点探测到目标的出现，并广播各自与目标间的距离信息，选择当前距离目标最近的节点作为根节点，其它节点作为侦测节点；
(2)根节点向网络中的侦测节点广播自己当选为根节点信息，网络中的侦测节点将各自与目标间的距离信息和本身的位置坐标信息发送到当前的根节点；
(3)根节点接收到侦测节点发送的信息后，计算目标的位置坐标：
(3a)根节点接收到所有侦测节点的信息后,以每三个侦测节点的信息为一组数据，每组数据中的三个侦测节点构成三角形，分别计算每个三角形面积Si，其中i表示第i组数据，i为整数，M表示当前根节点接收到的侦测信息个数，表示数据组的总个数；
(3b)分别计算每组数据中三个节点在以其自身与目标之间的距离为半径、以直角坐标系原点为圆心的三个同心圆上移动时所形成三角形面积的最大值S′imax；
(3c)计算当前数据Si与S′imax的比值,按照Si与S′imax比值由大到小排序，选取比值最大的前n组数据，1≤n≤30，n为整数；将每组数据中以三个侦测节点为圆心，并以该三个侦测节点与目标之间的距离为半径做三个圆，这三个圆两两相交，每两个圆的两个交点构成一条直线，通过计算三条直线的交点作为目标定位位置；再将n组数据分别计算得到的目标位置取质心，得到目标的最终位置；
(4)侦测节点随着目标的移动持续侦测，重复步骤(1)-(3)对目标进行动态定位。
2.根据权利要求1所述的无线传感器网络中的单目标定位方法，其中步骤(3a)所述的计算每个三角形面积Si，按如下公式计算：
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式中，(x1,y1)表示第i组数据中与目标间的距离最大的侦测节点的位置坐标，(x3,y3)表示第i组数据中与目标间的距离最小的侦测节点的位置坐标，(x2,y2)表示第i组数据中第三个侦测节点的位置坐标。
3.根据权利要求1所述的无线传感器网络中的单目标定位方法，其中步骤(3b)所述的计算每组数据中三个节点在以目标距离为半径的三个同心圆上移动时所形成三角形面积的最大值S′imax，按如下步骤进行：
(3b1)在直角坐标系中，构建分别以原点为圆心，以第i组数据中的三个侦测节点与目标之间的距离为半径的三个同心圆；
(3b2)在每个同心圆上都有一个不断移动的点，用这三个同心圆上的三个点构成一个新的三角形，并计算该三角形的面积S′i：
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式中，R1、R2、R3表示第i组数据中三个侦测节点得到的与目标间的距离，R1≥R2≥R3，第一个点在以原点为圆心、半径为R1的圆上移动，第二个点在以原点为圆心，半径为R2的圆上移动，第三个点在以原点为圆心，半径为R3的圆上移动，α表示第二个点按照顺时针方向旋转到第一个点时的角度，β表示第一个点按照顺时针方向旋转到第三个点时的角度；
(3b3)对式[2]中的所述的角度α和β求导，得到所述S′i取得最大值时所述角度αm与βm：
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(3b4)按照式[3]和式[4]计算求得式[3]中三组αm与βm，并带入到所述式[4]的S′i计算公式中，比较这三组S′i值的大小，从这三组值中选出最大值S′imax。
4.根据权利要求1所述的无线传感器网络中的单目标定位方法，其中所述步骤(3c)中计算三条直线的交点，得到目标最终位置按如下步骤进行：
(4a)构建三条直线的直线方程：
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其中，1≤j≤n，j为整数，(x1,y1)表示第j组数据中与目标间的距离最大的侦测节点的位置坐标，(x3,y3)表示第j组数据中与目标间的距离最小的侦测节点的位置坐标，(x2,y2)表示第j组数据中第三个侦测节点的位置坐标；R1、R2、R3分别表示第j组数据中三个侦测节点得到的与目标间的距离，R1≥R2≥R3；式[5]表示以(x1,y1)为圆心，以R1为半径的圆和以(x2,y2)为圆心，以R2为半径的圆的交点构成的直线；式[6]表示以(x2,y2)为圆心，以R2为半径的圆和以(x3,y3)为圆心，以R3为半径的圆的交点构成的直线；式[7]表示以(x1,y1)为圆心，以R1为半径的圆和以(x3,y3)为圆心，以R3为半径的圆的交点构成的直线；(x′j,y′j)表示三条直线的交点；
(4b)联立三条直线方程，计算出第j组数据的目标位置(x′j,y′j)：
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(4c)分别求取Si与S′imax比值最大的前n组数据的目标位置的横坐标均值和纵坐标均值，得到目标的最终位置坐标(xT,yT)：
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|---|
| General Sink Location Service based on Circle and Line Paths in Wireless Sensor Networks;Euisin Lee等;《IEEE》;20101231;第1-6页 * |
| 基于移动锚节点的无线传感器网络圆心定位;刘辉等;《计算机与数字工程》;20121231;第40卷(第3期);第7，8，17页 * |
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