CN104038994A - 一种基于双移动锚节点的无线传感器网络单弦定位方法 - Google Patents

一种基于双移动锚节点的无线传感器网络单弦定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种无线传感器网络节点定位方法，包括以下步骤：S1、两个移动锚节点AN和RN在传感区域内并行随机直线移动，AN和RN周期性的同时广播，其中，AN广播位置坐标信息，RN广播参考信息；S2、未知节点比较同时接受到的AN和RN广播的信号强度，并记录下AN信号最弱时和最强时的坐标信息；S3、未知节点根据AN信号最弱和最强时的坐标信息，得到有一条高低弦，并计算得到通过该弦的两个圆心的坐标O和O’；S4、未知节点判断圆心坐标O位于该高低弦的位置关系，并结合AN和RN信号强弱比较结果，以及高低弦的方向信息，最终选择O或者O’作为该未知节点的定位结果。

Description

一种基于双移动锚节点的无线传感器网络单弦定位方法
技术领域
本发明涉及无线传感器网络定位领域，特别是涉及双移动锚节点的无线传感器网络单弦定位。
背景技术
无线传感器网络(WSN)是用来监测网络部署区域中各种环境的特性，主要应用于军事侦察、自然环境指标监测等场景。无线传感器网络由大量的静止或移动的传感器节点以自组织和多跳的方式构成无线网络，以协作的感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。
无线传感器网络中的传感器节点往往大量被随机部署在监测区域内，并且各种定位设备比如GPS等设备由于价格昂贵、能量消耗大等原因，不适宜装备在每个传感器节点上。因此，在网络初始化阶段，需要通过一定的技术手段让各传感节点得到自身的位置坐标。
现有的无线传感器定位技术中，一般分为基于距离的定位算法和距离无关的定位算法。距离无关的定位算法一般是通过大致估计的单跳距离来进行定位，但是其定位精度上存在较大误差。在基于距离的定位算法中，各传感节点通过RSSI(Received Signal Strength Indication)方法监测接受到的定位信号强度，从而得到自身的位置坐标。但是，RSSI方法由于各传感节点的通信量的开销较大，直接导致传感节点在定位过程中需要较多的能量消耗。
从用于提供位置信息的锚节点的工作模式出发，现有技术中用于定位的锚节点有固定锚节点和移动锚节点。由于监测区域以及传感节点分布的随机性，采用固定锚节点定位方案时，对于固定锚节点的个数和位置分布有较高要求且实施难度较大。因此，往往采用移动锚节点的定位方案，让移动锚节点在监测区域内随机直线移动，并周期性的广播位置信息。但是，传感节点在定位过程中所需的能量消耗将随着接收到的移动锚节点定位信息的增加而加大。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种无线传感器网络节点定位方法及装置，提高无线传感器网络的定位精度和定位所需能量消耗。
本发明实施例提供一种无线传感器网络节点定位方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
S1：设置两个移动锚节点，所述两个移动锚节点在传感区域内并行随机匀速直线移动，所述两个移动锚节点周期性的同时广播，其中，第一移动锚节点广播其当前的位置坐标信息，第二移动锚节点广播定位参考信息；所述第一移动锚节点装备有GPS，所述第二移动锚节点仅广播定位参考信息，所述第二移动锚节点始终在所述第一移动锚节点左边移动；当所述第一移动锚节点和所述第二移动锚节点移动到监测区域边缘时能自动随机转换移动方向；
S2：通信范围内的未知节点比较同时接收到的所述第一移动锚节点和所述第二移动锚节点广播的信号强度，并记录下所述第一移动锚节点信号最弱时和最强时的坐标信息，并对同一时刻所述第一移动锚节点和所述第二移动锚节点的信号强度进行比较，得到一第一比较结果；所述得到一第一比较结果具体操作为：
若所述未知节点在同一时刻收到的所述第二移动锚节点的信号强度大于所述第一移动锚节点的信号强度，则所述第一比较结果的值为1；
若所述未知节点在同一时刻收到的所述第二移动锚节点的信号强度小于或等于所述第一移动锚节点的信号强度，则所述第一比较结果的值为0；
S3：所述未知节点根据接收到的所述第一移动锚节点信号最弱和最强时的坐标信息，得到一条高低弦，记录所述高低弦的方向信息，并计算得到通过该弦的两个圆心的坐标O和O’；
S4：所述未知节点通过判断圆心坐标O与所述高低弦的位置关系，并结合所述第一比较结果，以及所述高低弦的方向信息，最终选择O或者O’作为该未知节点的定位结果。
所述记录下所述第一移动锚节点信号最弱时和最强时的坐标信息的步骤进一步包括：
将所述未知节点初次收到所述第一移动锚节点广播的二维坐标信息，记为FstBcn，所述FstBcn为所述第一移动锚节点信号最弱时的坐标，并开始准备记录所述第一移动锚节点广播信号强度最强时的坐标信息；
当所述未知节点监测到所述第一移动锚节点广播信号强度开始减小时，则所述未知节点记录上一次接收的所述第一移动锚节点广播信号的二维坐标信息，记为MidBcn，所述MidBcn即为所述第一移动锚节点信号最强时的坐标；
若所述未知节点在判断所述第一移动锚节点广播信号强度最强的过程中，所述未知节点收到的所述第一移动锚节点广播信息的时间间隔超过所述第一移动锚节点的广播周期，则所述未知节点将抛弃掉所记录的所述FstBcn，并重复步骤S2。
所述未知节点根据接收到的所述第一移动锚节点信号最弱和最强时的坐标信息，得到一条高低弦，记录所述高低弦的方向信息的具体步骤包括：
由于所述FstBcn相当于以所述未知节点为圆心且通信距离半径为R的圆上的一点，则MidBcn即为该圆上唯一一条经过FstBcn和MidBcn两点的弦的中点，根据公式SecBcn＝2×MidBcn-FstBcn，得到圆上该弦的另一点SecBcn的坐标；
若所述SecBcn的纵坐标的数值大于所述FstBcn的纵坐标的数值，则将所述FstBcn记录为高低弦的低点P1点，所述SecBcn记录为高低弦的高点P2点，记录高低弦的方向信息Dir的值为1；
若所述SecBcn的纵坐标的数值小于所述FstBcn的纵坐标的数值，则将所述FstBcn记录为高低弦的高点P2点，所述SecBcn记录为高低弦的低点P1点，记录所述高低弦的方向信息Dir的值为-1；
若所述SecBcn的纵坐标的数值等于所述FstBcn的纵坐标，则表示该弦水平，记录所述高低弦的方向信息Dir的值为0。
所述计算得到通过该弦的两个圆心的坐标O和O’的步骤如下：
根据所述FstBcn和所述SecBcn两点的坐标值，计算出同时经过所述FstBcn和SecBcn两点的半径为r的圆心坐标(Ox,Oy)和(O’x,O’y)，计算方法如下：
Ox＝(x1+x2)/2+sqrt(r2-(q/2)2)×(y1-y2)/sqrt((x2-x1)2+(y2-y1)2)
Oy＝(y1+y2)/2+sqrt(r2-(q/2)2)×(x2-x1)/sqrt((x2-x1)2+(y2-y1)2)
O'x＝(x1+x2)/2-sqrt(r2-(q/2)2)×(y1-y2)/sqrt((x2-x1)2+(y2-y1)2)
O'y＝(y1+y2)/2-sqrt(r2-(q/2)2)×(x2-x1)/sqrt((x2-x1)2+(y2-y1)2)
其中，(x1,y1)为所述FstBcn的坐标，(x2,y2)为所述SecBcn的坐标。
所述判断圆心坐标O与所述高低弦的位置关系的具体方法包括：
Side0＝(P1y-P2y)(Ox-P1x)+(P2x-P1x)(Oy-P1y)
其中，(P1x,P1y)和(P2x,P2y)分别代表高低弦的起点坐标和终点坐标，(Ox,Oy)代表圆心O的坐标，Side0代表圆心坐标O与高低弦的位置关系；
当Side0>0时，表示圆心O位于高低弦的左边；当Side0<0时，表示圆心O位于高低弦的右边；当Side0＝0时，表示圆心O位于高低弦上。
未知节点通过判断圆心坐标O与所述高低弦的位置关系，并结合所述第一比较结果，以及所述高低弦的方向信息，最终选择O或者O’作为该未知节点的定位结果。
本发明通过使用双移动锚节点的方法，实现了在传感器节点定位过程中，仅需要接收有限的定位广播消息，即利用通信圆上的一条弦和比较两个移动锚节点的广播信号强度结果，完成传感器节点的精确定位。和传统定位方法相比，该方法具有定位过程能量开销小，定位精度高的优点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的双移动锚节点的工作模式；
图2为本发明实施例提供的无线传感器网络节点定位的流程图；
图3为本发明实施例提供的无线传感器网络节点定位的具体流程图；
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
基于移动锚节点的无线传感器网络定位方法首先要求移动锚节点在监测区域内匀速直线运动，当移动到监测区域边缘时能自动随机转换移动方向。其次，要求移动过程中，移动锚节点能以固定周期时间间隔广播其当前所在的位置信息。现有技术往往通过获得未知节点通信范围圆上的两条非平行弦，经过计算获得该圆的圆心坐标，即未知节点的坐标。但是，由于该两条非平行弦的获得来自于移动锚节点广播的位置信息，同时，未知节点在定位过程中的能量消耗主要取决于接收到的广播信息的数量，因此，已有定位方案中往往存在未知节点在定位过程中能量开销过大的缺点。
为克服现有技术中传感器节点定位方案的缺陷，本发明采用双移动锚节点的定位方式，即两个移动锚节点并行的在监测区域内匀速同向直线移动。其中一个装备有GPS等位置获取设备的移动锚节点称之为AN(Arch Node)，另一个仅广播定位参考信息的移动锚节点称之为RN(Reference Node)。在本实施例中，RN始终在移动方向上位于AN的左边移动，如图1所示。
图2给出了本发明第一实施例的流程图。
S1：两个移动锚节点AN和RN在传感区域内并行随机直线移动，AN和RN周期性的同时广播，其中，AN广播位置坐标信息，RN广播参考信息；
S2：通信范围内的未知节点比较同时接受到的AN和RN广播的信号强度，并记录下AN信号最弱时和最强时的坐标信息，以及记录同一时刻AN和RN的信号强度比较结果RgtA；
S3：未知节点根据AN信号最弱和最强时的坐标信息，得到一条高低弦P1P2，记录该弦的方向信息Dir，并计算得到通过该弦的两个圆心的坐标O和O’；
S4：未知节点判断圆心坐标O与该高低弦P1P2的位置关系，并结合AN和RN信号强弱比较结果RgtA，以及高低弦的方向信息，最终选择O或者O’作为该未知节点的定位结果。
图3给出了本发明一第二实施例的无线传感器网络节点定位的具体流程图。
A1:未知定位节点初始化；
A2:判断是否收到AN的广播信息，若收到信息，执行步骤A3，否则执行步骤A1；
A3:判断当前是否是第一次收到AN的广播信息，是则执行步骤A4，否则执行步骤A7；
A4:记录此时AN广播的坐标信息为FstBcn；
A5:再次接收AN广播的坐标信息，并暂存于节点中；
A6:判断两次接收的AN广播的时间间隔是否过长，若超过规定广播时间间隔，则执行步骤A1；若未超过规定允许时间间隔，则执行步骤A3；
A7:判断AN接收到的信号强度是否开始衰减，若未开始衰减，则执行步骤A5；若开始衰减，则执行步骤A8；
A8:记录前一次收到的AN广播的坐标信息为MidBcn；
A9:比较同时收到的AN广播信号强度和RN广播信号强度；
A10:若未知节点同一时刻收到的RN信号强度大于AN信号强度，则记录RgtA的值为1；若未知节点同一时刻收到的RN信号强度小于或等于AN信号强度，则记录RgtA的值为0；
A11:根据公式SecBcn＝2×MidBcn-FstBcn，得到SecBcn的坐标内容。
A12:比较SecBcn的纵坐标的数值与FstBcn的纵坐标的数值。
A13:若SecBcn的纵坐标的数值大于FstBcn的纵坐标，则将FstBcn记录为高低弦的P1点，SecBcn记录为高低弦的P2点；若SecBcn的纵坐标的数值小于FstBcn的纵坐标，则将FstBcn记录为高低弦的P2点，SecBcn记录为高低弦的P1点；若SecBcn的纵坐标的数值等于FstBcn的纵坐标，则表示高低弦水平；
A14:若SecBcn的纵坐标的数值大于FstBcn的纵坐标，则记录Dir的值为1；若SecBcn的纵坐标的数值小于FstBcn的纵坐标，则记录Dir的值为-1；若SecBcn的纵坐标的数值等于FstBcn的纵坐标，则记录Dir的值为0。
A15:根据所述FstBcn和所述SecBcn两点的坐标值，计算出同时经过所述FstBcn和SecBcn两点的半径为r的圆心坐标(Ox,Oy)和(O’x,O’y)，计算方法如下：
Ox＝(x1+x2)/2+sqrt(r2-(q/2)2)×(y1-y2)/sqrt((x2-x1)2+(y2-y1)2)
Oy＝(y1+y2)/2+sqrt(r2-(q/2)2)×(x2-x1)/sqrt((x2-x1)2+(y2-y1)2)
O'x＝(x1+x2)/2-sqrt(r2-(q/2)2)×(y1-y2)/sqrt((x2-x1)2+(y2-y1)2)
O'y＝(y1+y2)/2-sqrt(r2-(q/2)2)×(x2-x1)/sqrt((x2-x1)2+(y2-y1)2)
其中，(x1,y1)为所述FstBcn的坐标，(x2,y2)为所述SecBcn的坐标；
A16:若步骤A15的计算中有解，即存在同时经过FstBcn和SecBcn两点，且半径为r的圆，则执行步骤A17；否则执行A1。
A17：根据圆心0的坐标值和高低弦的起点坐标和终点坐标，计算圆心坐标O与高低弦的位置关系Side0，其计算过程如下：
Side0＝(P1y-P2y)(Ox-P1x)+(P2x-P1x)(Oy-P1y)
其中，(P1x,P1y)和(P2x,P2y)分别代表高低弦的起点坐标和终点坐标，(Ox,Oy)代表圆心O的坐标。
当Side0>0时，表示圆心O位于高低弦的左边；当Side0<0时，表示圆心O位于高低弦的右边；当Side0＝0时，表示圆心O位于高低弦上。
A18：最后，根据Dir、RgtA、Sideo的值，选择出未知节点的定位结果坐标，其选择过程如1和表2所示。
表1：Dir≠0时的定位选择
表2：Dir＝0时的定位选择
本发明通过使用双移动锚节点的方法，实现了在传感器节点定位过程中，仅需要接收有限的定位广播消息，即利用通信圆上的一条弦和比较两个移动锚节点的广播信号强度结果，完成传感器节点的精确定位。和传统定位方法相比，该方法具有定位过程能量开销小，定位精度高的优点。

Claims (5)

1.一种无线传感器网络节点定位方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
S1：设置两个移动锚节点，所述两个移动锚节点在传感区域内并行随机匀速直线移动，所述两个移动锚节点周期性的同时广播，其中，第一移动锚节点广播其当前的位置坐标信息，第二移动锚节点广播定位参考信息；所述第一移动锚节点装备有GPS，所述第二移动锚节点仅广播定位参考信息，所述第二移动锚节点始终在所述第一移动锚节点左边移动；当所述第一移动锚节点和所述第二移动锚节点移动到监测区域边缘时能自动随机转换移动方向；
S2：通信范围内的未知节点比较同时接收到的所述第一移动锚节点和所述第二移动锚节点广播的信号强度，并记录下所述第一移动锚节点信号最弱时和最强时的坐标信息，并对同一时刻所述第一移动锚节点和所述第二移动锚节点的信号强度进行比较，得到一第一比较结果；所述得到一第一比较结果具体操作为：
若所述未知节点在同一时刻收到的所述第二移动锚节点的信号强度大于所述第一移动锚节点的信号强度，则所述第一比较结果的值为1；
若所述未知节点在同一时刻收到的所述第二移动锚节点的信号强度小于或等于所述第一移动锚节点的信号强度，则所述第一比较结果的值为0；
S3：所述未知节点根据接收到的所述第一移动锚节点信号最弱和最强时的坐标信息，得到一条高低弦，记录所述高低弦的方向信息，并计算得到通过该弦的两个圆心的坐标O和O’；
S4：所述未知节点通过判断圆心坐标O与所述高低弦的位置关系，并结合所述第一比较结果，以及所述高低弦的方向信息，最终选择O或者O’作为该未知节点的定位结果。
2.如权利要求1所述的无线传感器网络节点定位方法，其特征在于：所述记录下所述第一移动锚节点信号最弱时和最强时的坐标信息的步骤如下：
将所述未知节点初次收到所述第一移动锚节点广播的二维坐标信息，记为FstBcn，所述FstBcn为所述第一移动锚节点信号最弱时的坐标，并开始准备记录所述第一移动锚节点广播信号强度最强时的坐标信息；
当所述未知节点监测到所述第一移动锚节点广播信号强度开始减小时，则所述未知节点记录上一次接收的所述第一移动锚节点广播信号的二维坐标信息，记为MidBcn，所述MidBcn即为所述第一移动锚节点信号最强时的坐标；
若所述未知节点在判断所述第一移动锚节点广播信号强度最强的过程中，所述未知节点收到的所述第一移动锚节点广播信息的时间间隔超过所述第一移动锚节点的广播周期，则所述未知节点将抛弃掉所记录的所述FstBcn，并重复步骤S2。
3.如权利要求2所述的无线传感器网络节点定位方法，其特征在于：所述未知节点根据接收到的所述第一移动锚节点信号最弱和最强时的坐标信息，得到一条高低弦，记录所述高低弦的方向信息的具体步骤包括：
由于所述FstBcn相当于以所述未知节点为圆心且通信距离半径为R的圆上的一点，则MidBcn即为该圆上唯一一条经过FstBcn和MidBcn两点的弦的中点，根据公式SecBcn＝2×MidBcn-FstBcn，得到圆上该弦的另一点SecBcn的坐标；
若所述SecBcn的纵坐标的数值大于所述FstBcn的纵坐标的数值，则将所述FstBcn记录为高低弦的低点P1点，所述SecBcn记录为高低弦的高点P2点，记录高低弦的方向信息Dir的值为1；
若所述SecBcn的纵坐标的数值小于所述FstBcn的纵坐标的数值，则将所述FstBcn记录为高低弦的高点P2点，所述SecBcn记录为高低弦的低点P1点，记录所述高低弦的方向信息Dir的值为-1；
若所述SecBcn的纵坐标的数值等于所述FstBcn的纵坐标，则表示该弦水平，记录所述高低弦的方向信息Dir的值为0。
4.如权利要求3所述的无线传感器网络节点定位方法，其特征在于：所述计算得到通过该弦的两个圆心的坐标O和O’的步骤如下：
根据所述FstBcn和所述SecBcn两点的坐标值，计算出同时经过所述FstBcn和SecBcn两点的半径为r的圆心坐标(Ox,Oy)和(O’x,O’y)，计算方法如下：
Ox＝(x1+x2)/2+sqrt(r2-(q/2)2)×(y1-y2)/sqrt((x2-x1)2+(y2-y1)2)
Oy＝(y1+y2)/2+sqrt(r2-(q/2)2)×(x2-x1)/sqrt((x2-x1)2+(y2-y1)2)
O'x＝(x1+x2)/2-sqrt(r2-(q/2)2)×(y1-y2)/sqrt((x2-x1)2+(y2-y1)2)
O'y＝(y1+y2)/2-sqrt(r2-(q/2)2)×(x2-x1)/sqrt((x2-x1)2+(y2-y1)2)
其中，(x1,y1)为所述FstBcn的坐标，(x2,y2)为所述SecBcn的坐标。
5.如权利要求3所述的无线传感器网络节点定位方法，其特征在于：所述判断圆心坐标O与所述高低弦的位置关系的具体方法包括：
Side0＝(P1y-P2y)(Ox-P1x)+(P2x-P1x)(Oy-P1y)
其中，(P1x,P1y)和(P2x,P2y)分别代表高低弦的起点坐标和终点坐标，(Ox,Oy)代表圆心O的坐标，Side0代表圆心坐标O与高低弦的位置关系；
当Side0>0时，表示圆心O位于高低弦的左边；当Side0<0时，表示圆心O位于高低弦的右边；当Side0＝0时，表示圆心O位于高低弦上。
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CN113382377A (zh) * 2021-06-03 2021-09-10 山东科技大学 面向无线传感器网络定位的双移动锚节点路径规划方法

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