CN107087258B - 一种用于无线传感器网络的定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于无线传感器网络的定位方法。本发明的方法主要包括：移动节点发出只有一跳的定位请求帧到与其相邻的固定节点；固定节点接收定位请求帧并获取移动节点短地址作为目的地址，并向移动节点发送一跳的响应定位帧；移动节点接收到定位响应帧后，对移动节点进行定位，将定位坐标发送到汇聚节点，并由汇聚节点将结果发送到计算机设备。本发明的有益效果是：相对于传统方法，本发明的方法具有较低的算法复杂度和较高的定位精度。

Description

一种用于无线传感器网络的定位方法

技术领域

本发明涉及一种用于无线传感器网络的定位方法。

背景技术

无线传感器网络应用越来越广泛，特别是定位技术，在车联网中的车辆定位、煤矿井下人员定位、变电站作业人员跟踪定位、家庭人员定位、养老院人员定位、医院人员定位等。目前无线传感器网络中的定位方法很多，比如质心定位法、三边定位法、极大似然估计法等。质心定位算法简单，误差却很大，一般难以满足应用的需求，三边定位算法在距离测算精确的情况下，效果很好，但对于基于RSSI(Received Signal Strength IndicatiNn接收的信号强度指示)的测距方法，实际测距误差很大，远远不能满足三边定位算法的精度，而且三边定位算法相对质心定位算法复杂，极大似然估计定位方法与三边定位算法类似，需要利用RSSI测距，而且计算复杂度较高。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提出一种用于无线传感器网络的定位方法。

本发明的技术方案是：

一种用于无线传感器网络的定位方法，其特征在于，如图1所示，包括以下步骤：

S1、移动节点通过MAC帧发起定位请求：移动节点发出只有一跳的定位请求帧到与其相邻的固定节点；

S2、固定节点接收定位请求帧：固定节点接收到定位请求帧后，判断该定位请求帧是否被重复接收，若是，则丢弃该帧；若否，则固定节点将获取移动节点短地址作为目的地址，并向移动节点发送一跳的响应定位帧；

S3、移动节点定位：移动节点接收到定位响应帧后，通过如下方法对移动节点进行定位，如图2所示：

S31、移动节点判断是否在预设的时间内接收到定位响应帧，若是，则进入步骤S32；若否，则回到步骤S1；

S32、移动节点判断是否已经接收到超过3个固定节点的定位响应帧，若是，则选择3个接收信号强度指示最好的固定节点，固定节点到移动节点的距离根据接收信号强度指示符获得，将固定节点相对于移动节点的位置表示为以移动节点为中心、移动节点到固定节点的距离的2倍为边长的正方形，将正方形置于平面直角坐标系中，则选择的3个固定节点采用如下向量表示：

N₁＝(X₁₁，X₁₂，Y₁₁,Y₁₂)；

N₂＝(X₂₁，X₂₂，Y₂₁,Y₂₂)；

N₃＝(X₃₁，X₃₂，Y₃₁,Y₃₂)；

其中，N_i表示固定节点位置，X_i1表示正方形在X轴上的左边界，X_i2表示正方形在X轴上的右边界，Y_i1表示正方形在Y轴上的下边界，Y_i2表示正方形在Y轴上的上边界，下标i表示固定节点的序号；

获得3个固定节点的位置坐标向量后进入步骤S33；若否，则判断是否只接收到3个固定节点的定位响应帧，若是，则采用上述方法获得3个固定节点的位置坐标向量并进入步骤S33；若否，则判断是否接收到2个固定节点的定位响应帧，若是，则采用上述方法获得2个固定节点的位置坐标向量：

N₁＝(X₁₁，X₁₂，Y₁₁,Y₁₂)；

N₂＝(X₂₁，X₂₂，Y₂₁,Y₂₂)；

并进入步骤S34，若否，则采用上述方法获得1个固定节点的位置坐标向量：

N₁＝(X₁₁，X₁₂，Y₁₁,Y₁₂)；

并进入步骤S35；

S33、通过如下公式获得移动节点的位置坐标向量：

X₀₀＝Max{Min{X₁₁，X₁₂}，Min{X₂₁，X₂₂}，Min{X₃₁，X₃₂}}；

X₀₁＝Min{Max{X₁₁，X₁₂}，Max{X₂₁，X₂₂}，Max{X₃₁，X₃₂}}；

Y₀₀＝Max{Min{Y₁₁，Y₁₂}，Min{Y₂₁，Y₂₂}，Min{Y₃₁，Y₃₂}}；

Y₀₁＝Min{Max {Y₁₁，Y₁₂}，Max{Y₂₁，Y₂₂}，Max{Y₃₁，Y₃₂}}；

X₀₀，X₀₁，Y₀₀，Y₀₁，为3个固定节点所形成正方形的重叠区域向量坐标；

则获得移动节点的坐标(X₀，Y₀)如下：

X₀＝(X₀₀+X₀₁)/2；

Y₀＝(Y₀₀+Y₀₁)/2；

进入步骤S4；

S34、通过如下公式获得移动节点的位置坐标向量：

X₀₀＝Max{Min{X₁₁，X₁₂}，Min{X₂₁，X₂₂}}；

X₀₁＝Min{Max{X₁₁，X₁₂}，Max{X₂₁，X₂₂}}；

Y₀₀＝Max{Min{Y₁₁，Y₁₂}，Min{Y₂₁，Y₂₂}}；

Y₀₁＝Min{Max{Y₁₁，Y₁₂}，Max{Y₂₁，Y₂₂}}；

X₀₀，X₀₁，Y₀₀，Y₀₁，为2个固定节点所形成正方形的重叠区域向量坐标；

则获得移动节点的坐标(X₀，Y₀)如下：

X₀＝(X₀₀+X₀₁)/2；

Y₀＝(Y₀₀+Y₀₁)/2；

进入步骤S4；

S35、获得移动节点的坐标(X₀，Y₀)如下：

X₀＝(X₁₁+X₁₂)/2；

Y₀＝(Y₁₁+Y₁₂)/2；

S4、将步骤S3中获得的定位坐标发送到汇聚节点，并由汇聚节点将结果发送到计算机设备。

本发明的有益效果是：相对于传统方法，本发明的方法具有较低的算法复杂度和较高的定位精度。

附图说明

图1为本发明定位方法的逻辑示意图；

图2为本发明中对移动节点定位的流程示意图；

图3为移动节点在多个固定节点中的位置示意图；

图4为移动节点和固定节点形成的正方形示意图；

图5为移动节点在多个固定节点中的位置坐标示意图。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的技术方案。

在本发明的技术方案中，使用虚拟坐标来定义固定节点的位置。作为二维平面定位算法，通常至少需要三个固定节点来建立移动节点的位置，如图3所示，为本发明采用的RILL定位算法的模型。圆圈表示固定节点，三角形表示移动节点的实际位置，五角星代表使用本发明的RILL定位算法的移动节点的定位结果。在图3中，可以看到有三个固定节点和一个移动节点。假设三个固定节点N₁，N₂和N₃的位置坐标分别由(X₁，Y₁)，(X₂，Y₂)和(X₃， Y₃)表示。

当移动节点接收到来自三个固定节点的位置信息时，移动节点可以经由接收到的信号强度指示符(RSSI)来估计位置信息的发送者与其自身之间的距离。采用d₁，d₂和d₃来表示三个固定节点和移动节点之间的距离估计的结果。例如，当移动节点从固定节点N₂接收到位置信息分组时，它将首先估计N₂与其本身之间的距离d₂。一旦获得距离d₂，移动节点可以利用固定节点N₂的位置信息(X₂，Y₂)以及距离d₂来获得正方形。正方形的中心是N₂的位置坐标，正方形的边长是d₂的两倍。当移动节点接收到三个固定节点的所有位置信息时，移动节点应该能够得到三个正方形具有共同重叠区域的结果。在图3中，阴影区域表示重叠部分。可以看到移动节点实际上处于重叠区域。

如图4所示，可以看到正方形可以由四个数据(X_i1，X_i2，Y_i1，Y_i2)表示，其中X_i1是X轴上的正方形的左边界，X_i2是X轴上正方形的右边界。类似地，Y_i1是Y轴上的正方形的下边界，Y_i2是Y轴上的正方形的上边界。假设固定节点N_i的坐标为(X_i，Y_i)，固定节点N_i和移动节点之间的距离为d_i，可以使用下面的公式(1)计算(X_i1，X_i2，Y_i1，Y_i2)：

令V_i＝(X_i1,X_i2,Y_i1,Y_i2)，则该正方形可以表示为一个向量形式，可以获得该虚拟坐标中固定节点的所有向量。当移动节点接收到三个固定节点的位置信息时，可以得到如图5所示的结果。

在图3中，令V₁＝(X₁₁，X₁₂，Y₁₁，Y₁₂)，V₂＝(X₂₁，X₂₂，Y₂₁，Y₂₂)和V₃＝(X₃₁， X₃₂，Y₃₁，Y₃₂)。通过图4，很容易得到重叠区域的矢量表示。令V₀＝(X₀₀，X₀₁，Y₀₀，Y₀₁) 来表示重叠区域。得到图4中V₀＝(X₃₁，X₂₂，Y₁₁，Y₂₂)的重叠区域的矢量表示是很容易的。实际上，重叠区域的左边界是三个正方形的最大左边界，重叠区域的右边界是三个正方形的最小右边界。类似地，重叠区域的下边界是三个正方形的最大下边界，并且重叠区域的顶边界是三个正方形的最小上边界。可以使用公式(2)来计算重叠区域的向量表示：

当利用公式(3)建立重叠区域的向量表示法后，则可以确定移动节点的区域范围。可以知道移动节点必须位于重叠区域。在讨论其他情况之前，首先介绍如何在虚拟坐标系中获取移动节点的最终位置。无线传感器网络中的节点具有一些特征，例如有限的计算能力，有限的存储容量以及有限的能量。为了简化算法的复杂度，使用重叠区域的质心来表示移动节点的最终位置。计算过程如公式(3)所示。可以通过这个公式来估计移动节点(X₀，Y₀)的位置：

与传统的其他方法相比，本发明的方法具有较低的算法复杂度。在原理上RILL类似于三边定位算法。然而，三边定位算法的复杂度为O(n³)。三边定位算法需要进行矩阵求逆，这是非常复杂的。RILL的复杂度为O(n)，它可以在移动传感器节点上运行。由于较高的算法复杂度，一些定位算法难以在移动节点上运行，这增加了链路负载和能量消耗。虽然质心定位算法的复杂度与RILL的顺序相同，但是与RILL相比，质心定位算法的精度更差。

在本发明采用的在RILL定位算法中，使用MAC数据帧发送定位请求和响应。在定位请求帧中，使用1个字节来定义定位请求帧的序列号，用于判断请求帧是否被重复接收。此外，使用1个字节来定义帧的类型，用于区分定位帧和数据帧。定位响应帧中的序列号用于识别移动节点的相应请求帧。帧的类型用于区分定位帧与数据帧。本发明使用8个字节将固定节点的虚拟坐标传送到移动节点进行定位，可以在MAC头的地址字段中获取所有地址消息。此外，当接收到响应帧时，可以经由寄存器获得RSSI。

Claims (1)

1.一种用于无线传感器网络的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、移动节点通过MAC帧发起定位请求：移动节点发出只有一跳的定位请求帧到与其相邻的固定节点；

S2、固定节点接收定位请求帧：固定节点接收到定位请求帧后，判断该定位请求帧是否被重复接收，若是，则丢弃该帧；若否，则固定节点将获取移动节点短地址作为目的地址，并向移动节点发送一跳的响应定位帧；

S3、移动节点定位：移动节点接收到定位响应帧后，通过如下方法对移动节点进行定位：

S31、移动节点判断是否在预设的时间内接收到定位响应帧，若是，则进入步骤S32；若否，则回到步骤S1；

S32、移动节点判断是否已经接收到超过3个固定节点的定位响应帧，若是，则选择3个接收信号强度指示最好的固定节点，固定节点到移动节点的距离根据接收信号强度指示符获得，将固定节点相对于移动节点的位置表示为以移动节点为中心、移动节点到固定节点的距离的2倍为边长的正方形，将正方形置于平面直角坐标系中，则选择的3个固定节点采用如下向量表示：

N₁＝(X₁₁，X₁₂，Y₁₁,Y₁₂)；

N₂＝(X₂₁，X₂₂，Y₂₁,Y₂₂)；

N₃＝(X₃₁，X₃₂，Y₃₁,Y₃₂)；

其中，N_i表示固定节点位置，X_i1表示正方形在X轴上的左边界，X_i2表示正方形在X轴上的右边界，Y_i1表示正方形在Y轴上的下边界，Y_i2表示正方形在Y轴上的上边界，下标i表示固定节点的序号；

获得3个固定节点的位置坐标向量后进入步骤S33；若否，则判断是否只接收到3个固定节点的定位响应帧，若是，则采用上述方法获得3个固定节点的位置坐标向量并进入步骤S33；若否，则判断是否接收到2个固定节点的定位响应帧，若是，则采用上述方法获得2个固定节点的位置坐标向量：

N₁＝(X₁₁，X₁₂，Y₁₁,Y₁₂)；

N₂＝(X₂₁，X₂₂，Y₂₁,Y₂₂)；

并进入步骤S34，若否，则采用上述方法获得1个固定节点的位置坐标向量：

N₁＝(X₁₁，X₁₂，Y₁₁,Y₁₂)；

并进入步骤S35；

S33、通过如下公式获得移动节点的位置坐标向量：

X₀₀＝Max{Min{X₁₁，X₁₂}，Min{X₂₁，X₂₂}，Min{X₃₁，X₃₂}}；

X₀₁＝Min{Max{X₁₁，X₁₂}，MaxX₂₁，X₂₂}，Max{X₃₁，X₃₂}}；

Y₀₀＝Max{Min{Y₁₁，Y₁₂}，Min{Y₂₁，Y₂₂}，Min{Y₃₁，Y₃₂}}；

Y₀₁＝Min{Max{Y₁₁，Y₁₂}，Max{Y₂₁，Y₂₂}，Max{Y₃₁，Y₃₂}}；

X₀₀，X₀₁，Y₀₀，Y₀₁，为3个固定节点所形成正方形的重叠区域向量坐标；

则获得移动节点的坐标(X₀，Y₀)如下：

X₀＝(X₀₀+X₀₁)/2；

Y₀＝(Y₀₀+Y₀₁)/2；

进入步骤S4；

S34、通过如下公式获得移动节点的位置坐标向量：

X₀₀＝Max{Min{X₁₁，X₁₂}，Min{X₂₁，X₂₂}}；

X₀₁＝Min{Max{X₁₁，X₁₂}，Max{X₂₁，X₂₂}}；

Y₀₀＝Max{Min{Y₁₁，Y₁₂}，Min{Y₂₁，Y₂₂}}；

Y₀₁＝Min{Max{Y₁₁，Y₁₂}，Max{Y₂₁，Y₂₂}}；

X₀₀，X₀₁，Y₀₀，Y₀₁，为2个固定节点所形成正方形的重叠区域向量坐标；

则获得移动节点的坐标(X₀，Y₀)如下：

X₀＝(X₀₀+X₀₁)/2；

Y₀＝(Y₀₀+Y₀₁)/2；

进入步骤S4；

S35、获得移动节点的坐标(X₀，Y₀)如下：

X₀＝(X₁₁+X₁₂)/2；

Y₀＝(Y₁₁+Y₁₂)/2；

S4、将步骤S3中获得的定位坐标发送到汇聚节点，并由汇聚节点将结果发送到计算机设备。

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