CN108650620A - 一种传感器网络的节点定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传感器网络的节点定位方法及系统。该方法在边界盒算法的基础上，利用锚节点的圆形通信范围边缘之间的交点以及圆形通信范围与边界盒的切点进一步缩小待定位节点所处的区域的大小，然后利用附近的其他待定位节点对待定位节点所处的区域进行第二次缩小。采用本发明的方法或系统能够提高定位精度。

Description

一种传感器网络的节点定位方法及系统

技术领域

本发明涉及传感器网络技术领域，特别是涉及一种传感器网络的节点定位方法及系统。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)是一种由许多微型传感器组成的多跳、自组织的网络系统。节点被布置于用户感兴趣的区域，对该区域进行信息采集，并将数据以无线方式发回给用户。在WSN中，位置信息对WSN的监测活动至关重要，事件发生的位置或获取信息的节点位置是传感器节点监测消息中所必须包含的重要信息，因为没有位置信息的监测消息往往毫无意义。因此，确定事件发生的位置或确定获取消息的节点位置是WSN最基本的功能之一，对WSN应用的有效性起着关键的作用。当前，位置信息的准确定位的方法很多，可以通过全球定位系统GPS实现定位；但其用户节点通常能耗高、体积大，成本较高，还需要固定的基础设施。因此，在GPS应用受限的情况下，解决定位问题的方法逐渐向利用体积小、能量消耗低、价格低廉的无线传感器网络本身实现定位进行转变。典型的无线传感器网络定位技术，有基于接收信号强度指示(Received Signal StrengthIndication，RSSI)、基于到达时间(Time ofArrival，TOA)、基于到达时间差(TimeDifference ofArrival TDOA)、基于到达角度(Angle ofArrival，AOA)等方法。

基于RSSI的定位方法是根据接收到的信号强弱，由信号传播衰减模型来测算信号点到接收点的距离。在WSNs定位中，基于RSSI的定位方法主要使用射频(Radio Frequency，RF)信号。然而基于射频信号的定位方法多需要额外硬件设备支持。

基于TOA的定位方法根据无线信号的传播速度和信号在两个节点之间传播的时间来测定信号点到接收点的距离。在WSNs定位中，基于TOA的定位方法测量精度较高，但要求传感器发射节点和接收节点之间的时间严格同步，因此对传感器节点的硬件结构、功耗、成本等都提出了较高的要求，通常还需要额外增加设备。

基于TDOA的定位方法是根据两种不同传播速度的无线信号在发射节点和接收节点之间的传播时间差来测定信号点到接收点的距离。两种不同传播速度的信号一般采用射频信号和超声波信号。通常，基于TDOA的定位方法的测距精度高于基于TOA的定位方法的测距精度，然而射频信号和超声波信号的产生、接收依然需要额外的硬件支持。

基于AOA的定位方法是利用阵列天线或多个超声波接收器感知信号到达的方向，通过发送点和接收点之间的角度来测定信号点到接收点的距离。除了距离信息，基于AOA的定位方法还能提供节点之间的方位信息。但基于AOA的定位方法由于采用了阵列天线或超声波接收器等设备，因此同样需要增加额外硬件。

上述方法均需要增加额外的硬件设备，使成本提高。为了避免硬件设备的使用，人们研究了基于边界盒(Bounding-box)算法的定位方法，基于边界盒算法的定位方法的核心思想是：待定位节点的通信范围内会有一些锚节点，通过这些锚节点的位置和通信半径能知道自己大致所在的区域。目前，大多定位算法都是利用通信范围内锚节点的位置信息实现自身定位。通过研究发现通信范围内的其他待定位节点的信息对于进一步缩小自己所在区域有较明显的作用，利用这些待定位节点的信息可以实现二次定位。然而基于边界盒算法的定位方法所确定的待定位节点的区域较大，在实际测量定位中，基于边界盒算法的定位方法的定位精度不高。

发明内容

基于此，有必要提供一种在不增加额外硬件的情况下提高定位精度的传感器网络的节点定位方法及系统。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种传感器网络的节点定位方法，包括：

获取所述待定位节点通信范围内的锚节点发送的位置信息和通信距离；

在所述待定位节点通信范围内筛选两个锚节点，分别以锚节点的位置为圆心，以对应的锚节点的通信距离为半径确定两个锚节点的圆形通信范围；

利用边界盒算法计算两个圆形通信范围的矩形重叠区域；

将两个所述圆形通信范围的边缘相交的两个交点，以及两个所述圆形通信范围之间的重叠区域与所述矩形重叠区域之间相切的两个切点，按位置依次相连得到四边形区域；

计算所述四边形区域的质心，得到待定位节点的初步位置；

向周围发送广播信号，判断是否接收到所述待定位节点通信范围内的邻居待定位节点发送的所述邻居待定位节点的邻居四边形区域信息和通信距离，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果为否，则确定所述初步位置的坐标为所述待定位节点的坐标；

若所述第一判断结果为是，则分别以所述邻居待定位节点的邻居四边形区域的四个顶点为圆心，以所述邻居待定位节点的通信距离为半径画圆，得到四个圆形区域；

计算四个所述圆形区域的边缘所形成的交点中位于所述四边形区域内的圆圆交点的数量；

若位于所述四边形区域内的圆圆交点的数量大于或等于三个，则将位于所述四边形区域内的圆圆交点依次连接成多边形，确定所述多边形的质心坐标为待定位节点的坐标；

若位于所述四边形区域内的圆圆交点的数量小于三个，则确定所述初步位置的坐标为所述待定位节点的坐标。

可选的，所述将两个所述圆形通信范围的边缘相交的两个交点，以及两个所述圆形通信范围之间的重叠区域与所述矩形重叠区域之间相切的两个切点，按位置依次相连得到四边形区域，具体包括：

计算两个圆形通信范围形成的重叠区域的边缘与所述矩形重叠区域的边缘之间的两个相切点，得到第一切点和第二切点；

计算两个圆形通信范围的边缘的两个交点，得到第一交点和第二交点；

将所述第一交点、所述第二交点、所述第一切点和所述第二切点按顺时针或逆时针顺序依次相连得到四边形区域。

本发明还公开一种传感器网络的节点定位系统，包括：

锚节点获取模块，用于获取所述待定位节点通信范围内的锚节点发送的位置信息和通信距离；

锚节点筛选模块，用于在所述待定位节点通信范围内筛选两个锚节点，分别以锚节点的位置为圆心，以对应的锚节点的通信距离为半径确定两个锚节点的圆形通信范围；

边界盒计算模块，用于利用边界盒算法计算两个圆形通信范围的矩形重叠区域；

四边形形成模块，用于将两个所述圆形通信范围的边缘相交的两个交点，以及两个所述圆形通信范围之间的重叠区域与所述矩形重叠区域之间相切的两个切点，按位置依次相连得到四边形区域；

初步定位模块，用于计算所述四边形区域的质心，得到待定位节点的初步位置；

信号接收模块，用于向周围发送广播信号，判断是否接收到所述待定位节点通信范围内的邻居待定位节点发送的所述邻居待定位节点的邻居四边形区域信息和通信距离，得到第一判断结果；

第一定位模块，用于若所述第一判断结果为否，则确定所述初步位置的坐标为所述待定位节点的坐标；

画圆模块，用于若所述第一判断结果为是，则分别以所述邻居待定位节点的邻居四边形区域的四个顶点为圆心，以所述邻居待定位节点的通信距离为半径画圆，得到四个圆形区域；

交点计算模块，用于计算四个所述圆形区域的边缘所形成的交点中位于所述四边形区域内的圆圆交点的数量；

第二定位模块，用于若位于所述四边形区域内的圆圆交点的数量大于或等于三个，则将位于所述四边形区域内的圆圆交点依次连接成多边形，确定所述多边形的质心坐标为待定位节点的坐标；

第三定位模块，用于若位于所述四边形区域内的圆圆交点的数量小于三个，则确定所述初步位置的坐标为所述待定位节点的坐标。

可选的，所述四边形形成模块，具体包括：

切点计算单元，用于计算两个圆形通信范围形成的重叠区域的边缘与所述矩形重叠区域的边缘之间的两个相切点，得到第一切点和第二切点；

交点计算单元，用于计算两个圆形通信范围的边缘的两个交点，得到第一交点和第二交点；

交点连接单元，用于将所述第一交点、所述第二交点、所述第一切点和所述第二切点按顺时针或逆时针顺序依次相连得到四边形区域。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出了一种传感器网络的节点定位系统，在边界盒算法的基础上，利用锚节点的圆形通信范围边缘之间的交点以及圆形通信范围与边界盒的切点进一步缩小待定位节点所处的区域的大小，然后利用附近的其他待定位节点对待定位节点所处的区域进行第二次缩小，大大缩小了待定位节点所处的区域的范围，提高了待测节点的定位精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术的利用边界盒算法实现传感器节点定位的方法的示意图；

图2为本发明传感器网络的节点定位方法实施例的方法流程图；

图3为本发明传感器网络的节点定位方法实施例中确定所述四边形区域的示意图；

图4为本发明传感器网络的节点定位方法实施例中利用其它待定位节点进一步缩小范围的示意图；

图5为本发明传感器网络的节点定位系统实施例的系统结构图。

具体实施方式

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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为现有技术的利用边界盒算法实现传感器节点定位的方法的示意图。

参见图1，O点为待定位节点，A点和B点均为待定位节点通信范围内的锚节点。则以A点为圆心，以A节点的通信范围为半径画圆得到的圆形区域为A节点的通信范围，以B点为圆心，以B节点的通信范围半径画圆得到的圆形区域为B节点的通信范围。边界盒算法的过程为：分别确定圆A和圆B的外切正方形，记为正方形A和正方形B，其中正方形A的一个边与正方形B的一个边平行。则正方形A和正方形B的重叠区域为一个矩形CDEF，该矩形CDEF记为边界盒，即待定位节点的所在区域。然而在实际测量定位中，利用该边界盒算法对传感器节点进行定位的定位精度不高，且能量损耗较大，适用范围有限。

图2为本发明传感器网络的节点定位方法实施例的方法流程图。

一种传感器网络的节点定位方法，包括：

步骤201：获取所述待定位节点通信范围内的锚节点发送的位置信息和通信距离。

步骤202：在所述待定位节点通信范围内筛选两个锚节点，分别以锚节点的位置为圆心，以对应的锚节点的通信距离为半径确定两个锚节点的圆形通信范围。

步骤203：利用边界盒算法计算两个圆形通信范围的矩形重叠区域；

步骤204：将两个所述圆形通信范围的边缘相交的两个交点，以及两个所述圆形通信范围之间的重叠区域与所述矩形重叠区域之间相切的两个切点，按位置依次相连得到四边形区域。

该步骤204具体包括：

计算两个圆形通信范围形成的重叠区域的边缘与所述矩形重叠区域的边缘之间的两个相切点，得到第一切点和第二切点；计算两个圆形通信范围的边缘的两个交点，得到第一交点和第二交点；将所述第一交点、所述第二交点、所述第一切点和所述第二切点按顺时针或逆时针顺序依次相连得到四边形区域。

图3为本发明传感器网络的节点定位方法实施例中确定所述四边形区域的示意图。

参见图3，首先利用边界盒算法计算得到矩形区域CDEF。该矩形区域的四个顶点C、D、E和F中的任意一个均不能是两个圆的交点。然后在矩形区域CDEF的基础上确定矩形区域CDEF分别与两个圆的切点G和H，确定两个圆的交点I和J，将G、H、I和J按顺时针或逆时针的顺序依次相连，得到四边形区域GIHJ。

步骤205：计算所述四边形区域的质心，得到待定位节点的初步位置。可将待定位节点O的坐标确定为四边形区域的质心的坐标。

步骤206：向周围发送广播信号，判断是否接收到所述待定位节点通信范围内的邻居待定位节点发送的所述邻居待定位节点的邻居四边形区域信息和通信距离，得到第一判断结果。

步骤207：若所述第一判断结果为否，则确定所述初步位置的坐标为所述待定位节点的坐标。

步骤208：若所述第一判断结果为是，则分别以所述邻居待定位节点的邻居四边形区域的四个顶点为圆心，以所述邻居待定位节点的通信距离为半径画圆，得到四个圆形区域。

步骤209：计算四个所述圆形区域的边缘所形成的交点中位于所述四边形区域内的圆圆交点的数量。

步骤210：若位于所述四边形区域内的圆圆交点的数量大于或等于三个，则将位于所述四边形区域内的圆圆交点依次连接成多边形，确定所述多边形的质心坐标为待定位节点的坐标。

步骤211：若位于所述四边形区域内的圆圆交点的数量小于三个，则确定所述初步位置的坐标为所述待定位节点的坐标。

图4为本发明传感器网络的节点定位方法实施例中利用其它待定位节点进一步缩小范围的示意图。

参见图4，在得到四边形区域GIHJ后，待定位节点O向通信范围内的其他待定位节点广播边界区域和通信范围信息，当其他待定位节点中的终端节点Q接收到O的边界区域和通信范围信息后，向待定位节点O广播自己的边界区域和通信范围信息。若终端节点Q的边界区域为四边形KLMN，则分别以终端节点Q的边界点K、L、M、N点为圆心，以终端节点Q的通信范围为半径做圆，四个圆在四边形区域GIHJ内相交于R、S、T、U点，则取四边形RSTU的质心的坐标为待定位节点O的坐标。然而，假如在四边形区域GIHJ内不存在四个圆的交点或在四边形区域GIHJ内四个圆的交点数量为1个或2个，则确定四边形GIHJ的质心的坐标作为待定位节点O的坐标。

图5为本发明传感器网络的节点定位系统实施例的系统结构图。

参见图5，该传感器网络的节点定位系统，包括：

锚节点获取模块501，用于获取所述待定位节点通信范围内的锚节点发送的位置信息和通信距离。

锚节点筛选模块502，用于在所述待定位节点通信范围内筛选两个锚节点，分别以锚节点的位置为圆心，以对应的锚节点的通信距离为半径确定两个锚节点的圆形通信范围。

边界盒计算模块503，用于利用边界盒算法计算两个圆形通信范围的矩形重叠区域。

四边形形成模块504，用于将两个所述圆形通信范围的边缘相交的两个交点，以及两个所述圆形通信范围之间的重叠区域与所述矩形重叠区域之间相切的两个切点，按位置依次相连得到四边形区域。

该四边形形成模块504，具体包括：切点计算单元、交点计算单元和交点连接单元。其中，切点计算单元，用于计算两个圆形通信范围形成的重叠区域的边缘与所述矩形重叠区域的边缘之间的两个相切点，得到第一切点和第二切点；交点计算单元，用于计算两个圆形通信范围的边缘的两个交点，得到第一交点和第二交点；交点连接单元，用于将所述第一交点、所述第二交点、所述第一切点和所述第二切点按顺时针或逆时针顺序依次相连得到四边形区域。

初步定位模块505，用于计算所述四边形区域的质心，得到待定位节点的初步位置。

信号接收模块506，用于向周围发送广播信号，判断是否接收到所述待定位节点通信范围内的邻居待定位节点发送的所述邻居待定位节点的邻居四边形区域信息和通信距离，得到第一判断结果。

第一定位模块507，用于若所述第一判断结果为否，则确定所述初步位置的坐标为所述待定位节点的坐标。

画圆模块508，用于若所述第一判断结果为是，则分别以所述邻居待定位节点的邻居四边形区域的四个顶点为圆心，以所述邻居待定位节点的通信距离为半径画圆，得到四个圆形区域。

交点计算模块509，用于计算四个所述圆形区域的边缘所形成的交点中位于所述四边形区域内的圆圆交点的数量。

第二定位模块510，用于若位于所述四边形区域内的圆圆交点的数量大于或等于三个，则将位于所述四边形区域内的圆圆交点依次连接成多边形，确定所述多边形的质心坐标为待定位节点的坐标。

第三定位模块511，用于若位于所述四边形区域内的圆圆交点的数量小于三个，则确定所述初步位置的坐标为所述待定位节点的坐标。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出了一种传感器网络的节点定位系统，在边界盒算法的基础上，利用锚节点的圆形通信范围边缘之间的交点以及圆形通信范围与边界盒的切点进一步缩小待定位节点所处的区域的大小，然后利用附近的其他待定位节点对待定位节点所处的区域进行第二次缩小，大大缩小了待定位节点所处的区域的范围，提高了待测节点的定位精度。

对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种传感器网络的节点定位方法，其特征在于，包括：

获取所述待定位节点通信范围内的锚节点发送的位置信息和通信距离；

在所述待定位节点通信范围内筛选两个锚节点，分别以锚节点的位置为圆心，以对应的锚节点的通信距离为半径确定两个锚节点的圆形通信范围；

利用边界盒算法计算两个圆形通信范围的矩形重叠区域；

将两个所述圆形通信范围的边缘相交的两个交点，以及两个所述圆形通信范围之间的重叠区域与所述矩形重叠区域之间相切的两个切点，按位置依次相连得到四边形区域；

计算所述四边形区域的质心，得到待定位节点的初步位置；

向周围发送广播信号，判断是否接收到所述待定位节点通信范围内的邻居待定位节点发送的所述邻居待定位节点的邻居四边形区域信息和通信距离，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果为否，则确定所述初步位置的坐标为所述待定位节点的坐标；

若所述第一判断结果为是，则分别以所述邻居待定位节点的邻居四边形区域的四个顶点为圆心，以所述邻居待定位节点的通信距离为半径画圆，得到四个圆形区域；

计算四个所述圆形区域的边缘所形成的交点中位于所述四边形区域内的圆圆交点的数量；

若位于所述四边形区域内的圆圆交点的数量大于或等于三个，则将位于所述四边形区域内的圆圆交点依次连接成多边形，确定所述多边形的质心坐标为待定位节点的坐标；

若位于所述四边形区域内的圆圆交点的数量小于三个，则确定所述初步位置的坐标为所述待定位节点的坐标。

2.根据权利要求1所述的一种传感器网络的节点定位方法，其特征在于，所述将两个所述圆形通信范围的边缘相交的两个交点，以及两个所述圆形通信范围之间的重叠区域与所述矩形重叠区域之间相切的两个切点，按位置依次相连得到四边形区域，具体包括：

计算两个圆形通信范围形成的重叠区域的边缘与所述矩形重叠区域的边缘之间的两个相切点，得到第一切点和第二切点；

计算两个圆形通信范围的边缘的两个交点，得到第一交点和第二交点；

将所述第一交点、所述第二交点、所述第一切点和所述第二切点按顺时针或逆时针顺序依次相连得到四边形区域。

3.一种传感器网络的节点定位系统，其特征在于，包括：

锚节点获取模块，用于获取所述待定位节点通信范围内的锚节点发送的位置信息和通信距离；

锚节点筛选模块，用于在所述待定位节点通信范围内筛选两个锚节点，分别以锚节点的位置为圆心，以对应的锚节点的通信距离为半径确定两个锚节点的圆形通信范围；

边界盒计算模块，用于利用边界盒算法计算两个圆形通信范围的矩形重叠区域；

四边形形成模块，用于将两个所述圆形通信范围的边缘相交的两个交点，以及两个所述圆形通信范围之间的重叠区域与所述矩形重叠区域之间相切的两个切点，按位置依次相连得到四边形区域；

初步定位模块，用于计算所述四边形区域的质心，得到待定位节点的初步位置；

信号接收模块，用于向周围发送广播信号，判断是否接收到所述待定位节点通信范围内的邻居待定位节点发送的所述邻居待定位节点的邻居四边形区域信息和通信距离，得到第一判断结果；

第一定位模块，用于若所述第一判断结果为否，则确定所述初步位置的坐标为所述待定位节点的坐标；

画圆模块，用于若所述第一判断结果为是，则分别以所述邻居待定位节点的邻居四边形区域的四个顶点为圆心，以所述邻居待定位节点的通信距离为半径画圆，得到四个圆形区域；

交点计算模块，用于计算四个所述圆形区域的边缘所形成的交点中位于所述四边形区域内的圆圆交点的数量；

第二定位模块，用于若位于所述四边形区域内的圆圆交点的数量大于或等于三个，则将位于所述四边形区域内的圆圆交点依次连接成多边形，确定所述多边形的质心坐标为待定位节点的坐标；

第三定位模块，用于若位于所述四边形区域内的圆圆交点的数量小于三个，则确定所述初步位置的坐标为所述待定位节点的坐标。

4.根据权利要求3所述的一种传感器网络的节点定位系统，其特征在于，所述四边形形成模块，具体包括：

切点计算单元，用于计算两个圆形通信范围形成的重叠区域的边缘与所述矩形重叠区域的边缘之间的两个相切点，得到第一切点和第二切点；

交点计算单元，用于计算两个圆形通信范围的边缘的两个交点，得到第一交点和第二交点；

交点连接单元，用于将所述第一交点、所述第二交点、所述第一切点和所述第二切点按顺时针或逆时针顺序依次相连得到四边形区域。