CN109889976B

CN109889976B - 一种基于圆形的无线传感器网络移动锚节点路径规划方法

Info

Publication number: CN109889976B
Application number: CN201910123134.5A
Authority: CN
Inventors: 管有庆; 王世亚
Original assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2019-02-18
Filing date: 2019-02-18
Publication date: 2022-03-01
Anticipated expiration: 2039-02-18
Also published as: CN109889976A

Abstract

本发明涉及一种无线传感器网络中基于圆形的移动锚节点路径规划方法,具体为：移动锚节点以恒定速度v移动,以此刻所在位置为圆心,R为通信半径,广播信标信息,信标信息包括该时刻移动锚节点的位置和信标ID,移动锚节点的移动路径为圆形；未知节点不断监听、接收信标信息,若收到的三个信标位置可组成正三角形,且未知节点位于正三角形内,则未知节点通过三边测量法计算自身位置；当移动锚节点走完一层圆形轨迹时，沿着从区域中心向边境延申的半径轨迹运行至下一圆形轨迹，最外层圆形轨迹将覆盖整个未知区域。本发明定位精度高,网络成本低,且不易受环境影响。

Description

一种基于圆形的无线传感器网络移动锚节点路径规划方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络中节点定位领域，具体涉及一种无线传感器网络中基于圆形的移动锚节点路径规划方法。

背景技术

在信息收集和处理方面，无线传感器网络具有广泛的应用潜力，从环境监测到救难赈灾，从目标跟踪到工业在线故障诊断等等领域，无线传感器网络都发挥着举足轻重的作用。由于传感器节点能够在恶劣的环境中工作，因此在灾难发生，周围环境极其恶劣，人员车辆都无法到达的地方，通常利用无线传感器网络进行信息采集。当灾难发生时，受灾区域由于建筑物倒塌和道路受损而处在不利于人员活动的环境中。埋藏在瓦砾中的人们需要被及时地发现，受灾区域中的物资也需要及时抢救。然而，由于道路堵塞和桥梁坍塌以及公用设施受损，救援工作将受到阻碍。在无线传感器网络的帮助下，搜索和救援的效率可以大大提高。当无线传感器网络中的传感器节点获取到工作人员需要的信息时，如果不能将每个信息与相应的位置对应起来，那所获的信息将毫无用处。因此，节点定位是无线传感器网络应用和发展的基础和前提，是一项必不可少的关键技术。

发明内容

技术问题：本发明提出了一种无线传感器网络中基于圆形的移动锚节点路径规划方法,利用一个可移动的锚节点对传感器网络中的未知节点进行定位。未知节点通常搭载传感器，负责信息的采集，锚节点配备定位模块，可以获取其位置信息。该方法使可覆盖定位面积与移动锚节点行进路径距离比值增加，提高了定位效率，同时提高了对未知节点的定位精度，且不易受环境影响。

技术方案：本发明的一种基于圆形的无线传感器网络移动锚节点路径规划方法包括以下步骤，

步骤1.根据监测区域大小和应用需求,确定合适的移动锚节点通信半径R；设定测量检测区域是一个边长为L的正方形区域；L与R之间的关系为L＝4R；

步骤2.移动锚节点移动路径,以恒定速度v移动,当行进至如附图1中点的位置处，会以此处位置为圆心,R为通信半径,广播信标信息,信标信息包括该时刻移动锚节点的位置和信标ID,移动锚节点的移动路径为圆形；

步骤3.未知节点不断监听、接收信标信息,用接收信号强度法测量到移动锚节点间的距离,若监测区域内的未知节点接收到的三个信标位置可组成正三角形,且未知节点位于正三角形内,则未知节点通过三边测量法计算自身位置；

步骤4.当移动锚节点走完一层圆形轨迹时，沿着从区域中心向边境延申的半径轨迹运行至下一圆形轨迹，最外层圆形轨迹将覆盖整个未知区域，保证所有未知节点都可以接收到三个不共线的锚节点位置信息。

其中，所述的移动锚节点计算移动路径,具体为：

步骤2.1，移动锚节点从检测区域的中心开始出发，出发时向半径为R的区域内广播信标信息；

步骤2.2，锚节点沿着半径方向移动向第一圈轨迹，第一圈轨迹走完之后继续沿着半径方向移动向下一层轨迹，在轨迹中行进时，以附图1中点的位置为圆心,R为通信半径,广播信标信息,信标信息包括该时刻移动锚节点的位置和信标ID；

步骤2.3，移动锚节点依次移动完所有四个圆形轨迹。

所述的未知节点通过三边测量法计算自身位置，具体为：

步骤3.1，未知节点不断监听、接收信标信息，通过接收信号强度测量未知节点到移动锚节点间的距离，

根据发射端的发射功率和接收功率之间的关系表达式：

其中PRX表示接收端的接收功率，PTX表示发射端的发射功率，GTX表示信号发射端的天线增益，GRX表示接收端的天线增益，λ表示波长，d表示发射端到接收端的距离；

通常RSSI被定义为接收信号功率PRX与参考接收信号功率P_ref比值的对数值的10倍，

符号“∝“表示成正比例，其中参考信号功率P_ref，一般取值为1mW，所以P_ref是一个常数，RSSI的数值和logPRX成正比，信号在传输一定的距离之后，传输功率按照距离的平方衰减，

d为发射端到接收端的距离，

RSSI＝Klog d+C

K和C的值可以在实际情况中获得，K信号传播因子为定值，C可以看作信号传输1m远时接收信号的功率，由此得到RSSI和d之间的关系；

步骤3.2，上述的相邻的三个不共线的锚节点发送信标的位置点之间围成等边三角形，任意未知节点都在被三个锚节点围成的等边三角形之内；

步骤3.3，当一个未知节点得到三个锚节点的信标信息之后，根据三边测量确定自己的位置。

所述的保证所有未知节点都可以接收到三个不共线的锚节点位置信息，具体为：

区域边长为L，第一圈半径为通信半径R，第二圈半径为

第三圈半径为2R，第四圈半径为

L＝4R，移动锚节点总的移动路径距离为：

可定位的无线传感器网路面积为：

所述的步骤3.3中，根据三边测量确定自己的位置，具体为：

设三个不同的锚节点p_i＝(x_i，y_i)，i＝1，2，3；根据d_i来计算未知节点p₀的坐标(x₀，y₀)，d_i是p_i和p₀之间的距离，有基于三边测量定位方法的以下方程组：

求解上述方程组，我们可以得出未知节点p₀的位置

其中，

Δ＝4((x₁-x₂)(y₁-y₃)-(x₁-x₃)(y₁-y₂))

得到未知节点坐标(x₀，y₀)。

有益效果：所有未知节点都是通过三个不共线的可以围城一个等边三角形区域的锚节点位置进行定位的，提高了对未知节点定位的准确度。常规移动锚节点规划路径有较多的大角度转向，在移动锚节点行进过程中，进行大角度的转向需要减速、加速等操作。由于移动锚节点配备定位模块和移动装置，且通常需要移动锚节点具有较高的运算性能，所以移动锚节点体积和重量较大，进行减速、加速、转向等操作时需要消耗大量能量。而本发明中的路径规划大角度转向相对较少，且移动锚节点沿着圆形轨迹做匀速运动，大大降低了移动锚节点的能量消耗。此外，在移动锚节点移动路径距离相同时，圆形所覆盖的定位区域更大，提高了定位效率，圆形定位区域也更符合实际情况。

附图说明

图1是移动锚节点在检测区域中的行进路线；

图2是三边定位示意图；

图3是误差估计示意图。

具体实施方式

在感兴趣区域(ROI)中，假设未知节点的坐标为p₀(x₀，y₀)，未知节点可以接收三个信标点，其坐标假定为p_i＝(x_i，y_i)，i＝1，2，3。p₀和p_i之间的距离表示为r_i，i＝1，2，3；假设测量误差在ε_i到ε_i之间，用

表示误差范围，因此定义：

C_pi＝(x，y)|(r_i-ε_i)²≤(x-x_i)²+(y-y_i)²≤(r_i+ε_i)²，i＝1，2，3

定位误差区可以定义为：

图3中的圆S_p

{(x，y)|(x-x₀)²+(y-y₀)²＝ε_i ²}

直线

穿过p和p_i，并与圆S_p相交于点q_i，1和q_i，2，通过点q_i，j并与圆S_p相切的直线表示为

用

表示切线

和

之间的区域。当测量误差相对较小时，

的面积可以表示为

直线

和

之间的锐角被定义为α_i，j，所以：

且

α_1，2+α_2，3+α_1，3＝π

因为

所以

当

时，取等号。

因此，当三个锚节点可以形成等边三角形时，未知节点的定位误差最小化。为了提高定位效果，我们需要安排锚节点以形成等边三角形，并使所有未知节点都被这些等边三角形覆盖。

1、根据监测区域大小和应用需求，确定合适的移动锚节点通信半径R；

步骤1，测量检测区域是一个边长为L的正方形区域。

步骤2，设置锚节点通信半径R，L与R之间的关系为L＝4R

2、移动锚节点移动路径，以恒定速度v移动，当运行至如附图1中点的位置处，会以此处位置为圆心，R为通信半径，广播信标信息，信标信息包括该时刻移动锚节点的位置和信标ID，移动锚节点的移动路径为圆形；

步骤1，移动锚节点从检测区域的中心出发，出发时向半径为R的区域内广播信标信息。

步骤2，锚节点沿着半径方向移动向第一圈轨迹，第一圈轨迹走完之后继续沿着半径方向移动向下一层轨迹，在轨迹中行进时，以附图1中点的位置为圆心，R为通信半径，广播信标信息，信标信息包括该时刻移动锚节点的位置和信标ID。

步骤3，移动锚节点依次移动完所有四个圆形轨迹。

3、未知节点不断监听、接收信标信息，用接收信号强度法测量到移动锚节点间的距离，若监测区域内的未知节点接收到的三个信标位置可组成正三角形，且未知节点位于正三角形内，则未知节点通过三边测量法计算自身位置；

步骤1，未知节点不断监听、接收信标信息，通过接收信号强度测量未知节点到移动锚节点间的距离，根据发射端的发射功率和接收功率之间的关系表达式：

其中PRX表示接收端的接收功率，PTX表示发射端的发射功率，GTX表示信号发射端的天线增益，GRX表示接收端的天线增益，λ表示波长，d表示发射端到接收端的距离。

通常RSSI被定义为接收信号功率PRX与参考接收信号功率P_ref比值的对数值的10倍。

符号“∝”表示成正比例。其中参考信号功率P_ref，一般取值为1mW，所以P_ref是一个常数，所以RSSI的数值和log PRX成正比，信号在传输一定的距离之后，传输功率按照距离的平方衰减。所以

d为发射端到接收端的距离。

RSS＝K log d+C

步骤2，上述的相邻的三个移动锚节点发送信标的位置点之间可以围成等边三角形，所以任意未知节点都在被三个锚节点围成的等边三角形之内。

步骤3，当一个未知节点得到三个锚节点的信标信息之后，可根据三边测量确定自己的位置

求解上述方程组，我们得出未知节点p₀的位置

其中，

Δ＝4((x₁-x₂)(y₁-y₃)-(x₁-x₃)(y₁-y₂))

得到未知节点坐标(x₀，y₀)。

4.当移动锚节点走完一层圆形轨迹时，沿着从区域中心向边境延申的半径轨迹运行至下一圆形轨迹，最外层圆形轨迹将覆盖整个未知区域，保证所有未知节点都可以接收到三个不共线的锚节点位置信息。移动锚节点总的移动路径距离为：

。

Claims

1.一种基于圆形的无线传感器网络移动锚节点路径规划方法，其特征在于该路径规划方法包括以下步骤，

步骤1.根据监测区域大小和应用需求,确定合适的移动锚节点通信半径R；设定测量检测区域是一个边长为L，宽为

的矩形区域；设置节点间的通信半径为R，L与R之间的关系为L＝4R；

步骤2.移动锚节点移动路径,以恒定速度v移动,当运行至如附图1各层圆形轨迹各点的位置处，会以此处位置为圆心，R为通信半径,广播信标信息,信标信息包括该时刻移动锚节点的位置和信标ID,移动锚节点的移动路径为圆形；

2.根据权利要求1所述的基于圆形的无线传感器网络移动锚节点路径规划方法，其特征在于所述的移动锚节点计算移动路径,具体为：

步骤2.1，移动锚节点从检测区域的中心出发，出发时向半径为R的区域内广播信标信息；

步骤2.2，锚节点沿着半径方向移动向第一圈轨迹，第一圈轨迹走完之后继续沿着半径方向移动向下一层轨迹，在轨迹中行进时，以各层圆形轨迹各点的位置处为圆心,R为通信半径,广播信标信息,信标信息包括该时刻移动锚节点的位置和信标ID；

步骤2.3，移动锚节点依次移动完所有四个圆形轨迹。

3.根据权利要求1所述的基于圆形的无线传感器网络移动锚节点路径规划方法，其特征在于所述的未知节点通过三边测量法计算自身位置，具体为：

根据发射端的发射功率和接收功率之间的关系表达式：

RSSI被定义为接收信号功率PRX与参考接收信号功率P_ref比值的对数值的10倍，

符号“∝“表示成正比例，其中参考信号功率P_ref，取值为1mW，所以P_ref是一个常数，RSSI的数值和log PRX成正比，信号在传输一定的距离之后，传输功率按照距离的平方衰减，

d为发射端到接收端的距离，

RSSI＝K log d+C

K和C的值可以在实际情况中获得，K信号传播因子为定值,C可以看作信号传输1m远时接收信号的功率,由此得到RSSI和d之间的关系；

步骤3.2，相邻的三个不共线的锚节点发送信标的位置点之间围成等边三角形，任意未知节点都在被三个锚节点围成的等边三角形之内；

4.根据权利要求1所述的基于圆形的无线传感器网络移动锚节点路径规划方法，其特征在于所述的保证所有未知节点都可以接收到三个不共线的锚节点位置信息，具体为：

区域边长为L，第一圈半径为通信半径R，第二圈半径为

第三圈半径为2R，第四圈半径为

L＝4R，移动锚节点总的移动路径距离为：

可定位的无线传感器网络面积为：

5.根据权利要求3所述的基于圆形的无线传感器网络移动锚节点路径规划方法，其特征在于所述的步骤3.3中，根据三边测量确定自己的位置，具体为：

设三个不同的锚节点p_i＝(x_i,y_i)，i＝1，2，3；根据d_i来计算未知节点p₀的坐标(x₀，y₀)，d_i是p_i和p₀之间的距离，有基于三边测量定位方法的以下方程组：

求解上述方程组，得出未知节点p₀的位置

其中,

Δ＝4((x₁-x₂)(y₁-y₃)-(x₁-x₃)(y₁-y₂))

得到未知节点坐标(x₀，y₀)。