CN110022526A - 一种无线节点自组网的定位方法 - Google Patents

Abstract

一种无线节点自组网的定位方法，属于无线自组网定位方法领域。现有的锚节点网络定位的成本高的问题。一种无线节点自组网的定位方法，锚节点激活后发出搜素其他节点的查询指令，锚节点接到所有节点应答指令后；选择距离等于节点最大通讯距离二分之一的四个不同节点；分析四节点信息，确定两条相交轴线，将平面分成四个象限；根据每个象限包含的节点数量，确定出节点构成的轴线；确定两条轴线为虚拟平面坐标系X、Y轴，收集所有节点传感器数据，根据收集到数据的变化趋势，推测经纬度方向；确定地理纬线为坐标系X轴，经线为Y轴，交点为原点O；根据虚拟平面坐标系同地理坐标系差异，以确定各节点真实定位信息。本发明方法成本低。

Description

一种无线节点自组网的定位方法

技术领域

本发明涉及一种无线节点自组网的定位方法。

背景技术

现阶段无线节点自组网定位的方式和算法主要是由网络拓扑结构决定的。在无线自组织网络中，网络拓扑结构是可变的，节点间的无线通讯可能会受到环境或其他干扰，也会因节点自身异常而引起网络拓扑结构发生变化。按网络拓扑结构的不同，可以分为：单一主节点网络、复数主节点网络、锚节点网络和无中心网络。

单一主节点网络由主节点进行真实坐标定位，主节点将定位数据发送至下一层网络对应节点，层层转发，每个节点根据自身同主节点的相对位置关系计算自身的坐标。单一主节点网络在定位过程中要求转发节点稳定性高，如果转发过程中有节点故障就会引起大范围数据空洞。

复数主节点网络由主节点进行真实坐标定位，主节点将定位数据发送至下一层网络对应节点，层层转发，每个节点根据自身同主节点的相对位置关系计算自身的坐标。复数主节点网络在定位过程中由于无线自组网使用环境的特点，往往不能事先确定主节点的位置，容易出现局部主节点的过于集中的问题，定位通讯相互干扰严重，并会影响网络效率。无中心网络要求节点每个节点都能进行真实坐标定位。无中心网络由于每个节点都必须安装定位模块，同等技术条件下体积、功耗较大、成本较高、寿命较短。

锚节点网络是目前应用最广的网络形式。锚节点网络是兼顾复数主节点网络及无中心网络特性的一种方式，当局部主节点密集会选择其中之一成为锚节点。锚节点网络的定位技术复杂度高，同时定位效率越高，需要配备定位模块的节点越多，成本越高。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的锚节点网络定位的成本高的问题，而提出一种无线节点自组网的定位方法。

一种无线节点自组网的定位方法，通过以下步骤实现：

步骤一、锚节点激活后发出搜素其他节点的查询指令，其他节点接到查询指令后，发出应答指令；

步骤二、锚节点接到应答指令后，记录该节点信息；

步骤三、锚节点t1时间内未发现新节点，发出扩大查询指令；

步骤四、已知节点接到扩大查询指令后，转发该指令；而未知节点接到扩大查询指令后，发出应答指令；

步骤五、重复进行步骤三和步骤四直至无新节点，或重复3次步骤三和步骤的操作；

步骤六、查询所有已知节点，选择距离等于节点最大通讯距离二分之一的四个不同节点；分析四节点信息，确定两条相交轴线，将平面分成四个象限；

步骤七、查询每个象限包含的节点数量，并将四象限包含节点数量最小值与最大值的比值与90%相比，确定出节点构成的轴线；

步骤八、确定两条轴线为虚拟平面坐标系X、Y轴：

步骤九、收集所有节点传感器数据，根据收集到的数据，及数据的变化趋势，推测经纬度方向；

步骤十、确定地理纬线为坐标系X轴，经线为Y轴，交点为原点O；

步骤十一、根据虚拟平面坐标系同地理坐标系差异，调整节点坐标：

计算O和锚节点的坐标差，所有节点按坐标差调整；

步骤十二、根据收集到的数据及数据的变化趋势，按4点法推测高度方向；

步骤十三、按高度方向计算各节点的相对高度值；

步骤十四、读取锚节点的定位信息；

通过GPS读取锚节点绝对坐标值；

步骤十五、依据各节点同锚节点相对位置关系，确定各节点真实定位信息：

通过相对位置关系计算各节点绝对坐标值；

至此，无线自组网定位完成。

本发明的有益效果为：

本发明的无线自组网定位算法是可以仅使用极少数带有定位模块的节点，通过节点相对位置，温湿度等环境变化来进行无线自组网定位的算法。同现有定位方法比较，在节点成本、节点能耗、节点效率方面有所提高。其中节点所用的定位模块一般占节点总成本的1/3以上，本发明定位模块需用的数量相较而言有大幅度减少；其次由于网络有锚节点，可以通过控制一般节点休眠/唤醒，来调控一般节点的密度，降低定位过程中的通讯次数实现降低平均能耗；最后锚节点和节点功能分离，节点与节点分批响应，使得定位效率有所提高。

本发明的无线自组网定位算法是信息学、数学和地理学的融合。可以仅使用极少数带有定位模块的节点，通过节点相对位置，温湿度等环境变化来进行锚节点定位的算法，实现无线节点自主定位，减少了锚节点网络定位的成本，使无线节点的应用成本更低并延长了无线节点的使用寿命。

本发明的性能、质量、精度和效率的提高；能耗、原材料、工序的节省；加工、操作、控制、使用简便等方面。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明实施例1涉及的t时刻光照数据；

图3为本发明实施例1涉及的t+1时刻光照数据；

图4为本发明实施例1涉及的t+2时刻光照数据；

图5为本发明实施例2涉及的哈尔滨市某日温度数据图示。

具体实施方式

具体实施方式一：

本实施方式的一种无线节点自组网的定位方法，所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、锚节点激活后发出搜素其他节点的查询指令，其他节点接到查询指令后，发出应答指令；

步骤二、锚节点接到应答指令后，记录该节点信息；

步骤三、锚节点t1时间内未发现新节点，发出扩大查询指令；

步骤四、已知节点接到扩大查询指令后，转发该指令；而未知节点接到扩大查询指令后，发出应答指令；

步骤五、重复进行步骤三和步骤四直至无新节点，或重复3次步骤三和步骤的操作；

步骤六、查询所有已知节点，选择距离等于节点最大通讯距离二分之一的四个不同节点；分析四节点信息，确定两条相交轴线，将平面分成四个象限；

步骤七、查询每个象限包含的节点数量，并将四象限包含节点数量最小值与最大值的比值与90%相比，确定出节点构成的轴线；

步骤八、确定两条轴线为虚拟平面坐标系X、Y轴：

步骤九、收集所有节点传感器数据，根据收集到的数据，及数据的变化趋势，推测经纬度方向；

步骤十、确定地理纬线为坐标系X轴，经线为Y轴，交点为原点O；

步骤十一、根据虚拟平面坐标系同地理坐标系差异，调整节点坐标：

计算O和锚节点的坐标差，所有节点按坐标差调整；

步骤十二、根据收集到的数据及数据的变化趋势，按4点法推测高度方向；

步骤十三、按高度方向计算各节点的相对高度值；

步骤十四、读取锚节点的定位信息；

通过GPS读取锚节点绝对坐标值；

步骤十五、依据各节点同锚节点相对位置关系，确定各节点真实定位信息：

通过相对位置关系计算各节点绝对坐标值；

至此，无线自组网定位完成。

具体实施方式二：

与具体实施方式一不同的是，本实施方式的一种无线节点自组网的定位方法，所述的步骤一中，锚节点激活后发出搜素其他节点的查询指令，其他节点接到查询指令后，发出应答指令的过程为：锚节点m发出的查询指令包含指令发送时间数据T0；节点p1，p2，p3，p4，p4，p6，p7，p8，p9……pn接到查询指令后发出应答指令，且应答指令包含T0及应答发送时间Tpn。

具体实施方式三：

与具体实施方式二不同的是，本实施方式的一种无线节点自组网的定位方法，所述的步骤二中，锚节点接到应答指令后，记录该节点信息的过程，具体为：

锚节点m接到应答指令后记录信息为T0{Tp1-T0，Tp2-T0，Tp3-T0，Tp4-T0，Tp5-T0，Tp6-T0，Tp7-T0，Tp8-T0，Tp9-T0……Tpn-T0}。

具体实施方式四：

与具体实施方式三不同的是，本实施方式的一种无线节点自组网的定位方法，所述的步骤三中锚节点t1时间内未发现新节点，发出扩大查询指令的过程中，锚节点m发出的扩大查询指令包含转发特征码及指令发送时间数据T0。

具体实施方式五：

与具体实施方式四不同的是，本实施方式的一种无线节点自组网的定位方法，所述的步骤四中，已知节点接到扩大查询指令后，转发该指令；而未知节点接到扩大查询指令后，发出应答指令的过程中，

已知节点转发指令包含转发节点代号及发送时间Tpn0；

未知节点向已知节点发送应答指令，应答指令包含应答发送时间Tpnpm，未知节点向锚节点发送应答指令，应答指令包括Tpnpm-Tpn0，锚节点接收后识别该未知节点为pm，并记录信息为Tpm= Tpn-T0+Tpnpm-Tpn0。

具体实施方式六：

与具体实施方式五不同的是，本实施方式的一种无线节点自组网的定位方法，所述的步骤五中，重复步骤三和步骤的操作后还要对T0进行从小至大排序得到：{T1，T2，T3，T4，T5，T6，T7，T8，T9……Tn}。

具体实施方式七：

与具体实施方式六不同的是，本实施方式的一种无线节点自组网的定位方法，所述的步骤六中，查询所有已知节点，选择距离等于节点最大通讯距离二分之一的四个不同节点；分析四节点信息，确定两条相交轴线，将平面分成四个象限的过程为：

步骤六一、选择节点m1，Tm1最接近于（T3+Tn-2）/2；

选择节点m2，Tm2次接近于（T3+Tn-2）/2，Tm2m1>Tm1且Tm2m1>Tm2，

不符则依次测试下一个节点；

选择节点m3，Tm3<Tm3m1且Tm3<Tm3m2，不符则依次测试下一个节点；

选择节点m4，Tm4>Tm4m1且Tm4>Tm4m2，不符则依次测试下一个节点；

步骤六二、分析Tm1m2+Tm3m4，Tm1m3+Tm2m4，Tm1m4+Tm2m3，

若Tm1m2+Tm3m4> Tm1m3+Tm2m4且Tm1m2+Tm3m4>Tm1m4+Tm2m3，

可确定两条相交轴线为Tm1m2和Tm3m4；

若Tm1m3+Tm2m4> Tm1m2+Tm3m4且Tm1m3+Tm2m4>Tm1m4+Tm2m3，

可确定两条相交轴线为Tm1m3和Tm2m4；

若Tm1m4+Tm2m3> Tm1m2+Tm3m4且Tm1m4+Tm2m3> Tm1m3+Tm2m4，可确定两条相交轴线为Tm1m4，Tm2m3；

m1m2区域为Ⅰ象限，顺时针依次为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限。

具体实施方式八：

与具体实施方式七不同的是，本实施方式的一种无线节点自组网的定位方法，所述的步骤七中查询每个象限包含的节点数量，并将四象限包含节点数量最小值与最大值的比值与90%相比，确定出节点构成的轴线的过程，具体为：

步骤七一、记录每象限节点数量为S1，S2，S3，S4并排序，将象限节点数量最大值记为Smax，最小值记为Smin；

步骤七二、将四象限包含节点数量最小值与最大值的比值记为S%=Smin/Smax；并将比值与90%相比：

若比值S%小于90%，判断不相符，根据数量差调整轴线位置：

计算Se=（S1+S2+S3+S4）/4，最大值区域两点对向更新至（Smax-Se）/2点，重新查询每个象限包含的节点数量；

若比值S%大于90%，判断相符，确定选择此四点为轴线点。

具体实施方式九：

与具体实施方式八不同的是，本实施方式的一种无线节点自组网的定位方法，所述的步骤八中确定两条轴线为虚拟平面坐标系X、Y轴的过程，具体为：

X轴为经过m1及对应点的直线，Y轴为经过另外两点的直线，两直线交点为原点o。

具体实施方式十：

与具体实施方式九不同的是，本实施方式的一种无线节点自组网的定位方法，所述的步骤九中收集所有节点传感器数据，根据收集到的数据，及数据的变化趋势，推测经纬度方向的过程，具体为：

记录所有节点数据包括Pn（xn，yn，An）；

以光照方式为例，An有0和1两个状态，记录并比较t=0和t=1s两时刻，记录An值发生变化的节点，对各节点x，y值分别排序，推测经过（xmin，ymin），（xmax，ymax）的直线为经线，垂直直线为纬线。

实施例1：通过光照传感器等开关量数据实现定位：

在某时刻t节点网络中有两个节点位置光强度达到一定值a，如图2所示；随后在t+1时刻，又有5个节点达到强度a，如图3所示，在t+2时刻达到光照强度a的节点增加到17个，如图4所示。通过变化，可以推算出阳光照射的移动方向，然后依照地球自转规律可以推算出经纬线方向。

实施例2：通过温度传感器等模拟量数据实现定位：

通过观察图5中温度曲线，各地每日的气温变化基本遵循日高夜低的规律，通过分析网络所有节点某一段时间的温度数据，可以推算出该地经纬线的相对关系。

Claims (10)

1.一种无线节点自组网的定位方法，其特征在于：所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、锚节点激活后发出搜素其他节点的查询指令，其他节点接到查询指令后，发出应答指令；

步骤二、锚节点接到应答指令后，记录该节点信息；

步骤三、锚节点t1时间内未发现新节点，发出扩大查询指令；

步骤四、已知节点接到扩大查询指令后，转发该指令；而未知节点接到扩大查询指令后，发出应答指令；

步骤五、重复进行步骤三和步骤四直至无新节点，或重复3次步骤三和步骤的操作；

步骤六、查询所有已知节点，选择距离等于节点最大通讯距离二分之一的四个不同节点；分析四节点信息，确定两条相交轴线，将平面分成四个象限；

步骤七、查询每个象限包含的节点数量，并将四象限包含节点数量最小值与最大值的比值与90%相比，确定出节点构成的轴线；

步骤八、确定两条轴线为虚拟平面坐标系X、Y轴：

步骤九、收集所有节点传感器数据，根据收集到的数据，及数据的变化趋势，推测经纬度方向；

步骤十、确定地理纬线为坐标系X轴，经线为Y轴，交点为原点O；

步骤十一、根据虚拟平面坐标系同地理坐标系差异，调整节点坐标：

计算O和锚节点的坐标差，所有节点按坐标差调整；

步骤十二、根据收集到的数据及数据的变化趋势，按4点法推测高度方向；

步骤十三、按高度方向计算各节点的相对高度值；

步骤十四、读取锚节点的定位信息；

通过GPS读取锚节点绝对坐标值；

步骤十五、依据各节点同锚节点相对位置关系，确定各节点真实定位信息：

通过相对位置关系计算各节点绝对坐标值；

至此，无线自组网定位完成。

2.根据权利要求1所述一种无线节点自组网的定位方法，其特征在于：一种无线节点自组网的定位方法，所述的步骤一中，锚节点激活后发出搜素其他节点的查询指令，其他节点接到查询指令后，发出应答指令的过程为：锚节点m发出的查询指令包含指令发送时间数据T0；节点p1，p2，p3，p4，p4，p6，p7，p8，p9……pn接到查询指令后发出应答指令，且应答指令包含T0及应答发送时间Tpn。

3.根据权利要求2所述一种无线节点自组网的定位方法，所述的步骤二中，锚节点接到应答指令后，记录该节点信息的过程，具体为：

锚节点m接到应答指令后记录信息为T0{Tp1-T0，Tp2-T0，Tp3-T0，Tp4-T0，Tp5-T0，Tp6-T0，Tp7-T0，Tp8-T0，Tp9-T0……Tpn-T0}。

4.根据权利要求3所述一种无线节点自组网的定位方法，所述的步骤三中锚节点t1时间内未发现新节点，发出扩大查询指令的过程中，锚节点m发出的扩大查询指令包含转发特征码及指令发送时间数据T0。

5.根据权利要求4所述一种无线节点自组网的定位方法，所述的步骤四中，已知节点接到扩大查询指令后，转发该指令；而未知节点接到扩大查询指令后，发出应答指令的过程中，

已知节点转发指令包含转发节点代号及发送时间Tpn0；

未知节点向已知节点发送应答指令，应答指令包含应答发送时间Tpnpm，未知节点向锚节点发送应答指令，应答指令包括Tpnpm-Tpn0，锚节点接收后识别该未知节点为pm，并记录信息为Tpm= Tpn-T0+Tpnpm-Tpn0。

6.根据权利要求5所述一种无线节点自组网的定位方法，所述的步骤五中，重复步骤三和步骤的操作后还要对T0进行从小至大排序得到：{T1，T2，T3，T4，T5，T6，T7，T8，T9……Tn}。

7.根据权利要求6所述一种无线节点自组网的定位方法，所述的步骤六中，查询所有已知节点，选择距离等于节点最大通讯距离二分之一的四个不同节点；分析四节点信息，确定两条相交轴线，将平面分成四个象限的过程为：

步骤六一、选择节点m1，Tm1最接近于（T3+Tn-2）/2；

选择节点m2，Tm2次接近于（T3+Tn-2）/2，Tm2m1>Tm1且Tm2m1>Tm2，

不符则依次测试下一个节点；

选择节点m3，Tm3<Tm3m1且Tm3<Tm3m2，不符则依次测试下一个节点；

选择节点m4，Tm4>Tm4m1且Tm4>Tm4m2，不符则依次测试下一个节点；

步骤六二、分析Tm1m2+Tm3m4，Tm1m3+Tm2m4，Tm1m4+Tm2m3，

若Tm1m2+Tm3m4> Tm1m3+Tm2m4且Tm1m2+Tm3m4>Tm1m4+Tm2m3，

可确定两条相交轴线为Tm1m2和Tm3m4；

若Tm1m3+Tm2m4> Tm1m2+Tm3m4且Tm1m3+Tm2m4>Tm1m4+Tm2m3，

可确定两条相交轴线为Tm1m3和Tm2m4；

若Tm1m4+Tm2m3> Tm1m2+Tm3m4且Tm1m4+Tm2m3> Tm1m3+Tm2m4，可确定两条相交轴线为Tm1m4，Tm2m3；

m1m2区域为Ⅰ象限，顺时针依次为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限。

8.根据权利要求7所述一种无线节点自组网的定位方法，所述的步骤七中查询每个象限包含的节点数量，并将四象限包含节点数量最小值与最大值的比值与90%相比，确定出节点构成的轴线的过程，具体为：

步骤七一、记录每象限节点数量为S1，S2，S3，S4并排序，将象限节点数量最大值记为Smax，最小值记为Smin；

步骤七二、将四象限包含节点数量最小值与最大值的比值记为S%=Smin/Smax；并将比值与90%相比：

若比值S%小于90%，判断不相符，根据数量差调整轴线位置：

计算Se=（S1+S2+S3+S4）/4，最大值区域两点对向更新至（Smax-Se）/2点，重新查询每个象限包含的节点数量；

若比值S%大于90%，判断相符，确定选择此四点为轴线点。

9.根据权利要求8所述一种无线节点自组网的定位方法，所述的步骤八中确定两条轴线为虚拟平面坐标系X、Y轴的过程，具体为：

X轴为经过m1及对应点的直线，Y轴为经过另外两点的直线，两直线交点为原点o。

10.根据权利要求9所述一种无线节点自组网的定位方法，所述的步骤九中收集所有节点传感器数据，根据收集到的数据，及数据的变化趋势，推测经纬度方向的过程，具体为：

记录所有节点数据包括Pn（xn，yn，An）；

以光照方式为例，An有0和1两个状态，记录并比较t=0和t=1s两时刻，记录An值发生变化的节点，对各节点x，y值分别排序，推测经过（xmin，ymin），（xmax，ymax）的直线为经线，垂直直线为纬线。