本發(fā)明涉及一種用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法。

背景技術(shù)：

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用越來越廣泛，特別是定位技術(shù)，在車聯(lián)網(wǎng)中的車輛定位、煤礦井下人員定位、變電站作業(yè)人員跟蹤定位、家庭人員定位、養(yǎng)老院人員定位、醫(yī)院人員定位等。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位方法很多，比如質(zhì)心定位法、三邊定位法、極大似然估計法等。質(zhì)心定位算法簡單，誤差卻很大，一般難以滿足應(yīng)用的需求，三邊定位算法在距離測算精確的情況下，效果很好，但對于基于rssi(receivedsignalstrengthindicatinn接收的信號強度指示)的測距方法，實際測距誤差很大，遠遠不能滿足三邊定位算法的精度，而且三邊定位算法相對質(zhì)心定位算法復雜，極大似然估計定位方法與三邊定位算法類似，需要利用rssi測距，而且計算復雜度較高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對上述問題，提出一種用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法，其特征在于，如圖1所示，包括以下步驟：

s1、移動節(jié)點通過mac幀發(fā)起定位請求：移動節(jié)點發(fā)出只有一跳的定位請求幀到與其相鄰的固定節(jié)點；

s2、固定節(jié)點接收定位請求幀：固定節(jié)點接收到定位請求幀后，判斷該定位請求幀是否被重復接收，若是，則丟棄該幀；若否，則固定節(jié)點將獲取移動節(jié)點短地址作為目的地址，并向移動節(jié)點發(fā)送一跳的響應(yīng)定位幀；

s3、移動節(jié)點定位：移動節(jié)點接收到定位響應(yīng)幀后，通過如下方法對移動節(jié)點進行定位，如圖2所示：

s31、移動節(jié)點判斷是否在預設(shè)的時間內(nèi)接收到定位響應(yīng)幀，若是，則進入步驟s32；若否，則回到步驟s1；

s32、移動節(jié)點判斷是否已經(jīng)接收到超過3個固定節(jié)點的定位響應(yīng)幀，若是，則選擇3個接收信號強度指示最好的固定節(jié)點，固定節(jié)點到移動節(jié)點的距離根據(jù)接收信號強度指示符獲得，將固定節(jié)點相對于移動節(jié)點的位置表示為以移動節(jié)點為中心、移動節(jié)點到固定節(jié)點的距離的2倍為邊長的正方形，將正方形置于平面直角坐標系中，則選擇的3個固定節(jié)點采用如下向量表示：

n1＝(x11，x12，y11,y12)；

n2＝(x21，x22，y21,y22)；

n3＝(x31，x32，y31,y32)；

其中，ni表示固定節(jié)點位置，xi1表示正方形在x軸上的左邊界，xi2表示正方形在x軸上的右邊界，yi1表示正方形在y軸上的下邊界，yi2表示正方形在y軸上的上邊界，下標i表示固定節(jié)點的序號；

獲得3個固定節(jié)點的位置坐標向量后進入步驟s33；若否，則判斷是否只接收到3個固定節(jié)點的定位響應(yīng)幀，若是，則采用上述方法獲得3個固定節(jié)點的位置坐標向量并進入步驟s33；若否，則判斷是否接收到2個固定節(jié)點的定位響應(yīng)幀，若是，則采用上述方法獲得2個固定節(jié)點的位置坐標向量：

n1＝(x11，x12，y11,y12)；

n2＝(x21，x22，y21,y22)；

并進入步驟s34，若否，則采用上述方法獲得1個固定節(jié)點的位置坐標向量：

n1＝(x11，x12，y11,y12)；

并進入步驟s35；

s33、通過如下公式獲得移動節(jié)點的位置坐標向量：

x00＝max{min{x11，x12}，min{x21，x22}，min{x31，x32}}；

x01＝max{min{x11，x12}，min{x21，x22}，min{x31，x32}}；

y00＝max{min{y11，y12}，min{y21，y22}，min{y31，y32}}；

y01＝max{min{y11，y12}，min{y21，y22}，min{y31，y32}}；

x00，x01，y00，y01，為3個固定節(jié)點所形成正方形的重疊區(qū)域向量坐標；

則獲得移動節(jié)點的坐標(x0，y0)如下：

x0＝(x00+x01)/2；

y0＝(y00+y01)/2；

進入步驟s4；

s34、通過如下公式獲得移動節(jié)點的位置坐標向量：

x00＝max{min{x11，x12}，min{x21，x22}}；

x01＝max{min{x11，x12}，min{x21，x22}}；

y00＝max{min{y11，y12}，min{y21，y22}}；

y01＝max{min{y11，y12}，min{y21，y22}}；

x00，x01，y00，y01，為3個固定節(jié)點所形成正方形的重疊區(qū)域向量坐標；

則獲得移動節(jié)點的坐標(x0，y0)如下：

x0＝(x00+x01)/2；

y0＝(y00+y01)/2；

進入步驟s4；

s35、獲得移動節(jié)點的坐標(x0，y0)如下：

x0＝(x11+x12)/2；

y0＝(y11+y12)/2；

s4、將步驟s3中獲得的定位坐標發(fā)送到匯聚節(jié)點，并由匯聚節(jié)點將結(jié)果發(fā)送到計算機設(shè)備。

本發(fā)明的有益效果是：相對于傳統(tǒng)方法，本發(fā)明的方法具有較低的算法復雜度和較高的定位精度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明定位方法的邏輯示意圖；

圖2為本發(fā)明中對移動節(jié)點定位的流程示意圖；

圖3為移動節(jié)點在多個固定節(jié)點中的位置示意圖；

圖4為移動節(jié)點和固定節(jié)點形成的正方形示意圖；

圖5為為移動節(jié)點在多個固定節(jié)點中的位置坐標示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，詳細描述本發(fā)明的技術(shù)方案。

在本發(fā)明的技術(shù)方案中，使用虛擬坐標來定義固定節(jié)點的位置。作為二維平面定位算法，通常至少需要三個固定節(jié)點來建立移動節(jié)點的位置，如圖3所示，為本發(fā)明采用的rill定位算法的模型。圓圈表示固定節(jié)點，三角形表示移動節(jié)點的實際位置，五角星代表使用本發(fā)明的rill定位算法的移動節(jié)點的定位結(jié)果。在圖3中，可以看到有三個固定節(jié)點和一個移動節(jié)點。假設(shè)三個固定節(jié)點n1，n2和n3的位置坐標分別由(x1，y1)，(x2，y2)和(x3，y3)表示。

當移動節(jié)點接收到來自三個固定節(jié)點的位置信息時，移動節(jié)點可以經(jīng)由接收到的信號強度指示符(rssi)來估計位置信息的發(fā)送者與其自身之間的距離。采用d1，d2和d3來表示三個固定節(jié)點和移動節(jié)點之間的距離估計的結(jié)果。例如，當移動節(jié)點從固定節(jié)點n2接收到位置信息分組時，它將首先估計n2與其本身之間的距離d2。一旦獲得距離d2，移動節(jié)點可以利用固定節(jié)點n2的位置信息(x2，y2)以及距離d2來獲得正方形。正方形的中心是n2的位置坐標，正方形的邊長是d2的兩倍。當移動節(jié)點接收到三個固定節(jié)點的所有位置信息時，移動節(jié)點應(yīng)該能夠得到三個正方形具有共同重疊區(qū)域的結(jié)果。在圖3中，陰影區(qū)域表示重疊部分?？梢钥吹揭苿庸?jié)點實際上處于重疊區(qū)域。

如圖4所示，可以看到正方形可以由四個數(shù)據(jù)(xi1，xi2，yi1，yi2)表示，其中xi1是x軸上的正方形的左邊界，xi2是x軸上正方形的右邊界。類似地，yi1是y軸上的正方形的下邊界，yi2是y軸上的正方形的上邊界。假設(shè)固定節(jié)點ni的坐標為(xi，yi)，固定節(jié)點ni和移動節(jié)點之間的距離為di，可以使用下面的公式(1)計算(xi1，xi2，yi1，yi2)：

令vi＝(xi1,xi2,yi1,yi2)，則該正方形可以表示為一個向量形式，可以獲得該虛擬坐標中固定節(jié)點的所有向量。當移動節(jié)點接收到三個固定節(jié)點的位置信息時，可以得到如圖5所示的結(jié)果。

在圖3中，令v1＝(x11，x12，y11，y12)，v2＝(x21，x22，y21，y22)和v3＝(x31，x32，y31，y32)。通過圖4，很容易得到重疊區(qū)域的矢量表示。令v0＝(x00，x01，y00，y01)來表示重疊區(qū)域。得到圖4中v0＝(x31，x22，y11，y22)的重疊區(qū)域的矢量表示是很容易的。實際上，重疊區(qū)域的左邊界是三個正方形的最大左邊界，重疊區(qū)域的右邊界是三個正方形的最小右邊界。類似地，重疊區(qū)域的下邊界是三個正方形的最大下邊界，并且重疊區(qū)域的頂邊界是三個正方形的最小上邊界?？梢允褂霉?2)來計算重疊區(qū)域的向量表示：

當利用公式(3)建立重疊區(qū)域的向量表示法后，則可以確定移動節(jié)點的區(qū)域范圍。可以知道移動節(jié)點必須位于重疊區(qū)域。在討論其他情況之前，首先介紹如何在虛擬坐標系中獲取移動節(jié)點的最終位置。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點具有一些特征，例如有限的計算能力，有限的存儲容量以及有限的能量。為了簡化算法的復雜度，使用重疊區(qū)域的質(zhì)心來表示移動節(jié)點的最終位置。計算過程如公式(3)所示?？梢酝ㄟ^這個公式來估計移動節(jié)點(x0，y0)的位置：

與傳統(tǒng)的其他方法相比，本發(fā)明的方法具有較低的算法復雜度。在原理上rill類似于三邊定位算法。然而，三邊定位算法的復雜度為o(n³)。三邊定位算法需要進行矩陣求逆，這是非常復雜的。rill的復雜度為o(n)，它可以在移動傳感器節(jié)點上運行。由于較高的算法復雜度，一些定位算法難以在移動節(jié)點上運行，這增加了鏈路負載和能量消耗。雖然質(zhì)心定位算法的復雜度與rill的順序相同，但是與rill相比，質(zhì)心定位算法的精度更差。

在本發(fā)明采用的在rill定位算法中，使用mac數(shù)據(jù)幀發(fā)送定位請求和響應(yīng)。在定位請求幀中，使用1個字節(jié)來定義定位請求幀的序列號，用于判斷請求幀是否被重復接收。此外，使用1個字節(jié)來定義幀的類型，用于區(qū)分定位幀和數(shù)據(jù)幀。定位響應(yīng)幀中的序列號用于識別移動節(jié)點的相應(yīng)請求幀。幀的類型用于區(qū)分定位幀與數(shù)據(jù)幀。本發(fā)明使用8個字節(jié)將固定節(jié)點的虛擬坐標傳送到移動節(jié)點進行定位?？梢栽趍ac頭的地址字段中獲取所有地址消息。此外，當接收到響應(yīng)幀時，可以經(jīng)由寄存器獲得rssi。