专利名称：一种基于种子节点选择的无线传感器网络定位方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种无线传感器网络定位方法及系统。
背景技术：
无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术，能够实时监测、感知和采集各种环境或检测对象的信息，具有灵活性、容错性、高感知能力、低费用以及快速布局等特点，广泛应用于国防军事、环境监测和预报、医疗卫生、空间探索等领域。无线传感器网络中的很多特定应用都依赖于传感器节点或者目标物体的地理位置信息。传感器节点必须明确自身位置才能详细说明在什么位置或区域发生了特定事件，实现对外部目标的定位和追踪。现有的无线传感器网络定位方法普遍利用无线电信号的强度值进行定位，存在定位精度低的问题，而要提高定位精度，最简单的无线传感器节点定位方法就是为无线传感器网络中的节点全部安装GPS定位仪，但是由于实际应用中，部署在一个无线传感器网络中的无线传感器节点的数量非常庞大，所以这种方法增加了无线传感器节点的设备复杂性，极大的增加了利用无线传感器网络进行监测的成本。因此，目前还没有一种在不增加无线传感器节点设备复杂性的前提下实现高精度定位的方法及相关系统。因此，针对上述技术问题，有必要提供一种具有改良结构的无线传感器网络定位方法及系统，以克服上述缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无线传感器网络定位方法及系统，用于实现在不增加无线传感器节点设备复杂性的前提下，提高无线传感器网络的定位精度。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案一种基于种子节点选择的无线传感器网络定位方法，所述无线传感器网络中包括位置已知的用以发送无线信号的锚节点和位置未知的待定位节点，其包括I)依据待定位节点接收到的无线信号及无线信号衰减模型，获得所述待定位节点与发送所述无线信号的锚节点间的第一距离，所述无线信号包括锚节点的位置坐标及所述无线信号的发射功率；2)从与所述待定位节点接收到的无线信号相对应的锚节点中，选择预设数量的锚节点以构造预设数量的锚节点组合；3)选取锚节点组合中的锚节点子组合，进而对各个锚节子组合进行计算，从而筛选出符合要求的锚节点组成目标锚节点子组； 4)根据所述目标锚节点子组合中锚节点的位置坐标计算所述待定位节点的最终位置坐标。优选的，在上述无线传感器网络定位方法中，所述步骤I)前还包括控制锚节点向所述待定位节点发送无线信号。优选的，在上述无线传感器网络定位方法中，所述步骤3)具体包括31)当所述锚节点组合中含有N个锚节点，选择所述锚节点组合中每Ν-k个锚节点设置为一个锚节点子组合，其中k为小于 N的预设值，选取M个组合；32)依据所述锚节点的位置坐标及所述锚节点与所述待定位节点的第一距离，获得与所述每个锚节点子组合相对应的所述待定位节点的初始位置坐标，总共有M个；33)依据每个锚节点子组合中各个锚节点所对应的所述待定位节点的初始位置坐标，计算所述待定位节点与各个锚节点的第二距离；34)计算与所述每个锚节点子组合中各个锚节点所对应的第一距离与第二距离的偏差值，并取偏差值的中间值作为所述各个锚节点组合的代表偏差值；35)使用所述代表偏差值的最小值求出权，并取代表偏差值最小的锚节点子组合所求出的坐标作为暂定的估计坐标，然后使用此坐标再次求出所述待定节点与所有锚节点的第二距离，且计算出与对应锚节点的第一距离之间的偏差值，通过权来判断每个锚节点所对应的偏差值是否在允许范围之内，若不在，舍去此锚节点的数据，若在，则保留此锚节点数据；36)按照所保留的锚节点数量设置一个新的锚节点子组合，并使这个锚节点子组合执行步骤32)。优选的，在上述无线传感器网络定位方法中，所述无线信号衰减模型为
其中，P为相应锚节点所发射无线信号的发射功率，q为待定位节点所接收到的相应锚节点的无线信号功率，d为待定位节点与相应锚节点的第一距离，a为信号衰减因子。为实现上述目的，本发明还提供如下技术方案一种基于种子节点选择的无线传感器网络定位系统，所述无线传感器网络包括位置已知的用以发送无线信号的锚节点和位置未知的待定位节点，其包括第一计算模块，用于依据待定位节点接收到的无线信号及无线信号衰减模型，获得所述待定位节点与发送所述无线信号的锚节点间的第一距离；锚节点组合构造模块，用于选择锚节点，并构造含有预设数量的锚节点组合；目标锚节点子组合获取模块，用于根据所述锚节点组合构造锚节点子组合，并计算每个锚节点子组合的偏差值的中间值作为此锚节点子组合的代表偏差值，求出最小的代表偏差值和权，且选择代表偏差最小的子组合所求出的坐标作为暂定的估计坐标，计算出每个锚节点的偏差值，使用权为依据判断是否保留已知锚节点的数据，从而获取一个所有锚节点的偏差值在允许范围内的锚节点组成的目标锚节点子组合；第二计算模块，用于根据所述锚节点子组合计算所述待定位节点的最终位置坐标。优选的，在上述无线传感器网络定位系统中，所述目标锚节点子组合获取模块包括设置单元，用于设置含有预设数量锚节点的锚节点子组合；
初始位置坐标计算单元，用于依据所述锚节点的位置坐标及与每个锚节点相对应的第一距离，获得所述待定位节点与所述每个锚节点子组合中各个锚节点相对应的的初始位置坐标；第二距离计算单元，用于根据初始位置坐标计算单元得到的位置坐标，计算获取所述待定位节点与各个锚节点的第二距离；偏差值中间值获取单元，用于计算每个锚节点子组合所求出的坐标与所述各个锚节点相对应的第一距离、第二距离的偏差值的中间值；暂定的估计坐标获取单元，选取偏差值的中间值最小的锚节点子组合所求出的坐标作为暂定的估计坐标；最终偏差值获取单元，使用暂定的估计坐标所对应的第二距离，计算出与对应锚节点的第一距离之间的偏差值；判断单元，用于判断所述每个锚节点偏差值是否在允许范围内。从上述技术方案可以看出，本发明实施例的基于种子节点选择的无线传感器网络定位方法及系统，考虑到无线传感器网络中在确定待定位节点位置的过程中包含误差较大的测量数据，因此，在定位过程中，根据锚节点所发射的无线信号计算出所述待定位节点与各个锚节点之间的距离后，分成多个锚节点子组合，进而对各个锚节子组合进行计算，从而筛选出偏差值最小的锚节点子组合，并且能够有效地剔除误差较大的测量数据，进而有效提高对所述待定位节点定位的精确度，而且，所述方法是在原有的无线电网络设备的基础上实现的，并没有在无线传感器节点上增加额外的设备，降低了无线电网络的使用成本。
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的有关本发明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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图I是本发明实施例的无线传感器网络定位方法流程图；图2是本发明实施例的无线传感器网络定位系统的示意图；图3是本发明实施例的无线传感器网络定位系统中的目标锚节点子组合获取模块的不意 图4是本发明当r=0. 2时，求20次待定节点坐标的误差；
图5是本发明当r=0. I时，求20次待定节点坐标的误差；
图6是本发明当r=0. 06时，求20次待定节点坐标的误差；
图7是本发明当r=0. 02时，求20次待定节点坐标的误差。
具体实施例方式本发明公开了一种基于种子节点选择的无线传感器网络定位方法及定位系统，该定位方法及定位系统根据锚节点所发射的无线信号计算出所述待定位节点与各个锚节点之间的距离后，分成多个锚节点子组合，进而对各个锚节子组合进行计算，从而筛选出偏差值最小的锚节点子组合，并且能够有效地剔除误差较大的测量数据，进而有效提高对所述待定位节点定位的精确度，通过使用该定位方法及定位系统，能够解决利用现有技术计算待定位节点时存在较大误差的问题。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详细的描述，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的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。如图I所示，无线传感器网络包括位置已知的用以发送无线信号的锚节点和位置未知的待定位节点，本发明提供的基于种子节点选择的无线传感器网络定位方法，包括SI :依据待定位节点接收到的无线信号及无线信号衰减模型，获得所述待定位节点与发送所述无线信号的锚节点间的第一距离； S2:从与所述待定位节点接收到的无线信号相对应的锚节点中，选择预设数量的锚节点以构造预设数量的锚节点组合；S3:选取锚节点组合中的锚节点子组合，进而对各个锚节子组合进行计算，从而筛选出符合要求的锚节点组成目标锚节点子组合；S4 :根据所述目标锚节点子组合中锚节点的位置坐标计算所述待定位节点的最终位置坐标。在上述步骤SI中，无线信号包括锚节点的位置坐标及所述无线信号的发射功率。在上述步骤SI中，无线信号衰减模型的公式为q=其中，P为相应锚节点所发射无线信号的发射功率，q为待定位节点所接收到的相应锚节点的无线信号功率，d为待定位节点与相应锚节点的距离，a为信号衰减因子。在实际应用中，a的取值随环境变化有所不同，一般情况下将a设置为2，但根据实际的应用场景，也可以选择其他值作为信号衰减因子。在上述步骤S2中，在复杂的电磁环境影响之下，当所述锚节点向所述待定位节点发送无线信号时，由于受到环境的影响，以及信号的多径衰落、阴影衰落等原因，并非所有锚节点发送的无线信号都能被待定位节点接收，所述待定位节点接收到的只是一部分锚节点发送的无线信号，因此，在构造锚节点组合时，选取的锚节点为其发送的无线信号能够被待定位节点所接收的锚节点，同时，为了使待定位节点的定位结果能够更准确，所述锚节点组合中选取的锚节点尽量分布在所述待定位节点的四周，以免选取的锚节点集中在一个区域，从而影响计算结果，同时，选取的所述锚节点分布在一个合适的距离内，以免距离所述待定位节点太远，造成无线信号在传输过程中的过度衰减。上述步骤S3更具体讲为选取锚节点组合中的锚节点子组合，并依据每个锚节点子组合中各个锚节点与所述待定位节点的第一距离以及各个锚节点的位置坐标，计算待定位节点的坐标，用此坐标算出待定位节点与所述每个锚节点所对应的第二距离以及对应的第一距离和第二距离的偏差值，并取偏差值的中间值作为所述各个锚节点子组合的代表偏差值，使用所述代表偏差值的最小值求出权，并取代表偏差值最小的锚节点子组合所求出的坐标作为暂定的估计坐标，然后使用此坐标再次求出所述待定节点与所有锚节点的第二距离，且计算出与对应锚节点的第一距离之间的偏差值，通过权来判断每个锚节点所对应的偏差值是否在允许范围之内，若不在，舍去此锚节点的数据，若在，则保留此锚节点数据，选择符合要求的锚节点组成目标锚节点子组合。在上述步骤S4中，根据所述目标锚节点子组合中锚节点的位置坐标计算所述待定位节点的最终位置坐标时，使用的计算方式可以采用最小二乘法的方式，或采取其他方式。进一步的，在实际的定位过程中，在上述步骤SI之前，还包括控制锚节点向所述待定位节点发送无线信号。
上述步骤S3具体包括S31 :当所述锚节点组合中含有N个锚节点，选择所述锚节点组合中每N-k个锚节点设置为一个锚节点子组合，其中k为小于N的预设值，选取M个组合；S32 :依据所述锚节点的位置坐标及所述锚节点与所述待定位节点的第一距离，获得与所述每个锚节点子组合相对应的所述待定位节点的初始位置坐标，总共有M个；S33 依据每个锚节点子组合中各个锚节点所对应的所述待定位节点的初始位置坐标，计算所述待定位节点与各个锚节点的第二距离；S34:计算与所述每个锚节点子组合中各个锚节点所对应的第一距离与第二距离的偏差值，并取偏差值的中间值作为所述各个锚节点组合的代表偏差值；S35 :使用所述代表偏差值的最小值求出权，并取代表偏差值最小的锚节点子组合所求出的坐标作为暂定的估计坐标，然后使用此坐标再次求出所述待定节点与所有锚节点的第二距离，且计算出与对应锚节点的第一距离之间的偏差值，通过权来判断每个锚节点所对应的偏差值是否在允许范围之内，若不在，舍去此锚节点的数据，若在，则保留此锚节点数据；S36 :按照所保留的锚节点数量设置一个新的锚节点子组合，并使这个锚节点子组合执行步骤32)，但只产生一个目标位置坐标。在上述步骤S31中，假设所述锚节点组合中，有百分率为e的所述锚节点相对应的第一距离与实际值存在较大误差，可以根据概率P求出取得一组第一距离与实际距离相符或误差小时M和k的取值，而将每k个锚节点设置为一个锚节点子组合，若使P > = O. 99则必将存在一个锚节点子组合中，与所述锚节点相对应的第一距离与实际值相符或误差较小，因此，通过设置锚节点子组合的方式，能够剔除掉错误数据，另外，其中k的取值可以为大于等于3的预设值；在上述步骤S32中，在计算所述待定位节点的位置坐标的过程中，可以采用最小二乘法的方式来计算，但也可以采用其他方式。上述步骤S34具体为计算代表每个锚节点子组合的偏差值，求出与初始坐标值对应的锚节点的第一距离与第二距离的偏差值，其中第一距离用d表示，设第二距离用D表示，并取其中的中间值作为此坐标值对应的锚节点子组合的代表偏差值，用r表示所述第一距离与第二距离的差，可以取所述代表偏差值为R = med r，当然，也可以选取其他方式来计算所述偏差值，例如，设定所述偏差值为所述第一距离与所述第二距离的差值的绝对值，本申请不做限定。上述步骤S35具体为选择所述代表偏差值R最小的锚节点子组合所对应的待定节点坐标作为暂定的估计坐标，取最小的代表偏差值R求出权w，使用暂定的估计坐标求出与每个锚节点的第二距离，求出对应的第一距离和第二距离的偏差值作为最终的各自锚节点的偏差值，并根据权和参数U (根据噪声的强度而定，噪声强度越大取值越小)判断前述偏差值是否在允许范围内，若不在，舍去此锚节点数据，若在，保留并组成目标锚节点子组合，使用最小二乘法或其他方法求出最终待定节点坐标。下面结合具体的实施例对本发明所提供的方案进行详细描述。在IOOmX IOOm监测区域内，多个传感器节点部署于监测区域，其中，sl_sl6为16个锚节点，将这16个锚节点设置为一个锚节点组合，用于后续对待定位节点的定位，us为I个待定位节点。假设锚节点组合中的16个锚节点的位置坐标分别为Si (0,0)，s2(0,10)，s3 (O, 20)，s4 (0，30)，s5 (10，0)，s6 (10，10)，s7 (10，20)，s8 (10，30)，s9 (20，0)，slO (20，10)，sll (20，20)，sl2 (20，30)，sl3 (30，0)，sl4 (30，10)，sl5 (30，20)，sl6 (30，30)，并且假设待定位节点位置坐标为us (15,15)。所述锚节点组合中的16个锚节点周期性的发射无线信号，所述无线信号中包括锚节点的位置坐标，分别为上述位置坐标sl-sl6，以及无线信号发射功率P。所述待定位节点接收锚节点的无线电发射信号，然后，根据无线信号衰减模型，计算锚节点与待定位节点us之间的第一距离d，其中，根据无线信号衰减模型公式q=其中，P为相应锚节点所发射无线信号的发射功率，q为待定位节点所接收到的相应锚节点的无线信号功率，d为待定位节点与相应锚节点的距离，a为信号衰减因子。在实际应用中，a的取值随环境变化有所不同。在本次试验中，衰减因子a设为2，因此，通过计算可以分别得到待定位节点us与 16 个锚节点的第一距离依次为dl = 22. 0407，d2 = 16. 0244，d3 = 16. 4001，d4 =21. 5766，d5 = 16. 3589，d6 = 7. 7486，d7 = 7. 4429，d8 = 15. 4861，d9 = 15. 9667，dlO =7. 3526，dll = 7. 5234，dl2 = 15. 9372，dl3 = 21. 2987，dl4 = 16. 4274，dl5 = 15. 8655，dl6 = 20. 7826。在此说明定位一个点至少需要三组数据，所以在这我们至少选取3个锚节点作为一组，本实验中，选取4个锚节点作为一组，这是为了减少出现我们取的节点靠得太近而不能得到待定节点坐标的情况的几率，这就要求在我们的锚节点中至少有4个正确的或误差很小的数据，但是在实际中考虑到锚节点的计算能力和所要求算法的准确性，我们不能计算所有的可能组合，但是我们又必须有至少一个节点组合的数据误差较小，只有这样才能得到误差小的待定节点坐标，我们可以使得到至少一个节点组合为误差小的概率大于99%,我们就必须考虑选取适当的锚节点子组合数M。本实验中，选取M = 20，这样就可忍受30%的污染率(锚节点中误差较大的所占的比例)，其中噪声遵循高斯分布，假设其中有4个错误数据，即误差较大的数据，且假设所述错误数据位d4、d8、dl2时，根据上述方法，从16个锚节点中随机选择4个锚节点作为锚节点子组合，总共选取20组，理论上讲，这20组里面至少有一组数据都是正确的概率大于99. 5%，也就是20组里有一组不存在d4、d8、dl2这四个数据的概率是大于99. 5%。在一次实验中所述的16个锚节点子组合的设置情况可以参见下表，对上述的每个锚节点子组合，分别利用最小二乘法的方法计算待定位节点的初始位置坐标，则可以得到如下表的结果
权利要求
1.一种基于种子节点选择的无线传感器网络定位方法，所述无线传感器网络中包括位置已知的用以发送无线信号的锚节点和位置未知的待定位节点，其特征在于包括 1)依据待定位节点接收到的无线信号及无线信号衰减模型，获得所述待定位节点与发送所述无线信号的锚节点间的第一距离，所述无线信号包括锚节点的位置坐标及所述无线信号的发射功率； 2)从与所述待定位节点接收到的无线信号相对应的锚节点中，选择预设数量的锚节点以构造预设数量的锚节点组合； 3)选取锚节点组合中的锚节点子组合，进而对各个锚节子组合进行计算，从而筛选出符合要求的锚节点组成目标锚节点子组； 4)根据所述目标锚节点子组合中锚节点的位置坐标计算所述待定位节点的最终位置坐标。
2.根据权利要求I所述的无线传感器网络定位方法，其特征在于步骤I)前还包括控制锚节点向所述待定位节点发送无线信号。
3.根据权利要求I所述的无线传感器网络定位方法，其特征在于步骤3)具体包括 31)当所述锚节点组合中含有N个锚节点，选择所述锚节点组合中每N-k个锚节点设置为一个锚节点子组合，其中k为小于N的预设值，选取M个组合； 32)依据所述锚节点的位置坐标及所述锚节点与所述待定位节点的第一距离，获得与所述每个锚节点子组合相对应的所述待定位节点的初始位置坐标，总共有M个； 33)依据每个锚节点子组合中各个锚节点所对应的所述待定位节点的初始位置坐标，计算所述待定位节点与各个锚节点的第二距离； 34)计算与所述每个锚节点子组合中各个锚节点所对应的第一距离与第二距离的偏差值，并取偏差值的中间值作为所述各个锚节点组合的代表偏差值； 35)使用所述代表偏差值的最小值求出权，并取代表偏差值最小的锚节点子组合所求出的坐标作为暂定的估计坐标，然后使用此坐标再次求出所述待定节点与所有锚节点的第二距离，且计算出与对应锚节点的第一距离之间的偏差值，通过权来判断每个锚节点所对应的偏差值是否在允许范围之内，若不在，舍去此锚节点的数据，若在，则保留此锚节点数据； 36)按照所保留的锚节点数量设置一个新的锚节点子组合，并使这个锚节点子组合执行步骤32)。
4.根据权利要求I所述的无线传感器网络定位方法，其特征在于所述无线信号衰减模型为其中，P为相应锚节点所发射无线信号的发射功率，q为待定位节点所接收到的相应锚节点的无线信号功率，d为待定位节点与相应锚节点的第一距离，a为信号衰减因子。
5.一种基于种子节点选择的无线传感器网络定位系统，所述无线传感器网络包括位置已知的用以发送无线信号的锚节点和位置未知的待定位节点，其特征在于包括 第一计算模块，用于依据待定位节点接收到的无线信号及无线信号衰减模型，获得所述待定位节点与发送所述无线信号的锚节点间的第一距离； 锚节点组合构造模块，用于选择锚节点，并构造含有预设数量的锚节点组合；目标锚节点子组合获取模块，用于根据所述锚节点组合构造锚节点子组合，并计算每个锚节点子组合的偏差值的中间值作为此锚节点子组合的代表偏差值，求出最小的代表偏差值和权，且选择代表偏差最小的子组合所求出的坐标作为暂定的估计坐标，计算出每个锚节点的偏差值，使用权为依据判断是否保留已知锚节点的数据，从而获取一个所有锚节点的偏差值在允许范围内的锚节点组成的目标锚节点子组合； 第二计算模块，用于根据所述锚节点子组合计算所述待定位节点的最终位置坐标。
6.根据权利要求5所述的无线传感器网络定位系统，其特征在于所述目标锚节点子组合获取模块包括 设置单元，用于设置含有预设数量锚节点的锚节点子组合； 初始位置坐标计算单元，用于依据所述锚节点的位置坐标及与每个锚节点相对应的第一距离，获得所述待定位节点与所述每个锚节点子组合中各个锚节点相对应的的初始位置坐标； 第二距离计算单元，用于根据初始位置坐标计算单元得到的位置坐标，计算获取所述待定位节点与各个锚节点的第二距离； 偏差值中间值获取单元，用于计算每个锚节点子组合所求出的坐标与所述各个锚节点相对应的第一距离、第二距离的偏差值的中间值； 暂定的估计坐标获取单元，选取偏差值的中间值最小的锚节点子组合所求出的坐标作为暂定的估计坐标； 最终偏差值获取单元，使用暂定的估计坐标所对应的第二距离，计算出与对应锚节点的第一距离之间的偏差值； 判断单元，用于判断所述每个锚节点偏差值是否在允许范围内。
全文摘要
一种基于种子节点选择的无线传感器网络定位方法，包括获得待定位节点与锚节点间的第一距离；从该锚节点中选择锚节点子组合，并依据每个锚节点子组合中各个锚节点与所述待定位节点的第一距离与锚节点位置坐标计算待定节点的坐标及所有锚节点与所述待定位节点的第二距离，并计算第一距离与第二距离的偏差值的中间值，取出所有中间值中的最小值和这个值所对应的锚节点组合求出的待定节点的坐标；选择符合要求的锚节点组成目标锚节点子组合，计算出所述待定位节点的最终位置坐标。此方法通过对各个锚节子组合进行计算，从而筛选出偏差值最小的锚节点子组合，并剔除误差较大的测量数据，进而有效提高对所述待定位节点定位的精确度。
文档编号H04W64/00GK102665272SQ20121006158
公开日2012年9月12日 申请日期2012年3月9日 优先权日2012年3月9日
发明者刘道海, 孙玉娥, 汪一鸣, 郑建颖, 黄艳 申请人:苏州大学