一种基于移动锚节点RSSI的传感节点定位方法与流程

本发明涉及一种传感节点定位方法，尤其是涉及一种基于移动锚节点rssi的传感节点定位方法。
背景技术：
：无线传感器网络广泛应用于军事、工业控制、医学治疗、环境监测、智能开发等领域。位置信息对于传感器网络的监测活动来说是至关重要的，因此传感器网络最基本的功能之一就是确定事件发生的位置或获取消息的节点的位置。然而监测区域内随机分布的传感器节点事先无法知道自身的位置，所以节点布置后必须进行实时定位。传感器网络定位算法可分为两类：基于测距的定位算法和无需测距的定位算法。基于测距的节点定位技术通过电波信号获取未知节点和锚节点间的距离，再通过合适的计算方法估算出节点的大致位置。测距技术一般分为四种：基于toa(timeofarrival，到达时间)、基于tdoa(timedifferenceofarrival，到达时间差)、基于aoa(angleofarrival，到达角度)、基于rssi(receivedsignalstrengthindication，接收信号强度指数)。未知节点在获取与临近锚节点的距离，或与临近锚节点间的相对角度后，通常使用三边测量法、三角测量法或极大似然估计法来计算自身位置。其中基于toa/tdoa/aoa定位技术成本高、难度大，不适合无线传感器网络。基于rssi的定位技术不需要额外的硬件，具有硬件成本低、实现简单、低功耗等优点，对于无线传感器网络来说是一种经济方便的方法。目前大多数基于测距的定位算法都是直接通过未知节点和多个传感器节点间的距离来计算未知节点具体位置的。由于环境因素的影响，测量到的节点间距离与节点间实际的距离具有一定的偏差，这些偏差导致了节点的定位误差。技术实现要素：本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种硬件设备要求较低、实现复杂度低、定位精度高的基于移动锚节点rssi的传感节点定位方法。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于移动锚节点rssi的传感节点定位方法，包括以下步骤：s1，对无线网络进行初始化配置，所述的无线网络包括待定位的未知节点和2个以上锚节点；s2，各锚节点在同一平面内以各自设定轨迹做直线运动，并周期性广播自己的位置信息，同时未知节点收集各锚节点的信息，所述信息包括锚节点每次广播时的位置信息和对应rssi值；s3，对于每个锚节点，根据未知节点接收到的呈先增加后减小趋势的rssi值序列，计算未知节点在该锚节点轨迹上的垂点坐标；s4，根据未知节点在至少2个锚节点轨迹上的垂点坐标及对应的锚节点轨迹，利用几何关系得到未知节点的坐标。所述的步骤s3中，未知节点在锚节点轨迹上的垂点坐标计算方法包括以下步骤：s31，获取rssi值序列，序列中包含n个rssi值，将该锚节点每次广播信息的位置看作信标点，令该锚节点初始位置即第一个信标点的二维坐标为(x0，y0)，其余信标点与初始位置的距离为参考距离d，轨迹上最后一个信标点与初始位置的参考距离为dmax，以d为自变量，未知节点接收到的相应的rssi值为因变量，利用最小二乘法应用多项式模型，求得rssi的多项式表达式p(d)；s32，采用折半查找法得到未知节点在该锚节点轨迹上的垂点坐标，使该坐标点上对应的rssi值最大。所述的步骤s31中，筛选出数值大于阈值的rssi值，组成序列。所述的步骤s32具体包括以下步骤：1)在经筛选后的n个rssi值中选取最大值，记为第m个点，其值为rssi(m)。令rmax＝rssi(m)+p，p为正数，可根据实际情况做相应调整，目的是保证rmax＝p(d)在d∈[0,dmax]范围内无实根，令rmin＝rssi(m-s)或rmin＝rssi(m+s)，m±s代表信标点的序号，s取值为2、3或4，目的是保证rmin＝p(d)在d∈[0,dmax]范围内有两个实根；2)令rmid＝(rmax+rmin)/2，求解rmid＝p(d)；3)对步骤2)的求解结果进行判断，若方程无实根，则将rmax值更新为rmid，并返回步骤2)；若方程有两个实根d1和d2，且|d1-d2|＞ep，ep为设定的最小差值，则将rmin值更新为rmid，并返回步骤2)，若|d1-d2|＜ep，则进入步骤4)；4)df＝(d1+d2)/2，df为未知节点在锚节点轨迹上的垂点与锚节点初始位置的距离，垂点的二维坐标(xp，yp)根据下式计算：其中，θ为锚节点轨迹与二维坐标系x轴的夹角。所述的步骤s4中，未知节点的坐标(x，y)计算式为：其中，脚标1、2代表两个锚节点，θ为锚节点轨迹与二维坐标系x轴的夹角，未知节点在锚节点轨迹上的垂点的二维坐标为(xp，yp)。所述的步骤s2中，各锚节点做匀速率直线运动。与现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)本发明利用待定位未知节点从移动锚节点处接收到的rssi值的趋势计算出未知节点在锚节点运动轨迹上的垂点，过该垂点可求得锚节点运动轨迹的垂线，两条这样垂线的交点坐标就是待定位未知节点的坐标。该方法定位精度较高，且硬件组成简单，成本低，容易实现。(2)本发明以成熟的rssi技术为基础，将锚节点向未知节点发送的有强度损耗的信号和锚节点位置坐标巧妙地结合在了一起，根据几何关系计算得到未知节点的位置坐标，本发明的定位算法避免了累计误差的形成，精度高。而原先传统的基于锚节点rssi的定位算法通常都是先将无线信号在传播过程中的信号强度损耗转化为节点间的实际距离，再根据三边测量法或最大似然估计法计算未知节点的位置，因此存在定位误差积累，导致定位精度低。(3)本发明中根据待定位节点的部署区域给定锚节点的运动轨迹，仅使用两至三个移动锚节点即可定位整个监测区域内的未知节点，硬件成本低，且定位精度高，适合于开阔的室外环境。一个典型的应用如在战场，将坦克或飞行器作为移动锚节点，即可定位战场区域内的传感节点。(4)锚节点做匀速率直线运动，可准确计算其位置信息，提高定位精度。附图说明图1为本发明所提供的基于移动锚节点rssi的传感节点定位方法的步骤流程图。图2为本实施例计算未知节点坐标的示意图；图3为本实施例中未知节点的分布；图4为本实施例中锚节点的轨迹图；图5为本实施例和三边定位结果的对比图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。实施例如图1所示，本实施例基于移动锚节点rssi的传感节点定位方法的步骤如下：步骤1.对无线传感器网络进行初始化配置，所述位置已知的锚节点在监测区域内做匀速直线运动，并周期性广播自己的位置信息，锚节点的运动轨迹是事先布置好的。锚节点每次广播信息的位置看作是信标点，锚节点的初始位置即第一个信标点的位置，令其二维坐标为(x0,y0)，其余信标点与令初始位置的距离称为参考距离，令为d，轨迹上最后一个信标点与初始位置的参考距离令为dmax，所述锚节点轨迹与二维坐标系横轴的夹角为θ。步骤2.待定位的未知节点收集移动锚节点的信息，所述信息包括锚节点每次广播时的位置坐标和rssi值；步骤3.根据未知节点接收到的呈先上升后下降趋势的rssi值计算出未知节点在锚节点轨迹上的垂点坐标；具体步骤如下：步骤3-1.未知节点接收到的rssi值是一个序列，筛选出大于阈值th的rssi值组成一个新的序列，令该序列中共有n个点，所述阈值th根据实际硬件参数做相应调整，目的是为了避免数值太小的rssi在步骤3-2中影响拟合多项式的结果，并减少了一部分计算量。步骤3-2.以一条直线轨迹上信标点与初始位置的参考距离d为自变量，未知节点接收到的相应的rssi值为因变量，利用最小二乘法应用多项式模型，求得rssi的多项式表达式p(d)。步骤3-3.在经筛选后的n个rssi值中选取最大值，记为第m个点，其值为rssi(m)。令rmax＝rssi(m)+p，p可根据实际情况做相应调整，目的是保证rmax＝p(d)在d∈[0,dmax]范围内无实根；令rmin＝rssi(m-s)或rmin＝rssi(m+s)，s取值为2、3或4目的是保证rmin＝p(d)在d∈[0,dmax]范围内有两个实根。步骤3-4.令rmid＝(rmax+rmin)/2，求解rmid＝p(d)。步骤3-5.如步骤3-4所述的方程若无实根，rmax＝rmid，并返回步骤3-4。若有两个实根d1和d2，且|d1-d2|＞ep，rmin＝rmid，并返回步骤3-4；若|d1-d2|＜ep，进入步骤3-6。步骤3-6.df＝(d1+d2)/2为未知节点在锚节点轨迹上的垂点距离锚节点初始位置的距离，所述垂点的二维坐标(xp,yp)可根据几何关系求得：步骤4.根据求得的垂点可得到过该垂点的锚节点轨迹的垂线，记为l，表达式为：y＝-cotθ·(x-xp)+yp(2)步骤5.计算两条不同轨迹的垂线的交点，得到的结果就是未知节点的坐标，定位结束。未知节点的坐标(x,y)即两条垂线l1、l2的交点坐标，计算公式为：从上述定位方法的步骤中可以得出，本实施例至少需要两条锚节点轨迹，且这两条轨迹不平行。在实际运用过程中可以有多条锚节点轨迹，未知节点接收到每条轨迹对应的rssi序列，每个序列中值大于阈值th的个数分别为n1,n2,n3,…，从n1,n2,n3,…中选取值最大的两个，并将对应的锚节点轨迹应用于上述定位方法。本实施例的定位方法如上述步骤所述，没有直接通过未知节点和多个传感器节点间的距离来计算未知节点具体位置，避免了累计误差的形成；利用相当少数的移动锚节点即可定位整个监测区域内的未知节点，硬件成本低，且定位精度高。本实施例中，锚节点在传感区域中沿直线做匀速运动，并周期性的广播其位置信息。未知节点接收到锚节点广播的信息，获得一组rssi值。锚节点靠近未知节点时，rssi值增大；锚节点远离未知节点时，rssi值减小。假设信道模型为对数正态阴影模型，与发射器相距距离d处的rssi值由下面的公式得出：rssi(d)＝pt-pl(d)(4)pt是发射功率；pl(d0)是信号传输相对距离(即d0)的路径损失；η是路径衰减因子；xσ为平均值为0的高斯分布随机数。本实施例选用的参数如表1所示。表1参数选择参数值检测区域(m×m)100×100未知节点数20锚节点数3信标之间的距离(m)5信道模型对数阴影模型路径损耗指数η2xσ的标准差4发射功率pt(w)1阈值th(w)3×10-7如图3所示为本实施例中未知节点的分布，本实施例共进行五次实验，图3中相同符号的为同一次实验中的未知节点。本实施例选用了三个锚节点，如图4所示是锚节点的轨迹图，圆圈表示信标点。锚节点1从(0,100)运动到(100,0)，轨迹包含一条线段；锚节点2从(0,0)运动到(100,100)，轨迹包含一条线段；锚节点3从(50,100)沿着如图4的轨迹依次经过(0，50)、(50，0)、(100，50)，最后回到(50，100)，轨迹包含四条线段。如表2所示是本实施例的定位结果。表2本实施例采用传统的三边定位法的结果作为对比，所述的三边定位法中，锚节点个数为50，随机分布在监测区域中。如图5所示，是本实施例和三边定位的结果的对比，横坐标表示未知节点不同的分布，纵坐标表示定位偏差小于2的未知节点的个数。从图上可以看出，三边定位的效果远不如本实施例好。当前第1页12