CN102395198A - 无线传感网络基于信号强度的节点定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线传感网络基于信号强度的节点定位方法及装置，其中所述的方法包括如下步骤：步骤1、确定侍定位节点通信区域内的多个锚节点；步骤2、锚节点通过定位测试信号获得该锚节点与其他锚节点的测量距离，并发送该测量距离；步骤3、计算锚节点测量距离与锚节点之间理论距离的修正因子；步骤4、根据修正因子计算所述侍定位节点与各锚节点的修正距离；步骤5、根据修正距离，利用三角测量法得到侍定位节点的位置坐标。本发明通过计算与锚节点之间的测试距离和理论距离有关的修正因子，对待定位节点与锚节点之间的测试距离进行修正，来提高待定位节点与锚节点之间距离的准确度，进而提高定位精度。

Description

无线传感网络基于信号强度的节点定位方法及装置

技术领域

本发明涉及一种节点定位方法及装置，尤其涉及一种无线传感网络基于信号强度的节点定位方法及装置。

现有技术

无线传感网络中的定位算法一般分为基于距离的定位算法和与距离无关的定位算法。基于距离的定位算法主要是通过测量节点间的实际距离或方位信息，然后使用三边测量法、三角测量法或极大似然估计法来计算节点位置。距离无关的定位算法主要是利用节点之间的连通性、相对位置或特定的协议估计距离来计算节点位置。在基于距离的定位算法中，主要通过到达时间(TOA)法、到达时间差(TDOA)、到达角度(AOA)法和接收信号强度指示(RSSI)法等方法测量节点间距或方位。基于到达时间(TOA)法、到达时间差(TDOA)等定位的方法，在获得较高精度的测量数据时，有较好的定位精度，但由于需要各个定位节点间进行时间同步，在实现上带来一定的复杂性。基于到达角度(AOA)法的定位方法，由于需要天线能获得较好的到达信号角度的数据，设备也是比较复杂的，同时也带来较高的成本。距离无关的定位算法则一般是通过大致估计的单跳距离来进行定位，使得定位精度并不高。

基于RSSI的定位方法中，微软公司开发的RADAR系统是一个典型的例子，该系统利用根据监测区域中部署的多个节点的信号强度，利用信号传播的经验模型和理论模型两种模型来测量节点距离，以获得节点位置信息。考虑到道路、隧道、管道和线路等特殊地方的监控应用，一些研究者将基于RSSI值的测距法从二维的平面定位算法转化为一维的直线定位算法，简化了算法复杂度，提高了定位精度。

RADAR系统和一维直线定位算法都是直接采用RSSI值来测距和定位，并未考虑网络环境和信号衰弱随机性导致的RSSI值的变化和误差，也未进行修正。因此，它们在维持方法简单性的同时，也存在定位精度不高的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种无线传感网络基于信号强度的节点定位方法及装置，以通过锚节点的数据来修正初步定位结果，减小定位误差，进而提高网络节点定位的精度。

本定位方法包括如下步骤：

步骤1、确定侍定位节点通信区域内的多个锚节点；

步骤2、锚节点通过定位测试信号获得该锚节点与其他锚节点的测量距离，并发送该测量距离；

步骤3、待定位节点根据锚节点的定位测试信号获得其与锚节点的初步测量距离，待定位节点根据自己存储的锚节点的坐标计算出各锚节点之间的理论距离，将理论距离和收到的测量距离进行比较，计算出锚节点测量距离与锚节点之间理论距离的修正因子；

步骤4、根据修正因子计算所述侍定位节点与各锚节点的修正距离；

步骤5、根据修正距离，利用三角测量法得到侍定位节点的位置坐标。

进一步地，在待定位节点的通信区域中，存在多个锚节点的话，待定位节点只取收到定位测试信号RSSI值最大的3个锚节点的数据进行计算。

一种无线传感网络中基于信号强度的节点定位装置，包括

设于侍定位节点通信区域内的多个锚节点；

测量距离计算模块，通过定位测试信号获得该锚节点与其他锚节点的测量距离，并发送该测量距离。

修正因子计算模块，待定位节点根据锚节点的定位测试信号获得其与锚节点的初步测量距离，待定位节点根据自己存储的锚节点的坐标计算出各锚节点之间的理论距离，将理论距离和收到的测量距离进行比较，计算出锚节点测量距离与锚节点之间理论距离的修正因子，

修正距离计算模块、根据修正因子计算所述侍定位节点与各锚节点的修正距离；

位置坐标计算模块、根据修正距离，利用三角测量法得到侍定位节点的位置坐标。

本发明通过计算与锚节点之间的测试距离和理论距离有关的修正因子，对待定位节点与锚节点之间的测试距离进行修正，来提高待定位节点与锚节点之间距离的准确度，进而提高定位精度。

附图说明

图1是本发明的信号强度测距图

图2是本发明的二次信号发送示意图

具体实施方式

为了更好地理解本发明的技术方案，现结合图例以一个较优的实施例对本发明进行详细的描述。

在一个典型的无线传感网络中，有少量已定位的节点(称为锚节点)和大量的待定位的节点。锚节点通过特定部署或GPS等方法，能够对自己进行精确的位置坐标，待定位节点则对自己的位置未知，必须通过与多个锚节点通过定位方法来获得自己的坐标，称为自定位过程。

本发明定位方法的具体具体实施例过程如下：

1、假设待定位节点的通信区域中，有多个锚节点，如图1所示，节点x为待定位节点，节点A、B、C、D为锚节点。

在一个定位过程中，锚节点总共发送二次定位测试信号。锚节点定位测试信号的二次发送过程如图2所示。在图2中，S1和S2分别表示锚节点第一次和第二次发送定位测试信号周期。在S1时间内，锚节点发送定位测试信号，同时接收其他锚节点的定位测试信号，并计算自己与其他锚节点的距离，记为测量距离；在S2时间内，各锚节点除发送定位测试信号外，同时发送自己与其他锚节点的测量距离；

2、待定位节点收到各锚节点的定位测试信号后，计算自己到各锚节点的距离；同时读出各锚节点之间的测量距离；

3、待定位节点根据自己存储的锚节点的坐标计算出各锚节点之间的理论距离，将理论距离和收到的测量距离进行比较，计算出锚节点测量距离与锚节点之间理论距离的修正因子，修正因子的计算过程如III所示。根据该修正因子修正自己到各锚节点的修正距离。

4、最后根据修正距离，利用三角测量法，计算自己的坐标，进行定位。

5、在待定位节点的通信区域中，存在多个锚节点的话，待定位节点只取收到定位测试信号RSSI值最大的3个锚节点的数据进行计算。因为图1所示的四个锚节点中，与待定位节点的距离锚节点D要大于其他三个锚节点，一般情况下，锚节点D到达待定位节点的RSSI值也会小于其他三个锚节点。因此，以上的计算过程只取锚节点ABC。

III、修正因子的算法如下：

以待定位节点通信区域中正好有三个锚节点A、B、C为例，锚节点ABC各自的理论距离为AB0，AC0，BC0；

锚节点第一轮发送定位测试信号得到的测试距离分别为AB1，AC1，BC1，AB2，AC2，BC2；

待定位节点与个锚节点的初步测试距离分别为DA，DB，DC；

则可计算得到各锚节点之间的修正因子分别为：

AB的修正因子xAB＝((AB1+AB2)/(AB0))^2

AC的修正因子xAC＝((AC1+AC2)/(AC0))^2

BC的修正因子xBC＝((BC1+BC2)/(BC0))^2

对待定位节点的修正因子为x＝(xAB+xAC+xBC)/3

则可计算得到待定位节点至各锚节点的修正距离分别为：

待定位节点至锚节点A的修正距离为DA′＝DA/(x)^0.5

待定位节点至锚节点B的修正距离为DB′＝DB/(x)^0.5

待定位节点至锚节点C的修正距离为DC′＝DC/(x)^0.5

同时，本发明还提供一种无线传感网络中基于信号强度的节点定位装置，包括：

设于侍定位节点通信区域内的多个锚节点；

测量距离计算模块，通过定位测试信号获得该锚节点与其他锚节点的测量距离，并发送该测量距离。

修正因子计算模块，待定位节点根据锚节点的定位测试信号获得其与锚节点的初步测量距离，待定位节点根据自己存储的锚节点的坐标计算出各锚节点之间的理论距离，将理论距离和收到的测量距离进行比较，计算出锚节点测量距离与锚节点之间理论距离的修正因子，

修正距离计算模块、根据修正因子计算所述侍定位节点与各锚节点的修正距离；

位置坐标计算模块、根据修正距离，利用三角测量法得到侍定位节点的位置坐标。

本发明根据锚节点之间的测试距离和理论距离，根据测试距离和理论距离的误差，来估计短时间内网络环境对RSSI值的影响。然后根据这种误差计算出测试距离的修正因子，对待定位节点和锚节点之间的测试距离进行修正，来修正网络环境对RSSI值的影响，最终获得更准确的待定位节点与锚节点之间的距离，提高节点的定位精度。

Claims (7)

1.一种无线传感网络基于信号强度的节点定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、确定侍定位节点通信区域内的多个锚节点；

步骤2、锚节点通过定位测试信号获得该锚节点与其他锚节点的测量距离，并发送该测量距离；

步骤3、待定位节点根据锚节点的定位测试信号获得其与锚节点的初步测量距离，待定位节点根据自己存储的锚节点的坐标计算出各锚节点之间的理论距离，将理论距离和收到的测量距离进行比较，计算出锚节点测量距离与锚节点之间理论距离的修正因子；

步骤4、根据修正因子计算所述侍定位节点与各锚节点的修正距离；

步骤5、根据修正距离，利用三角测量法得到侍定位节点的位置坐标。

2.根据权利要求1所述的无线传感网络基于信号强度的节点定位方法，其特征在于，在待定位节点的通信区域中，存在多个锚节点的话，待定位节点只取收到定位测试信号RSSI值最大的3个锚节点的数据进行计算。

3.根据权利要求1所述的无线传感网络基于信号强度的节点定位方法，其特征在于，步骤3中锚节点总共发送二次定位测试信号，锚节点第一次发送定位测试信号时，同时接收其他锚节点的定位测试信号，并计算自己与其他锚节点的距离，记为测量距离；锚节点第二次发送定位测试信号时，还同时发送自己与其他锚节点的测量距离。

4.根据权利要求2所述的无线传感网络基于信号强度的节点定位方法，其特征在于，所述各锚节点间修正因子的计算方法为：

AB的修正因子xAB＝((AB1+AB2)/(AB0))^2

AC的修正因子xAC＝((AC1+AC2)/(AC0))^2

BC的修正因子xBC＝((BC1+BC2)/(BC0))^2

所述A、B、C为区域内的三个锚节点，锚节点ABC各自的理论距离为AB0，AC0，BC0；锚节点第一轮发送定位测试信号得到的测试距离分别为AB1，AC1，BC1，AB2，AC2，BC2。

5.根据权利要求4所述的无线传感网络基于信号强度的节点定位方法，其特征在于，待定位节点的修正因子为x＝(xAB+xAC+xBC)/3。

6.根据权利要求5所述的无线传感网络基于信号强度的节点定位方法，其特征在于，待定位节点至各锚节点的修正距离的计算方法为：

待定位节点至锚节点A的修正距离为DA′＝DA/(x)^0.5

待定位节点至锚节点B的修正距离为DB′＝DB/(x)^0.5

待定位节点至锚节点C的修正距离为DC′＝DC/(x)^0.5

其中DA、DB、DC分别为侍定位节点与各锚节点之间的初步测试距离。

7.一种无线传感网络基于信号强度的节点定位装置，包括：

设于侍定位节点通信区域内的多个锚节点；

测量距离计算模块，通过定位测试信号获得该锚节点与其他锚节点的测量距离，并发送该测量距离；

修正因子计算模块，待定位节点根据锚节点的定位测试信号获得其与锚节点的初步测量距离，待定位节点根据自己存储的锚节点的坐标计算出各锚节点之间的理论距离，将理论距离和收到的测量距离进行比较，计算出锚节点测量距离与锚节点之间理论距离的修正因子，

修正距离计算模块、根据修正因子计算所述侍定位节点与各锚节点的修正距离；

位置坐标计算模块、根据修正距离，利用三角测量法得到侍定位节点的位置坐标。

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