專利名稱：一種對(duì)wsn混合定位的系統(tǒng)和方法模型的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明應(yīng)用于大規(guī)模WSN(Wireless Sensor Network，無線傳感器網(wǎng)絡(luò))中節(jié)點(diǎn)的自身位置定位的領(lǐng)域中，利用分布式計(jì)算技術(shù)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法解決了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)自身定位問題，并且提出一種混合式定位的方法彌補(bǔ)了現(xiàn)有定位方法中的不足。因此特別提供了一種在大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于混合定位的方法模型。

背景技術(shù)：
近年來微機(jī)電系統(tǒng)(nicro-electro-mechanism system，簡稱MEMS)、集成電路、無線通訊、傳感器和低功耗高集成數(shù)字設(shè)備的發(fā)展，導(dǎo)致了低成本、低功耗、微體積傳感器節(jié)點(diǎn)的出現(xiàn)。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為室21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一，是眾多的傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信的方式相互聯(lián)系，處理并傳遞信息的網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù)。傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，它的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相對(duì)較弱，主要是通過攜帶能量有限的電池供電，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或者監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行處理，傳遞給所需用戶。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事、工業(yè)、交通、安全、醫(yī)療、探測(cè)以及家庭和辦公環(huán)境等很多方面都有著廣泛的用途。
在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，位置信息對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)活動(dòng)非常重要，事件發(fā)生的位置或獲取信息的節(jié)點(diǎn)位置是傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)信息中所包含的重要信息，沒有位置信息的監(jiān)測(cè)消息往往是沒有意義的，因此，節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)確地進(jìn)行自身定位是WSN應(yīng)用的重要條件，并且WSN節(jié)點(diǎn)自身的定位還可以在外部目標(biāo)的定位和追蹤以及提高路由效率等方面發(fā)揮作用，因此，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的自身定位對(duì)WSN具有重要的意義。
定位信息除了用來報(bào)告事件發(fā)生的地點(diǎn)外，它還具備目標(biāo)跟蹤、協(xié)助路由、網(wǎng)絡(luò)管理等。因此在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的精確定位對(duì)各種應(yīng)用有著重要的作用。一種優(yōu)良的定位方法應(yīng)該具備1、錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)目盡可能少，容易配置網(wǎng)絡(luò)；2、網(wǎng)絡(luò)通信量最小化，節(jié)省節(jié)點(diǎn)在通信中所消耗的能量；3、計(jì)算方案簡單，可以有效的降低硬件的成本；4、魯棒性要強(qiáng)，使傳感器可以適合各種地理環(huán)境，并且易于網(wǎng)絡(luò)維護(hù)，延長網(wǎng)絡(luò)的壽命；5、定位精度高，保證信息上報(bào)的準(zhǔn)確性。
現(xiàn)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自身定位方法主要有兩種1、無需測(cè)距的定位方法此方法需要建立固定錨節(jié)點(diǎn)，其就是要知道自身的地理坐標(biāo)位置的傳感器節(jié)點(diǎn)，它們經(jīng)常被事先安置在某個(gè)確定位置，或者自身配置GPS裝置。前者要求在某些場合不能得到滿足，例如人類不易到達(dá)的條件惡劣、地勢(shì)險(xiǎn)要的地區(qū)；后者雖然能避免自然環(huán)境的限制，但是由于GPS(GlobalPosition System，全球定位系統(tǒng))接收裝置的價(jià)格昂貴，能耗高且不易回收，因此不能大規(guī)模的安置；2、基于測(cè)距的定位方法此方法通過測(cè)量節(jié)點(diǎn)間點(diǎn)到點(diǎn)的距離或角度信息計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置，這種方法固定錨節(jié)點(diǎn)少，降低了成本的開銷，適應(yīng)于大規(guī)模的布置，并且大大降低自然環(huán)境的限制，但是這種方法的定位精度相對(duì)不高，估算出的位置和真實(shí)位置之間的偏差，即定位誤差較大。由于誤差的累計(jì)，會(huì)使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)離錨節(jié)點(diǎn)越遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)偏差越大。并且這種方法通常需要多次測(cè)量、循環(huán)求精，在獲得相對(duì)精確的定位結(jié)果的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的計(jì)算和通信開銷。
現(xiàn)有的定位方法存在著很多局限性，例如GPS設(shè)備昂貴使得成本過高，不利于大規(guī)模的布置節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而且不能在室內(nèi)使用RSSI(Received Signal Strength Indicator，接受信號(hào)強(qiáng)度顯示)來計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的距離，由于RF容易受到噪聲和障礙物的干擾，因此測(cè)量到的結(jié)果誤差特別大，從而導(dǎo)致了定位精度的下降；TOA(Time Of Arrival，到達(dá)的時(shí)間)和TDOA(Time Difference Of Arrival，到達(dá)的不同時(shí)間)將超聲波用于到節(jié)點(diǎn)的距離計(jì)算，雖然定位精度比較高，但是由于超聲波有很強(qiáng)的方向性，從而使得在實(shí)際應(yīng)用方面受到很大的限制，會(huì)出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)無法得到用于定位所需的錨節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，因此部分節(jié)點(diǎn)將無法定位而產(chǎn)生很多盲區(qū)。
因此，設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身定位的方法要兼顧上面兩種定位方法取之精華，去之糟粕，均衡它們的有缺點(diǎn)，所以設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于WSN混合定位的系統(tǒng)和方法模型。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種應(yīng)用于WSN混合定位的系統(tǒng)和方法模型，采用建立少量固定位置的錨節(jié)點(diǎn)，通過節(jié)點(diǎn)間點(diǎn)到點(diǎn)的測(cè)量，然后利用數(shù)學(xué)的方法來定位其他節(jié)點(diǎn)，因此本發(fā)明優(yōu)化了多種定位方法，彌補(bǔ)了它們之間的不足，這樣既可以降低成本，而且提高了定位精度。
在本發(fā)明中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)主要分為如下四類 標(biāo)準(zhǔn)位置節(jié)點(diǎn)(錨點(diǎn))這類節(jié)點(diǎn)通過GPS(全球定位系統(tǒng))定位或人工設(shè)置等手段已經(jīng)預(yù)先知道自己的精確位置，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中其他需要定位的節(jié)點(diǎn)提供位置計(jì)算參考。這類節(jié)點(diǎn)必須事先散布在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。
未知位置節(jié)點(diǎn)(目標(biāo)節(jié)點(diǎn))不知道自己的位置，需要參考標(biāo)準(zhǔn)位置節(jié)點(diǎn)或者已知位置節(jié)點(diǎn)的位置信息。
SINK節(jié)點(diǎn)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)收集多個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息，并對(duì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)提供相應(yīng)的基于位置的服務(wù)。
訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練中，用于接收SINK節(jié)點(diǎn)命令，反饋測(cè)量數(shù)據(jù)，并配合錨點(diǎn)學(xué)習(xí)信號(hào)強(qiáng)度與距離的關(guān)系曲線(RSS(Received Signal Strength，接受信號(hào)強(qiáng)度)曲線)的傳感器節(jié)點(diǎn)。
針對(duì)大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特殊性和上述需要解決的技術(shù)問題，兼顧減少節(jié)點(diǎn)位置計(jì)算過程中產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量和數(shù)據(jù)計(jì)算量，本發(fā)明提出了一種適用于大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于RF和超聲波的混合定位的系統(tǒng)和方法模型，其方法主要分為 步驟1利用訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)通過實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，得出信號(hào)強(qiáng)度與距離的關(guān)系曲線。根據(jù)RSS關(guān)系曲線得到RSS信號(hào)強(qiáng)度與距離關(guān)系參照表。
步驟2目標(biāo)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)射無線射頻信號(hào)和超聲波信號(hào)，接受節(jié)點(diǎn)根據(jù)RSS信號(hào)強(qiáng)度與距離關(guān)系參照表和兩種傳播速度不同的無線信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差以及已經(jīng)這兩種信號(hào)的傳播速度，計(jì)算兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離。接受節(jié)點(diǎn)將計(jì)算出的距離回復(fù)給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，然后由目標(biāo)節(jié)點(diǎn)根據(jù)錨點(diǎn)個(gè)數(shù)動(dòng)態(tài)選擇定位算法求出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的具體位置坐標(biāo)。
步驟3目標(biāo)節(jié)點(diǎn)將比較精確的物理坐標(biāo)(x，y)發(fā)給SINK節(jié)點(diǎn)，由后臺(tái)服務(wù)端提供具體的服務(wù)項(xiàng)目。
對(duì)上述方法的操作流程具體說明如下 1)本發(fā)明對(duì)每個(gè)錨點(diǎn)進(jìn)行獨(dú)立訓(xùn)練，繪制RSS曲線，如圖1所示，并且為每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)獨(dú)立建立它這個(gè)環(huán)境的RSS信號(hào)強(qiáng)度與距離關(guān)系參照表，充分減少環(huán)境對(duì)距離計(jì)算的影響，同時(shí)避免類似RADAR方法中對(duì)目標(biāo)區(qū)域大量的訓(xùn)練，便于對(duì)大范圍布置節(jié)點(diǎn)。根據(jù)RSS曲線的特性，規(guī)定在一定的通信范圍距離內(nèi)的信號(hào)強(qiáng)度有效，即在某個(gè)特定無線信號(hào)強(qiáng)度內(nèi)距離的測(cè)量值與真實(shí)值的誤差在可接受的范圍內(nèi)，進(jìn)一步提高定位的精度。
2)如圖2所示，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)射無線射頻信號(hào)和超聲波信號(hào)，附近的錨節(jié)點(diǎn)接收無線射頻信號(hào)，記錄到達(dá)時(shí)間T1，測(cè)量RSS值并進(jìn)行篩選，根據(jù)本地RSS曲線將RSS均值轉(zhuǎn)換為距離S1。有些錨節(jié)點(diǎn)可能會(huì)收到超聲波信號(hào)，記錄到達(dá)時(shí)間T2，根據(jù)兩種信號(hào)的傳播速度已知，可以計(jì)算出兩節(jié)點(diǎn)之間的距離S2。然后接受節(jié)點(diǎn)將計(jì)算出的距離和錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置信息發(fā)回給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，如果錨節(jié)點(diǎn)測(cè)量出同一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離只為S1和S2，則只回復(fù)距離S2給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。
目標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到錨節(jié)點(diǎn)回復(fù)的距離信號(hào)后根據(jù)錨節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)動(dòng)態(tài)決定定位算法當(dāng)錨點(diǎn)個(gè)數(shù)小于3個(gè)時(shí)，采用近似位置估計(jì)的方法，給出符號(hào)位置；當(dāng)錨點(diǎn)個(gè)數(shù)僅為3個(gè)時(shí)，通過三角定位的方法計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)；當(dāng)錨點(diǎn)個(gè)數(shù)大于3時(shí)，利用排列組合和極大似然估計(jì)的方法減小測(cè)距誤差對(duì)定位的影響。這種動(dòng)態(tài)的算法決定，充分利用節(jié)點(diǎn)資源，并在有限的資源里提供相對(duì)精確的坐標(biāo)。最后將得到的坐標(biāo)發(fā)送給SINK節(jié)點(diǎn)。
3)在本發(fā)明中所有錨點(diǎn)提供物理坐標(biāo)和符號(hào)坐標(biāo)，中心服務(wù)器根據(jù)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)所注冊(cè)的業(yè)務(wù)類型，提供線路導(dǎo)航等服務(wù)。



圖1為本發(fā)明給出的訓(xùn)練信號(hào)強(qiáng)度與距離關(guān)系的示意圖。
圖2為本發(fā)明給出的測(cè)量目標(biāo)節(jié)點(diǎn)到錨點(diǎn)距離和計(jì)算坐標(biāo)的示意圖。
圖3為本發(fā)明給出的RF信號(hào)強(qiáng)度和距離的關(guān)系參考表。
圖4為本發(fā)明給出的訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)流程示意圖。
圖5為本發(fā)明給出的錨節(jié)點(diǎn)訓(xùn)練流程示意圖。
圖6為本發(fā)明給出的射頻信號(hào)和超聲波信號(hào)傳輸示意圖。
圖7為本發(fā)明給出的三邊定位算法原理示意圖。
圖8為本發(fā)明給出的錨節(jié)點(diǎn)定位流程示意圖。
圖9為本發(fā)明給出的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位流程示意圖。
具體實(shí)施方法 本發(fā)明的具體方法如下 步驟1利用訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)通過實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，得出信號(hào)強(qiáng)度與距離的關(guān)系曲線。從RSS關(guān)系曲線得到RSS信號(hào)強(qiáng)度與距離關(guān)系參照表。
在步驟1中建立訓(xùn)練信號(hào)強(qiáng)度與距離的關(guān)系參照表是本發(fā)明的技術(shù)核心和難點(diǎn)之一，因?yàn)樗荝SS定位的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，將收到的RF信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為節(jié)點(diǎn)間的距離。在經(jīng)典的無線信號(hào)強(qiáng)度模型中信號(hào)衰落主要由大尺度衰落和小尺度衰落組成。大尺度衰落包括由于信號(hào)傳輸?shù)穆窂綋p耗和由于被墻、地板等物體吸收的而產(chǎn)生的遮蔽。這部分衰落使RSS曲線呈指數(shù)衰減，是可以預(yù)測(cè)的；然而小尺度衰落主要是多徑效應(yīng)，導(dǎo)致RSS曲線無規(guī)律的波動(dòng)，難以預(yù)測(cè)。在理想情況下信號(hào)強(qiáng)度和距離的關(guān)系可有以下公式表示 Pr，dB(d)＝Pt，dB-PLdB(d) Pr，dB(d)代表接收信號(hào)強(qiáng)度，Pt，dB代表發(fā)送信號(hào)強(qiáng)度，PLdB(d)代表傳輸d距離的路徑損耗，d0代表參考距離，η代表路徑損耗指數(shù)，Xσ，dB代表一個(gè)平均值為0標(biāo)準(zhǔn)偏差為σ的高斯分布隨機(jī)變量。因此無線信號(hào)在傳播時(shí)受到環(huán)境因素的影響比較大，我們就必須為每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)獨(dú)立訓(xùn)練，繪制RSS曲線，并且為每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)獨(dú)立建立它這個(gè)環(huán)境的RSS信號(hào)強(qiáng)度與距離關(guān)系參照表，如圖3所示，充分減少環(huán)境對(duì)距離計(jì)算的影響。具體過程如下 1.本發(fā)明的采用實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的方法，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與每個(gè)錨點(diǎn)在不同距離的位置訓(xùn)練一次，學(xué)習(xí)信號(hào)強(qiáng)度與距離的關(guān)系曲線，，最后將RSS信號(hào)強(qiáng)度與距離關(guān)系參照表記錄在當(dāng)前錨點(diǎn)的ROM中。
2.當(dāng)訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)收到TRAIN消息后開始工作流程如圖4所示，節(jié)點(diǎn)加電自動(dòng)初始化微控制器和接受器部分，然后等待消息，當(dāng)接收到消息后首先判斷消息類型，如果為TRAIN消息，啟動(dòng)訓(xùn)練過程，即發(fā)送ASK消息給錨點(diǎn)，然后等待錨點(diǎn)的應(yīng)答，當(dāng)接收到錨點(diǎn)的ANSWER消息后，提取相應(yīng)的RSS采樣，累加RSS和計(jì)數(shù)器，當(dāng)累計(jì)收到ANSWER消息50次后，計(jì)算RSS采樣平均值，向PC端發(fā)送RESULT命令，反饋所有RSS采樣值。之后清空計(jì)數(shù)器和均值，返回等待消息狀態(tài)。手動(dòng)改變訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)和錨點(diǎn)間距離，之后重新發(fā)送TRAIN命令，重復(fù)上述過程。
3.錨點(diǎn)訓(xùn)練流程如圖5所示，首先完成加電、初始化，進(jìn)入等待消息狀態(tài)，當(dāng)錨點(diǎn)收到訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)發(fā)來的ASK消息后，啟動(dòng)訓(xùn)練過程，向訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)發(fā)送ANSWER消息50次，之后進(jìn)入等待狀態(tài)；當(dāng)錨點(diǎn)收到STORE消息時(shí)，將RSS信號(hào)強(qiáng)度與距離關(guān)系參照表寫入ROM中；對(duì)于收到WHERE將在定位流程中描述。
4.經(jīng)過多次重復(fù)的訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)繪出無線信號(hào)強(qiáng)度和距離的關(guān)系曲線，我們發(fā)現(xiàn)無線信號(hào)強(qiáng)度的衰落整體上符合大尺度衰落的指數(shù)變化規(guī)律，同時(shí)隨著距離的增大，距離的測(cè)量值與真實(shí)值之間的誤差越來越大。為了使距離的測(cè)量值與真實(shí)值的誤差在可接受的范圍內(nèi)，我們規(guī)定在一定的通信范圍距離內(nèi)的信號(hào)強(qiáng)度有效。根據(jù)這些建立RSS信號(hào)強(qiáng)度與距離關(guān)系參照表，并將其儲(chǔ)存在錨節(jié)點(diǎn)的ROM中。
在步驟2中錨節(jié)點(diǎn)的距離計(jì)算和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的精確定位是本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)。
在定位過程中目標(biāo)節(jié)點(diǎn)加電、初始化并每秒廣播一次WHERE信號(hào)，同時(shí)發(fā)射超聲波信號(hào)，如圖6所示，之后等待錨節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答。由于無線射頻的傳輸速度快于超聲波的速度，因此附近的錨節(jié)點(diǎn)會(huì)先接收到無線射頻信號(hào)。當(dāng)錨節(jié)點(diǎn)收到WHERE信號(hào)后的具體流程如圖8所示將無線射頻信號(hào)到達(dá)的時(shí)候記錄為T1，同時(shí)啟動(dòng)等待接受超聲波信號(hào)的接受，并且測(cè)量RSS值進(jìn)行篩選，如果RSS值超出了有效范圍，則此錨節(jié)點(diǎn)將不能為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位，這時(shí)錨節(jié)點(diǎn)返回等待狀態(tài)；在有效范圍內(nèi)的錨節(jié)點(diǎn)將根據(jù)本地RSS曲線將RSS均值轉(zhuǎn)換為距離S1。由于超聲波的發(fā)射是有方向性的，因此不是所有在有效范圍內(nèi)的錨節(jié)點(diǎn)都能夠收到超聲波信號(hào)，則有些錨節(jié)點(diǎn)會(huì)收到超聲波信號(hào)，當(dāng)收到超聲波信號(hào)之后將其到達(dá)時(shí)間記錄為T2，已知無線射頻信號(hào)和超聲波的傳輸速度為c1，c2，那么兩節(jié)點(diǎn)之間的距離為 (T2-T1)×C(2) 其中可以計(jì)算出兩節(jié)點(diǎn)之間的距離S2。因?yàn)楦鶕?jù)大量的實(shí)驗(yàn)我們可以知道距離S2比距離S1的測(cè)量結(jié)果精確，所以收到超聲波信號(hào)的錨節(jié)點(diǎn)只將比較精確的距離S2發(fā)送給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，而沒有收到超聲波信號(hào)的錨節(jié)點(diǎn)只能將距離S1發(fā)送給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。最后清空，再返回等待狀態(tài)。
目標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到錨節(jié)點(diǎn)應(yīng)答的距離信號(hào)后的具體流程如圖9所示根據(jù)錨節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)動(dòng)態(tài)決定定位算法目標(biāo)節(jié)點(diǎn)解析收到的信號(hào)，判斷收到S2的錨點(diǎn)個(gè)數(shù)，當(dāng)錨點(diǎn)個(gè)數(shù)僅為3個(gè)時(shí)，通過三角定位的方法計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)；當(dāng)錨點(diǎn)個(gè)數(shù)大于3時(shí)，利用排列組合和極大似然估計(jì)的方法減小測(cè)距誤差對(duì)定位的影響；當(dāng)錨點(diǎn)個(gè)數(shù)小于3個(gè)時(shí)，統(tǒng)計(jì)S1+S2的錨點(diǎn)個(gè)數(shù)，判斷全部錨節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，當(dāng)小于3個(gè)時(shí)，采用近似位置估計(jì)的方法，給出符號(hào)位置；其他情況則按上面的計(jì)算方式進(jìn)行。
目標(biāo)節(jié)點(diǎn)解析錨節(jié)點(diǎn)發(fā)回的信號(hào)后會(huì)根據(jù)錨點(diǎn)個(gè)數(shù)動(dòng)態(tài)選擇定位算法，基本定位原理為三邊測(cè)量定位算法，如圖7所示 當(dāng)參考錨點(diǎn)小于3個(gè)時(shí)，無法得到物理坐標(biāo)，利用位置估計(jì)方法，給出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的符號(hào)坐標(biāo)，例如在錨點(diǎn)A和錨點(diǎn)C之間等。
當(dāng)參考錨點(diǎn)個(gè)數(shù)為3個(gè)時(shí)，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)提取三個(gè)錨點(diǎn)的坐標(biāo)(O1(x1，y1)，O2(x2，y2)，O3(x3，y3))和測(cè)量距離(d1，d2，d3)，假設(shè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)(x0，y0)根據(jù)兩點(diǎn)間距離公式可得方程組 有上述方程組(1)，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)(x0，y0)為 當(dāng)參考錨點(diǎn)個(gè)數(shù)大于3個(gè)時(shí)，根據(jù)每三個(gè)錨點(diǎn)可以計(jì)算出一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，為了充分利用節(jié)點(diǎn)資源，且修正定位誤差，我們首先利用排列組合的方法將這些錨節(jié)點(diǎn)任意3個(gè)一組進(jìn)行全排列，然后計(jì)算每組錨節(jié)點(diǎn)所能定位出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，最后對(duì)這些坐標(biāo)采用極大似然估計(jì)的方法，估計(jì)出一個(gè)比較精確的坐標(biāo)。具體如下設(shè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)為(x0，y0)，參考錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為{O1(x1，y1)，O2(x2，y2)，…，Om(xm，ym)}，dm表示(x0，y0)與(xm，ym)之間的真實(shí)距離。即根據(jù)每三個(gè)錨點(diǎn)可以計(jì)算出一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，利用全排列公式可得到的坐標(biāo)個(gè)數(shù)為 其中n＝3，m為錨節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。然后計(jì)算每組錨節(jié)點(diǎn)所能定位出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，根據(jù)三邊測(cè)量定位算法 由于存在誤差，因此測(cè)量距離

和真實(shí)距離di之間的誤差表示為(7)求(x0，y0)得問題變成求

的問題。整理(6)式和(7)式，得 展開(8)式，變化得 將第M個(gè)等式減去前面M-1個(gè)等式，得 即可以化為矩陣 其中A為(m-1)×2的矩陣，A的第m行尾[2(xm-xm-1)2(ym-ym-1)]，x為代表目標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的向量[x0 y0]T，B為(m-1)向量，B的第m項(xiàng)為xm2+ym2-xm-12-ym-12-dm2+dm2。實(shí)際的問題是我們不確定向量B，能夠得到了只有測(cè)量值向量

(類似B中

代替di)，對(duì)(11)應(yīng)用最小二乘法可得到估計(jì)值x為

即 最后，我們可以得到一個(gè)比較精確的坐標(biāo)。最后將得到的坐標(biāo)發(fā)送給SINK節(jié)點(diǎn)，并清空返回等待消息狀態(tài)。
步驟3中由中心服務(wù)器提供具體的服務(wù)項(xiàng)目，由SINK節(jié)點(diǎn)將目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)傳輸給后臺(tái)服務(wù)端，利用物理坐標(biāo)系統(tǒng)，可以為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)根據(jù)其坐標(biāo)和想要到達(dá)的目的地，為其選擇最優(yōu)路徑，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航服務(wù)。
以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種對(duì)WSN混合定位的系統(tǒng)和方法模型，針對(duì)大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特殊性和現(xiàn)有定位方法中存在的問題，兼顧了減少節(jié)點(diǎn)位置計(jì)算過程中產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量和數(shù)據(jù)計(jì)算量，本發(fā)明提出了一種適用于大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于RF和超聲波的混合定位的系統(tǒng)和方法模型，其方法主要分為
步驟1利用訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)通過實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，得出信號(hào)強(qiáng)度與距離的關(guān)系曲線。根據(jù)RSS關(guān)系曲線得到RSS信號(hào)強(qiáng)度與距離關(guān)系參照表。
步驟2目標(biāo)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)射無線射頻信號(hào)和超聲波信號(hào)，接受節(jié)點(diǎn)根據(jù)RSS信號(hào)強(qiáng)度與距離關(guān)系參照表和兩種傳播速度不同的無線信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差以及已經(jīng)這兩種信號(hào)的傳播速度，計(jì)算兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離。接受節(jié)點(diǎn)將計(jì)算出的距離回復(fù)給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，然后由目標(biāo)節(jié)點(diǎn)根據(jù)錨點(diǎn)個(gè)數(shù)動(dòng)態(tài)選擇定位算法求出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的具體位置坐標(biāo)。
步驟3目標(biāo)節(jié)點(diǎn)將比較精確的物理坐標(biāo)(x，y)發(fā)給SINK節(jié)點(diǎn)，由后臺(tái)服務(wù)端提供具體的服務(wù)項(xiàng)目。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的WSN混合定位的系統(tǒng)和方法模型，其特征在于在步驟1中，訓(xùn)練信號(hào)強(qiáng)度與距離的關(guān)系曲線，具體步驟如下
1)SINK節(jié)點(diǎn)發(fā)送TRAIN消息給訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)，每個(gè)預(yù)置距離一次；
2)訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)發(fā)送ASK消息給錨點(diǎn)，要求錨點(diǎn)應(yīng)答；
3)錨點(diǎn)應(yīng)答ANSWER消息，每個(gè)距離應(yīng)答50次；
4)訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)記錄每個(gè)RSS采樣值，并計(jì)算均值；
5)訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)發(fā)送RESULT消息給SINK節(jié)點(diǎn)，反饋記錄的RSS數(shù)據(jù)和距離。
6)多次改變測(cè)量距離，重復(fù)以上操作
7)根據(jù)反饋(距離，RSS)數(shù)據(jù)對(duì)按數(shù)學(xué)計(jì)算的方法(近似距離估計(jì))繪制RSS曲線。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的WSN混合定位的系統(tǒng)和方法模型，其特征在于在步驟1)中，根據(jù)RSS關(guān)系曲線得到本地位置的RSS信號(hào)強(qiáng)度與距離關(guān)系參照表。具體步驟如下
1)根據(jù)RSS曲線的特性，規(guī)定在一定的通信范圍距離內(nèi)的信號(hào)強(qiáng)度有效。
2)有效范圍內(nèi)的RSS曲線按照一定單位長度將距離和信號(hào)強(qiáng)度分段，使信號(hào)強(qiáng)度與通信距離在單位長度內(nèi)相對(duì)應(yīng)。得到了這個(gè)位置的RSS信號(hào)強(qiáng)度與距離關(guān)系參照表。
3)SINK節(jié)點(diǎn)發(fā)送STORE消息給錨點(diǎn)，要求錨點(diǎn)將RSS信號(hào)強(qiáng)度與距離關(guān)系參照表存儲(chǔ)于本地ROM中；
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的WSN混合定位的系統(tǒng)和方法模型，其特征在于在步驟2)中，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)射無線射頻信號(hào)和超聲波信號(hào)，接受節(jié)點(diǎn)根據(jù)RSS信號(hào)強(qiáng)度與距離關(guān)系參照表和兩種傳播速度不同的無線信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差以及已經(jīng)這兩種信號(hào)的傳播速度，計(jì)算兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離。具體步驟如下
1)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)射無線射頻信號(hào)和超聲波信號(hào)。
2)附近的錨節(jié)點(diǎn)接收無線射頻信號(hào)，記錄到達(dá)時(shí)間T1，測(cè)量RSS值并進(jìn)行篩選，根據(jù)本地RSS曲線將RSS均值轉(zhuǎn)換為距離S1。
3)有些錨節(jié)點(diǎn)可能會(huì)收到超聲波信號(hào)，記錄到達(dá)時(shí)間T2，根據(jù)兩種信號(hào)的傳播速度為c1，c2，根據(jù)公式
S＝(T2-T1)×C(1)
其中可以計(jì)算出兩節(jié)點(diǎn)之間的距離S2。然后接受節(jié)點(diǎn)將計(jì)算出的距離和錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置信息發(fā)回給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，如果錨節(jié)點(diǎn)測(cè)量出同一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離只為S1和S2，則只回復(fù)距離S2給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的WSN混合定位的系統(tǒng)和方法模型，其特征在于在步驟2)中，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到錨節(jié)點(diǎn)的回復(fù)信息后要對(duì)信息包中的距離S進(jìn)行篩選，具體步驟如下
1)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)解析收到的信號(hào)
2)判斷收到S2的錨點(diǎn)個(gè)數(shù)，當(dāng)錨點(diǎn)個(gè)數(shù)僅為3個(gè)時(shí)，通過三角定位的方法計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。
3)當(dāng)錨點(diǎn)個(gè)數(shù)大于3時(shí)，利用排列組合和極大似然估計(jì)的方法減小測(cè)距誤差對(duì)定位的影響。
4)當(dāng)錨點(diǎn)個(gè)數(shù)小于3個(gè)時(shí)，統(tǒng)計(jì)S1+S2的錨點(diǎn)個(gè)數(shù)，判斷全部錨節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，當(dāng)小于3個(gè)時(shí)，采用近似位置估計(jì)的方法，給出符號(hào)位置；其他情況則按上面的計(jì)算方式進(jìn)行。
6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的WSN混合定位的系統(tǒng)和方法模型，其特征在于在步驟2)中錨點(diǎn)個(gè)數(shù)動(dòng)態(tài)選擇定位算法，具體步驟如下
1)當(dāng)參考錨點(diǎn)小于3個(gè)時(shí)，無法得到物理坐標(biāo)，利用位置估計(jì)方法，給出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的符號(hào)坐標(biāo)，例如在錨點(diǎn)A和錨點(diǎn)C之間等。
2)當(dāng)參考錨點(diǎn)個(gè)數(shù)為3個(gè)時(shí)，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)提取三個(gè)錨點(diǎn)的坐標(biāo)(O1(x1，y1)，O2(x2，y2)，O3(x3，y3))和測(cè)量距離(d1，d2，d3)，假設(shè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)(x0，y0)根據(jù)兩點(diǎn)間距離公式可得方程組
有上述方程組(2)，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)(x0，y0)為
3)當(dāng)參考錨點(diǎn)個(gè)數(shù)大于3個(gè)時(shí)，根據(jù)每三個(gè)錨點(diǎn)可以計(jì)算出一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，為了充分利用節(jié)點(diǎn)資源，且修正定位誤差，我們首先利用排列組合的方法將這些錨節(jié)點(diǎn)任意3個(gè)一組進(jìn)行全排列，然后計(jì)算每組錨節(jié)點(diǎn)所能定位出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，最后對(duì)這些坐標(biāo)采用極大似然估計(jì)的方法，估計(jì)出一個(gè)比較精確的坐標(biāo)。具體如下設(shè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)為(x0，y0)，參考錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為{O1(x1，y1)，O2(x2，y2)，…，Om(xm，ym)}，dm表示(x0，y0)與(xm，ym)之間的真實(shí)距離。即根據(jù)每三個(gè)錨點(diǎn)可以計(jì)算出一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，利用全排列公式可得到的坐標(biāo)個(gè)數(shù)為
其中n＝3，m為錨節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。然后計(jì)算每組錨節(jié)點(diǎn)所能定位出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，根據(jù)三邊測(cè)量定位算法
由于存在誤差，因此測(cè)量距離
和真實(shí)距離di之間的誤差表示為
(6)
最后得到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)估計(jì)為
7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的WSN混合定位的系統(tǒng)和方法模型，其特征在于在步驟3)中，由后臺(tái)服務(wù)端提供服務(wù)。利用物理坐標(biāo)系統(tǒng)，可以為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)根據(jù)其坐標(biāo)和想要到達(dá)的目的地，為其選擇最優(yōu)路徑，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航服務(wù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種對(duì)WSN混合定位的系統(tǒng)和方法模型，利角分布式計(jì)算技術(shù)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)自身定位問題。主要思路是1.利用訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)通過訓(xùn)練模式，得出信號(hào)強(qiáng)度與距離的關(guān)系曲線，且據(jù)此建立節(jié)點(diǎn)的RSS信號(hào)強(qiáng)度與距離關(guān)系參照表；2.目標(biāo)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)射無線射頻和超聲波信號(hào)，接受節(jié)點(diǎn)據(jù)兩種傳播速度不同的信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差及兩信號(hào)的傳播速度，算出兩節(jié)點(diǎn)間的距離，并將該距離回復(fù)給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，然后由目標(biāo)節(jié)點(diǎn)根據(jù)錨點(diǎn)個(gè)數(shù)動(dòng)態(tài)選擇定位算法求出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的具體位置坐標(biāo)；3.目標(biāo)節(jié)點(diǎn)將較精確的物理坐標(biāo)發(fā)給SINK節(jié)點(diǎn)。本發(fā)明采用少量固定錨節(jié)點(diǎn)，利用數(shù)學(xué)方法來定位其他節(jié)點(diǎn)，優(yōu)化了多種定位方法，降低了成本，提高了定位精度。
文檔編號(hào)H04L29/08GK101576615SQ20081010578
公開日2009年11月11日 申請(qǐng)日期2008年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月5日
發(fā)明者鵬 王, 張寶賢, 壯 趙, 奎 黃, 鄭 姚, 雪 高, 鋒 張 申請(qǐng)人:北京銀易通網(wǎng)絡(luò)科技有限公司