CN104159292A - 一种基于虚拟中心节点的三维无线传感网络定位方法 - Google Patents

Abstract

一种基于虚拟中心节点的三维无线传感网络定位方法，属于无线通信技术领域。在本发明的定位算法中，锚节点在空间内呈均匀分布，每个锚节点间的距离可以进行设定，锚节点通过自身配置的GPS接收机得到自身位置或者人工预置其位置，实现自身定位后，锚节点周期性广播自身精确位置信息及其唯一编号。未知节点接收锚节点信息，并将这些信息收集到本地的存储单元。未知节点读取存储单元中的数据，由读取的数据，确定一个平面，并在同一平面上求解出第四个点坐标，使之构成正方形，利用这四个点，进一步计算虚拟中心节点，该虚拟中心节点与对应的三个锚节点构成非对称四面体，最后，选取四面体的质心作为未知节点的位置。本方法可以有效降低计算时间，减小计算复杂度，节省功率消耗，提高定位精度。

Description

一种基于虚拟中心节点的三维无线传感网络定位方法

技术领域

本发明涉及一种基于虚拟中心节点的三维无线传感网络定位方法，属于无线通信技术领域。 

背景技术

无线传感网络是一种由大量低复杂度传感器节点通过自组织方式形成的无线网络，网络中的每个节点完成数据采集、数据收发、数据转发等基本功能。无线传感网络最初是在军事领域提出的，现在已经扩展到反恐、防爆、环境监测、医疗保健、家居、商业、工业等众多领域。在众多的应用中，位置信息是采集信息中不可缺少的部分，没有位置信息的监测消息通常毫无意义。因此，确定节点的位置是传感网络最基本的功能之一，对传感网络的有效性起着关键作用。 

针对现有定位算法，根据是否利用了节点间的距离信息将大部分的定位算法分为基于距离定位算法和距离无关定位算法。基于测距定位算法是通过测量节点间实际欧式距离或者彼此间角度信息，计算准确位置的方法，此类算法定位精度往往比较高，但硬件设计比较复杂，成本很高，且定位容易受到外部环境的影响；非测距定位算法，仅仅依靠节点间的连通度或者跳数等信息，再利用两者关系，计算得到节点位置坐标，虽然此类算法定位精度比基于距离的节点定位算法低，但硬件设计简单，功耗和成本相对较低。因此，非测距定位算法是研究的热点方向。 

由于无线传感网络比较特殊的应用环境与场景，许多已提出的定位理论仍难以真正的做到高精度定位的实现，而且大部分定位算法都是针对的而为环境，限制了算法本身的应用范围，因为三维环境才更贴近于真正的应用实例。 

现存的节点定位方法都存在精度和计算量之间的矛盾：较高的定位精度需要很高的能量消耗，反之，定位精度难以达到要求。 

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于虚拟中心节点的三维无线传感网络定位方法。 

在本发明的定位算法中，锚节点在空间内呈均匀分布，每个锚节点间的距离可以进行设定，锚节点通过自身配置的GPS接收机得到自身位置或者人工预置其位置，实现自身定位后，锚节点周期性广播自身精确位置信息及其唯一编号。未知节点接收锚节点信息，并 将这些信息收集到本地的存储单元。未知节点读取存储单元中的数据，由读取的数据，确定一个平面，并在同一平面上求解出第四个点坐标，使之构成正方形，利用这四个点，进一步计算虚拟中心节点，该虚拟中心节点与对应的三个锚节点构成非对称四面体，最后，选取四面体的质心作为未知节点的位置。本方法可以有效降低计算时间，减小计算复杂度，节省功率消耗，提高定位精度。 

一种基于虚拟中心节点的三维无线传感网络定位方法，其特征在于，方法如下： 

1)在待定位空间内锚节点均匀布设，每个锚节点间距离设定为S，未知节点随机布设； 

2)布设完成后，锚节点利用GPS接收机接收GPS信号，确定自身的精确位置，或者在布设时对其预置准确的位置坐标信息； 

3)锚节点周期性广播数据信息包，其中包含准确自身位置坐标及锚节点唯一ID编号； 

4)未知节点在预设的时间门限T内接收所有锚节点发送的信息，并将接收的所有信息存储到自身携带的存储单元中，若接收到来自相同锚节点的信息则只存储锚节点坐标信息、锚节点编号，并对该锚节点计数加1； 

5)判断是否到达预设的时间门限T，如果是，则进行步骤6)，反之，则返回步骤4)； 

6)未知节点访问存储空间内的数据，根据锚节点计数器，并读取在时间门限T内发送最多数量信息包的三个锚节点的位置坐标及其编号，然后删除其他数据； 

7)由读取的三个锚节点坐标值确定一个平面，并计算出同一平面上第四个点的坐标，与之形成正方形，随机确定此平面的一侧，改变正方形中心点某坐标方向值S/2，这一点即为虚拟中心节点； 

8)未知节点读取三个锚节点、虚拟中心节点的坐标值，根据这四个坐标值，求取质心，作为未知节点的估计位置，定位结束。 

步骤4)中所述的信息数据包括锚节点的精确位置坐标，唯一的ID编号，对不同锚节点的计数器装置以及自动清除功能。 

步骤7)中所述的由相关锚节点求解第四个点，根据这四个点求解虚拟中心节点。 

步骤8)中所述的由三个锚节点及其虚拟中心节点构成非对称四面体，四面体质心即为位置节点坐标。 

本发明利用锚节点发送的信标信息进行节点定位，无需测量各个节点间的距离及角度，未知节点间不需要互相通信，只监听来自锚节点的信息，减小能量消耗，节省定位时间，降低网络成本；本算法属于一种分布式算法，不需要集中式通信，受环境影响较小，算法鲁棒性较高，同时具有较高的定位精度及很少的定位时间。 

附图说明： 

图1是虚拟中心节点示意图，图2是本发明的工作方法软件流程图。 

具体实施方式： 

实施例：

一种基于虚拟中心节点的三维无线传感网络定位方法，其特征在于，方法如下： 

1)在待定位空间内锚节点均匀布设，每个锚节点间距离设定为S，未知节点随机布设； 

2)布设完成后，锚节点利用GPS接收机接收GPS信号，确定自身的精确位置，或者在布设时对其预置准确的位置坐标信息； 

3)锚节点周期性广播数据信息包，其中包含准确自身位置坐标及锚节点唯一ID编号； 

4)未知节点在预设的时间门限T内接收所有锚节点发送的信息，并将接收的所有信息存储到自身携带的存储单元中，若接收到来自相同锚节点的信息则只存储锚节点坐标信息、锚节点编号，并对该锚节点计数加1； 

5)判断是否到达预设的时间门限T，如果是，则进行步骤6)，反之，则返回步骤4)； 

6)未知节点访问存储空间内的数据，根据锚节点计数器，并读取在时间门限T内发送最多数量信息包的三个锚节点的位置坐标及其编号，然后删除其他数据； 

7)由读取的三个锚节点坐标值确定一个平面，并计算出同一平面上第四个点的坐标，与之形成正方形，随机确定此平面的一侧，改变正方形中心点某坐标方向值S/2，这一点即为虚拟中心节点； 

8)未知节点读取三个锚节点、虚拟中心节点的坐标值，根据这四个坐标值，求取质心，作为未知节点的估计位置，定位结束。 

步骤4)中所述的信息数据包括锚节点的精确位置坐标，唯一的ID编号，对不同锚节点的计数器装置以及自动清除功能。 

步骤7)中所述的由相关锚节点求解第四个点，根据这四个点求解虚拟中心节点。 

步骤8)中所述的由三个锚节点及其虚拟中心节点构成非对称四面体，四面体质心即为位置节点坐标。 

Claims (4)

1.一种基于虚拟中心节点的三维无线传感网络定位方法，其特征在于，方法如下：

1)在待定位空间内锚节点均匀布设，每个锚节点间距离设定为S，未知节点随机布设；

2)布设完成后，锚节点利用GPS接收机接收GPS信号，确定自身的精确位置，或者在布设时对其预置准确的位置坐标信息；

3)锚节点周期性广播数据信息包，其中包含准确自身位置坐标及锚节点唯一ID编号；

4)未知节点在预设的时间门限T内接收所有锚节点发送的信息，并将接收的所有信息存储到自身携带的存储单元中，若接收到来自相同锚节点的信息则只存储锚节点坐标信息、锚节点编号，并对该锚节点计数加1；

5)判断是否到达预设的时间门限T，如果是，则进行步骤6)，反之，则返回步骤4)；

6)未知节点访问存储空间内的数据，根据锚节点计数器，并读取在时间门限T内发送最多数量信息包的三个锚节点的位置坐标及其编号，然后删除其他数据；

7)由读取的三个锚节点坐标值确定一个平面，并计算出同一平面上第四个点的坐标，与之形成正方形，随机确定此平面的一侧，改变正方形中心点某坐标方向值S/2，这一点即为虚拟中心节点；

8)未知节点读取三个锚节点、虚拟中心节点的坐标值，根据这四个坐标值，求取质心，作为未知节点的估计位置，定位结束。

2.如权利要求1所述的一种基于虚拟中心节点的三维无线传感网络的空间节点定位算法，其特征在于，步骤4)中所述的信息数据包括锚节点的精确位置坐标，唯一的ID编号，对不同锚节点的计数器装置以及自动清除功能。

3.如权利要求1所述的一种基于虚拟中心节点的三维无线传感网络的空间节点定位算法，其特征在于，步骤7)中所述的由相关锚节点求解第四个点，根据这四个点求解虚拟中心节点。

4.如权利要求1所述的一种基于虚拟中心节点的三维无线传感网络的空间节点定位算法，其特征在于，步骤8)中所述的由三个锚节点及其虚拟中心节点构成非对称四面体，四面体质心即为位置节点坐标。