CN106093857A - 一种基于螺旋线的移动锚节点wsn辅助定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于螺旋线的移动锚节点WSN辅助定位方法，该方法包括：首先以方形区域中心点为原点建立坐标系，以固定间隔画出螺旋线作为锚节点的移动路径，随着锚节点的移动，待定位节点将集中接收到锚节点广播的数据包，根据角度值确定该未知节点坐标；若检测到两轮数据，则根据RSSI值较小的轮次信息来确定该未知节点坐标。本发明采用的螺旋线移动轨迹可以很好的解决传统移动路径所存在的共线性问题，且应用价值较高；本发明中移动锚节点采用定向天线，而定向天线相对比全向天线增益高，可增强信号强度，增加抗干扰能力，适用于实际环境的部署。

Description

一种基于螺旋线的移动锚节点WSN辅助定位方法

技术领域

本发明属于电子技术领域，尤其涉及一种基于螺旋线的移动锚节点WSN辅助定位方法。

背景技术

无线传感器网络(WSN)定位技术是一种关键核心支撑技术，WSN的某些拓扑控制、路由选择、负载均衡等理论都非常依赖于节点的未知信息。WSN定位基本技术原理是未知节点通过与少量已知位置信息的锚节点进行通信来估算自身的位置。近年来，WSN定位方法研究取得了大量研究成果。

根据定位过程是否需要测量距离，WSN节点定位可采用基于测距的定位方法和无需测距的定位方法，其中基于测距的定位方法需要额外硬件支持，定位成本较高，定位精度高但易受环境因素影响；而无需测距的定位方法虽然定位精度较低，但成本低且不易受环境因素影响，更适合低成本WSN的应用。

根据锚节点是否移动，WSN定位方法可分为静态锚节点定位和动态锚节点定位两种。通常采用静态锚节点时需要一定的密度以满足连通性需求，因此在一定范围内，锚节点数量越多，相应的未知节点定位精度也会越高，而由此也导致一些问题，如锚节点资源浪费、算法复杂度过高、定位成本增高等。而动态锚节点的使用可大大减少锚节点数量，且更灵活，近年来倍受关注，许多学者从不同的角度提出了基于移动锚节点的定位算法。

早期的移动锚节点定位技术研究主要集中在锚节点的移动路径规划，探索在覆盖范围和移动路径长度方面的最优路径选择，如早期出现的Scan、Double Scan和Hilbert路径，以及后来的Circle、S-Curve、螺旋线和随机移动模型等。近年来，针对移动锚节点的辅助定位方法，采用移动锚节点沿部署区域内的等边三角形轨迹遍历整个WSN的方法进行定位，以保证所有未知节点都接收到消息，并得到估计位置，相比其他方法其定位精度较高；一种基于正六边形移动轨迹的定位方法，通过多层正六边形实现WSN部署区域的全覆盖，同时针对锚节点采用定向天线，而定向天线有助于提高定位精度。

以上两种定位方法虽然定位思路较新，但是在移动锚节点上均部署GPS，通过GPS提供锚节点的位置信息，然而，GPS本身误差较大，尤其是在节点高速移动过程中，其定位误差必然导致该定位方法存在天然的局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于螺旋线的移动锚节点WSN辅助定位方法，旨在解决锚节点高速移动过程中存在的GPS位置信息误差较大导致传统定位方法失效的问题；本发明利用时间参数这种高精度度量方法取代GPS位置信息，从本质上解决锚节点移动中所固有的设备误差问题，同时在锚节点上部署定向天线，可有效的提高定位覆盖及实用价值。

本发明是这样实现的，一种基于螺旋线的移动锚节点WSN辅助定位方法，该基于螺旋线的移动锚节点WSN辅助定位方法包括：

步骤一：首先假定未知节点随机分布在一方形区域内，以方形区域中心点为原点建立坐标系，以固定间隔R画出螺旋线作为锚节点的移动路径，区域长为L，螺旋线分为n段，移动锚节点装备双向定向天线移动，按固定角速度ω(rad/s)移动，且定向天线中心轴始终与移动方向垂直，移动路径为固定多层螺旋线，移动过程是由内而外，在坐标原点左侧(-R/2,0)坐标处开始计时移动，由00:00开始，周期性广播数据包，持续这个过程直到锚节点移动到右侧(R·n/2,0)坐标点时终止；

步骤二、随着锚节点的移动，待定位节点将集中接收到锚节点广播的数据包，当第一次接收到数据包时，将第一次接收到数据包时的时刻值标记为T₁ ⁽¹⁾，并检测第一次接收到数据包时的信号强度值，记为RSSI₁ ⁽¹⁾；当第二次接收到数据包时，将第二次接收到数据包时的时刻值标记为T₂(¹⁾，并检测第二次接收到数据包时的信号强度值，记为RSSI₂ ⁽¹⁾；重复以上过程，直到不再检测到数据包为止；最后检测到的时刻值为T_n ⁽¹⁾，信号强度值为RSSI_n ⁽¹⁾；

步骤三、未知节点根据T₁ ⁽¹⁾，T_n ⁽¹⁾及角速度ω计算出目前所处圆弧段及角度，得虚拟锚节点中间点的角度及当未知节点分布在螺旋线外侧时，只接收到一轮数据包，而当未知节点分布在螺旋线内侧时，集中接收到两轮数据包，分别位于不同弧段的相同角度方向，第二轮接收到的时刻值和信号强度分别标记为和第二轮计算过程与第一轮相同，得到中间点角度及值；

步骤四、每个未知节点若只检测到一轮数据，则定位于该未知节点圆弧外侧距离d1的位置，d1由信号衰落模型转化得出，信号衰落模型是指信号强度会随着传播距离的增大而减弱，研究人员根据大量的实验数据，得到了无线信号强度与传输距离之间的关系模型RSSI＝-(A+10nlgd)，其中n是路径损耗系数，d是传输距离；然后根据角度值确定该未知节点坐标；若检测到两轮数据，则根据RSSI值较小的轮次信息来确定该未知节点坐标，RSSI越小，对应距离越大，进而待定位节点所接收到的数据越多。

本发明采用的优选措施有：

固定间隔R的值根据定向天线通信距离设定。

区域长为L，螺旋线分为n段中按照公式L＝R×(n+1)分段，其中，R为固定间隔。

周期性广播数据包中数据包包括移动锚节点的当前时刻值及ID值(节点的唯一编码identification，确定未知节点收到的信息来自锚节点，从而避免未知节点正常通信过程中对该定位过程造成干扰)，用{T，ID}表示，广播的周期为T_send。

进一步，待定位节点P的坐标计算方法为：

利用公式(1)计算出第k轮次的中间时刻点：

其中，n为第k轮次中接收到的数据包次数；

然后利用公式(2)计算出中间点的角度值:

${\mathrm{\θ}}_r^{\left(k\right)}=\frac{180}{\mathrm{\π}}\×\mathrm{\ω}\×T_r^{\left(k\right)}---\left(2\right)$

同理其信号强度值为：

根据RSSI测距模型公式：

RSSI＝-(A+10nlgd) (4)计算出该时刻锚节点与待定位节点之间的距离d_k，式中A为距离发射节点1m处接收信号强度的绝对值，n是路径损耗系数，当未知节点只接收到一轮数据时，d＝d₁；当未知节点接收到两轮数据时，取

$d=\left\{\begin{array}{cc}{d}_1,& d_1<d_2\\ -d_2,& d_1\&GreaterEqual;d_2\end{array}\right.---\left(5\right)$

然后，设未知节点坐标为(x_i,y_i)，根据式(6)计算出该未知节点所在弧段的半径，

r＝R·m/2+d (6)

其中

最后，根据以上计算所得，代入待定位节点p_i的坐标公式：

至此，求出P点的坐标后，该点的定位过程结束，其他待定位节点均实施上述方法，完成自身的定位过程。

本发明采用一个移动锚节点辅助完成定位，其特点是采用时间值参数作为定位方法的核心，避免了GPS信息带来的误差，而已经提出的移动锚节点定位方法中由GPS设备导致的误差平均为3-5m；同时利用定向天线增益高，通信距离远的特征，应用于实际环境部署，综合定位精度高，适合户外的WSN定位；

本发明利用时间参数这种高精度度量方法取代GPS位置信息，从本质上解决锚节点移动中所固有的设备误差问题；

本发明针对WSN移动锚节点定位技术，提出了一种基于螺旋线的定位方法，具有较高定位精度，该方法优点有：

时间是一种相对精度最高的环境参数之一，本发明利用时间参数计算方法代替传统定位方法中利用GPS确定位置的方法，从定位方法的源头降低了由环境变量带来的误差，具有先天的优越性；

本发明采用的螺旋线移动轨迹可以很好的解决传统移动路径所存在的共线性问题，且应用价值较高；

本发明中移动锚节点采用定向天线，而定向天线相对比全向天线增益高，可增强信号强度，增加抗干扰能力，适用于实际环境的部署。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于螺旋线的移动锚节点WSN辅助定位方法流程图。

图2是本发明实施例提供的节点分布及移动轨迹图。

图3是本发明实施例提供的定向天线示意图。

图4是本发明实施例提供的局部节点定位示意图。

图5是本发明实施例提供的移动锚节点辅助定位程序图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示：一种基于螺旋线的移动锚节点WSN辅助定位方法，该基于螺旋线的移动锚节点WSN辅助定位方法包括：

S101：首先假定未知节点随机分布在一方形区域内，以方形区域中心点为原点建立坐标系，以固定间隔R画出螺旋线作为锚节点的移动路径，区域长为L，螺旋线分为n段，移动锚节点装备双向定向天线移动，按固定角速度ω移动，且定向天线中心轴始终与移动方向垂直，移动路径为固定多层螺旋线，移动过程是由内而外，在坐标原点左侧(-R/2,0)坐标处开始计时移动，由00:00开始，周期性广播数据包，持续这个过程直到锚节点移动到右侧(R·n/2,0)坐标点时终止；

S102:随着锚节点的移动，待定位节点将集中接收到锚节点广播的数据包，当第一次接收到数据包时，将第一次接收到数据包时的时刻值标记为T₁ ⁽¹⁾，并检测第一次接收到数据包时的信号强度值，记为RSSI₁ ⁽¹⁾；当第二次接收到数据包时，将第二次接收到数据包时的时刻值标记为T₂ ⁽¹⁾，并检测第二次接收到数据包时的信号强度值，记为RSSI₂ ⁽¹⁾；重复以上过程，直到不再检测到数据包为止；最后检测到的时刻值为T_n ⁽¹⁾，信号强度值为RSSI_n ⁽¹⁾；

S103:未知节点根据T₁ ⁽¹⁾，T_n ⁽¹⁾及角速度ω计算出目前所处圆弧段及角度，得虚拟锚节点中间点的角度及当未知节点分布在螺旋线外侧时，只接收到一轮数据包，而当未知节点分布在螺旋线内侧时，集中接收到两轮数据包，分别位于不同弧段的相同角度方向，第二轮接收到的时刻值和信号强度分别标记为和第二轮计算过程与第一轮相同，得到中间点角度及值；

S104：每个未知节点若只检测到一轮数据，则定位于该未知节点圆弧外侧距离d1的位置，d1由信号衰落模型转化得出，然后根据角度值确定该未知节点坐标；若检测到两轮数据，则根据RSSI值较小的轮次信息来确定该未知节点坐标，RSSI越小，对应距离越大，进而待定位节点所接收到的数据越多，定位越精确。

进一步，固定间隔R的值根据定向天线通信距离设定。

进一步，区域长为L，螺旋线分为n段中按照公式L＝R×(n+1)分段，其中，R为固定间隔。

进一步，周期性广播数据包中数据包包括移动锚节点的当前时刻值及ID值，ID值为节点的唯一编码identification，确定未知节点收到的信息来自锚节点，从而避免未知节点正常通信过程中对该定位过程造成干扰用{T，ID}表示，广播的周期为T_send。

进一步，待定位节点P的坐标计算方法为：

利用公式(1)计算出第k轮次的中间时刻点：

其中，n为第k轮次中接收到的数据包次数；

然后利用公式(2)计算出中间点的角度值:

${\mathrm{\&theta;}}_r^{\left(k\right)}=\frac{180}{\mathrm{\&pi;}}\&times;\mathrm{\&omega;}\&times;T_r^{\left(k\right)}---\left(2\right)$

同理其信号强度值为：

根据RSSI测距模型公式：

RSSI＝-(A+10nlgd) (4)

计算出该时刻锚节点与待定位节点之间的距离d_k，式中A为距离发射节点1m处接收信号强度的绝对值，n是路径损耗系数，当未知节点只接收到一轮数据时，d＝d₁；当未知节点接收到两轮数据时，取

$d=\left\{\begin{array}{cc}{d}_1,& d_1<d_2\\ -d_2,& d_1\&GreaterEqual;d_2\end{array}\right.---\left(5\right)$

然后，设未知节点坐标为(x_i,y_i)，根据式(6)计算出该未知节点所在弧段的半径，

r＝R·m/2+d (6)

其中

最后，根据以上计算所得，代入待定位节点p_i的坐标公式：

至此，求出P点的坐标后，该点的定位过程结束，其他待定位节点均实施上述方法，完成自身的定位过程

下面结合具体实施例对本发明进一步说明。

设参考定位场景如图2所示，场景为边长为450m的正方形区域，区域面积为450m×450m，以方形区域中心点为原点建立坐标系，随机部署30个未知节点，移动锚节点S的通信范围R＝50m，定向天线辐射角度ɑ为30°，固定移动角速度ω为π/36(rad/s)，锚节点从(-50,0)点开始沿螺旋线逆时针移动，定向广播周期Tsend为1s，其中定向天线如图3所示。

本发明在以上实施条件下具体步骤为：

步骤1：移动锚节点在00:00开始计时移动，按周期每1秒定向广播一次，数据包包含当前消息发送时刻值和自身ID，锚节点在移动了4.5圈后到达终点(225,0)，此时的时刻值为05:24，共计324s，移动过程结束。

步骤2：图4具体展示了某一轮次待定位节点P接收数据包及记录相关信息的过程。在实际部署中，随着移动锚节点的接近，待定位节点P在T_i ⁽¹⁾＝01:00时首次接收到锚节点的广播信息，然后通过ID验证锚节点身份，验证通过后，记录该次的时刻值和RSSI值；每隔1秒均收到广播信息，直到之后不再接收到广播信息，则一共接收到5次数据包，选取中间时刻点的位置作为虚拟锚节点，即测得其RSSI值为-65.89dbm；然后经过72s(移动一圈)之后，P点再次接收到锚节点发来的数据包，从T_i ⁽²⁾＝02:11开始，到结束，则一共接收到7次数据包，选取中间时刻点的位置作为虚拟锚节点，即其RSSI值为-70.92dbm。综上所述，选取RSSI较小的轮次，即第二轮(若只接收到一轮次数据包，则不用再比较RSSI值，直接进行后面的步骤即可)，将代入公式计算得角度值为670°；

步骤3：在RSSI测距模型公式RSSI＝-(A+10nlgd)中，经过实际测量可知A＝33.89，路径损耗系数n＝2.46，据此计算出该时刻锚节点与待定位节点之间的距离d＝-32(m)，设未知节点坐标为(x_i,y_i)，根据式r＝R·m/2+d计算出该未知节点所在弧段的半径r＝68(m)，其中即m＝4；

步骤4：将参数r,m代入定位节点p_i的坐标公式：

可以求得P点的坐标为(-68.71,52.09)，至此，该未知节点P的定位过程结束。其他待定位节点均实施上述方法，完成自身的定位过程。

下面结合整个定位程序中移动锚节点辅助定位程序图对本发明进一步说明。

如图5所示。首先是网络初始化，对相关区域进行节点部署，然后锚节点按规定路径移动并周期性广播；待定位未知节点接收到数据包后进行自我定位，当所有未知节点完成定位后，整个定位过程结束。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于螺旋线的移动锚节点WSN辅助定位方法，其特征在于，该基于螺旋线的移动锚节点WSN辅助定位方法包括：

步骤一：首先假定未知节点随机分布在一方形区域内，以方形区域中心点为原点建立坐标系，以固定间隔R画出螺旋线作为锚节点的移动路径，区域长为L，螺旋线分为n段，移动锚节点装备双向定向天线移动，按固定角速度ω移动，且定向天线中心轴始终与移动方向垂直，移动路径为固定多层螺旋线，移动过程是由内而外，在坐标原点左侧坐标处开始计时移动，由00:00开始，周期性广播数据包，持续这个过程直到锚节点移动到右侧坐标点时终止；

步骤二、随着锚节点的移动，待定位节点将集中接收到锚节点广播的数据包，当第一次接收到数据包时，将第一次接收到数据包时的时刻值标记为T₁ ⁽¹⁾，并检测第一次接收到数据包时的信号强度值，记为RSSI₁ ⁽¹⁾；当第二次接收到数据包时，将第二次接收到数据包时的时刻值标记为T₂ ⁽¹⁾，并检测第二次接收到数据包时的信号强度值，记为RSSI₂ ⁽¹⁾；重复以上过程，直到不再检测到数据包为止；最后检测到的时刻值为T_n ⁽¹⁾，信号强度值为RSSI_n ⁽¹⁾；

步骤三、未知节点根据T₁ ⁽¹⁾，T_n ⁽¹⁾及角速度ω计算出目前所处圆弧段及角度，得虚拟锚节点中间点的角度及当未知节点分布在螺旋线外侧时，只接收到一轮数据包，而当未知节点分布在螺旋线内侧时，集中接收到两轮数据包，分别位于不同弧段的相同角度方向，第二轮接收到的时刻值和信号强度分别标记为和第二轮计算过程与第一轮相同，得到中间点角度及值；

步骤四、每个未知节点若只检测到一轮数据，则定位于该未知节点圆弧外侧距离d1的位置，d1由信号衰落模型转化得出，然后根据角度值确定该未知节点坐标；若检测到两轮数据，则根据RSSI值较小的轮次信息来确定该未知节点坐标，RSSI越小，对应距离越大，进而待定位节点所接收到的数据越多。

2.如权利要求1所述的基于螺旋线的移动锚节点WSN辅助定位方法，其特征在于，固定间隔R的值根据定向天线通信距离设定，所述坐标原点左侧坐标处为：(-R/2,0)；锚节点右侧坐标点为：(R·n/2,0)。

3.如权利要求1所述的基于螺旋线的移动锚节点WSN辅助定位方法，其特征在于，区域长为L，螺旋线分为n段中按照公式L＝R×(n+1)分段，其中，R为固定间隔。

4.如权利要求1所述的基于螺旋线的移动锚节点WSN辅助定位方法，其特征在于，周期性广播数据包中数据包包括移动锚节点的当前时刻值及ID值，用{T，ID}表示，广播的周期为T_send。

5.如权利要求1所述的基于螺旋线的移动锚节点WSN辅助定位方法，其特征在于，待定位节点P的坐标计算方法为：

利用公式(1)计算出第k轮次的中间时刻点：

其中，n为第k轮次中接收到的数据包次数；

然后利用公式(2)计算出中间点的角度值:

${\mathrm{\&theta;}}_r^{\left(k\right)}=\frac{180}{\mathrm{\&pi;}}\&times;\mathrm{\&omega;}\&times;T_r^{\left(k\right)}---\left(2\right)$

同理其信号强度值为：

根据RSSI测距模型公式：

RSSI＝-(A+10nlgd) (4)

计算出该时刻锚节点与待定位节点之间的距离d_k，式中A为距离发射节点1m处接收信号强度的绝对值，n是路径损耗系数，当未知节点只接收到一轮数据时，d＝d₁；当未知节点接收到两轮数据时，取

$d=\left\{\begin{array}{cc}{d}_1,& d_1<d_2\\ -d_2,& d_1\&GreaterEqual;d_2\end{array}\right.---\left(5\right)$

然后，设未知节点坐标为(x_i,y_i)，根据式(6)计算出该未知节点所在弧段的半径，

r＝R·m/2+d (6)

其中

最后，根据以上计算所得，代入待定位节点p_i的坐标公式：

至此，求出P点的坐标后，该点的定位过程结束，其他待定位节点均实施上述方法，完成自身的定位过程。

6.如权利要求1所述的基于螺旋线的移动锚节点WSN辅助定位方法，其特征在于，所述信号衰落模型是指信号强度会随着传播距离的增大而减弱，无线信号强度与传输距离之间的关系模型为：

RSSI＝-(A+10nlgd)，

其中n是路径损耗系数，d是传输距离，式中A为距离发射节点1m处接收信号强度的绝对值。

7.如权利要求4所述的基于螺旋线的移动锚节点WSN辅助定位方法，其特征在于，所述的ID值为节点的唯一编码identification，ID值用于确定未知节点收到的信息来自锚节点，避免未知节点正常通信过程中对该定位过程造成干扰。