專利名稱：固定區(qū)域無線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位方法，尤其是一種固定區(qū)域無線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位方法，屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)節(jié)點(diǎn)定位在目標(biāo)跟蹤、安防及軍事偵察、現(xiàn)代物流、智能交通、商業(yè)導(dǎo)購、導(dǎo)游等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
WSN的研究起源于20世紀(jì)70年代，最早應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)、無線通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，由大量具有微處理能力的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成的WSN得到了進(jìn)一步的發(fā)展，其技術(shù)開始大量應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)、文化業(yè)、商業(yè)等非軍事領(lǐng)域。2004年日本推出了基于物聯(lián)網(wǎng)的國家信息化戰(zhàn)略U-Japan，希望催生和引領(lǐng)新一代信息科技革命。U-Japan的目標(biāo)是通過無所不在的物聯(lián)網(wǎng)，創(chuàng)建一個(gè)新的信息化社會(huì)，將日本建成一個(gè)充滿朝氣的國家，使所有國民，特別是兒童和殘疾人，都能積極有效便利地參與各種社會(huì)活動(dòng)。美國在奧巴馬總統(tǒng)就職后，也積極回應(yīng)IBM公司提出的“智慧地球”概念，并很快將物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)計(jì)劃升級(jí)為國家戰(zhàn)略。在2009 年11月的全球物聯(lián)網(wǎng)會(huì)議上，歐盟專家介紹了《歐盟物聯(lián)網(wǎng)行動(dòng)計(jì)劃》，意在使歐洲能引領(lǐng)世界物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在這樣的大背景下，我國政府也高度重視物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，并將其列為國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)之一，各級(jí)政府對(duì)包括物聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的下一代信息技術(shù)展開了重點(diǎn)扶持。
現(xiàn)有的WSN的目標(biāo)定位方法都是針對(duì)具體的環(huán)境和應(yīng)用設(shè)計(jì)的，目前還不存在普適的目標(biāo)定位方法。如2007年4月1日歐洲專利局公開的名為“kable Sensor Localization for Wireless Sensor Networks，，的發(fā)明專利申請(qǐng)(申請(qǐng)?zhí)朩02007002286)， 提出了一種基于規(guī)則的自適應(yīng)方法來進(jìn)行WSN節(jié)點(diǎn)定位的方法。該方法首先測量部分未知節(jié)點(diǎn)和臨近錨(anchor)節(jié)點(diǎn)的距離，采用幾何優(yōu)化算法-半定規(guī)劃松弛模型 (Semi-Definite Programming Model, SDP)對(duì)這部分未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行求解，然后把所求未知節(jié)點(diǎn)定為錨節(jié)點(diǎn)；不斷重復(fù)上述過程，直到最終實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的定位。中國專利局2008年8月27日公開了名為“一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位方法” 的發(fā)明專利申請(qǐng)(申請(qǐng)?zhí)?008101031M. 7)，它首先為WSN各局部構(gòu)建局部相對(duì)坐標(biāo)系，再對(duì)各個(gè)局部相對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行融合，得到所有節(jié)點(diǎn)的全局相對(duì)坐標(biāo)，并使用位置信息已知的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，把全局相對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成全局絕對(duì)坐標(biāo)，最后通過迭代求精的方法確定最終節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。2011年3月16日，中國專利局公開了名為“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法”的發(fā)明專利申請(qǐng)(申請(qǐng)?zhí)?01010538486. 6)，它通過未知節(jié)點(diǎn)接收移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送的包含自身位置的信息，對(duì)WSN區(qū)域建立二維直角坐標(biāo)系，確定移動(dòng)錨點(diǎn)的移動(dòng)路徑；當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)接收到三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的信息時(shí)，計(jì)算接收到的每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)的距離，最后根據(jù)三邊測量法對(duì)未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。其他的WSN節(jié)點(diǎn)定位方法還包括質(zhì)心法、最大似然估計(jì)算法、基于跳數(shù)的距離矢量定位算法(Distance Vector Hop，DV-H0P)、最小二乘定位方法和多尺度分析定位(MDS-MAP)方法等。
盡管學(xué)術(shù)界已提出不少針對(duì)WSN節(jié)點(diǎn)的定位算法，但是在眾多實(shí)際應(yīng)用中，由于受環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)布局、節(jié)點(diǎn)性能、算法復(fù)雜度等方面因素的影響，使得很多算法尚無法獲得實(shí)際應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種固定區(qū)域無線網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位方法，其定位操作方便，抗干擾能力強(qiáng)，定位精度高，適應(yīng)性好，安全可罪。
按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述固定區(qū)域無線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位方法， 所述移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位方法包括如下步驟 a、在固定區(qū)域內(nèi)放置M個(gè)錨點(diǎn)，固定區(qū)域內(nèi)每個(gè)M點(diǎn)都設(shè)有相應(yīng)的識(shí)別號(hào)，指定其中一個(gè)錨點(diǎn)的坐標(biāo)為坐標(biāo)原點(diǎn)，固定區(qū)域內(nèi)其余錨點(diǎn)依照與作為坐標(biāo)原點(diǎn)的錨點(diǎn)的位置關(guān)系來確定相應(yīng)坐標(biāo)，并測量固定區(qū)域內(nèi)所有錨點(diǎn)間的兩兩距離； b、將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)放入步驟a中的固定區(qū)域內(nèi)，將得到固定區(qū)域內(nèi)所有錨點(diǎn)間的兩兩距離值存儲(chǔ)到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)內(nèi)； C、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)放置確定后，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與固定區(qū)域內(nèi)相應(yīng)的錨點(diǎn)測距，找出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)距離移動(dòng)節(jié)點(diǎn)最近的N-I個(gè)錨點(diǎn)，其中N > 3，M > N ；測量移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與所選取 N-I個(gè)錨點(diǎn)的距離； d、測量移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與作為坐標(biāo)原點(diǎn)的錨點(diǎn)間的距離，將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與作為坐標(biāo)原點(diǎn)的錨點(diǎn)間距離、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與所選取N-I個(gè)錨點(diǎn)的距離及N-I個(gè)錨點(diǎn)間兩兩距離構(gòu)建距離矩陣； e、將步驟d得到的距離矩陣進(jìn)行變換，得到距離變換矩陣； f、對(duì)得到的距離變換矩陣進(jìn)行特征值分解，根據(jù)相應(yīng)特征值及所述特征值對(duì)應(yīng)的特征向量重組得到定位矩陣； g、通過定位矩陣及所選的N-I個(gè)錨點(diǎn)的坐標(biāo)，計(jì)算得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，完成對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的定位。
所述步驟g中，根據(jù)三邊定位算法及多維尺度變換方法，通過定位矩陣及所選的 N-I個(gè)錨點(diǎn)的坐標(biāo)，計(jì)算得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。
所述步驟f中，通過奇異值分解得到距離矩陣的特征值，選取大于0的特征值及相應(yīng)的特征向量重組得到定位矩陣。
所述步驟a中，固定區(qū)域內(nèi)錨點(diǎn)的坐標(biāo)通過在錨點(diǎn)上安裝定位裝置或標(biāo)定得到。
所述步驟c中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與所選取錨點(diǎn)的距離測量通過接收信號(hào)強(qiáng)度指示、信號(hào)到達(dá)時(shí)間或信號(hào)到達(dá)時(shí)間差的方法獲得。
所述步驟d中，當(dāng)作為坐標(biāo)原點(diǎn)的錨點(diǎn)位于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的通信范圍內(nèi)時(shí)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與作為坐標(biāo)原點(diǎn)的錨點(diǎn)距離通過接收信號(hào)強(qiáng)度指示、信號(hào)到達(dá)時(shí)間或信號(hào)到達(dá)時(shí)間差的方法獲得；當(dāng)作為坐標(biāo)原點(diǎn)的錨點(diǎn)位于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的通信范圍外時(shí)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與作為坐標(biāo)原點(diǎn)的錨點(diǎn)距離通過移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與最近路由錨點(diǎn)的距離及最近路由錨點(diǎn)與作為坐標(biāo)原點(diǎn)的錨點(diǎn)距離獲得；最近路由錨點(diǎn)指移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與作為坐標(biāo)原點(diǎn)的錨點(diǎn)通信路由中，相應(yīng)最靠近移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的錨點(diǎn)。
所述步驟e中，距離變換矩陣內(nèi)的元素值為
權(quán)利要求
1.一種固定區(qū)域無線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征是，所述移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位方法包括如下步驟(a)、在固定區(qū)域內(nèi)放置M個(gè)錨點(diǎn)，固定區(qū)域內(nèi)每個(gè)M點(diǎn)都設(shè)有相應(yīng)的識(shí)別號(hào)，指定其中一個(gè)錨點(diǎn)的坐標(biāo)為坐標(biāo)原點(diǎn)，固定區(qū)域內(nèi)其余錨點(diǎn)依照與作為坐標(biāo)原點(diǎn)的錨點(diǎn)的位置關(guān)系來確定相應(yīng)坐標(biāo)，并測量固定區(qū)域內(nèi)所有錨點(diǎn)間的兩兩距離；(b)、將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)放入步驟(a)中的固定區(qū)域內(nèi)，將得到固定區(qū)域內(nèi)所有錨點(diǎn)間的兩兩距離值存儲(chǔ)到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)內(nèi)；(C)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)放置確定后，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與固定區(qū)域內(nèi)相應(yīng)的錨點(diǎn)測距，找出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)距離移動(dòng)節(jié)點(diǎn)最近的N-I個(gè)錨點(diǎn)，其中N > 3，M > N ；測量移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與所選取N-I 個(gè)錨點(diǎn)的距離；(d)、測量移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與作為坐標(biāo)原點(diǎn)的錨點(diǎn)間的距離，將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與作為坐標(biāo)原點(diǎn)的錨點(diǎn)間距離、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與所選取N-I個(gè)錨點(diǎn)的距離及N-I個(gè)錨點(diǎn)間兩兩距離構(gòu)建距離矩陣；(e)、將步驟(d)得到的距離矩陣進(jìn)行變換，得到距離變換矩陣；(f)、對(duì)得到的距離變換矩陣進(jìn)行特征值分解，根據(jù)相應(yīng)特征值及所述特征值對(duì)應(yīng)的特征向量重組得到定位矩陣；(g)、通過定位矩陣及所選的N-I個(gè)錨點(diǎn)的坐標(biāo)，計(jì)算得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，完成對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的定位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固定區(qū)域無線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征是所述步驟(g)中，根據(jù)三邊定位算法及多維尺度變換方法，通過定位矩陣及所選的N-I個(gè)錨點(diǎn)的坐標(biāo)，計(jì)算得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固定區(qū)域無線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征是所述步驟(f)中，通過奇異值分解得到距離矩陣的特征值，選取大于0的特征值及相應(yīng)的特征向量重組得到定位矩陣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固定區(qū)域無線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征是所述步驟(a)中，固定區(qū)域內(nèi)錨點(diǎn)的坐標(biāo)通過在錨點(diǎn)上安裝定位裝置或標(biāo)定得到。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固定區(qū)域無線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征是所述步驟(c)中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與所選取錨點(diǎn)的距離測量通過接收信號(hào)強(qiáng)度指示、信號(hào)到達(dá)時(shí)間或信號(hào)到達(dá)時(shí)間差的方法獲得。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固定區(qū)域無線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征是所述步驟(d)中，當(dāng)作為坐標(biāo)原點(diǎn)的錨點(diǎn)位于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的通信范圍內(nèi)時(shí)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與作為坐標(biāo)原點(diǎn)的錨點(diǎn)距離通過接收信號(hào)強(qiáng)度指示、信號(hào)到達(dá)時(shí)間或信號(hào)到達(dá)時(shí)間差的方法獲得； 當(dāng)作為坐標(biāo)原點(diǎn)的錨點(diǎn)位于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的通信范圍外時(shí)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與作為坐標(biāo)原點(diǎn)的錨點(diǎn)距離通過移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與最近路由錨點(diǎn)的距離及最近路由錨點(diǎn)與作為坐標(biāo)原點(diǎn)的錨點(diǎn)距離獲得； 最近路由錨點(diǎn)指移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與作為坐標(biāo)原點(diǎn)的錨點(diǎn)通信路由中，相應(yīng)最靠近移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的錨點(diǎn)ο
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固定區(qū)域無線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征是所述步驟(e)中，距離變換矩陣內(nèi)的元素值為by = (d^ + dfj -dy)/2, 1 = 1,2, AN+l, j = 1，2，λ，n+i ；其中，表示距離變換矩陣內(nèi)第i行第j列的元素值，Clli表示移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)選取的第i個(gè)錨點(diǎn)與作為坐標(biāo)原點(diǎn)的錨點(diǎn)的距離,(Iu表示移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)選取的第j個(gè)錨點(diǎn)與作為坐標(biāo)原點(diǎn)的錨點(diǎn)的距離，表示移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)第i個(gè)錨點(diǎn)與第j個(gè)錨點(diǎn)間的距離。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固定區(qū)域無線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征是根據(jù)選取相應(yīng)的特征值及與與所述特征值對(duì)應(yīng)的特征向量重組得到的定位矩陣為 B'n+l = V1D1Vj ;其中，V1表示r個(gè)大于0的特征值對(duì)應(yīng)的特征向量組成的矩陣，D1表示r個(gè)大于0的特征值組成的對(duì)角矩陣。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的固定區(qū)域無線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征是所述移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的求取表達(dá)式為其中，々乃+1Χ1+\ =、ΧΤηΧη) ΧχΤηΚ+\b,( +1)1辦(《+1)2 M\\n+\)n J為定位矩陣的第n+1列的前η個(gè)元素，Xn為N個(gè)錨點(diǎn)的坐標(biāo)組成的NX 2維矩陣。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的固定區(qū)域無線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征是所述定位裝置包括全球定位系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種固定區(qū)域無線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位方法，其包括如下步驟a、在固定區(qū)域內(nèi)放置M個(gè)錨點(diǎn)，指定一個(gè)錨點(diǎn)的坐標(biāo)為坐標(biāo)原點(diǎn)，并測量所有錨點(diǎn)間的兩兩距離；b、將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)放入固定區(qū)域內(nèi)；c、找出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)距離移動(dòng)節(jié)點(diǎn)最近的N-1個(gè)錨點(diǎn)；測量移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與所選取N-1個(gè)錨點(diǎn)的距離；d、測量移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與作為坐標(biāo)原點(diǎn)的錨點(diǎn)間的距離，構(gòu)建距離矩陣；e、將距離矩陣進(jìn)行變換，得到距離變換矩陣；f、對(duì)得到的距離變換矩陣進(jìn)行特征值分解，根據(jù)相應(yīng)特征值及對(duì)應(yīng)的特征向量重組得到定位矩陣；g、通過定位矩陣及所選的N-1個(gè)錨點(diǎn)的坐標(biāo)，計(jì)算得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。本發(fā)明定位操作方便，抗干擾能力強(qiáng)，定位精度高，適應(yīng)性好，安全可靠。
文檔編號(hào)H04W64/00GK102186242SQ20111011807
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月9日
發(fā)明者戴歡, 顧曉峰 申請(qǐng)人:江南大學(xué)