專利名稱：一種網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法，適用于醫(yī)療，采礦，監(jiān)獄等環(huán)境下的人員定位，同時能夠很好地滿足農(nóng)田，物流，倉儲，等環(huán)境的物資監(jiān)控的要求。
背景技術(shù)：
近年來室內(nèi)物品和人員的位置感知計算、基于位置的服務(wù)(LBS)成為研究熱點，如何確定室內(nèi)環(huán)境中的人或物品的位置是基于位置服務(wù)的核心問題，因此室內(nèi)定位系統(tǒng)是實現(xiàn)基于位置服務(wù)的基礎(chǔ)。Zigbee是一種低成本、低功耗、低速率的無線連接技術(shù)，目前Zigbee定位系統(tǒng)的實現(xiàn)主要是采用了 Chipcon公司的CC2430芯片和帶有定位引擎的CC2431芯片，實現(xiàn)了短距離范圍內(nèi)的無線定位。但是，目前CC2431的定位效果不盡如人意，主要由于它高能耗，低精度的缺點，并 且當(dāng)大規(guī)模部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)參考節(jié)點時，系統(tǒng)整體能耗提高，信號能量強度增強，雖然提升了系統(tǒng)的定位效果，但定位精度并沒有有效提高。目前對于定位算法的改進通?；赗SSI的測距方法，參考LQI值對它的輔助作用，采用二者相結(jié)合的方式進行測距，國外還有采用基于測距的Bounding-1nbox定位算法。這些方法在實際應(yīng)用中誤差較大，能耗較高，并且沒有考慮到特殊應(yīng)用環(huán)境中人員或者物資的特性。實際上，人們總是習(xí)慣于經(jīng)由熟悉的路線上下班，上學(xué)，購物或者是工作，有研究表明通過對部分駕駛員至少40天以上的行車觀察后發(fā)現(xiàn)大約有60%的行駛路徑是重復(fù)的。同理，在醫(yī)療，采礦，監(jiān)獄等被限制的特定環(huán)境下的被監(jiān)控人員也同樣具有特定的移動習(xí)慣特性。這種特性就是本路徑預(yù)測算法的基本前提。

發(fā)明內(nèi)容
針對目前基于CC2431的Zigbee的定位系統(tǒng)定位精度不高，能量消耗大的問題，本發(fā)明提供一種高精度、節(jié)能降耗的基于Zigbee的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法，包括以下步驟I)根據(jù)歷史軌跡預(yù)測移動節(jié)點的運動軌跡；2)控制參考節(jié)點的發(fā)射功率，使特定的參考節(jié)點對移動節(jié)點的發(fā)射功率值最大；3)對無關(guān)參考節(jié)點進行休眠處理，實現(xiàn)節(jié)點節(jié)能控制。所述步驟I)的運動軌跡是采用移動窗口指數(shù)加權(quán)平均法預(yù)測；所述移動窗口指數(shù)加權(quán)平均法是通過迭代方式計算，其方式Pn(X) = a XPn^1 (x) + (1-α ) P (χ)；Pn(y) = α XPn^1 (y) + (1-α ) P (y)；其中Ρη(χ)表示η時刻的χ坐標(biāo)預(yù)測值；a為權(quán)值；Pn_! (χ, α )表示η_1時刻的χ坐標(biāo)預(yù)測值；Ρ(χ)表示當(dāng)前時刻的χ坐標(biāo)；Pn(y, α )表示η時刻的y坐標(biāo)預(yù)測值！Plri (y, α )表示η_1時刻的χ坐標(biāo)預(yù)測值；Pn(y)表示當(dāng)前時刻的I坐標(biāo)。所述步驟2)參考節(jié)點和移動節(jié)點的發(fā)射功率控制包括反向開環(huán)功率控制和前向功率控制。所述步驟3)的節(jié)點節(jié)能控制的方式為根據(jù)移動節(jié)點的實時位置，依據(jù)移動節(jié)點在該位置接收到的M個參考節(jié)點的RSSI值，使用閾值RSSIth來選擇特定的N個節(jié)點作為參考節(jié)點，其中MSN ;打開這N個節(jié)點并提高發(fā)射功率值，剩余的參考節(jié)點全部發(fā)送休眠狀態(tài)指令，結(jié)合參考節(jié)點對運動軌跡的預(yù)測。本發(fā)明首先根據(jù)歷史軌跡運用移動窗口平均模型預(yù)測運動軌跡，然后控制參考節(jié)點的發(fā)射功率，使其在移動節(jié)點的功率值最大，最后對無關(guān)的參考節(jié)點進行休眠處理，以達到能源利用最大化。本發(fā)明提高了 CC2431Zigbee的定位系統(tǒng)的定位精度，并降低了其能量消耗。


圖1為移動節(jié)點定位示意圖；圖2為發(fā)射功率控制示意圖。
具體實施例I)預(yù)測移動節(jié)點的軌跡。采用移動窗口指數(shù)加權(quán)平均法來對移動節(jié)點位置進行預(yù)測處理。移動窗口指數(shù)加權(quán)平均法通過迭代的方式進行計算，時刻η的預(yù)測值Pn(xn，yn)僅與上一時刻的預(yù)測值Ρη-ι(χη-ι，yn-1)和當(dāng)前時刻位置PU，y)有關(guān)，計算公式如下Pn (χ, α ) = α XPirf (χ) + (1-α )Ρη (χ)Pn (y, α ) = α XPirf (y) + (l-a )Pn(y)其中Ρη(χ)表示η時刻的χ坐標(biāo)預(yù)測值；α為權(quán)值；Pn_i (χ, a )表示n_l時刻的χ 坐標(biāo)預(yù)測值；Ρ(χ)表示當(dāng)前時刻的χ坐標(biāo)；Pn(y, a )表示η時刻的y坐標(biāo)預(yù)測值！Plri (y, a )表示n_l時刻的χ坐標(biāo)預(yù)測值；Pn(y)表示當(dāng)前時刻的I坐標(biāo)。運用此方法，就可以通過歷史位置預(yù)測值PlriUlri, y」和當(dāng)前位置值P(x，y)，計算出下一時刻的位置預(yù)測值Pn(xn，yn)。這種迭代的方式與歷史數(shù)據(jù)均值法相比，降低了存儲需求。除了需要存儲Plri(xwyd、Pn(xn，yn)、ω和α外不需要額外的存儲變量。其中w表示時間窗口為多少個P(x，y)采樣數(shù)據(jù)的時間，α為權(quán)值。同時，該方法預(yù)測值的穩(wěn)定性與參數(shù)ω和α有關(guān)，通過改變ω和α的參數(shù)值，就可以使預(yù)測值的變化更加平滑穩(wěn)定。2)參考節(jié)點和移動節(jié)點的發(fā)射功率控制。Zigbee定位系統(tǒng)的功率控制類型包括反向開環(huán)功率控制，移動節(jié)點根據(jù)接收功率變化，調(diào)整發(fā)射功率。前向功率控制，根據(jù)移動節(jié)點測量報告，參考節(jié)點調(diào)整對移動節(jié)點的發(fā)射功率。21)反向開環(huán)功率控制移動節(jié)點的開環(huán)功率控制是指移動節(jié)點根據(jù)接收的參考節(jié)點信號強度來調(diào)節(jié)移動節(jié)點發(fā)射功率的過程。其目的是使所有參考節(jié)點發(fā)送到移動節(jié)點的信號功率最大，以免因“遠近效應(yīng)”影響擴頻Zigbee系統(tǒng)對CSMA/CA信號的接收，導(dǎo)致定位精度降低。同時，反向開環(huán)功率控制可保證移動節(jié)點以最小的發(fā)射功率維持系統(tǒng)正常運行，提高移動節(jié)點續(xù)航能力，降低系統(tǒng)能耗。在IEEE802. 15. 4系統(tǒng)內(nèi)，只要CC2431節(jié)點開機，開環(huán)就起作用。移動節(jié)點根據(jù)前向鏈路信號強度來判斷路徑損耗，功率變化過程中，移動節(jié)點不知道參考節(jié)點實際接收的信號強度(RSSI)，只能通過接收到的信號來估計前向鏈路損耗。移動節(jié)點通過對接收信號強度的測量，調(diào)整發(fā)射功率。接收的信號越強，移動節(jié)點的發(fā)射功率越小。移動節(jié)點在接入過程中的功率控制過程是通過RSSI實現(xiàn)的。接入過程中移動節(jié)點的發(fā)初始發(fā)射功率不能太大，會干擾無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點；同時發(fā)射功率也不能太小，參考節(jié)點會接收不到。因此，移動節(jié)點發(fā)射功率是一個緩慢增加的過程。移動節(jié)點接入前，先發(fā)送一個低強度請求接入信號，若參考節(jié)點沒有應(yīng)答，則以PWR_STEP為步長增加發(fā)射功率。當(dāng)移動節(jié)點接收到參考節(jié)點信號強度過高時，有兩種可能， 一是傳輸路徑損耗小，二是參考節(jié)點處于大負荷狀態(tài)。當(dāng)參考節(jié)點處于大負荷狀態(tài)時，如果移動節(jié)點通過減少發(fā)射功率來減小RSSI的話，可能無法被參考節(jié)點接收。則單純通過接入探針調(diào)整移動節(jié)點發(fā)射功率還不完善，在Zigbee和IEEE802. 15. 4系統(tǒng)中，還要考慮到一個開環(huán)功控糾正因子=min(max(-7-ECI0, 0)，7)。此時初始接入功率計算公式如下Pt.1nitial=-Pr-73+N0M_P WR+INTIT_P WRPt.1nitial單位為dbm ;其中Pr平均輸入功率；INIT_PWR初始功率值；N0M_PWR額定功率偏移；PWR_STEP功率增加量；接入后的開環(huán)功控作用下移動節(jié)點發(fā)射功率計算公式如下Pt=Pt.1nitial+接入探針增加功率總和+開環(huán)功控糾正因子；移動節(jié)點與參考節(jié)點建立連接以后，移動節(jié)點仍然會根據(jù)接收信號電平的變化，估計前向信道的衰落特性，調(diào)整自己的發(fā)射功率。22)前向功率控制功率控制的目的就是使移動節(jié)點接收到的RSSI接近特定環(huán)境允許的最大值，以達到最聞的定位精度。前向鏈路的信號增益調(diào)整包括兩個方面首先，參考節(jié)點網(wǎng)絡(luò)根據(jù)對移動節(jié)點的移動路徑預(yù)測來提高相應(yīng)參考節(jié)點發(fā)射功率；其次，移動節(jié)點選擇RSSI較高的幾個參考節(jié)點，向其發(fā)送功率控制命令來提高增益。在前向鏈路中，只引入一個慢速的功率控制PWR_CTL就可以控制每個參考節(jié)點的發(fā)送功率。CC2431的前向功率控制是基于參考節(jié)點對移動路徑的預(yù)測。一旦預(yù)測結(jié)果坐標(biāo)與參考節(jié)點間的差值Pab變小，參考節(jié)點就以功率增加量PWR_STEP為步長按照預(yù)測結(jié)果周期增加直至最大，如下式所示。Pr = PWR_CTL*Pab+PWR_STEP*PWR_CTL一旦移動節(jié)點接收到多個參考節(jié)點的信號，則比較RSSI值，選擇功率較高的N個節(jié)點向其發(fā)送功率控制命令。3)節(jié)點能源控制。Zigbee定位網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的降耗措施主要包括幾個方面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點一般工作于四種模式發(fā)送、接收、空閑和休眠。發(fā)送功耗、接收功耗和空閑功耗處于同一個數(shù)量級，而休眠功耗比其他模式功耗低I 2個數(shù)量級；休眠模式切換到其他模式需要較多的能耗和啟動時間；通信模塊的發(fā)送功耗與傳輸距離和調(diào)制策略等因素密切相關(guān)。因此，為了節(jié)省通信能耗，應(yīng)盡可能使通信模塊處于休眠狀態(tài)，盡可能減少節(jié)點通信模式的切換，適當(dāng)考慮多跳路由取代單跳路由。根據(jù)移動節(jié)點的實時位置，依據(jù)移動節(jié)點在該位置接收到的M個參考節(jié)點的RSSI值，使用閾值RSSIth來選擇特定的N個節(jié)點作為參考節(jié)點，剩余的參考節(jié)點全部發(fā)送休眠狀態(tài)指令。同時結(jié)合參考節(jié)點對運動軌跡的預(yù)測，打開這N個節(jié)點并提高發(fā)射功率值。所述的一種網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法，主要步驟如下步驟1:參考節(jié)點全部打開，以默認發(fā)射功率向外發(fā)射信號；移動節(jié)點加入到Zigbee網(wǎng)絡(luò)中，與參考節(jié)點通信，得到第一個初始坐標(biāo)匕。步驟2 :若移動節(jié)點靜止，則控制P1附近的N個參考節(jié)點以最大功率發(fā)射，同時根據(jù)設(shè)定的RSSIth閾值相應(yīng)關(guān)閉其他參考節(jié)點，從而提高定位精度，修正坐標(biāo)P1，即得最新坐標(biāo)P2O 若移動節(jié)點運動，則根據(jù)移動平均滑動模型的預(yù)測值，控制相應(yīng)參考節(jié)點發(fā)射功率，使用步進增加因子，同時糾正預(yù)測結(jié)果，使其附近的N個參考節(jié)點以最大功率發(fā)射，同時根據(jù)設(shè)定的RSSI閾值相應(yīng)關(guān)閉其他參考節(jié)點。步驟3 :在此基礎(chǔ)上，以步驟2的方法連續(xù)循環(huán)判斷，直至移動節(jié)點移出參考節(jié)點網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，此時控制各參考節(jié)點進入休眠狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法，其特征在于包括以下步驟 1)根據(jù)歷史軌跡預(yù)測移動節(jié)點的運動軌跡； 2)控制參考節(jié)點的發(fā)射功率，使特定的參考節(jié)點對移動節(jié)點的發(fā)射功率值最大； 3)對無關(guān)參考節(jié)點進行休眠處理，實現(xiàn)節(jié)點節(jié)能控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法，其特征在于所述步驟I)的運動軌跡是采用移動窗口指數(shù)加權(quán)平均法預(yù)測； 所述移動窗口指數(shù)加權(quán)平均法是通過迭代方式計算，其方式Pn(X) = a XPn^1 (x) + (l-a)P(x)；Pn(y) = a XPn^1 (y) + (l-a)P(y)； 其中Pn(x)表示n時刻的x坐標(biāo)預(yù)測值；a為權(quán)值Plri (x，a )表示n-l時刻的x坐標(biāo)預(yù)測值；P(x)表示當(dāng)前時刻的X坐標(biāo)； Pn (y, a )表示n時刻的y坐標(biāo)預(yù)測值！Plri (y, a )表示n_l時刻的x坐標(biāo)預(yù)測值；Pn(y)表示當(dāng)前時刻的I坐標(biāo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法，其特征在于所述步驟2)參考節(jié)點和移動節(jié)點的發(fā)射功率控制包括反向開環(huán)功率控制和前向功率控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法，其特征在于所述步驟3)的節(jié)點節(jié)能控制的方式為 根據(jù)移動節(jié)點的實時位置，依據(jù)移動節(jié)點在該位置接收到的M個參考節(jié)點的RSSI值，使用閾值RSSIth來選擇特定的N個節(jié)點作為參考節(jié)點，其中MSN ;打開這N個節(jié)點并提高發(fā)射功率值，剩余的參考節(jié)點全部發(fā)送休眠狀態(tài)指令，結(jié)合參考節(jié)點對運動軌跡的預(yù)測。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法，包括以下步驟1)根據(jù)歷史軌跡預(yù)測運動軌跡；2)控制參考節(jié)點的發(fā)射功率，使移動節(jié)點的功率值最大；3)對無關(guān)參考節(jié)點進行休眠處理，實現(xiàn)節(jié)點能源控制。本發(fā)明針對目前CC2431的Zigbee節(jié)點定位效果高能耗，低精度的缺點，并且當(dāng)大規(guī)模部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)參考節(jié)點時，系統(tǒng)整體能耗提高，信號能量強度增強，從本質(zhì)上來說提升了系統(tǒng)的定位效果，但定位精度并沒有有效提高。本發(fā)明的目的是提供一種高精度的，節(jié)能降耗的Zigbee定位算法。
文檔編號H04W52/02GK103024669SQ20121050726
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者程良倫, 高銳, 蘇海武, 于皓, 田剛, 劉軍 申請人:廣東工業(yè)大學(xué)