本發(fā)明屬于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種精度準(zhǔn)、效率高、成本低的基于APIT的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法。

背景技術(shù)：

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量微型的傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織的方式組成的低成本、自適應(yīng)性高的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。它可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知各種環(huán)境和監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并將數(shù)據(jù)傳送給所需的用戶。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，無(wú)線傳感網(wǎng)具有十分廣泛的前景。其中，定位技術(shù)是無(wú)線傳感網(wǎng)的多種關(guān)鍵技術(shù)之一。傳感器節(jié)點(diǎn)自身定位能夠確定感知到的數(shù)據(jù)的位置信息，進(jìn)而用于目標(biāo)的跟蹤定位。對(duì)于某些需要用到位置信息的路由協(xié)議，節(jié)點(diǎn)的定位功能就不可或缺。同時(shí)，定位對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涔芾硪埠苡袔椭?，利用?jié)點(diǎn)的位置信息統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率，對(duì)節(jié)點(diǎn)覆蓋率較低的區(qū)域能夠及時(shí)采取必要的措施。

考慮的成本和能耗等因素，為傳感器節(jié)點(diǎn)手動(dòng)設(shè)置位置信息或?yàn)槊恳粋€(gè)節(jié)點(diǎn)配備GPS是不切實(shí)際的，因此就需要研究一種高效、準(zhǔn)確的傳感器節(jié)點(diǎn)定位算法。通過(guò)少數(shù)已知位置信息或加裝GPS的錨節(jié)點(diǎn)，來(lái)用于計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。目前普遍使用的是基于測(cè)距和基于非測(cè)距的這兩種定位算法，基于接收信號(hào)強(qiáng)度(RSSI，Receive Signal Strength Indicator)測(cè)距會(huì)由于受到環(huán)境因素和多徑衰落的影響，產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。

基于非測(cè)距的近似三角形內(nèi)點(diǎn)測(cè)試(APIT，Approximate Point-In-Triangulation Test)定位算法利用高密度的節(jié)點(diǎn)來(lái)模擬點(diǎn)N的運(yùn)動(dòng)，如圖1所示：如果點(diǎn)N的鄰居節(jié)點(diǎn)中沒(méi)有同時(shí)接近或遠(yuǎn)離三角形的三個(gè)頂點(diǎn)A、B、C，那么點(diǎn)N就在三角形ABC內(nèi)部；否則點(diǎn)N在三角形ABC外部。由于APIT算法的只能判斷有限的移動(dòng)方向(與鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)目有關(guān))，所以在某些情況下產(chǎn)生誤判。導(dǎo)致三角形區(qū)域選取錯(cuò)誤，造成較大的誤差。如圖2a所示，節(jié)點(diǎn)N的鄰居節(jié)點(diǎn)4位于三角形的外部，這使得節(jié)點(diǎn)N存在一個(gè)同時(shí)遠(yuǎn)離頂點(diǎn)A、B、C的運(yùn)動(dòng)方向。根據(jù)APIT算法的定義，得出點(diǎn)N處于三角形ABC外部的判斷，這與事實(shí)是不相符的。這種錯(cuò)誤被稱(chēng)為In-to-Out error。當(dāng)節(jié)點(diǎn)N的鄰居節(jié)點(diǎn)如圖2b所示分布時(shí)，節(jié)點(diǎn)N及其鄰居節(jié)點(diǎn)1、2都處于三角形ABC外部，但是由于找不到同時(shí)接近或遠(yuǎn)離頂點(diǎn)A、B、C的鄰居節(jié)點(diǎn)，所以根據(jù)APIT算法的定義，得出N處于三角形ABC內(nèi)部的判斷，這種錯(cuò)誤被稱(chēng)為Out-to-In error。由于APIT定位算法在測(cè)試未知節(jié)點(diǎn)在是否在三角形內(nèi)部時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤判，導(dǎo)致三角形區(qū)域選取錯(cuò)誤，造成較大的誤差。

總之，現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題是：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位精度差、效率低、成本高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種基于APIT的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，精度準(zhǔn)、效率高、成本低。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案為：一種基于APIT的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，包括如下步驟：

(10)錨節(jié)點(diǎn)位置信息收發(fā)：在傳感器網(wǎng)絡(luò)中四個(gè)邊角各放置一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)，其余錨節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布，錨節(jié)點(diǎn)向周?chē)l(fā)送其位置信息，未知節(jié)點(diǎn)接收錨節(jié)點(diǎn)位置信息；

(20)節(jié)點(diǎn)間距獲?。焊鶕?jù)未知節(jié)點(diǎn)接收到的錨節(jié)點(diǎn)位置信息的信號(hào)強(qiáng)度，計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)的距離；

(30)未知節(jié)點(diǎn)估計(jì)坐標(biāo)計(jì)算：根據(jù)未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)的距離，計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的估計(jì)坐標(biāo)；

(40)未知節(jié)點(diǎn)位置篩選：根據(jù)未知節(jié)點(diǎn)的估計(jì)坐標(biāo)，采用改進(jìn)的APIT算法，篩選包含未知節(jié)點(diǎn)的三角形區(qū)域；

(50)質(zhì)心多邊形選定：將整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)劃分成多個(gè)網(wǎng)格區(qū)域，根據(jù)未知節(jié)點(diǎn)與三角形內(nèi)區(qū)域的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定各網(wǎng)格區(qū)域值，將網(wǎng)格區(qū)域值最高的多邊形網(wǎng)格區(qū)域選定為質(zhì)心多邊形；

(60)未知節(jié)點(diǎn)真實(shí)坐標(biāo)確定：將根據(jù)質(zhì)心多邊形的質(zhì)心位置，得到未知節(jié)點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)在于：

1、精度準(zhǔn)：避免了在計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)是否處于三角形內(nèi)部時(shí)產(chǎn)生的誤判，提高了節(jié)點(diǎn)定位的精度；

2、效率高：只使用到向量積運(yùn)算，避免了復(fù)雜的迭代算法，提高了運(yùn)行效率；

3、成本低：不需要為所有節(jié)點(diǎn)額外添加定位模塊，降低了組建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的成本。

附圖說(shuō)明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)APIT定位方法未知節(jié)點(diǎn)位置判斷原理圖。

圖2是現(xiàn)有技術(shù)APIT定位方法未知節(jié)點(diǎn)位置判斷時(shí)常見(jiàn)誤判結(jié)果示例圖。

圖3是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明基于APIT的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法的流程圖。

圖5是圖4中未知節(jié)點(diǎn)位置篩選的原理圖。

圖6是圖4中質(zhì)心多邊形選定的原理圖。

圖7是APIT算法定位原理圖。

具體實(shí)施方式

圖3所示為一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。如圖中所示，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括由各圓點(diǎn)表示的未知節(jié)點(diǎn)和星號(hào)表示的錨節(jié)點(diǎn)。

如圖4所示，本發(fā)明基于APIT的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，包括如下步驟：

(10)錨節(jié)點(diǎn)位置信息收發(fā)：在傳感器網(wǎng)絡(luò)中四個(gè)邊角各放置一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)，其余錨節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布，錨節(jié)點(diǎn)向周?chē)l(fā)送其位置信息，未知節(jié)點(diǎn)接收錨節(jié)點(diǎn)位置信息；

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中四個(gè)邊角分別放置一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)，其他錨節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布，錨節(jié)點(diǎn)為能量充足且?guī)в形恢眯畔⒌墓?jié)點(diǎn)，錨節(jié)點(diǎn)的通信距離比普通的傳感器節(jié)點(diǎn)大，傳感器網(wǎng)絡(luò)部署完畢后，錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送位置信息給未知節(jié)點(diǎn)，如果未知節(jié)點(diǎn)收到的錨節(jié)點(diǎn)信號(hào)少于3個(gè)，則該節(jié)點(diǎn)無(wú)法進(jìn)行定位。

(20)節(jié)點(diǎn)間距獲?。焊鶕?jù)未知節(jié)點(diǎn)接收到的錨節(jié)點(diǎn)位置信息的信號(hào)強(qiáng)度，計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)的距離；

所述(20)節(jié)點(diǎn)間距獲取步驟具體為，按下式計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)的距離d：

式中，Pl(d)為未知節(jié)點(diǎn)接收到的錨節(jié)點(diǎn)位置信息的信號(hào)強(qiáng)度，Pl(d₀)為參考距離d₀處的信號(hào)強(qiáng)度，n為路徑衰減指數(shù)，m是均值為0、方差為δ_m²的高斯噪聲，用來(lái)表示測(cè)量誤差。

未知節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的錨節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度，計(jì)算出節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)之間的距離d。由于受到環(huán)境影響和多徑衰落等因素干擾，計(jì)算出的距離d有很大的誤差，在后面的計(jì)算中，d只用于估算未知節(jié)點(diǎn)的位置。

(30)未知節(jié)點(diǎn)估計(jì)坐標(biāo)計(jì)算：根據(jù)未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)的距離，計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的估計(jì)坐標(biāo)；

所述(30)未知節(jié)點(diǎn)估計(jì)坐標(biāo)計(jì)算步驟具體為，按下式計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的估計(jì)坐標(biāo)(x_l,y_l)：

其中，(x_a,y_a)、(x_b,y_b)、(x_c,y_c)為在未知節(jié)點(diǎn)通訊范圍內(nèi)選取的距離d最小的三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，它們與未知節(jié)點(diǎn)的距離分別為d_a,d_b,d_c，即，

此時(shí)計(jì)算的未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)(x_l,y_l)為一個(gè)估計(jì)坐標(biāo)，用于下面找出所有包含未知節(jié)點(diǎn)的三角形區(qū)域。

(40)未知節(jié)點(diǎn)位置篩選：根據(jù)未知節(jié)點(diǎn)的估計(jì)坐標(biāo)，采用改進(jìn)的APIT算法，篩選包含未知節(jié)點(diǎn)的三角形區(qū)域；

所述(40)未知節(jié)點(diǎn)位置篩選步驟具體為：

任選三角形ABC的一條邊AC，連接未知節(jié)點(diǎn)N與頂點(diǎn)B，將NB與AC做向量積，再將AB與AC做向量積，根據(jù)“右手定則”，確定向量積的方向，當(dāng)兩個(gè)向量積方向相同時(shí)，則判定未知節(jié)點(diǎn)N與頂點(diǎn)B在同一側(cè)；

同理，將未知節(jié)點(diǎn)N與CB、BA做相同的判定，如果未知節(jié)點(diǎn)在AC、CB和CA三條邊的同一側(cè)，則判定未知節(jié)點(diǎn)N在三角形ABC內(nèi)部，得到包含未知節(jié)點(diǎn)N的三角形區(qū)域。

其原理如圖5所示。假如點(diǎn)N位于三角形ABC內(nèi)部，沿著A—C—B—A方向觀察時(shí)，點(diǎn)N始終位于AC，CB，BA的右側(cè)。那么要判定一個(gè)點(diǎn)是否在一條邊的某一側(cè)，只要確定該點(diǎn)與一條邊對(duì)應(yīng)的頂點(diǎn)在同一側(cè)就可以了。例如要確定點(diǎn)N在BC的右側(cè)，只要確定N與AC對(duì)應(yīng)的頂點(diǎn)B在同一側(cè)就可以了；同理，如果N與CB、BA對(duì)應(yīng)的頂點(diǎn)A、C位于同一側(cè)，那么可以確定N位于三角形ABC內(nèi)部，如圖5a所示。否則，N在三角形外部，如圖5b所示。

(50)質(zhì)心多邊形選定：將整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)劃分成多個(gè)網(wǎng)格區(qū)域，根據(jù)未知節(jié)點(diǎn)與三角形內(nèi)區(qū)域的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定各網(wǎng)格區(qū)域值，將網(wǎng)格區(qū)域值最高的多邊形網(wǎng)格區(qū)域選定為質(zhì)心多邊形；

所述(50)質(zhì)心多邊形選定步驟具體為：

將整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)劃分成邊長(zhǎng)為定值的多個(gè)網(wǎng)格區(qū)域，每個(gè)網(wǎng)格區(qū)域的初始值為0；

當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)N在三角形內(nèi)時(shí)，該三角形對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格區(qū)域值加1，當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)在三角形外時(shí)，該三角形對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格區(qū)域值減1；

將網(wǎng)格區(qū)域值最高的多邊形網(wǎng)格區(qū)域選定為質(zhì)心多邊形。

其原理如圖6所示。將整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)劃分成網(wǎng)格，網(wǎng)格的邊長(zhǎng)為一個(gè)預(yù)先定好的值，可選取為0.1R，R為傳感器節(jié)點(diǎn)的通信半徑。網(wǎng)格的初始值為0。當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)在三角形內(nèi)時(shí)，該三角形對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格區(qū)域值加1，當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)在三角形外時(shí)，該三角形對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格區(qū)域值減1。最后，得到一個(gè)數(shù)值最高的多邊形網(wǎng)格區(qū)域，該區(qū)域的質(zhì)心坐標(biāo)即為未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。如圖7所示。

(60)未知節(jié)點(diǎn)真實(shí)坐標(biāo)確定：將根據(jù)質(zhì)心多邊形的質(zhì)心位置，得到未知節(jié)點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)。

將質(zhì)心多邊形頂點(diǎn)所在的網(wǎng)格中心坐標(biāo)記為該質(zhì)心多邊形的頂點(diǎn)坐標(biāo)(x_i,y_i)，k為多邊形的頂點(diǎn)數(shù)，以如下公式計(jì)算質(zhì)心多邊形的質(zhì)心坐標(biāo)(x,y)，

并將其作為未知節(jié)點(diǎn)N的真實(shí)坐標(biāo)。

本發(fā)明采用改進(jìn)的APIT算法，篩選包含未知節(jié)點(diǎn)的三角形區(qū)域，避免了在計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)是否處于三角形內(nèi)部時(shí)產(chǎn)生的誤判，提高了節(jié)點(diǎn)定位的精度；而且未知節(jié)點(diǎn)位置篩選過(guò)程中只使用到向量積運(yùn)算，避免了復(fù)雜的迭代算法，提高了運(yùn)行效率。

另外，本發(fā)明不需要為所有節(jié)點(diǎn)額外添加定位模塊，降低了組建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的成本。