一种能量采集无线传感器网络的APIT节点定位方法技术

本发明专利技术公开了一种能量采集无线传感器网络的APIT节点定位方法，包括下述步骤：S1、初始化网络；S2、待定节点广播信息；S3、将邻居锚节点数量少于3的和未被任何邻居锚节点所组成的三角形的标记为次级待定节点；S4、利用三角形面积法，判断待定节点是否位于任何一个由邻居锚节点所组成的三角形的内部；S5、对每一个三角形，使用三角形加权质心算法求出它质心的坐标，对所有质心的坐标取平均值，第一次定位结束；S6、查看次级待定节点的邻居表，若有邻居待定节点已被定位，则将已经定位的邻居节点升级为锚节点，重复步骤S3‑S5，进行第二次定位；S7、对于出现邻居锚节点少于三或不在任何一个三角形内的待定节点，标记为未定位节点。本发明专利技术有效减少了未定位节点的数量，提高了网络的节点覆盖率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线传感器网络的研究领域，特别涉及一种能量采集无线传感器网络的APIT节点定位方法。
技术介绍
APIT(Approximate Point-In-Triangulation)定位算法即近似三角形内点测试法，是一种非基于距离的节点定位算法。APIT的基本思想简单，实现难度低，有着系统构建成本较低、定位功耗较小、节点定位精度不错等优点，因此成为了一种非常热门的定位算法。对一个已经部署完毕的WSN，其内部必然存在着一定密度的待定节点与锚节点。在待定节点和锚节点都具备广播信息的前提下，待定节点和锚节点分别向其通信范围之内的所有节点进行信息广播，该广播包含节点的ID、坐标(待定节点没有)、能量、信号强度等信息。整个网络广播完毕之后，若某个待定节点的通信范围内有n(n≥3)个锚节点，则对这n个锚节点中任取三个组合成一个三角形，那么将可以组成共个三角形。判断待定节点是否位于锚节点所组成的三角形的区域之内，若在则对三角形进行标记，不在则排除该三角形。对所有已标记的三角形取它们的重合区域，再对重合区域取其质心，那么就可以认为该质心就是待定节点的估算坐标。尽管APIT算法在实际应用中非常简便，但其也存在不少非常突出的缺点，若不对这些不足加以改进的话是难堪大用的，下面对这些主要的缺点进行简单的说明：(1)正如前面所提到的，APIT定位的过程中将会有两个步骤出现无法被定位的节点，而这在实际的应用过程中几乎是无法避免的。(2)对待定节点进行APIT测试的时候，经常会出现待定节点正好位于或非常靠近锚节点所围成的三角形的一条边上，这个时候就会很容易出现in-to-out或out-to-in的问题。(3)在估算待定节点坐标过程中所使用的网格扫描法效率较低，而且计算精度也不高。(4)由于WSN中待定节点和锚节点的位置是随机部署的，将很有可能出现某个区域的节点密度过大而另一个区域的节点密度不足，而这些情况都将会极大地影响到最终的定位精度。(5)APIT定位算法的执行过程中不仅要求待定节点与锚节点进行信息交换，同时在邻居节点之间也有信息协调的需要，这就导致了整个网络的计算量和能量消耗增大，限制了更进一步的应用。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种能量采集无线传感器网络的APIT节点定位方法。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术提供了一种能量采集无线传感器网络的APIT节点定位方法，包括下述步骤：S1、初始化网络；S2、待定节点广播信息，节点间进行信息交换，一个待定节点的广播范围内的所有节点都会收到一个信息包，通过节点之间的信息交换，得到接收信号强度RSSI的信息；S3、判断待定节点的邻居锚节点数量是否大于等于三个，少于的话则标记为次级待定节点；S4、利用三角形面积法，判断待定节点是否位于任何一个由邻居锚节点所组成的三角形的内部，若待定节点不位于任何一个三角形的内部，则同样将该节点标记为次级待定节点，记录每一个包围了待定节点的三角形；S5、对每一个三角形，使用三角形加权质心算法求出它质心的坐标，穷尽所有被记录的三角形，对所有质心的坐标取平均值，该平均值就是待定节点坐标的估算值，第一次定位结束；S6、查看次级待定节点的邻居表，若有邻居待定节点已被定位，则将已经定位的邻居节点升级为锚节点，重复步骤S3-S5，进行第二次定位；S7、在第二次定位中，如果仍出现邻居锚节点少于三或不在任何一个三角形内的待定节点，则将其标记为未定位节点。作为优选的技术方案，步骤S6之前还包括下述步骤S0：建立待定节点升级机制，该机制在网络的第一次定位结束之后，通过将已定位节点升级成锚节点来进行第二次的定位，提升网络的节点覆盖率。作为优选的技术方案，步骤S0中，所述待定节点升级机制的实现方法如下：S01、初始化网络；S02、对网络进行第一次定位，将已定位的节点标记位设置为1，将邻居锚节点少于3个或没被任何三角形所包围的节点标记位设置为0；S03、对待定节点进行逐个检查，若节点的标记位为1，则在原有锚节点储存空间的底部开辟新的空间，并将自身信息赋予给相应的锚节点ID；S04、得到一组全新的锚节点信息后，标记位为0的待定节点更新邻居锚节点信息；S05、对网络进行第二次定位，同样将已定位的节点标记位设置为1，将邻居锚节点少于3个或没被任何三角形所包围的节点标记位设置为0；S06、定位结束。作为优选的技术方案，所述标记位作用是记录待定节点是否已被定位，已定位则为1，未定位则为0，在第一次定位结束后，标记位为0的待定节点成为次级节点，进入第二次定位中。作为优选的技术方案，步骤S1中，系统初始化时应保证所有待定节点的初始状态与锚节点一样，再额外增加一个标志位判断自己是否已被定位，在之后的应用中进行再次定位时，可选择标记位是已定位的节点作为锚节点使用。作为优选的技术方案，步骤S2中，所述信息包中包含节点ID、节点坐标、节点剩余能量和节点标记位信息。作为优选的技术方案，步骤S4中，利用三角形面积法，判断待定节点是否位于任何一个由邻居锚节点所组成的三角形的内部的具体方法是：假设A1、A2、A3为锚节点，U为待定节点，ΔA1A2A3的面积为SA1A2A3，当待定节点位于三角形的内部时，易知SA1UA3+SA1UA2+SA2UA3＝SA1A2A3，而当待定节点位于三角形的外部时，也有SA1UA3+SA1UA2+SA2UA3＞SA1A2A3，因此可以直接判断待定节点的是否位于一个三角形的内部；由于待定节点的坐标是不知道的，所以无法直接计算待定节点与三个锚节点之间的距离，在网络中引入RSSI即接收信号强度，那么节点在得到一个RSSI之后就可以通过下述公式(1)反推出距离： l = l 0 * 10 ( p r ( l 0 ) - p r ( l ) ) 10 n - - - ( 1 ) ]]>其中pr(l0)是参考距离为l0时接收到的信号强度，pr(l)是当距离为l时接收点处的信号强度，n为路径损耗指数；在已知三边长度的情况下，根据海伦公式(2)计算出该三角形的面积， S = p ( p - a ) ( p - b 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种能量采集无线传感器网络的APIT节点定位方法，其特征在于，包括下述步骤：S1、初始化网络；S2、待定节点广播信息，节点间进行信息交换，一个待定节点的广播范围内的所有节点都会收到一个信息包，通过节点之间的信息交换，得到接收信号强度RSSI的信息；S3、判断待定节点的邻居锚节点数量是否大于等于三个，少于的话则标记为次级待定节点；S4、利用三角形面积法，判断待定节点是否位于任何一个由邻居锚节点所组成的三角形的内部，若待定节点不位于任何一个三角形的内部，则同样将该节点标记为次级待定节点，记录每一个包围了待定节点的三角形；S5、对每一个三角形，使用三角形加权质心算法求出它质心的坐标，穷尽所有被记录的三角形，对所有质心的坐标取平均值，该平均值就是待定节点坐标的估算值，第一次定位结束；S6、查看次级待定节点的邻居表，若有邻居待定节点已被定位，则将已经定位的邻居节点升级为锚节点，重复步骤S3‑S5，进行第二次定位；S7、在第二次定位中，如果仍出现邻居锚节点少于三或不在任何一个三角形内的待定节点，则将其标记为未定位节点。

【技术特征摘要】
1.一种能量采集无线传感器网络的APIT节点定位方法，其特征在于，包括下述步骤：S1、初始化网络；S2、待定节点广播信息，节点间进行信息交换，一个待定节点的广播范围内的所有节点都会收到一个信息包，通过节点之间的信息交换，得到接收信号强度RSSI的信息；S3、判断待定节点的邻居锚节点数量是否大于等于三个，少于的话则标记为次级待定节点；S4、利用三角形面积法，判断待定节点是否位于任何一个由邻居锚节点所组成的三角形的内部，若待定节点不位于任何一个三角形的内部，则同样将该节点标记为次级待定节点，记录每一个包围了待定节点的三角形；S5、对每一个三角形，使用三角形加权质心算法求出它质心的坐标，穷尽所有被记录的三角形，对所有质心的坐标取平均值，该平均值就是待定节点坐标的估算值，第一次定位结束；S6、查看次级待定节点的邻居表，若有邻居待定节点已被定位，则将已经定位的邻居节点升级为锚节点，重复步骤S3-S5，进行第二次定位；S7、在第二次定位中，如果仍出现邻居锚节点少于三或不在任何一个三角形内的待定节点，则将其标记为未定位节点。2.根据权利要求1所述的能量采集无线传感器网络的APIT节点定位方法，其特征在于，步骤S6之前还包括下述步骤S0：建立待定节点升级机制，该机制在网络的第一次定位结束之后，通过将已定位节点升级成锚节点来进行第二次的定位，提升网络的节点覆盖率。3.根据权利要求2所述的能量采集无线传感器网络的APIT节点定位方法，其特征在于，步骤S0中，所述待定节点升级机制的实现方法如下：S01、初始化网络；S02、对网络进行第一次定位，将已定位的节点标记位设置为1，将邻居锚节点少于3个或没被任何三角形所包围的节点标记位设置为0；S03、对待定节点进行逐个检查，若节点的标记位为1，则在原有锚节点储存空间的底部开辟新的空间，并将自身信息赋予给相应的锚节点ID；S04、得到一组全新的锚节点信息后，标记位为0的待定节点更新邻居锚节点信息；S05、对网络进行第二次定位，同样将已定位的节点标记位设置为1，将邻居锚节点少于3个或没被任何三角形所包围的节点标记位设置为0；S06、定位结束。4.根据权利要求3所述的能量采集无线传感器网络的APIT节点定位方法，其特征在于，所述标记位作用是记录待定节点是否已被定位，已定位则为1，未定位则为0，在第一次定位结束后，标记位为0的待定节点成为次级节点，进入第二次定位中。5.根据权利要求1所述的能量采集无线传感器网络的APIT节点定位方法，其特征在于，步骤S1中，系统初始化时应保证所有待定节点的初始状态与锚节点一样，再额外增加一个标志位判断自己是否已被定位，在之后的应用中进行再次定位时，可选择标记位是已定位的节点作为锚节点使用。6.根据权利要求1所述的能量采集无线传感器网络的APIT节点定位方法，其特征在于，步骤S2中，所述信息包中包含节点ID、节点坐标、节点剩余能量和节点标记位信息。7.根据权利要求1所述的能量采集无线传感器网络的APIT节点定位方法，其特征在于，步骤S4中，利用三角形面积法，判断待定节点是否位于任何一个由邻居锚节点所组成的三角形的内部的具体方法是：假设A1、A2、A3为锚节点，U为待定节点，ΔA1A2A3的面积为SA1A2A3，当待定节点位于三角形的内部时，易知SA1UA3+SA1UA2+SA2UA3＝SA1A2A3，而当待定节点位于三角形的外部时，也有SA1UA3+SA1UA2+SA2UA3＞SA1A2A3，因此可以直接判断待定节点的是否位于一个三角形的内部；由于待定节点的坐标是不知道的，所以无法直接计算待定节点与三个锚节点之间的距离，在网络中引入RSSI即接收信号强度，那么节点在得到一个RSSI之后就可以通过下述公式(1)反推出距离： l = l 0 * 10 ( p r ( l 0 ) - p r ( l ) ) 10 n - - - ( 1 ) ]]>其中pr(l0)是参考距离为l0时接收到的信号强度，pr(l)是当距离为l时接收点处的信号强度，n为路径损耗指数；在已知三边长度的情况下，根据海伦公式(2)计算出该三角形的面积， S = p ( p - a ) ( p - b ) ( p - c ) - - - ( 2 ) ]]>其中S为三角形面积，a、b、c为三角形的三边长，p为三角形周长的一半。8.根据权利要求7所述的能量采集无线传感器网络的APIT节点定位方法，其特征在于，使用三角形加权质心算法求它质心的坐标的具体方法为：设组成三角形的锚节点A1、A2、A3的坐标分别为(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)，待定节点U到这三个锚节点的距离分别为d1、d2、d3，所述d1、d2、d3通过公式(1)计算出来，当待定节点位于一个三角形的内部时，则有下面的加权质心公式： x = x 1 d 1 2 + x 2 d 2 2 + x 3 d 3 2 1 d 1 2 + 1 d 2 2 + 1 d 3 2 y = ...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘贵云，范智亮，黎家俊，林伟冬，孙鹏伟，陈忠楚，唐冬，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：发明
国别省市：广东;44