基于无线传感器网络的分布式定位方法和无线传感器节点技术

本发明专利技术公开了一种基于WSN的分布式定位方法以及无线传感器节点。所述无线传感器节点包括超宽带射频模块、数据采集模块、数据处理和控制模块和电源模块。该方法基于所述无线传感器节点组建的WSN，包括：待定位目标节点广播定位请求报文，并在设定时长内接收定位响应报文；当响应所述定位请求报文的锚节点(即定位参考节点)数量超过三个且至少有三个锚节点的位置不在同一条直线上时，采用超宽带飞行时间算法逐一测量自身与每个所述定位参考节点之间的距离；根据所述定位参考节点的位置信息以及测量出的所述距离，采用粒子群优化算法估计自身的位置，并将该定位结果通过所述WSN上报给上位机监控系统。

Distributed localization method and wireless sensor node based on Wireless Sensor Network

The invention discloses a distributed positioning method based on WSN and a wireless sensor node. The wireless sensor node comprises an ultra-wideband radio frequency module, a data acquisition module, a data processing and control module and a power supply module. The method is based on the WSN constructed by the wireless sensor nodes, including: the target node to be located broadcasts the location request message and receives the location response message within a set time; when the number of anchor nodes (i.e. location reference nodes) responding to the location request message exceeds three and at least three anchor nodes are not in the same location In a straight line, the distance between itself and each reference node is measured one by one using the ultra-wideband time-of-flight algorithm; according to the position information of the reference node and the distance measured, the particle swarm optimization algorithm is used to estimate its position, and the positioning result is reported to the upper position through the WSN. Machine monitoring system.

【技术实现步骤摘要】
基于无线传感器网络的分布式定位方法和无线传感器节点
本专利技术涉及定位
，特别涉及一种基于无线传感器网络的分布式定位方法和无线传感器节点。
技术介绍
随着物联网技术的发展和广泛应用，人们对位置服务的要求越来越高。目前，广泛采用卫星定位系统来实现对移动终端的定位，例如GPS(GlobalPositionSystem，全球定位系统)和北斗定位系统等。这类定位技术依赖于通信基础设施，在卫星信号被阻挡的室内环境或阴影区域无法使用。因此，出现了基于无线传感器网络的定位技术，其不依赖于通信基础设施，部署灵活，可以应用于室内或者地下空间等不存在通信基础设施的环境中进行相对定位。目前，基于无线传感器网络的定位技术精度较低，不能满足定位需求。
技术实现思路
为了解决现有技术中的问题，本专利技术实施例提供了一种基于无线传感器网络的分布式定位方法和无线传感器节点。所述技术方案如下：本专利技术实施例提供了一种基于无线传感器网络的分布式定位方法，所述无线传感器网络由多个无线传感器节点组建，所述多个无线传感器节点包括多个锚节点和多个目标节点，所述锚节点存储有自身的位置信息，所述方法包括：待定位目标节点广播定位请求报文并在设定时长内接收定位响应报文，所述待定位目标节点为所述多个目标节点中的任意一个，所述定位响应报文包括发送所述定位响应报文的锚节点的标识和位置信息；当接收到的所述定位响应报文的数量不少于三个，且接收到的所述定位响应报文所属的锚节点中至少有三个锚节点不在同一条直线上时，所述待定位目标节点采用超宽带飞行时间算法逐一测量自身与定位参考节点之间的距离，所述定位参考节点为所述待定位目标节点接收到的定位响应报文所属的锚节点；所述待定位目标节点根据所述定位参考节点的位置信息以及测量出的所述距离，基于粒子群优化算法估计所述待定位目标节点的位置，得到定位结果；将所述定位结果通过所述无线传感器网络上报给上位机监控系统。在本专利技术实施例的一种实现方式中，所述待定位目标节点采用超宽带飞行时间算法逐一测量自身与定位参考节点之间的距离，包括：采用基于超宽带技术的双向飞行时间测量方法，逐一测量自身与各个所述定位参考节点之间的电报文飞行时间；将测得的所述电报文飞行时间分别与光速相乘，得到所述待定位目标节点与各个所述定位参考节点之间的距离。在本专利技术实施例的另一种实现方式中，所述待定位目标节点根据所述定位参考节点的位置信息和所述距离，确定粒子群优化算法的搜索空间；所述待定位目标节点在所述搜索空间内初始化M个粒子并计算每个粒子的适应度值，M为大于1的整数；所述待定位目标节点基于所述每个粒子的适应度值，迭代更新各个所述粒子的位置；当粒子群优化算法搜索到粒子的适应度值小于设定阈值或所述迭代更新的次数达到设定的最大迭代次数时，所述待定位目标节点将搜索结果作为所述待定位目标节点的位置。进一步地，所述待定位目标节点根据以下公式(1)确定所述搜索空间：公式(1)中，(xi,yi)为第i个定位参考节点的坐标，di是测得的待定位目标节点与第i个定位参考节点之间的距离，N为定位参考节点的数量，min表示集合中的最小值，max表示集合中的最大值；所述待定位目标节点根据公式(2)初始化M个粒子并根据公式(3)计算每个粒子的适应度值：公式(2)和(3)中，(xi',yi')是第j个粒子的坐标，rand(1)产生[0,1]区间上服从均匀分布的随机数，M是粒子群的粒子个数，f(xj',yj')表示第j个粒子的适应度值，(xi,yi)是的第i个定位参考节点的坐标，di是待定位目标节点测得的自身与第i个定位参考节点之间的距离；所述待定位目标节点按照公式(4)和(5)迭代更新各个粒子的位置：公式(4)和(5)中，(vjx(k),vjy(k))是第j个粒子当前的速度向量，且vjx(0)＝0,vjy(0)＝0，(vjx(k+1),vjy(k+1))是粒子j更新的速度向量；(xj'(k),yj'(k))是第j个粒子的第k次位置更新后的坐标；(xj'(k+1),yj'(k+1))是第j个粒子第k+1次位置更新后的坐标；(pBestjx,pBestjy)是第j个粒子前k次迭代中的最优位置；(gBestx,gBesty)整个粒子群在前k次迭代中的最优位置；w是惯性权重；c1和c2是两个正常数；k是迭代索引。在本专利技术实施例的另一种实现方式中，所述方法还包括：当所述待定位目标节点在所述设定时长内接收到的定位响应报文的数量少于三个，或者当所述待定位目标节点在所述设定时长内接收到的定位响应报文所属的锚节点中不存在至少三个不在同一条直线上的锚节点时，重新广播定位请求报文。本专利技术实施例还提供了一种无线传感器节点，所述无线传感器节点包括：超宽带射频模块，用于与无线传感器网络中的其他无线传感器节点之间进行报文收发，所述无线传感器网络由多个无线传感器节点组建，所述多个无线传感器节点包括多个锚节点，所述锚节点存储有自身的位置信息；数据采集模块，用于采集所处环境的数据；数据处理和控制模块，用于处理所述数据采集模块所采集来的数据，并控制所述超宽带射频模块广播定位请求报文并在设定时长内接收定位响应报文，所述定位响应报文包括发送所述定位响应报文的锚节点的标识和位置信息；当接收到的所述定位响应报文的数量不少于三个，且接收到的所述定位响应报文所属的锚节点中至少有三个锚节点不在同一条直线上时，控制所述超宽带射频模块采用超宽带飞行时间算法逐一测量自身与定位参考节点之间的距离，所述定位参考节点为所述超宽带射频模块接收到的定位响应报文所属的锚节点；根据所述定位参考节点的位置信息以及测量出的所述距离，基于粒子群优化算法估计所述待定位目标节点的位置，得到定位结果；控制所述超宽带射频模块将所述定位结果通过所述无线传感器网络上报给上位机监控系统；电源模块，用于对所述超宽带射频模块、所述数据处理和控制模块以及所述数据采集模块供电。进一步地，所述数据处理和控制模块用于控制所述超宽带射频模块采用基于超宽带技术的双向飞行时间测量方法，逐一测量自身与各个所述定位参考节点之间的电报文飞行时间；将测得的所述电报文飞行时间分别与光速相乘，得到所述待定位目标节点与各个所述定位参考节点之间的距离。在本专利技术实施例的一种实现方式中，，所述数据处理和控制模块用于根据所述定位参考节点的位置信息和所述距离，确定粒子群优化算法的搜索空间；在所述搜索空间内初始化M个粒子并计算每个粒子的适应度值，M为大于1的整数；基于所述每个粒子的适应度值，迭代更新各个所述粒子的位置；当粒子群优化算法搜索到粒子的适应度值小于设定阈值或所述迭代更新的次数达到设定的最大迭代次数时，将搜索结果作为所述待定位目标节点的位置。所述数据处理和控制模块用于根据以下公式(1)确定所述搜索空间：公式(1)中，(xi,yi)为第i个定位参考节点的坐标，di是测得的待定位目标节点与第i个定位参考节点之间的距离，N为定位参考节点的数量，min表示集合中的最小值，max表示集合中的最大值；根据公式(2)初始化M个粒子并根据公式(3)计算每个粒子的适应度值：公式(2)和(3)中，(xi',yi')是第j个粒子的坐标，rand(1)产生[0,1]区间上服从均匀分布的随机数，M是粒子群的粒子个数，f(xj',yj')表示第j个本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于无线传感器网络的分布式定位方法，其特征在于，所述无线传感器网络由多个无线传感器节点组建，所述多个无线传感器节点包括多个锚节点和多个目标节点，所述锚节点存储有自身的位置信息，所述方法包括：待定位目标节点广播定位请求报文并在设定时长内接收定位响应报文，所述待定位目标节点为所述多个目标节点中的任意一个，所述定位响应报文包括发送所述定位响应报文的锚节点的标识和位置信息；当接收到的所述定位响应报文的数量不少于三个，且接收到的所述定位响应报文所属的锚节点中至少有三个锚节点不在同一条直线上时，所述待定位目标节点采用超宽带飞行时间算法逐一测量自身与定位参考节点之间的距离，所述定位参考节点为所述待定位目标节点接收到的定位响应报文所属的锚节点；所述待定位目标节点根据所述定位参考节点的位置信息以及测量出的所述距离，基于粒子群优化算法估计所述待定位目标节点的位置，得到定位结果；将所述定位结果通过所述无线传感器网络上报给上位机监控系统。

【技术特征摘要】
1.一种基于无线传感器网络的分布式定位方法，其特征在于，所述无线传感器网络由多个无线传感器节点组建，所述多个无线传感器节点包括多个锚节点和多个目标节点，所述锚节点存储有自身的位置信息，所述方法包括：待定位目标节点广播定位请求报文并在设定时长内接收定位响应报文，所述待定位目标节点为所述多个目标节点中的任意一个，所述定位响应报文包括发送所述定位响应报文的锚节点的标识和位置信息；当接收到的所述定位响应报文的数量不少于三个，且接收到的所述定位响应报文所属的锚节点中至少有三个锚节点不在同一条直线上时，所述待定位目标节点采用超宽带飞行时间算法逐一测量自身与定位参考节点之间的距离，所述定位参考节点为所述待定位目标节点接收到的定位响应报文所属的锚节点；所述待定位目标节点根据所述定位参考节点的位置信息以及测量出的所述距离，基于粒子群优化算法估计所述待定位目标节点的位置，得到定位结果；将所述定位结果通过所述无线传感器网络上报给上位机监控系统。2.根据权利要求1所述的分布式定位方法，其特征在于，所述待定位目标节点采用超宽带飞行时间算法逐一测量自身与定位参考节点之间的距离，包括：采用基于超宽带技术的双向飞行时间测量方法，逐一测量自身与各个所述定位参考节点之间的电报文飞行时间；将测得的所述电报文飞行时间分别与光速相乘，得到所述待定位目标节点与各个所述定位参考节点之间的距离。3.根据权利要求1所述的分布式定位方法，其特征在于，所述待定位目标节点根据所述定位参考节点的位置信息以及测量出的所述距离，基于粒子群优化算法估计所述待定位目标节点的位置，包括：所述待定位目标节点根据所述定位参考节点的位置信息和所述距离，确定粒子群优化算法的搜索空间；所述待定位目标节点在所述搜索空间内初始化M个粒子并计算每个粒子的适应度值，M为大于1的整数；所述待定位目标节点基于所述每个粒子的适应度值，迭代更新各个所述粒子的位置；当粒子群优化算法搜索到粒子的适应度值小于设定阈值或所述迭代更新的次数达到设定的最大迭代次数时，所述待定位目标节点将搜索结果作为所述待定位目标节点的位置。4.根据权利要求3所述的分布式定位方法，其特征在于，所述待定位目标节点根据以下公式(1)确定所述搜索空间：公式(1)中，(xi,yi)为第i个定位参考节点的坐标，di是测得的待定位目标节点与第i个定位参考节点之间的距离，N为定位参考节点的数量，min表示集合中的最小值，max表示集合中的最大值；所述待定位目标节点根据公式(2)初始化M个粒子并根据公式(3)计算每个粒子的适应度值：公式(2)和(3)中，(xi',yi')是第j个粒子的坐标，rand(1)产生[0,1]区间上服从均匀分布的随机数，M是粒子群的粒子个数，f(xj',yj')表示第j个粒子的适应度值，(xi,yi)是的第i个定位参考节点的坐标，di是待定位目标节点测得的自身与第i个定位参考节点之间的距离；所述待定位目标节点按照公式(4)和(5)迭代更新各个粒子的位置：公式(4)和(5)中，(vjx(k),vjy(k))是第j个粒子当前的速度向量，且vjx(0)＝0,vjy(0)＝0，(vjx(k+1),vjy(k+1))是粒子j更新的速度向量；(xj'(k),yj'(k))是第j个粒子的第k次位置更新后的坐标；(xj'(k+1),yj'(k+1))是第j个粒子第k+1次位置更新后的坐标；(pBestjx,pBestjy)是第j个粒子前k次迭代中的最优位置；(gBestx,gBesty)整个粒子群在前k次迭代中的最优位置；w是惯性权重；c1和c2是两个正常数；k是迭代索引。5.根据权利要求1-4任一项所述的分布式定位方法，其特征在于，所述方法还包括：当所述待定位目标节点在所述设定时长内接收到的定位响应报文的数量少于三个，或者当所述待定位目标节点在所述设定时长内接收到的定位响应报文所属的锚节点中不存在至少三个不在同一条直线上的锚节点时，重新广播定位请求报文。6...

【专利技术属性】
技术研发人员：王芳，
申请(专利权)人：江汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42