一种不依赖于邻居节点的APIT节点定位系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种不依赖于邻节点的APIT节点定位方法，主要解决无线传感器网络中未知节点定位问题。其实现步骤为：未知节点在其通信范围内任意选择三个锚节点，并在其组成的三角形三边或者内部随机分布N个虚拟节点；然后估算各虚拟节点接收到各锚节点信号的RSSI，并跟自己测量到对应锚节点RSSI进行比较，从而确定其跟锚节点组成三角形的位置关系：如果未知节点向各虚拟节点移动时均不会同时靠近三个锚节点，则位于三角形内部；反之，如果未知节点向某个虚拟节点移动时会同时靠近三个锚节点，则位于三角形外部。未知节点遍历所有锚节点，求出其位于内部的所有三角形重叠区域的质心，即未知节点的位置。本发明专利技术定位精度高且不依赖于网络节点的密度和分布。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线传感器网络领域，尤其涉及一种不依赖于邻居节点的三角形内点测试法的APIT节点定位方法，用于解决各种规模和拓扑结构的无线传感器网络中节点的定位问题。
技术介绍
无线传感器网络由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内有关信息，并将其发送给控制中心。在大多数情况下无线传感器网络节点需要知道自身所处的位置，对于大部分实际应用而言，未知位置信息网络节点所感知和采集的数据信息是毫无意义的，因此节点定位技术起着非常重要的作用。作为无线传感器网络重要支撑技术之一，节点定位技术已经成为无线传感器网络在各种实际应用中的基础。目前最典型定位技术，如广泛应用的全球定位系统(GPS，Global Positioning System)，其通过接收卫星信号来确定节点的位置信息，还有电信运营商提供的基于移动通信基站信号的定位系统。在实际的定位系统中，考虑到各种因素(例如成本，适用性，可靠性等)，不可能所有节点都装备GPS或其他定位设备，锚节点(已知位置信息的节点)在网络中的比例一般较低，其位置信息可以通过装备GPS或其他定位设备得到。未知节点通过跟锚节点之间相互通信，测量和获取各种参数(距离，角度，连通度，邻居信息)，从而确定与锚节点之间的位置关系，然后按照某种定位算法计算得到未知节点的位置信息。随着无线传感器网络的发展和改进，定位技术在无线传感器网络应用中已经变得成熟。然而，当前的无无线传感器网络节点定位技术仍然受到诸多方面的挑战。例如定位技术如何适应各种规模和拓扑结构的无线传感器网络，如何在复杂的地理和电磁环境下更能够保证节点定位的精度等等。目前业内已提出许多无线传感网络定位算法，根据对位置估计策略的不同可以将其分为两大类：基于测距技术的定位方法和无需测距技术的定位方法。基于测距的定位方法需要估计未知节点跟各锚节点之间的距离，然后结合锚节点的位置和定位算法进行位置估计；而无需测距的定位方法则不必估计未知节点和锚节点之间的距离，直接根据锚节点位置和接收信号的特征信息(如接收信号强度)来估计位置。其中，典型的技术方案有以下几种：1.基于电波传输时间/时间差/入射角的定位方法，未知节点接收邻近锚节点发出的信号，通过测量信号的传播时间或两种同时发射的不同传播速率的信号(如无线电波和超声波)的到达时间差，来计算未知节点和锚节点之间的距离，然后利用三边定位法计算未知节点的位置信息。或者节点利用天线阵列测量锚节点发射信道号入射角，利用三角测量法得到未知节点的位置信息。上述方法对硬件要求较高，当网络中节点之间距离较短时，准确测量上述参数相对较难，实现难度较大，而且抗干扰性较差。2.基于接收信号强度测量的定位方法，未知节点通过测量接收到锚节点发送的信号的接收信号强度，根据无线信号传播损耗模型计算出二者之间的距离，然后利用三边定位法得到未知节点的位置信息。利用RSSI测距的定位算法易受信号传播环境反射、非视距、多径传播和背景噪声等影响，测距估计误差较大。3.质心定位方法，质心算法是一种简单的无需测距技术的算法，其仅基于网络的连通性来确定未知节点的位置。测距时锚节点将带有自己位置信息的数据包发送给未知节点，未知节点接收并解调来自多个锚节点的数据包，然后计算有这些锚节点组成的多边形的质心，及未知节点的位置信息。该算法定位精度较低，且依赖于网络中无线传感器节点的密度和分布，一般适用于高密度无线传感器网络。4.依赖于邻节点的APIT定位方法，未知节点从其周围通信范围内的N个锚节点中每次任意取出三个锚节点，然后利用未知节点周围邻节点以及无线信号强度与传播距离的关系来近似节点的移动特性来确定自己处在所选中的三个锚节点组成的三角形内部还是外部，遍历所有的锚节点组合，最后求未知节点在其内部的所有三角形重叠区域的质心，即未知节点的位置信息。该算法容易受节点密度的影响，当锚节点个数较少时，APIT算法定位精度会降低，另外当未知节点靠近三角形的一条边，或者锚节点分布不均匀时，APIT内点测试算法可能会误判，从而使定位误差增大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述已有技术的问题，在现有的ZigBee协议的基础上，提出一种不依赖于邻居节点的APIT定位系统及方法，以提高未知节点定位精度。本专利技术的技术方案是这样实现的：一、术语说明APIT：近似三角形内点测试；RSSI：接收信号强度指示；MAC层：媒质接入控制层；数据帧：承载用户数据业务内容的链路层协议单元；锚节点：已知位置信息的网络节点；未知节点：未知其位置信息的网络节点；二、一种不依赖于邻居节点的APIT节点定位系统，包括：节点定位模块、媒质接入控制模块、接收信号解析模块、射频前端模块、模数转换器、数模转换器、MAC层帧提取模块、物理层帧形成模块、调制或编码模块，其中：节点定位模块包括：锚节点列表单元，用于记录未知节点周围通信范围内所有锚节点信息；未知节点接收锚节点信号的RSSI记录单元，用于未知节点测量并记录接收到各锚节点信号的接收信号强度；虚拟节点接收锚节点信号的RSSI估算单元，用于未知节点根据所选取的三个锚节点，在其组成的三角形内部或三条边上随机分布n个虚拟节点，并估算并记录各虚拟节点接收到锚节点信号的接收信号强度；不依赖于邻居节点的三角形内点测试单元，用于判断未知节点是否在其所选取的三个锚节点组成三角形的内部；三角形重叠区域的质心计算单元，用于求解所有内部包含未知节点的所有三角形的重叠区域，并计算该区域的质心。三、一种不依赖于邻居节点的APIT节点定位方法，包括如下步骤：(1)所有锚节点向网络内广播携带有自己的位置信息、标识号和发送功率的数据帧；(2)未知节点测量并记录各锚节点广播数据帧的接收信号强度；(3)未知节点在其周围通信范围内的所有锚节点中任意选取三个锚节点，如果锚节点个数不足三个，则等待周围未知节点确定自己位置升级为锚节点；(4)未知节点根据锚节点的坐标信息，在所选取的三个锚节点组成的三角形的三条边上，或者在其内部随机分布n个虚拟节点；(5)未知节点利用不依赖邻居节点的近似三角形内点测试法原理确定自身与锚节点组成三角形的位置关系；(6)未知节点重复执行上述步骤(3)～(5)，直到遍历其周围通信范围内的所有锚节点；(7)求解所有未知节点在其内部的所有三角形的重叠区域，并计算重叠区域质心，即为未知节点位置坐标。本专利技术具有如下优点：本专利技术与依赖于物理邻节点的APIT定位方法相比，不存在由于未知节点位置特殊或者周围邻居节点个数较少而造成误判的问题。本专利技术中未知节点定位不依赖于网络节点密度和周围邻居节点的分布，未知节点不需要跟虚拟邻节点进行信息交换，且计算简单，通过增加虚拟节点个数可以提高节点定位精度，适用于各种规模和拓扑结构的无线传感器网络。附图说明图1～图4为本专利技术的原理示意图；图5为本专利技术的系统结构框图；图6为本专利技术系统中的节点定位模块结构框图；图7为本专利技术未知节点定位总流程图；图8为本专利技术不依赖于邻居节点的近似三角形内点测试流程图；具体实施方式为使本专利技术目的、技术方案以及优点更加清楚明白，下面参照附图对本专利技术进行进一步的详细说明。参照图1～图4，本专利技术技术原理如下：如图1所示，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种不依赖于邻居节点的APIT节点定位系统，包括：节点定位模块、媒质接入控制模块、接收信号解析模块、射频前端模块、模数转换器、数模转换器、MAC层帧提取模块、物理层帧形成模块、调制或编码模块，其中：节点定位模块包括：锚节点列表单元，用于记录未知节点周围通信范围内所有锚节点信息；未知节点接收锚节点信号的RSSI记录单元，用于未知节点测量并记录接收到各锚节点信号的接收信号强度；虚拟节点接收锚节点信号的RSSI估算单元，用于未知节点根据所选取的三个锚节点，在其组成的三角形内部或三条边上随机分布n个虚拟节点，并估算并记录各虚拟节点接收到锚节点信号的接收信号强度；不依赖于邻居节点的三角形内点测试单元，用于判断未知节点是否在其所选取的三个锚节点组成三角形的内部；三角形重叠区域的质心计算单元，用于求解所有内部包含未知节点的所有三角形的重叠区域，并计算该区域的质心。

【技术特征摘要】
1.一种不依赖于邻居节点的APIT节点定位系统，包括：节点定位模块、媒质接入控制模块、接收信号解析模块、射频前端模块、模数转换器、数模转换器、MAC层帧提取模块、物理层帧形成模块、调制或编码模块，其中：节点定位模块包括：锚节点列表单元，用于记录未知节点周围通信范围内所有锚节点信息；未知节点接收锚节点信号的RSSI记录单元，用于未知节点测量并记录接收到各锚节点信号的接收信号强度；虚拟节点接收锚节点信号的RSSI估算单元，用于未知节点根据所选取的三个锚节点，在其组成的三角形内部或三条边上随机分布n个虚拟节点，并估算并记录各虚拟节点接收到锚节点信号的接收信号强度；不依赖于邻居节点的三角形内点测试单元，用于判断未知节点是否在其所选取的三个锚节点组成三角形的内部；三角形重叠区域的质心计算单元，用于求解所有内部包含未知节点的所有三角形的重叠区域，并计算该区域的质心。2.一种不依赖于邻居节点的APIT节点定位方法，包括如下步骤(1)所有锚节点向网络内广播携带有自己的位置信息、标识号和发送功率的数据帧；(2)未知节点测量并记录各锚节点广播数据帧的接收信号强度；(3)未知节点在其周围通信范围内的所有锚节点中任意选取三个锚节点，如果锚节点个数不足三个，则等待周围未知节点确定自己位置升级为锚节点...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘吉龙，王哲，
申请(专利权)人：刘吉龙，
类型：发明
国别省市：陕西;61