WSN中基于误差补偿策略的节点分布式定位系统与方法技术方案

本发明专利技术提供一种WSN中基于误差补偿策略的节点分布式定位系统与方法，涉及无线传感器定位技术领域。本发明专利技术的系统包括各传感器节点上的微型处理器及其中的可执行节点定位程序：节点状态广播器、节点状态获取器、锚节点集建立器、测量距离计算器、误差补偿信息集建立器、节点位置计算器、节点信任权值计算器、参数设置器、比较器、节点转换器。本发明专利技术的方法在定位初始阶段，由网络内锚节点相互定位确定自身测距校正参数和坐标误差补偿值，用于待定位节点的三维坐标计算中，能大大降低非视距环境下的定位误差干扰；将已定位节点升级为代理锚节点，并赋予信任权值用于其他待定位节点的坐标计算中，可以有效提高网络定位覆盖率和定位精度。

【技术实现步骤摘要】
WSN中基于误差补偿策略的节点分布式定位系统与方法
本专利技术涉及无线传感器定位
，尤其涉及一种WSN中基于误差补偿策略的节点分布式定位系统与方法。
技术介绍
无线传感器网络，简称WSN，是一种由大量微传感器进行信息采集、数据通信与处理的自组织网络，可以被部署在目标区域中进行环境监测，在军事国防、矿井信息采集、医疗治理以及灾难救援等领域都发挥了巨大作用。节点定位在整个WSN监控活动中具有举足轻重的作用，是判断WSN应用是否具有实用价值的重要衡量指标。而且，提供传感器节点的精确位置不仅有利于观察者及时采取有效的防范与监督措施，还有助于提高网络覆盖质量，对调节网络拓扑结构以及改善网络路由效率也有明显帮助。从上世纪90年代以来，国内外学者就对传感器网络定位问题展开了深入的探索与研究，提出了许多相关定位算法。总体来说，这些算法可以分为非测距定位算法和基于测距的定位算法。前者不需要测量各个传感器节点之间距离，通常根据少数已定位节点间的几何关系以及坐标数据，就能求出待定位节点的具体位置，算法相对简单，定位成本较低，但是定位精度不够精确。后者主要是通过使用接收信号强度(RSSI)、到达角度(AOA)或到达时间(TOA)等测距技术求出网络节点间的相互距离，再使用常用的坐标计算方法求出未知节点的具体坐标，算法较为复杂，定位成本较高，但是定位精确高。从另一角度来说，现阶段的定位算法又可分为集中式算法和分布式算法，在网络规模较大时，全网信息的集中式交互容易引发较大能耗，而分布式算法的网络能耗则会相对均衡，因此，目前业界更加推崇分布式定位算。而在传感器节点定位的具体应用中，实际场景都是一些环境较为复杂，定位干扰因素较多的三维空间，如何设计一种有效减少非视距干扰因素的高精度分布式三维定位方法，已成为传感器网络定位中极具研究价值的难点与热点问题之一。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种WSN中基于误差补偿策略的节点分布式定位系统与方法，以达到提高无线传感器网络定位精度和定位覆盖率的目的。为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：一方面，本专利技术提供一种WSN中基于误差补偿策略的节点分布式定位系统，包括各传感器节点上的微型处理器；所述各微型处理器中均包括可执行的节点定位程序；所述节点定位程序包括：节点状态广播器，用于锚传感器节点或代理锚传感器节点向其邻居节点广播自身的状态消息，状态消息包括节点标号、节点类型、节点位置坐标、发射信号强度RSSI值、测距校正参数、坐标误差补偿值和定位结束时间；所述传感器节点标号用于唯一标识传感器；传感器节点类型包括待定位传感器节点、已定位传感器节点、锚传感器节点、代理锚传感器节点，初始传感器节点只有待定位传感器节点和锚传感器节点两种类型，待定位传感器节点经过定位计算后会转换成已定位传感器节点或代理锚传感器节点；测距校正参数用于对锚传感器节点和待定位传感器节点间的距离值进行误差补偿；定位结束时间是指传感器网络定位工作结束的时间；节点状态获取器，用于传感器节点获取锚传感器节点或代理锚传感器节点广播的状态消息，包括节点标号、节点类型、节点位置坐标、接收信号强度RSSI值、测距校正参数、坐标误差补偿值及定位结束时间；锚节点集建立器，用于根据节点状态获取器中的节点广播状态信息建立锚节点集合，包括锚节点和后来升级的代理锚节点，并将建立的锚节点集发送给节点位置计算器；测量距离计算器，用于提取锚传感器节点或代理锚传感器节点，对RSSI值进行变换，计算待定位传感器节点与锚传感器节点或代理锚传感器节点之间的测量距离，并将该距离值发送给节点位置计算器；所述测量距离计算器测量的距离包括：所有与本传感器节点相邻的锚传感器节点或代理锚传感器节点与本传感器节点之间的距离；误差补偿信息集建立器，用于根据节点状态获取器中的测距校正参数及坐标误差补偿值建立误差补偿信息集，并将建立的误差补偿信息集发送给节点位置计算器；节点位置计算器，用于根据测量距离计算器、锚节点集建立器和误差补偿信息集建立器的输出，计算待定位传感器节点自身坐标，并将求出的节点坐标发送给节点信任权值计算器；节点信任权值计算器，用于根据节点位置计算器提供的节点坐标计算已定位传感器节点的信任权值；参数设置器，用于用户自行设定已定位传感器节点转换为代理锚传感器节点的初始信任值以及定位结束时间；比较器，用于对节点信任权值计算器输出的信任权值与参数设置器输出的初始信任值进行比较，若节点信任权值计算器输出的某传感器节点信任权值大于或等于初始信任值，则将该传感器节点标记为可能的锚传感器节点，若小于初始信任值，则将该传感器节点转入休眠状态；节点转换器，用于将比较器中标记为可能的锚传感器节点升级为代理锚传感器节点，并将该传感器节点的类型设置为代理锚传感器节点。另一方面，本专利技术还提供一种WSN中基于误差补偿策略的节点分布式定位方法，采用上述的定位系统实现，包括以下步骤：步骤1：传感器节点判断自身节点类型，如果为锚传感器节点，则执行步骤2，否则执行步骤6；步骤2：锚传感器节点设置定位结束时间，并设置测距校正参数与坐标误差补偿的初始值为0；步骤3：锚传感器节点使用节点状态广播器向邻居传感器节点广播自身状态信息，包括节点标号、节点类型、节点位置坐标、发射信号强度RSSI值、定位结束时间、测距校正参数及坐标误差补偿值；步骤4：锚传感器节点计算自身的测距校正参数与坐标误差补偿值；步骤5：锚传感器节点或代理锚传感器节点广播自身状态信息，包括节点标号、节点类型、节点位置坐标、发射信号强度RSSI值、定位结束时间、测距校正参数及坐标误差补偿值，执行步骤12；步骤6：待定位传感器节点获取锚邻居节点或代理锚邻居节点的广播信息，包括邻居节点的标号、类型、坐标值、接收信号强度RSSI值、定位结束时间、测距校正参数及坐标误差补偿值；如果是第一次接收到锚邻居节点的广播信息，就将其丢掉，重新获取锚邻居节点的广播信息，否则将该广播信息保存到锚节点集合中；步骤7：待定位传感器节点通过接收锚节点或代理锚邻居节点的信号强度RSSI值，计算其与各锚邻居节点或代理锚邻居节点之间的距离；步骤8：待定位传感器节点根据获取的锚邻居节点或代理锚邻居节点状态信息，计算锚邻居节点或代理锚邻居节点的信任权值；如果待定位传感器节点的邻居节点类型为锚传感器节点，则将锚传感器节点的信任权值设为1；如果待定位传感器节点的邻居节点类型为代理锚传感器节点，则代理锚传感器节点的信任权值通过如下公式计算：式中，vk表示代理锚传感器节点k的信任权值，(xu，yu，zu)表示待定位传感器节点的估算坐标，(xi，yi，zi)表示代理锚传感器节点k的代理锚邻居节点i的坐标，di表示代理锚传感器节点k到邻居节点i的测量距离；步骤9：计算待定位传感器节点坐标，并将其传感器节点类型改为已定位传感器节点；步骤10：已定位传感器节点计算自身信任权值，计算公式如下：其中，vl表示已定位传感器节点l的信任权值，(x1，y1，z1)表示已定位传感器节点1的坐标，(xw，yw，zw)表示已定位传感器节点1的锚邻居节点或代理锚邻居节点w的坐标，dw表示节点1到锚邻居节点或代理锚邻居节点w的测量距离；步骤11：已定位传感器节点通过比较器判断自本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种WSN中基于误差补偿策略的节点分布式定位系统，其特征在于：该系统包括各传感器节点上的微型处理器；所述各微型处理器中均包括可执行的节点定位程序；所述节点定位程序包括：节点状态广播器，用于锚传感器节点或代理锚传感器节点向其邻居节点广播自身的状态消息，状态消息包括节点标号、节点类型、节点位置坐标、发射信号强度RSSI值、测距校正参数、坐标误差补偿值和定位结束时间；所述传感器节点标号用于唯一标识传感器；传感器节点类型包括待定位传感器节点、已定位传感器节点、锚传感器节点、代理锚传感器节点，初始传感器节点只有待定位传感器节点和锚传感器节点两种类型，待定位传感器节点经过定位计算后会转换成已定位传感器节点或代理锚传感器节点；测距校正参数用于对锚传感器节点和待定位传感器节点间的距离值进行误差补偿；定位结束时间是指传感器网络定位工作结束的时间；节点状态获取器，用于传感器节点获取锚传感器节点或代理锚传感器节点广播的状态消息，包括节点标号、节点类型、节点位置坐标、接收信号强度RSSI值、测距校正参数、坐标误差补偿值及定位结束时间；锚节点集建立器，用于根据节点状态获取器中的节点广播状态信息建立锚节点集合，包括锚节点和后来升级的代理锚节点，并将建立的锚节点集发送给节点位置计算器；测量距离计算器，用于提取锚传感器节点或代理锚传感器节点，对RSSI值进行变换，计算待定位传感器节点与锚传感器节点或代理锚传感器节点之间的测量距离，并将该距离值发送给节点位置计算器；所述测量距离计算器测量的距离包括：所有与本传感器节点相邻的锚传感器节点或代理锚传感器节点与本传感器节点之间的距离；误差补偿信息集建立器，用于根据节点状态获取器中的测距校正参数及坐标误差补偿值建立误差补偿信息集，并将建立的误差补偿信息集发送给节点位置计算器；节点位置计算器，用于根据测量距离计算器、锚节点集建立器和误差补偿信息集建立器的输出，计算待定位传感器节点自身坐标，并将求出的节点坐标发送给节点信任权值计算器；节点信任权值计算器，用于根据节点位置计算器提供的节点坐标计算已定位传感器节点的信任权值；参数设置器，用于用户自行设定已定位传感器节点转换为代理锚传感器节点的初始信任值以及定位结束时间；比较器，用于对节点信任权值计算器输出的信任权值与参数设置器输出的初始信任值进行比较，若节点信任权值计算器输出的某传感器节点信任权值大于或等于初始信任值，则将该传感器节点标记为可能的锚传感器节点，若小于初始信任值，则将该传感器节点转入休眠状态；节点转换器，用于将比较器中标记为可能的锚传感器节点升级为代理锚传感器节点，并将该传感器节点的类型设置为代理锚传感器节点。...

【技术特征摘要】
1.一种WSN中基于误差补偿策略的节点分布式定位系统，其特征在于：该系统包括各传感器节点上的微型处理器；所述各微型处理器中均包括可执行的节点定位程序；所述节点定位程序包括：节点状态广播器，用于锚传感器节点或代理锚传感器节点向其邻居节点广播自身的状态消息，状态消息包括节点标号、节点类型、节点位置坐标、发射信号强度RSSI值、测距校正参数、坐标误差补偿值和定位结束时间；所述传感器节点标号用于唯一标识传感器；传感器节点类型包括待定位传感器节点、已定位传感器节点、锚传感器节点、代理锚传感器节点，初始传感器节点只有待定位传感器节点和锚传感器节点两种类型，待定位传感器节点经过定位计算后会转换成已定位传感器节点或代理锚传感器节点；测距校正参数用于对锚传感器节点和待定位传感器节点间的距离值进行误差补偿；定位结束时间是指传感器网络定位工作结束的时间；节点状态获取器，用于传感器节点获取锚传感器节点或代理锚传感器节点广播的状态消息，包括节点标号、节点类型、节点位置坐标、接收信号强度RSSI值、测距校正参数、坐标误差补偿值及定位结束时间；锚节点集建立器，用于根据节点状态获取器中的节点广播状态信息建立锚节点集合，包括锚节点和后来升级的代理锚节点，并将建立的锚节点集发送给节点位置计算器；测量距离计算器，用于提取锚传感器节点或代理锚传感器节点，对RSSI值进行变换，计算待定位传感器节点与锚传感器节点或代理锚传感器节点之间的测量距离，并将该距离值发送给节点位置计算器；所述测量距离计算器测量的距离包括：所有与本传感器节点相邻的锚传感器节点或代理锚传感器节点与本传感器节点之间的距离；误差补偿信息集建立器，用于根据节点状态获取器中的测距校正参数及坐标误差补偿值建立误差补偿信息集，并将建立的误差补偿信息集发送给节点位置计算器；节点位置计算器，用于根据测量距离计算器、锚节点集建立器和误差补偿信息集建立器的输出，计算待定位传感器节点自身坐标，并将求出的节点坐标发送给节点信任权值计算器；节点信任权值计算器，用于根据节点位置计算器提供的节点坐标计算已定位传感器节点的信任权值；参数设置器，用于用户自行设定已定位传感器节点转换为代理锚传感器节点的初始信任值以及定位结束时间；比较器，用于对节点信任权值计算器输出的信任权值与参数设置器输出的初始信任值进行比较，若节点信任权值计算器输出的某传感器节点信任权值大于或等于初始信任值，则将该传感器节点标记为可能的锚传感器节点，若小于初始信任值，则将该传感器节点转入休眠状态；节点转换器，用于将比较器中标记为可能的锚传感器节点升级为代理锚传感器节点，并将该传感器节点的类型设置为代理锚传感器节点。2.一种WSN中基于误差补偿策略的节点分布式定位方法，采用权利要求1所述的WSN中基于误差补偿策略的节点分布式定位系统实现，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤1：传感器节点判断自身节点类型，如果为锚传感器节点，则执行步骤2，否则执行步骤6；步骤2：锚传感器节点设置定位结束时间，并设置测距校正参数与坐标误差补偿的初始值为0；步骤3：锚传感器节点使用节点状态广播器向邻居传感器节点广播自身状态信息，包括节点标号、节点类型、节点位置坐标、发射信号强度RSSI值、定位结束时间、测距校正参数及坐标误差补偿值；步骤4：锚传感器节点计算自身的测距校正参数与坐标误差补偿值；步骤5：锚传感器节点或代理锚传感器节点广播自身状态信息，包括节点标号、节点类型、节点位置坐标、发射信号强度RSSI值、定位结束时间、测距校正参数及坐标误差补偿值，执行步骤12；步骤6：待定位传感器节点获取锚邻居节点或代理锚邻居节点的广播信息，包括邻居节点的标号、类型、坐标值、接收信号强度RSSI值、定位结束时间、测距校正参数及坐标误差补偿值；如果是第一次接收到锚邻居节点的广播信息，就将其丢掉，重新获取锚邻居节点的广播信息，否则将该广播信息保存到锚节点集合中；步骤7：待定位传感器节点通过接收锚节点或代理锚邻居节点的信号强度RSSI值，计算其与各锚邻居节点或代理锚邻居节点之间的距离；步骤8：待定位传感器节点根据获取的锚邻居节点或代理锚邻居节点状态信息，计算锚邻居节点或代理锚邻居节点的信任权值；如果待定位传感器节点的邻居节点类型为锚传感器节点，则将锚传感器节点的信任权值设为1；如果待定位传感器节点的邻居节点类型为代理锚传感器节点，则代理锚传感器节点的信任权值通过如下公式计算：式中，vk表示代理锚传感器节点k的信任权值，(xu，yu，zu)表示待定位传感器节点的估算坐标...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕艳辉，张德育，华江锋，
申请(专利权)人：沈阳理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21