一种三维空间无线传感器网络非测距定位系统和方法技术方案

一种三维空间无线传感器网络非测距定位系统和方法，包括传感器节点和锚节点，传感器节点设置有微处理器，微处理器通过总线及数据线分别与Ｚｉｇｂｅｅ射频通信模块、存储器、电源模块、传感器采集模块相连接，微处理器带有与其相连接串口扩展、时钟电路、复位电路；锚节点设置有微处理器及与其相连接的ＧＰＳ定位装置、ＧＰＳ天线、存储器、电源。本方法经传感器节点接收来自锚节点的信标信息进行三维空间无线传感器网络非测距定位，无线传感器节点之间不需要任何的信息交换，减少了通信开销；不需要测量节点间的距离信息，无需增加额外的测距设备，降低了成本；采用的算法简单有效，减少了计算量，易于实现。

【技术实现步骤摘要】
(一)
-本专利技术涉及无线传感器网络节点自身定位
，具体是一种与距离无关的三维空 间无线传感器网络定位系统和节点定位方法。(二)
技术介绍
目前针对无线传感器网络的研究日益增多，该类网络在救灾抢险、目标跟踪、辅助医 疗等方面广泛应用。在这些应用中，事件发生时我们首先要知道的是事件的发生地。因此， 无线传感器网络首先应该提供传感器节点的位置，不然所采集到的信息会毫无意义。现有的定位方法可分为基于测距的定位算法(T0A、 TD0A、 A0A、 RSSI等)和非测距的 定位算法，其中，T0A、 TD0A、 A0A方法需要在传感器节点上安置额外的硬件装置，增加了 费用；而RSSI则易受到噪声和障碍物的干扰，定位精度不高。因此基于测距的定位算法并 不适用于低功耗、低成本的应用领域。由于功耗和成本因素以及粗精度定位对大多数应用己 足够，非测距定位方案备受关注。多数传感器节点定位方法多采用集中式方法，这需要设置一个中心节点，由该节点完 成定位计算，这导致该节点的通信开销增加，过早的耗完电能，造成通信中断。许多基于测距的定位算法已经实现了三维空间中的定位，而对非测距算法来说，大都 还是基于二维平面的。在实际应用中，节点的分布往往在三维空间、地形比较复杂的环境中， 如丘陵、山地等，二维平面中的算法在应用中会有很多问题。因此，三维空间中节点定位算 法十分必要。专利文献"一种对无线传感器网络进行三维快速定位的系统和方法"(专利申请号 200710076505. 6)公开了一种对无线传感器网络进行三维快速定位的系统和方法。文献引入 移动锚节点，定位时，移动锚节点周期性广播自身位置信息，并沿直线路径穿越待定位区域； 传感器节点接收定位信息，选择信号强度值最大的定位信息，存储其中的位置坐标，并存储 其余任一位置信息中的坐标信息；判断是否有足够的位置坐标用于计算自身位置；利用几何 关系，计算得到自身位置。文献所介绍的无线传感器网络定位方法存在以下缺点移动锚节点需要装在飞行器载 体上，需要消耗额外的能量；飞行器严格按照直线飞行难以精确控制；锚节点的移动性会影 响无线信号的传输，产生不规则性，影响定位精度。(三)
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服移动锚节点带来的功耗及定位精度问题，可以应用于各种三维 立体环境定位，如林区火灾预警、丘陵等，提供一种三维空间中无线传感器网络节点的定位 方法，利用固定锚节点，采用分布式、非测距的方式定位。 本专利技术的技术方案是这样实现的一种三维空间无线传感器网络非测距定位系统，包括传感器节点和锚节点，其特征在于， 传感器节点设置有微处理器(MCU)，微处理器通过总线及数据线分别与Zigbee射频通信模 块、存储器、电源模块、传感器采集模块相连接，微处理器带有与其相连接的外围支撑电路， 即串口扩展、通用接口、时钟电路、复位电路；锚节点设置有微处理器及与其相连接的GPS 定位装置、GPS天线、存储器、电源。所述的传感器是温度、湿度、压力和光敏传感器或是其中的一种。 其中，传感器节点中的所有的计算比较由微处理器(MCU)完成；所述的Zigbee射频通 信模块用于接收信号并将有用的信标信息存储到所述的存储器中；在本专利技术的定位方法中，锚节点通过预先放置或者GPS定位的方式获取自身的位置信3息，定位以锚节点广播自身信标信息开始，信标信息包括锚节点的ID、位置(X,Y，Z)、发射 功率级别L以及额外传播范围(Rh， RJ 。传感器节点所做的是监听来自锚节点的信标信息，并将有用信息存到信息表中。然后 根据信息表中的信息自定位。 一个传感器节点将会监听到多个相同的信标信息，当这个数量 超过信标判决门限(BJT)时，才判定该信标信息为真。锚节点按照不同的发射功率级别，广 播完自身信标信息后，传感器节点有可能判定了若干个来自同一锚节点的信标信息为真，此 时，取发射功率级别最低的那一个最终确定为来自该锚节点的正确信息，并将其存到信息表 中。采用多级发射功率，可以扩展锚节点的覆盖范围，其结果是减少了定位所需的锚节点数 目，降低成本，并提高定位精度。在定位阶段，传感器节点读取信息表中的信息并计算自身 位置，传感器节点间不需要任何的信息交换。因此传感器节点的拓扑结构并不影响定位精度。定位阶段，传感器节点发出定位请求，锚节点开启GPS定位装置，确定自身位置，并 开始周期性的广播自身信标信息;传感器节点监听信标信息，判断信标信息是否超过预定值， 将有用信息存入信息表；读取信息表，以所监听到的所有锚节点的质心为中心建立空间直角 坐标系，完成三维网格初始化；锚节点会所有网格进行投票，确定传感器所在的最大可能空 间区域；最后将此立体区域的质心作为待定节点坐标，从而实现了三维空间的定位。本专利技术采用了一种基于网格投票的三维区域表示方式。网格中立方体的边长称作网格 分辨率a，定位前需设定。每个传感器节点都存有这个网格信息，在定位初始，对该网格初 始化，锚节点具有相同的权重l，即若一个锚节点判定某个小格子在其有效覆盖范围内，则 就会对该立方体格子投一票。投票结束后，小格子的票值越大，说明就有越多的锚节点认同 它在有效覆盖范围内，最后得票最多的格子构成了有效覆盖范围。取有效覆盖范围的质心作 为传感器节点的估计位置。一种三维空间无线传感器网络非测距定位方法，步骤如下1、 在特定区域布置传感器节点，可随机布放，事先不必知道传感器的地理位置信息；2、 部署完毕后，锚节点处于接收状态，用于检测来自传感器节点的定位请求信息，传 感器节点处于休眠状态；3、 待定位传感器节点发出定位请求信息；4、 锚节点广播信标信息，包括锚节点的ID、位置(X，Y，Z)、发射功率级别L以及额外 传播范围(IVi, RJ;5、 待定位传感器节点接收信标信息并存储有用信息至信息表；6、 读取信息表，并进行三维空间独立网格初始化，建立坐标系；7、 进行立方体网格区域投票，如果一个锚节点判定某个小格子在它的有效覆盖范 围内，则就会对该立方体投一票；8、 如果最大可能定位区域内网格得票大于位置估计判决门限DT，则取该区域的质 心作为待定位传感器节点的位置估计，否则，返回步骤3;9、 取待定位传感器节点的估计位置，定位结束。上述方法中步骤4具体包括锚节点具有N级不同的发射功率，在定位过程中，每级发 射功率的信标信息广播M次。上述方法中步骤5具体包括以下步骤待定位传感器节点分别创建信标信息表，信息表 内容包括监听到的锚节点数量AH、邻居锚节点的信标信息。步骤5中设置了信标判决门限BJT，无线传感器节点判断来自同一锚节点的信标信息是 否大于BJT，若是，则判定信标信息为真；否则丢弃该信息。步骤5中，锚节点广播完自身信标信息之后，从来自同一锚节点的诸多信标信息中，传 感器节点选取发射功率级别最低的作为正确的信标信息，并存到信息表。上述方法中步骤6具体为以监听到的所有锚节点所在区域的质心(X。， Y。)作为中心0， 以过中心O的纬线为横轴X，以过中心O的经线为纵轴Y，以过0的垂直于X、 Y平面的直线为z轴，建立空间直角坐标系，然后在((x,y蚱—X。 <2/^10 <2/^h0 <，細内 进行立体网格划分以及独立网格初始化。上述方法中步骤7具体包括以下步骤，传感器节点本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维空间无线传感器网络非测距定位方法，步骤如下：　①、在特定区域布置传感器节点，可随机布放，事先不必知道传感器的地理位置信息；　②、部署完毕后，锚节点处于接收状态，用于检测来自传感器节点的定位请求信息，传感器节点处于休眠状态 ；　③、待定位传感器节点发出定位请求信息；　④、锚节点广播信标信息，包括锚节点的ＩＤ、位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）、发射功率级别Ｌ以及额外传播范围（Ｒ↓［Ｌ－１］，Ｒ↓［Ｌ］）；　⑤、待定位传感器节点接收信标信息并存储有用信息至信息 表；　⑥、读取信息表，并进行三维空间独立网格初始化，建立坐标系；　⑦、进行立方体网格区域投票，如果一个锚节点判定某个小格子在它的有效覆盖范围内，则就会对该立方体投一票；　⑧、如果最大可能定位区域内网格得票大于位置估计判决门 限ＤＴ，则取该区域的质心作为待定位传感器节点的位置估计，否则，返回步骤③；　⑨、取待定位传感器节点的估计位置，定位结束。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈岗，陈学峰，王德华，武华，邢建平，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：88[中国|济南]