无线传感器网络节点定位方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了无线传感器网络节点定位方法及装置。该方法包括下列步骤：获得整个无线传感器网络的拓扑结构，采用基于网络密度的分簇方法，在对簇头进行优化选择后，基于密度可达性方法把整个无线传感器网络划分为多个密度均匀、互不重叠的簇；获得所有所述簇头的绝对坐标，并使用遗传算法确定移动信标遍历所有簇的顺序，然后确定簇内信标移动路径，形成移动信标在整个无线传感器网络内的优化移动路径，实现无线传感器网络内的节点定位。其能够在保证较高的节点定位精度的同时，降低信标的移动开销计算开销，提高节点定位实时性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线传感器网络
，特别是涉及无线传感器网络节点定 位方法及装置。
技术介绍
无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)节点定位在环境监测、 人员及动物目标的定位跟踪、物流及资产管理、安防及军事等领域有着广泛的 应用前景。目前在使用定位技术对节点位置进行估计时，为了获得节点的绝对位置信 息， 一般需要使用少量位置信息已知的静态信标。而这些静态信标的数量及排 布方式对网络节点的定位性能有较大影响。当网络部署的静态信标越多、节点 距离静态信标越近时，节点的定位精度越高。现有静态信标节点一般采用配置 GPS模块的方式，由于GPS模块成本较高，功耗较大，实际应用中难以大量部 署信标节点。考虑到一旦未定位节点完成定位，静态信标的定位参考作用变得 不那么重要，因此为减少使用成本，可使用一个或少量移动信标(如安装有 GPS的移动机器人)来遍历整个网络，辅助网络内的未定位节点实现自定位， 这类方法称为移动信标辅助定位方法。现有的移动信标辅助定位方法一般借助信标在网络"感兴趣区域(Region Of Interest, ROI)"的有规律移动，并在预先规划好的多个特定地理位置(或 者按固定时间间隔周期性地)发射包含自身位置信息的无线信号，未定位节点 根据接收到的信标信号，测量自身与信标间的相对距离或角度，当它获得三个 或更多的测量数据后，采用三边或多边等定位方法实现自定位。这类定位方法 的开销主要集中在移动信标的移动上，需要对信标的移动路径(即移动轨迹) 进行优化。目前大部分移动信标辅助定位方法并未给出具体的移动信标路径 (即移动信标什么时候或者移动到什么地点，应向未定位节点发射数据包)， 一般仅仅提出了信标路径规划的基本原则及要求。只有部分方法给出了对整个网络节点进行多重全覆盖的移动路径方法。使用多重全覆盖的移动路径规划方 法，当网络规模较大时，信标移动路径较长，其无线发射开销和能量消耗过大。 当网络节点密度分布不均时，尤其是在网络部分区域未部署节点时，采用均匀 遍历整个网络的多重全覆盖路径规划机制将导致较低的信标使用效率。此外， 采用多重全覆盖的移动路径方法，信标需要花费较长的时间才能遍历完整个网 络，因此完成网络所有节点定位的时间较长，实时性较差，当未定位节点缓慢 移动时，定位误差较大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供无线传感器网络节点定位方法及装置，其能够克服 现有移动信标辅助定位技术中的不足，综合考虑网络节点的分布情况，并发挥 无线传感器网络节点相互协同定位优势，把网络分簇和利用遗传算法进行移动 信标辅助定位有机结合，在保证较高的节点定位精度的同时，降低了信标的移 动开销计算开销，提高了节点定位实时性。为实现本专利技术的目的而提供的无线传感器网络节点定位方法，包括下列步骤步骤100.获得整个无线传感器网络的拓扑结构，采用基于网络密度的分 簇方法，在对簇头进行优化选择后，基于密度可达性方法把整个无线传感器网络划分为多个密度均匀、互不重叠的簇；步骤200.获得所有所述簇头的绝对坐标，并使用遗传算法确定移动信标 遍历所有簇的顺序，然后确定簇内信标移动路径，形成移动信标在整个无线传 感器网络内的优化移动路径，实现无线传感器网络内的节点定位。所述步骤100，包括下列步骤步骤110.根据整个无线传感器网络的拓扑结构及相邻节点间的测距，计 算每个节点的权值，并选择所述无线传感器网络内权值最大的节点作为簇头节 点；歩骤120.从该簇头节点开始，使用密度可达方法在网络内进行扩散，簇 头密度可达区域为该簇的大小；步骤130.判断所述整个无线传感器网络中是否还存在未加入簇的节点， 若是，则执行步骤140;否则，执行步骤150;7步骤140.在所述整个无线传感器网络中删除已形成簇的节点，在剩余的 未形成簇的节点中，重新计算各节点权值，并选择其中权值最大的节点作为簇 头，再次使用密度可达方法进行扩散，产生新的簇，返回步骤130;步骤150.将生成的簇中成员数目小于预先设定数目的簇合并到距离最近 且簇中成员数量大于规定阈值的簇中去。所述步骤IIO，包括下列歩骤步骤111.获得整个无线传感器网络的拓扑结构及相邻节点间的测距； 步骤112.计算整个无线传感器网络中每个节点的权值，并选择其中权值最大的节点作为簇头节点。所述步骤200，包括下列步骤步骤210.采用全局路径规划方法确定移动信标遍历所有簇的顺序；步骤220.采用簇内路径规划方法确定簇内信标移动路径，形成移动信标在整个无线传感器网络内的优化移动路径，最终实现无线传感器网络内的节点定位。所述步骤210，包括下列步骤步骤211.采用多维尺度分析方法对所有簇头进行定位；步骤212.使用遗传算法确定移动信标遍历所有簇的顺序。步骤211中，当仅有一个移动信标时，借助信标的移动，可得到多个不共线、具有良好几何拓扑结构的虚拟信标位置，由这几个虚拟信标的相对位置与 绝对位置之间的对应关系，使用最佳线性变换方法，可获得所有簇头相对坐标 到绝对坐标的转换矩阵，使用该变换矩阵得到所有簇头的绝对坐标。所述步骤220，包括下列歩骤步骤221.用正六边形包围每一个所述簇头，使簇头位于正六边形的中心； 步骤222.在每一个所述正六边形的六个顶点中，选择距离上一个正六边 形出口顶点最近的顶点，作为该六边形的入口，移动信标按顺时针方向或反时 针方向遍历该正六边形的六个顶点，在最后一个顶点位置，选择距离该顶点最 近的下一个正六边形的顶点方向，移动接入下一个正六边形；重复本步骤一直 持续到遍历完所有正六边形；步骤223.移动信标按上述规划好的全局路径移动，并在每个所述正六边形的顶点发射包含自身位置信息的数据包；步骤224.当未定位节点接收到3个或更多的信标位置信息时，使用3边 或多边定位方法实现自定位，并升级为静态信标，参与下一轮其它未定位节点 的定位；步骤225.判断是否所有未定位节点已完成定位或已达到最大迭代次数， 若是，则结束节点定位；否则返回步骤224。为实现本专利技术的目的，还提供无线传感器网络节点定位装置，所述装置， 包括分簇模块和路径规划模块，其中所述分簇模块，用于对簇头进行优化选择后，基于密度可达性方法把整个 无线传感器网络划分为多个簇；所述路径规划模块，用于根据所述簇，规划移动信标在整个无线传感器网 络内的优化移动路径，最终实现无线传感器网络内的节点定位。所述分簇模块，包括簇头节点选择模块，用于根据无线传感器网络中每个节点的权值，选择簇头节点；簇构建模块，用于从所述簇头节点开始，通过使用密度可达方法在网络内 进行扩散构建簇；簇判断模块，用于判断所述整个无线传感器网络中是否还存在未加入簇的 节点；簇合并模块，用于将生成的簇中成员数目小于规定阈值的簇合并到距离最 近且数量大于规定阈值的簇中去。 所述簇头节点选择模块，包括网络信息获取模块，用于获得整个无线传感器网络的拓扑结构及相邻节点间的测距；权值计算模块，用于计算整个无线传感器网络中每个节点的权值，并选择 其中权值最大的节点作为簇头节点。 所述路径规划模块，包括全局路径规划模块，用于为所有簇头定位并确定移动信标遍历网络所有簇、簇内路径规划模块，用于确定簇内信标移动路径，实现簇内节点的高精度 定位。所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无线传感器网络节点定位方法，其特征在于，包括下列步骤：　步骤１００．获得整个无线传感器网络的拓扑结构，采用基于网络密度的分簇方法，通过对簇头进行优化选择以及使用密度可达性方法，把整个无线传感器网络划分为多个密度均匀、互不重叠的簇； 　步骤２００．获得所有所述簇头的绝对坐标，并采用遗传算法确定移动信标遍历所有簇的顺序，然后确定簇内信标移动路径，形成移动信标在整个无线传感器网络内的优化移动路径，实现无线传感器网络内的节点定位。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：罗海勇，赵方，林权，朱珍民，
申请(专利权)人：中国科学院计算技术研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]