[发明专利]一种基于WSN技术的三维快速定位方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及无线传感网定位方法，尤其是三维快速定位方法。

二、背景技术

无线传感网具有广阔的应用前景，但它的能量供应问题一直制约其大规模发展。无线传感节点大多采用电池供电，电量十分有限；另外传感节点数目多、成本要求低廉、分布区域广，所以通过频繁更换电池来补充能源是不现实的。受能量和节点体积大小限制，其计算能力也十分有限。因此节点的定位方法必须符合节能要求才有应用价值。

无线传感器网络节点自身定位方法按照不同角度可以有多种分类方法，如绝对定位和相对定位、集中式计算与分布式计算、基于测距和距离无关的定位等。距离无关的算法定位精度相对较低，基于测距的算法依据测量节点间距离和方位主要有基于无线信号到达时间测距（TOA）、利用信号到达时间差测距（TDOA）以及接收信号角度（AOA）和接收到的信号强度指示（RSSI）进行定位。基于测距的定范围计算量大，能耗高。

现在基于查表的RSSI定位普遍应用在一维环境，应用范围十分有限。而基于RSSI的“指纹”定位虽然能在二维环境定位，但其把距目标节点最近的参考点坐标作为目标节点坐标，这种方法难以保证定位精度。目前尚未看到基于查表的三维定位方法。

三、发明内容

本发明目的是：提出一种基于快速查表的RSSI三维定位方法，减少运算量的同时亦降低能耗，提高定位速度。本发明目的尤其是在RSSI基础上，引入三维哈希(Hash)表。采用理论模型与经验模型相结合的方法，利用三维哈希表，快速查表三维定位。在减少运算量的同时亦降低了能耗，提高了定位速度。

本发明技术方案是：基于WSN技术的三维快速定位方法，包括建立哈希表和检索哈希表两部分，事先建立的哈希表中储存三维坐标与信号强度值生成Key的对应关系并以分层表为标记；然后检索哈希表，检索哈希表包括通过顶层基站信号强度搜索分层表，确定在哪一层，通过信号强度值生成Key，检索表格，如果有相同的Key则进行冲突处理。

1、建立哈希表

对收到的最底层平面上a，b两个基站信号强度值，信号a和信号b分别平方再相加生成Key；然后从下至上对中间层和其它层亦如此生成Key，直到顶层，H_c为每一层的键值；

顶层基站把H_c相同的点归为一层，H_c为收到顶层基站c信号强度值，c为基站c信号， 在每一层中对Key进行排序，使得这一层各点按Key信号强度值升序排列，并按一维结构体数组方式依次储存在文本中；X,Y,Z为节点坐标；

2、检索哈希表

（1）    根据Key，比对某信号强度值确定在哪一层；H_c已经确定在那一层；

（2）    根据信号a和信号b生成目标Key，信号a和信号b分别平方再相加生成Key；

（3）    依次比对哈希表中的Key，直到找到比目标Key大的值，记录出现相同Key的个数；

3、冲突处理：在相同Key的记录中，比对这两个基站信号强度值指示（RSSI_a和RSSI_b），实现冲突处理，找到坐标；按这种方法只需要一次比对，即可找到目标值坐标，从而降低了计算量。

根据无线信号衰减模型如对数-常态分布模型可以得到基站信号强度随用户位置的变化情况，随着目标节点与基站距离的增加，信号强度的不断减少是单调变化。因此可以通过建立的衰减模型找到基站与移动节点的信号强度和距离的对应关系。结合经验模型与理论模型即可建立哈希表。

本发明的机理是，以信号强度值为key，用哈希函数得出key的哈希值作为该key所在数据存储的地址。然后将该数据存到该地址。查找时，输入要查询数据的key值，某信号强度；程序将计算出key的哈希值，直接调出某信号强度哈希值所在地址的数据；节省查询时间。

本发明有益效果是：本发明方法可以大幅降低定位过程中的计算量、信号传输量。并能在短时间内多次查表取得坐标，以提高定位精度。相比基于测距的定位方法降低了能耗、缩短了时间。

附图说明

图1为本发明RSSI_a和RSSI_b收到的最底层平面上a，b两个基站信号强度值示意图

图2的信号强度值升序排列图，按一维结构体数组方式依次储存在文本中；

图3 本发明定位示意图

图4本发明定位流程图，图4中N为找到的相同Key的个数。

具体实施方式

如图1所示， RSSI_a和RSSI_b为对收到的最底层平面上a，b两个基站信号强度值。

本发明设定的定位区域为室内仓库，仓库长宽高均为D，建立三维坐标系。对三维坐标系进行分层，每层高度按实际情况而定，如本发明按仓库每一级台阶高度分层。选取最底层，画出二维坐标系演示经验模型与理论模型相结合。图3中黑色点（Sa,Sc）为已知坐标的固定锚节点视为基站，基站周期发射定位信标，目标节点接收后根据检测的信号强度发送给网关，进行连续定位。白色点为在运动轨迹上随机或均匀分布的参考点如图3中Ti(i=1...n)，这是经验模型。红色三角为未知坐标的用户节点。