[发明专利]用于无线传感器网的基于APIT的节点三维定位法

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络，尤其涉及一种用于无线传感器网的基于APIT的节点三维定位法。

背景技术

在无线传感器网络(wireless sensor networks，WSN)中，位置信息对其监测活动至关重要，事件发生的位置或获取信息的节点位置是传感器节点监测消息中所包含的重要信息，没有位置信息的监测消息往往毫无意义。因此节点定位是无线传感器网络最基本的功能之一，对其应用的有效性起着关键的作用。

接收信号强度指示值(received signal strength indicator，RSSI)作为WSN中最容易获得的参数一直受到定位方法研究者的青睐。基于RSSI值的定位方法的主要思想是根据RSSI衰减模型将两节点间的RSSI衰减值直接转换成两个节点间的距离，最后通过多个信标节点(配备GPS定位系统或通过其它方式能直接获得位置信息的节点)与待定位节点(位置未知的节点)间的距离计算待定位节点的位置坐标。

然而，RSSI受环境影响较大，随着应用场景的变化其性能表现不一。如：RSSI与无线信号的关联性较大，若传感器节点靠近地面，其发射信号容易被地磁干扰。空旷的操场由于障碍物比小树林要少，所以在空旷场地，RSSI性能表现较好。

鉴于以上所述，RSSI的精确度很大程度上依赖其应用环境，很多复杂地形的场景下，RSSI不能准确地转化成节点间距离信息造成较大的误差。在此种复杂条件下，人们提出了一种运用但不严格依赖RSSI值的定位方法——APIT定位方法。它只需要RSSI的“模糊值”来比较节点间距离的远近，并不严格将RSSI转化为精确的距离值。所以，在复杂环境中，如多障碍物场景、近地场景中，APIT巧妙地避免了RSSI值因受到干扰而不准确的情况。

APIT定位方法是一种与测距无关的定位方法。换句话说，这种定位方法并不是使用测得的物理参数值直接转换成节点间距离进而得到待定位节点位置的定位方法。APIT定位方法的原理如下：

其理论支持是最佳三角形内点测试法(perfect point-in-triangulation test，PIT)，即假如存在一个方向，节点M沿着这个方向移动会同时远离或接近A、B、C，那么M在△ABC外，如图1(b)所示；否则，M在△ABC内，如图1(a)所示。

在APIT定位方法中，邻居节点(在通信范围内的节点)间通常通过交换比较各自接收到的RSSI值，利用“RSSI越小，节点间距离越大”的规律，判断距离某一锚节点的远近。如图2(a)，待定位节点M与邻居节点1交换信息可知，节点M接收到锚节点B、C的RSSI值大于节点1接收到锚节点B、C的RSSI值，而节点M接收到锚节点A的RSSI值小于节点1接收到锚节点A的RSSI值。根据RSSI值的比较，如果节点M移动至节点1所在位置，将会远离节点B、C并靠近节点A。依次对邻居节点2、3、4进行相同的判断，待定位节点M在△ABC内。而在图2(b)中可知，节点M假如运动至邻居节点2所在位置，将会同时靠近A、B、C，那么断定M在△ABC外。最终，如图2(c)，对待定位节点所属三角形的重叠区域使用质心方法，计算出其质心作为待定位节点的坐标。

在这里，由于计算三角形区域的质心需要的计算量比较大，所以通常情况下，研究人员采用网格扫描(GRID SCAN)的方法。其主旨是将整个平面分割成若干等大的正方形。每个正方形对应一个计数器。判断信标节点构成的每一个三角形，若该三角形包含待定位节点，则该三角形内的每一个正方形所对应的计数器加一；若该三角形不包含待定位节点，则该三角形内的每一个正方形所对应的计数器减一。最后筛取计数器计数最高值的所有正方形，求取这些正方形质心的平均值作为待定位节点的估计位置。示意图如图3(a)、(b)所示。