[发明专利]混杂式传感器网络移动节点自适应定位方法

摘要

一种混杂式传感器网络移动节点自适应定位方法，该系统主要包括多个普通静态节点、移动节点、汇聚节点和后台监测中心，普通静态节点与移动节点之间以ZigBee网状网协议进行通信，针对移动节点的定位过程主要分成三个阶段：节点部署、标定和实时定位，该方法的特点在于利用移动节点自部署或人为部署新节点的方法对现场监测环境中无线信号传播的衰减模型进行在线修正，消除由于节点自身能量、数据丢包、测量RSSI值偏小等情况导致的定位误差，同时剔除出由于障碍物等引起的巨大衰减通信链路上的嫡系子女节点参与移动节点的定位计算，从而提高混杂式传感器网络移动节点的自适应定位能力和定位精度，并且部署的新节点能提高整个网络的鲁棒性和可靠性。

主权项

一种混杂式传感器网络移动节点自适应定位方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S2-1，后台监测中心(4)启动，完成后台监测中心(4)与汇聚节点(3)进行数据传输时的端口配置和接收数据时间间隔配置，设定无线信号传播的衰减模型的参数n、ξσ、RSSI(d0)且所述的n为路径衰减指数，ξσ为标准偏差为σ的正态随机变量，RSSI(d0)为对应d0(d0＝1米)处节点收到的RSSI值，根据无线信号传播的衰减模型公式 RSSI ( d ) = RSSI ( d 0 ) - 10 nlg ( d d 0 ) - ξ σ , 从而建立了初始的无线信号传播的衰减模型，后面操作只要获得新的无线信号传播的衰减模型的参数，此无线信号传播的衰减模型将被自动刷新，步骤S2-2，汇聚节点(3)启动，参与组网的普通静态节点(1)和移动节点(2)启动，普通静态节点(1)和移动节点(2)自动申请加入到汇聚节点(3)建立的ZigBee网络，所述的启动的普通静态节点(1)的位置信息可以由后台监测中心(4)指定或者由普通静态节点(1)自身获得并在其启动成功后传输给后台监测中心(4)再由后台监测中心(4)保存，通过选定某个普通静态节点(1)充当坐标系原点(也可以选择汇聚节点(3))，然后以这个选定为坐标原点的普通静态节点(1)的位置为基准，选择某一个方向为x轴方向，垂直于此x轴的某一个方向选定为y轴方向，这样就建立了一个基于选定坐标原点的相对坐标系且所述的相对坐标系中任一普通静态节点(1)都会有其唯一x坐标和y坐标，步骤S2-3，普通静态节点(1)和移动节点(2)监视空中载波信号，等待接收后台监测中心(4)通过汇聚节点(3)发出的用户指令，所述用户指令包括：部署指令、标定指令、定位指令及运行控制指令，不同的用户指令通过设定不同的数据包格式来实现，如果后台监测中心(4)发出的是部署指令，则执行步骤S2-4；如果后台监测中心(4)发出的是定位指令，则执行步骤S2-5；如果后台监测中心(4)发出的是运行控制指令，则执行步骤S2-6；步骤S2-4，通过移动节点(2)自部署或人为部署的方式完成新节点的部署操作，节点部署完成后，通过汇聚节点(3)向后台监测中心(4)发送部署成功指令，后台监测中心(4)等待接收新部署节点返回部署成功信息，部署成功信息通过新部署节点加入网络并且自动加入到移动节点(2)的嫡系子女序列中来表征，所述的嫡系子女节点为移动节点(2)的一跳范围内的普通静态节点(1)，步骤S2-4-1，如果移动节点(2)接收到后台监测中心(4)通过汇聚节点(3)发来的标定指令，则移动节点(2)以其当前位置为起始点，并根据标定指令的要求方向直线前进且依次经过的第一、第二和第三标定点，所述的标定距离由标定指令提供且由移动节点(2)的电机码盘检测功能来执行，然后后台监测中心(4)通过汇聚节点(3)分别接收新部署节点发来的移动节点(2)位于不同标定点时的RSSI数据且所述新部署节点发来的RSSI数据是新部署节点与移动节点(2)通信时由新部署节点获得，每个标定点上连续测量M次，M≥3，后台监测中心(4)分别将接收到的M次RSSI数据进行中位值平均滤波，去掉1个最大值和1个最小值，然后计算M-2个数据的算术平均值，这样在第一、第二和第三标定点上各获得一个RSSI数据，即RSSI1、RSSI2和RSSI3，后台监测中心(4)根据RSSI1、RSSI2和RSSI3且和标定指令里要求的三个标定距离d0、x、y，代入公式 RSSI ( d ) = RSSI ( d 0 ) - 10 nlg ( d d 0 ) - ξ σ , 计算出新的无线信号传播的衰减模型的参数n、ξσ，且此处RSSI(d0)＝RSSI1，进而确立了新的无线信号传播的衰减模型，从而对无线信号传播的衰减模型进行了在线修正，修正后的模型将成为当前的无线信号传播的衰减模型，所述第一标定点距起始点d0米、第二标定点距起始点x米、第三标定点距起始点y米，且d0＝1米，x，y∈(1～10)米，d0，x，y称为标定距离；否则，返回步骤S2-3，步骤S2-5，如果移动节点(2)接收到后台监测中心(4)通过汇聚节点(3)发来的定位指令，将采用当前的无线信号传播的衰减模型对移动节点(2)进行定位，所述的当前的无线信号传播的衰减模型是指最近一次由步骤S2-4-1后生成的无线信号传播的衰减模型，如果系统启动后，从没有执行步骤S2-4-1的话，那么所述的当前的无线信号传播的衰减模型即指步骤S2-1中设定的初始无线信号传播的衰减模型，步骤S2-6，移动节点(2)根据控制指令执行相应的运行操作，所述的运行控制指令主要实现移动节点(2)的前进、后退、左转和右转操作。步骤S2-5中的移动节点(2)的定位采用如下方法：步骤S2-5-1，后台监测中心(4)置此时系统运行定位标志L，设定每一次定位操作时连续获取RSSI数据的次数N、距离偏离因子Δd、能量阈值ΔE和RSSI阈值ΔR，后台监测中心(4)分别建立一级定位参考RSSI序列、二级定位参考RSSI序列和三级定位参考RSSI序列且一级定位参考RSSI序列、二级定位参考RSSI序列和三级定位参考RSSI序列是指在后台监测中心(4)开辟三个地址无重叠的存储空间分别用来保存移动节点(2)的嫡系子女节点的ID及其数据，所述的一级定位参考RSSI序列用来保存移动节点(2)的嫡系子女节点的ID、RSSI数据和能量信息且每一个嫡系子女节点对应1个RSSI数据和1个能量数据，二级定位参考RSSI序列用来保存移动节点(2)的嫡系子女节点的ID和RSSI数据且每一个嫡系子女节点对应1个RSSI数据，三级定位参考RSSI序列用来保存移动节点(2)的嫡系子女节点的ID和RSSI数据且每一个嫡系子女节点对应1个RSSI数据，后台监测中心(4)通过汇聚节点(3)接收嫡系子女节点发来的移动节点(2)处于当前待定位点处的RSSI数据和嫡系子女节点自身能量信息且所述嫡系子女节点发来的移动节点(2)处于当前待定位点处的RSSI数据是嫡系子女节点与移动节点(2)通信时由嫡系子女节点获得的，在此待定位点上连续测量N次，N≥3，步骤S2-5-2，后台监测中心(4)分别将接收到的每一个嫡系子女的N次RSSI数据进行中位值平均滤波，去掉1个最大值和1个最小值，然后计算N-2个数据的算术平均值，而对应的每一个嫡系子女节点的N次能量信息采用算术平均的方法，直接求N次能量信息的算术平均值，然后每个嫡系子女节点将其ID及其滤波后的RSSI数据和算术平均后的能量信息依次放入后台监测中心(4)的一级定位参考RSSI序列，步骤S2-5-3，后台监测中心(4)根据一级定位参考RSSI序列中各个嫡系子女节点的能量信息来判断该嫡系子女节点及其对应的RSSI数据是否能放入二级定位参考RSSI序列，能量信息超过设定能量阈值ΔE的嫡系子女节点及其RSSI数据将被保存到二级定位参考RSSI序列，能量阈值ΔE＝100mW；否则，能量状况不佳的嫡系子女节点及其RSSI数据将被丢弃，步骤S2-5-4，后台监测中心(4)分别将步骤S2-5-3中获得的二级定位参考RSSI序列中的嫡系子女节点的RSSI数据与设定的RSSI阈值ΔR进行比较，RSSI值超过设定阈值的嫡系子女节点及其对应的RSSI数据入选三级定位参考RSSI序列，RSSI阈值ΔR＝-80dBm；否则，该嫡系子女节点及其RSSI数据将会被丢弃，如果所述的三级定位参考RSSI序列少于3个嫡系子女节点，则提示定位失败，后台监测中心(4)清系统运行定位标志L，并清一、二、三级定位参考RSSI序列，重新发送定位指令并执行步骤S2-5，步骤S2-5-5，经过步骤S2-5-2、步骤S2-5-3和步骤S2-5-4处理后，若此时三级定位参考RSSI序列中存在j个嫡系子女节点，然后将三级定位参考RSSI序列中每个嫡系子女节点的RSSI数据分别代入公式： d p = 10 RSSI ( d 0 ) - RSSI p - ξ σ 10 n , 这样就获得了根据无线信号传播的衰减模型处理得到的每个嫡系子女距离移动节点(2)的距离d1、d2、…、dj且此处公式中1≤p≤j，RSSI(d0)、n、ξσ是指最近一次由步骤S2-4-1后得到的RSSI1、n、ξσ，如果系统启动后，从没有执行步骤S2-4-1的话，那么此处公式中RSSI(d0)、n、ξσ即指步骤S2-1中后台监测中心(4)初始设定的RSSI(d0)、n、ξσ，步骤S2-5-6，后台监测中心(4)根据三级定位参考RSSI序列中任意选中k个嫡系子女节点且共有Cjk种组合且3≤k≤j，根据步骤S2-2中此k个嫡系子女节点的各自坐标(x1，y1)、(x2，y2)、…、(xk，yk)且步骤S2-5-5中此k个嫡系子女节点分别对应的d1、d2、…、dk，根据极大似然法，可求得坐标(xc，yc)且 1 ≤ c ≤ C j k ; 重复执行步骤S2-5-6，直至穷尽所有Cqk种组合，这样一共可以获得Cjk个新坐标(xc，yc)，步骤S2-5-7，后台监测中心(4)根据步骤S2-5-6计算出来的坐标(xc，yc)且 1 ≤ c ≤ C j k , 任选其中一个坐标，以这个坐标为顶点坐标，分别计算这个坐标与余下每一个坐标之间距离的平方和，然后计算出这个距离的平方和的平方根，再将这个距离的平方和的平方根除以(Cjk-1)得到Um且Um共有Cjk个选择；重复步骤S2-5-7，这样一共可以获得Cjk个平方根Um即 1 ≤ m ≤ C j k , 然后，后台监测中心(4)将计算出的Um分别与设定的距离偏离因子Δd进行比较，如果Um≤Δd，那么此Um所对应的坐标将被保存且所述的Um所对应的坐标为计算此Um时所对应的顶点坐标；如果Um＞Δd，那么此Um所对应的坐标将被丢弃，Δd的取值为2m，步骤S2-5-8，后台监测中心(4)根据步骤S2-5-7最终保存下来的所有坐标进行重心计算且所述的重心计算是计算最终保存下来的所有坐标的x坐标的算术平均值Xest和y坐标的算术平均值Yest，步骤S2-5-9，后台监测中心(4)以(Xest，Yest)作为移动节点(2)的当前坐标，从而完成移动节点(2)的定位过程。