一種能量采集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的APIT節(jié)點(diǎn)定位方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種能量采集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的APIT節(jié)點(diǎn)定位方法，包括下述步驟：S1、初始化網(wǎng)絡(luò)；S2、待定節(jié)點(diǎn)廣播信息；S3、將鄰居錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量少于3的和未被任何鄰居錨節(jié)點(diǎn)所組成的三角形的標(biāo)記為次級待定節(jié)點(diǎn)；S4、利用三角形面積法，判斷待定節(jié)點(diǎn)是否位于任何一個(gè)由鄰居錨節(jié)點(diǎn)所組成的三角形的內(nèi)部；S5、對每一個(gè)三角形，使用三角形加權(quán)質(zhì)心算法求出它質(zhì)心的坐標(biāo)，對所有質(zhì)心的坐標(biāo)取平均值，第一次定位結(jié)束；S6、查看次級待定節(jié)點(diǎn)的鄰居表，若有鄰居待定節(jié)點(diǎn)已被定位，則將已經(jīng)定位的鄰居節(jié)點(diǎn)升級為錨節(jié)點(diǎn)，重復(fù)步驟S3?S5，進(jìn)行第二次定位；S7、對于出現(xiàn)鄰居錨節(jié)點(diǎn)少于三或不在任何一個(gè)三角形內(nèi)的待定節(jié)點(diǎn)，標(biāo)記為未定位節(jié)點(diǎn)。本發(fā)明專利技術(shù)有效減少了未定位節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，提高了網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)覆蓋率。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究領(lǐng)域，特別涉及一種能量采集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的APIT節(jié)點(diǎn)定位方法。
技術(shù)介紹
APIT(Approximate Point-In-Triangulation)定位算法即近似三角形內(nèi)點(diǎn)測試法，是一種非基于距離的節(jié)點(diǎn)定位算法。APIT的基本思想簡單，實(shí)現(xiàn)難度低，有著系統(tǒng)構(gòu)建成本較低、定位功耗較小、節(jié)點(diǎn)定位精度不錯(cuò)等優(yōu)點(diǎn)，因此成為了一種非常熱門的定位算法。對一個(gè)已經(jīng)部署完畢的WSN，其內(nèi)部必然存在著一定密度的待定節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)。在待定節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)都具備廣播信息的前提下，待定節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)分別向其通信范圍之內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息廣播，該廣播包含節(jié)點(diǎn)的ID、坐標(biāo)(待定節(jié)點(diǎn)沒有)、能量、信號強(qiáng)度等信息。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)廣播完畢之后，若某個(gè)待定節(jié)點(diǎn)的通信范圍內(nèi)有n(n≥3)個(gè)錨節(jié)點(diǎn)，則對這n個(gè)錨節(jié)點(diǎn)中任取三個(gè)組合成一個(gè)三角形，那么將可以組成共個(gè)三角形。判斷待定節(jié)點(diǎn)是否位于錨節(jié)點(diǎn)所組成的三角形的區(qū)域之內(nèi)，若在則對三角形進(jìn)行標(biāo)記，不在則排除該三角形。對所有已標(biāo)記的三角形取它們的重合區(qū)域，再對重合區(qū)域取其質(zhì)心，那么就可以認(rèn)為該質(zhì)心就是待定節(jié)點(diǎn)的估算坐標(biāo)。盡管APIT算法在實(shí)際應(yīng)用中非常簡便，但其也存在不少非常突出的缺點(diǎn)，若不對這些不足加以改進(jìn)的話是難堪大用的，下面對這些主要的缺點(diǎn)進(jìn)行簡單的說明：(1)正如前面所提到的，APIT定位的過程中將會有兩個(gè)步驟出現(xiàn)無法被定位的節(jié)點(diǎn)，而這在實(shí)際的應(yīng)用過程中幾乎是無法避免的。(2)對待定節(jié)點(diǎn)進(jìn)行APIT測試的時(shí)候，經(jīng)常會出現(xiàn)待定節(jié)點(diǎn)正好位于或非常靠近錨節(jié)點(diǎn)所圍成的三角形的一條邊上，這個(gè)時(shí)候就會很容易出現(xiàn)in-to-out或out-to-in的問題。(3)在估算待定節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)過程中所使用的網(wǎng)格掃描法效率較低，而且計(jì)算精度也不高。(4)由于WSN中待定節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)的位置是隨機(jī)部署的，將很有可能出現(xiàn)某個(gè)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)密度過大而另一個(gè)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)密度不足，而這些情況都將會極大地影響到最終的定位精度。(5)APIT定位算法的執(zhí)行過程中不僅要求待定節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交換，同時(shí)在鄰居節(jié)點(diǎn)之間也有信息協(xié)調(diào)的需要，這就導(dǎo)致了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算量和能量消耗增大，限制了更進(jìn)一步的應(yīng)用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種能量采集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的APIT節(jié)點(diǎn)定位方法。為了達(dá)到上述目的，本專利技術(shù)采用以下技術(shù)方案：本專利技術(shù)提供了一種能量采集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的APIT節(jié)點(diǎn)定位方法，包括下述步驟：S1、初始化網(wǎng)絡(luò)；S2、待定節(jié)點(diǎn)廣播信息，節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行信息交換，一個(gè)待定節(jié)點(diǎn)的廣播范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)都會收到一個(gè)信息包，通過節(jié)點(diǎn)之間的信息交換，得到接收信號強(qiáng)度RSSI的信息；S3、判斷待定節(jié)點(diǎn)的鄰居錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量是否大于等于三個(gè)，少于的話則標(biāo)記為次級待定節(jié)點(diǎn)；S4、利用三角形面積法，判斷待定節(jié)點(diǎn)是否位于任何一個(gè)由鄰居錨節(jié)點(diǎn)所組成的三角形的內(nèi)部，若待定節(jié)點(diǎn)不位于任何一個(gè)三角形的內(nèi)部，則同樣將該節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為次級待定節(jié)點(diǎn)，記錄每一個(gè)包圍了待定節(jié)點(diǎn)的三角形；S5、對每一個(gè)三角形，使用三角形加權(quán)質(zhì)心算法求出它質(zhì)心的坐標(biāo)，窮盡所有被記錄的三角形，對所有質(zhì)心的坐標(biāo)取平均值，該平均值就是待定節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的估算值，第一次定位結(jié)束；S6、查看次級待定節(jié)點(diǎn)的鄰居表，若有鄰居待定節(jié)點(diǎn)已被定位，則將已經(jīng)定位的鄰居節(jié)點(diǎn)升級為錨節(jié)點(diǎn)，重復(fù)步驟S3-S5，進(jìn)行第二次定位；S7、在第二次定位中，如果仍出現(xiàn)鄰居錨節(jié)點(diǎn)少于三或不在任何一個(gè)三角形內(nèi)的待定節(jié)點(diǎn)，則將其標(biāo)記為未定位節(jié)點(diǎn)。作為優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟S6之前還包括下述步驟S0：建立待定節(jié)點(diǎn)升級機(jī)制，該機(jī)制在網(wǎng)絡(luò)的第一次定位結(jié)束之后，通過將已定位節(jié)點(diǎn)升級成錨節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行第二次的定位，提升網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)覆蓋率。作為優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟S0中，所述待定節(jié)點(diǎn)升級機(jī)制的實(shí)現(xiàn)方法如下：S01、初始化網(wǎng)絡(luò)；S02、對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行第一次定位，將已定位的節(jié)點(diǎn)標(biāo)記位設(shè)置為1，將鄰居錨節(jié)點(diǎn)少于3個(gè)或沒被任何三角形所包圍的節(jié)點(diǎn)標(biāo)記位設(shè)置為0；S03、對待定節(jié)點(diǎn)進(jìn)行逐個(gè)檢查，若節(jié)點(diǎn)的標(biāo)記位為1，則在原有錨節(jié)點(diǎn)儲存空間的底部開辟新的空間，并將自身信息賦予給相應(yīng)的錨節(jié)點(diǎn)ID；S04、得到一組全新的錨節(jié)點(diǎn)信息后，標(biāo)記位為0的待定節(jié)點(diǎn)更新鄰居錨節(jié)點(diǎn)信息；S05、對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行第二次定位，同樣將已定位的節(jié)點(diǎn)標(biāo)記位設(shè)置為1，將鄰居錨節(jié)點(diǎn)少于3個(gè)或沒被任何三角形所包圍的節(jié)點(diǎn)標(biāo)記位設(shè)置為0；S06、定位結(jié)束。作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述標(biāo)記位作用是記錄待定節(jié)點(diǎn)是否已被定位，已定位則為1，未定位則為0，在第一次定位結(jié)束后，標(biāo)記位為0的待定節(jié)點(diǎn)成為次級節(jié)點(diǎn)，進(jìn)入第二次定位中。作為優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟S1中，系統(tǒng)初始化時(shí)應(yīng)保證所有待定節(jié)點(diǎn)的初始狀態(tài)與錨節(jié)點(diǎn)一樣，再額外增加一個(gè)標(biāo)志位判斷自己是否已被定位，在之后的應(yīng)用中進(jìn)行再次定位時(shí)，可選擇標(biāo)記位是已定位的節(jié)點(diǎn)作為錨節(jié)點(diǎn)使用。作為優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟S2中，所述信息包中包含節(jié)點(diǎn)ID、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、節(jié)點(diǎn)剩余能量和節(jié)點(diǎn)標(biāo)記位信息。作為優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟S4中，利用三角形面積法，判斷待定節(jié)點(diǎn)是否位于任何一個(gè)由鄰居錨節(jié)點(diǎn)所組成的三角形的內(nèi)部的具體方法是：假設(shè)A1、A2、A3為錨節(jié)點(diǎn)，U為待定節(jié)點(diǎn)，ΔA1A2A3的面積為SA1A2A3，當(dāng)待定節(jié)點(diǎn)位于三角形的內(nèi)部時(shí)，易知SA1UA3+SA1UA2+SA2UA3＝SA1A2A3，而當(dāng)待定節(jié)點(diǎn)位于三角形的外部時(shí)，也有SA1UA3+SA1UA2+SA2UA3＞SA1A2A3，因此可以直接判斷待定節(jié)點(diǎn)的是否位于一個(gè)三角形的內(nèi)部；由于待定節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)是不知道的，所以無法直接計(jì)算待定節(jié)點(diǎn)與三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)之間的距離，在網(wǎng)絡(luò)中引入RSSI即接收信號強(qiáng)度，那么節(jié)點(diǎn)在得到一個(gè)RSSI之后就可以通過下述公式(1)反推出距離： l = l 0 * 10 ( p r ( l 0 ) - p r ( l ) ) 10 n - - - ( 1 ) ]]>其中pr(l0)是參考距離為l0時(shí)接收到的信號強(qiáng)度，pr(l)是當(dāng)距離為l時(shí)接收點(diǎn)處的信號強(qiáng)度，n為路徑損耗指數(shù)；在已知三邊長度的情況下，根據(jù)海倫公式(2)計(jì)算出該三角形的面積， S = p ( p - a ) ( p - b 本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種能量采集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的APIT節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征在于，包括下述步驟：S1、初始化網(wǎng)絡(luò)；S2、待定節(jié)點(diǎn)廣播信息，節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行信息交換，一個(gè)待定節(jié)點(diǎn)的廣播范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)都會收到一個(gè)信息包，通過節(jié)點(diǎn)之間的信息交換，得到接收信號強(qiáng)度RSSI的信息；S3、判斷待定節(jié)點(diǎn)的鄰居錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量是否大于等于三個(gè)，少于的話則標(biāo)記為次級待定節(jié)點(diǎn)；S4、利用三角形面積法，判斷待定節(jié)點(diǎn)是否位于任何一個(gè)由鄰居錨節(jié)點(diǎn)所組成的三角形的內(nèi)部，若待定節(jié)點(diǎn)不位于任何一個(gè)三角形的內(nèi)部，則同樣將該節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為次級待定節(jié)點(diǎn)，記錄每一個(gè)包圍了待定節(jié)點(diǎn)的三角形；S5、對每一個(gè)三角形，使用三角形加權(quán)質(zhì)心算法求出它質(zhì)心的坐標(biāo)，窮盡所有被記錄的三角形，對所有質(zhì)心的坐標(biāo)取平均值，該平均值就是待定節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的估算值，第一次定位結(jié)束；S6、查看次級待定節(jié)點(diǎn)的鄰居表，若有鄰居待定節(jié)點(diǎn)已被定位，則將已經(jīng)定位的鄰居節(jié)點(diǎn)升級為錨節(jié)點(diǎn)，重復(fù)步驟S3?S5，進(jìn)行第二次定位；S7、在第二次定位中，如果仍出現(xiàn)鄰居錨節(jié)點(diǎn)少于三或不在任何一個(gè)三角形內(nèi)的待定節(jié)點(diǎn)，則將其標(biāo)記為未定位節(jié)點(diǎn)。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種能量采集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的APIT節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征在于，包括下述步驟：S1、初始化網(wǎng)絡(luò)；S2、待定節(jié)點(diǎn)廣播信息，節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行信息交換，一個(gè)待定節(jié)點(diǎn)的廣播范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)都會收到一個(gè)信息包，通過節(jié)點(diǎn)之間的信息交換，得到接收信號強(qiáng)度RSSI的信息；S3、判斷待定節(jié)點(diǎn)的鄰居錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量是否大于等于三個(gè)，少于的話則標(biāo)記為次級待定節(jié)點(diǎn)；S4、利用三角形面積法，判斷待定節(jié)點(diǎn)是否位于任何一個(gè)由鄰居錨節(jié)點(diǎn)所組成的三角形的內(nèi)部，若待定節(jié)點(diǎn)不位于任何一個(gè)三角形的內(nèi)部，則同樣將該節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為次級待定節(jié)點(diǎn)，記錄每一個(gè)包圍了待定節(jié)點(diǎn)的三角形；S5、對每一個(gè)三角形，使用三角形加權(quán)質(zhì)心算法求出它質(zhì)心的坐標(biāo)，窮盡所有被記錄的三角形，對所有質(zhì)心的坐標(biāo)取平均值，該平均值就是待定節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的估算值，第一次定位結(jié)束；S6、查看次級待定節(jié)點(diǎn)的鄰居表，若有鄰居待定節(jié)點(diǎn)已被定位，則將已經(jīng)定位的鄰居節(jié)點(diǎn)升級為錨節(jié)點(diǎn)，重復(fù)步驟S3-S5，進(jìn)行第二次定位；S7、在第二次定位中，如果仍出現(xiàn)鄰居錨節(jié)點(diǎn)少于三或不在任何一個(gè)三角形內(nèi)的待定節(jié)點(diǎn)，則將其標(biāo)記為未定位節(jié)點(diǎn)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量采集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的APIT節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征在于，步驟S6之前還包括下述步驟S0：建立待定節(jié)點(diǎn)升級機(jī)制，該機(jī)制在網(wǎng)絡(luò)的第一次定位結(jié)束之后，通過將已定位節(jié)點(diǎn)升級成錨節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行第二次的定位，提升網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)覆蓋率。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的能量采集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的APIT節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征在于，步驟S0中，所述待定節(jié)點(diǎn)升級機(jī)制的實(shí)現(xiàn)方法如下：S01、初始化網(wǎng)絡(luò)；S02、對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行第一次定位，將已定位的節(jié)點(diǎn)標(biāo)記位設(shè)置為1，將鄰居錨節(jié)點(diǎn)少于3個(gè)或沒被任何三角形所包圍的節(jié)點(diǎn)標(biāo)記位設(shè)置為0；S03、對待定節(jié)點(diǎn)進(jìn)行逐個(gè)檢查，若節(jié)點(diǎn)的標(biāo)記位為1，則在原有錨節(jié)點(diǎn)儲存空間的底部開辟新的空間，并將自身信息賦予給相應(yīng)的錨節(jié)點(diǎn)ID；S04、得到一組全新的錨節(jié)點(diǎn)信息后，標(biāo)記位為0的待定節(jié)點(diǎn)更新鄰居錨節(jié)點(diǎn)信息；S05、對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行第二次定位，同樣將已定位的節(jié)點(diǎn)標(biāo)記位設(shè)置為1，將鄰居錨節(jié)點(diǎn)少于3個(gè)或沒被任何三角形所包圍的節(jié)點(diǎn)標(biāo)記位設(shè)置為0；S06、定位結(jié)束。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的能量采集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的APIT節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征在于，所述標(biāo)記位作用是記錄待定節(jié)點(diǎn)是否已被定位，已定位則為1，未定位則為0，在第一次定位結(jié)束后，標(biāo)記位為0的待定節(jié)點(diǎn)成為次級節(jié)點(diǎn)，進(jìn)入第二次定位中。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量采集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的APIT節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征在于，步驟S1中，系統(tǒng)初始化時(shí)應(yīng)保證所有待定節(jié)點(diǎn)的初始狀態(tài)與錨節(jié)點(diǎn)一樣，再額外增加一個(gè)標(biāo)志位判斷自己是否已被定位，在之后的應(yīng)用中進(jìn)行再次定位時(shí)，可選擇標(biāo)記位是已定位的節(jié)點(diǎn)作為錨節(jié)點(diǎn)使用。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量采集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的APIT節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征在于，步驟S2中，所述信息包中包含節(jié)點(diǎn)ID、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、節(jié)點(diǎn)剩余能量和節(jié)點(diǎn)標(biāo)記位信息。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量采集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的APIT節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征在于，步驟S4中，利用三角形面積法，判斷待定節(jié)點(diǎn)是否位于任何一個(gè)由鄰居錨節(jié)點(diǎn)所組成的三角形的內(nèi)部的具體方法是：假設(shè)A1、A2、A3為錨節(jié)點(diǎn)，U為待定節(jié)點(diǎn)，ΔA1A2A3的面積為SA1A2A3，當(dāng)待定節(jié)點(diǎn)位于三角形的內(nèi)部時(shí)，易知SA1UA3+SA1UA2+SA2UA3＝SA1A2A3，而當(dāng)待定節(jié)點(diǎn)位于三角形的外部時(shí)，也有SA1UA3+SA1UA2+SA2UA3＞SA1A2A3，因此可以直接判斷待定節(jié)點(diǎn)的是否位于一個(gè)三角形的內(nèi)部；由于待定節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)是不知道的，所以無法直接計(jì)算待定節(jié)點(diǎn)與三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)之間的距離，在網(wǎng)絡(luò)中引入RSSI即接收信號強(qiáng)度，那么節(jié)點(diǎn)在得到一個(gè)RSSI之后就可以通過下述公式(1)反推出距離： l = l 0 * 10 ( p r ( l 0 ) - p r ( l ) ) 10 n - - - ( 1 ) ]]>其中pr(l0)是參考距離為l0時(shí)接收到的信號強(qiáng)度，pr(l)是當(dāng)距離為l時(shí)接收點(diǎn)處的信號強(qiáng)度，n為路徑損耗指數(shù)；在已知三邊長度的情況下，根據(jù)海倫公式(2)計(jì)算出該三角形的面積， S = p ( p - a ) ( p - b ) ( p - c ) - - - ( 2 ) ]]>其中S為三角形面積，a、b、c為三角形的三邊長，p為三角形周長的一半。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的能量采集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的APIT節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征在于，使用三角形加權(quán)質(zhì)心算法求它質(zhì)心的坐標(biāo)的具體方法為：設(shè)組成三角形的錨節(jié)點(diǎn)A1、A2、A3的坐標(biāo)分別為(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)，待定節(jié)點(diǎn)U到這三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離分別為d1、d2、d3，所述d1、d2、d3通過公式(1)計(jì)算出來，當(dāng)待定節(jié)點(diǎn)位于一個(gè)三角形的內(nèi)部時(shí)，則有下面的加權(quán)質(zhì)心公式： x = x 1 d 1 2 + x 2 d 2 2 + x 3 d 3 2 1 d 1 2 + 1 d 2 2 + 1 d 3 2 y = ...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：劉貴云，范智亮，黎家俊，林偉冬，孫鵬偉，陳忠楚，唐冬，
申請(專利權(quán))人：廣州大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：廣東;44