無線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位算法的研究

張 楠，吳利剛

（山西大同大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西大同037003）

收稿日期:2017-04-16

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位算法的研究

張 楠，吳利剛

（山西大同大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西大同037003）

以大型災(zāi)害搜救為背景，在經(jīng)典的三邊定位算法基礎(chǔ)上，針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)在定位過程中小范圍移動(dòng)的問題，提出了基于三邊定位方法的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位算法。該算法以節(jié)點(diǎn)的通信半徑和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與待測(cè)節(jié)點(diǎn)之間的距離為依據(jù)，通過分析這兩者存在的關(guān)系，可以將待測(cè)節(jié)點(diǎn)的位置初步劃定在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，再通過多次計(jì)算迭代，進(jìn)一步縮小定位區(qū)域，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)節(jié)點(diǎn)的精度定位。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)；定位；算法；移動(dòng)節(jié)點(diǎn)

收稿日期:2017-04-16

在傳統(tǒng)的三邊定位算法中，如果知道三個(gè)不在一條直線上的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，就能夠?qū)⒋郎y(cè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)定位[1-2]。理想狀態(tài)下，經(jīng)典的三邊定位算法是可以滿足定位精度的。但是在一些現(xiàn)實(shí)應(yīng)用環(huán)境下，三邊定位算法難免會(huì)受到現(xiàn)場(chǎng)多種環(huán)境因素的影響，例如：在海面上漂浮的用于海洋數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的一些信標(biāo)節(jié)點(diǎn)就無法固定于某一位置，必然會(huì)受到風(fēng)浪等因素的影響而在一定的范圍內(nèi)移動(dòng)，這種情況必然會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)的定位精度造成不良影響[3-4]。

為了解決上述問題，文中提出了一種基于三邊定位模型的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位算法，該算法通過將信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與待測(cè)節(jié)點(diǎn)之間的距離和節(jié)點(diǎn)通信距離進(jìn)行對(duì)比，把他們之間的關(guān)系劃分為幾種狀態(tài)，以此來表明兩者之間的關(guān)系，并利用這種關(guān)系進(jìn)行篩選，在已知的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的幫助下，能夠準(zhǔn)確的對(duì)待測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。

1 算法建模

假定信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)移動(dòng)范圍是一個(gè)以α為半徑的圓型區(qū)域（節(jié)點(diǎn)的通信距離r＞α），Bc代表信標(biāo)節(jié)點(diǎn)現(xiàn)在的坐標(biāo)，Bp為之前的坐標(biāo)，用R代表待測(cè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，將他們之間的關(guān)系用以下四種狀態(tài)表示[5-6]：

（1）外部狀態(tài)：d(Bc,R)＞r

（2）內(nèi)部狀態(tài)：d(Bc,R)≤r

（3）到達(dá)狀態(tài)：d(Bc,R)≤r∧d(Bp,R)＞r

（4）離開狀態(tài)：d(Bc,R)＞r∧d(Bp,R)≤r

在信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)范圍內(nèi)，將信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與待測(cè)節(jié)點(diǎn)的距離和通信距離之間的關(guān)系分為兩個(gè)部分，用m和n分別表示這兩部分節(jié)點(diǎn)，見圖1。隨機(jī)挑選出8個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)分成4對(duì)，分別表示到達(dá)和離開這兩種節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)。當(dāng)d(B,R)＞r時(shí)，用空心點(diǎn)表示信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，依次編號(hào)為m1,m2,…,mk；當(dāng)d(B,R)≤r時(shí)，用實(shí)心點(diǎn)表示信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，依次編號(hào)為n1,n2,…,nk。

圖1 信標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位區(qū)域示意圖

首先，要找到將m組和n組節(jié)點(diǎn)分隔的界線。從圖1可以看出，可以將兩類信標(biāo)節(jié)點(diǎn)分開的弧有無數(shù)條，但必須滿足如下幾個(gè)條件：所在圓的圓心C；所在圓的圓心D；所在圓的圓心E；所在圓的圓心I；點(diǎn)H是所在圓的圓心；點(diǎn)G是所在圓的圓心，點(diǎn)J是所在圓的圓心，點(diǎn)K是所在圓的圓心。由各圓心所圍起來的區(qū)域CJEKDGIH就是信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位范圍，可以看出其中區(qū)域EKRJ和HIGR所確定的范圍較大，已經(jīng)無法利用已有的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)將其定位范圍縮小，只能寄希望增加新的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，再次迭代將其縮小。

2 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位算法

上文對(duì)定位原理進(jìn)行了初步的敘述，下面以此為根據(jù)，使用三點(diǎn)定位法對(duì)待測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，并通過單個(gè)、2個(gè)、3個(gè)移動(dòng)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的情況進(jìn)行分析。

2.1 單個(gè)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的定位分析

假定信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)范圍是一個(gè)半徑為α的圓，當(dāng)只有1個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)在這個(gè)圓內(nèi)時(shí)，定位范圍，見圖2。因?yàn)閳D中的2個(gè)靜止的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)可以將待測(cè)節(jié)點(diǎn)確定為A、B兩點(diǎn)，而A、B兩點(diǎn)之間的距離又大于誤差半徑α，所以即使存在誤差，仍可準(zhǔn)確的確定目標(biāo)節(jié)點(diǎn)為B點(diǎn)。

圖2 單信標(biāo)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)定位區(qū)域示意圖

2.2 雙節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的定位分析

通過以上分析可以看出，在現(xiàn)有的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位的基礎(chǔ)上想要得到更高的定位精度是非常困難的，只有選取更加有效的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，才能進(jìn)一步提高定位精度，直至滿足要求為止。

圖3 2個(gè)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)定位區(qū)域及優(yōu)化示意圖

2.3 三節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的定位分析

如果3個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)都處于移動(dòng)狀態(tài)，定位原理和上述2個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的情況相同，見圖4。圖中3個(gè)移動(dòng)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位范圍為ABCDEF區(qū)域，其中分別為定位圓的一部分，排除無效區(qū)域，HIJK區(qū)域?yàn)?個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)所定位的范圍。

圖4 3個(gè)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)定位區(qū)域及優(yōu)化示意圖

通過上述分析可以看出，如果有效信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)量有限，定位精度很難達(dá)到預(yù)期要求。所以，只有不斷地選取有效節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過多次迭代，才能將定位精度提高，直至達(dá)到要求為止。

3 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位算法仿真

在災(zāi)害搜救現(xiàn)場(chǎng)，可將多個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)分別置于搜索設(shè)備中，并且應(yīng)盡量將搜索設(shè)備分散，形成內(nèi)角在50～70°之間的三角形，這樣便于提高定位精度。實(shí)際應(yīng)用中，我們可以給搜救設(shè)備配置測(cè)距裝置，以此獲得救助對(duì)象和搜救設(shè)備的距離，再通過判斷搜救設(shè)備所攜帶的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，及時(shí)鎖定救助對(duì)象所在的區(qū)域，在該算法的幫助下進(jìn)一步確定救助對(duì)象的精確位置。

為了能夠較好地表現(xiàn)出算法的優(yōu)點(diǎn)，將誤差半徑α和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與待測(cè)節(jié)點(diǎn)之間的距離d定為1∶10，選取最初的4個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，定位區(qū)域，見圖5。之后又以50個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多次定位，定位區(qū)域進(jìn)一步減小，精度明顯增加，見圖6。

圖5 最初選取的4個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位仿真示意圖

圖6 50個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位區(qū)域仿真示意圖

再通過計(jì)算得出，最初選取的4個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位區(qū)域的大小為8.201 8，50個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位區(qū)域大小為0.712 4，50次選取后確定的面積為最初選取的4個(gè)節(jié)點(diǎn)確定區(qū)域面積的8.67%，即選取信標(biāo)節(jié)點(diǎn)次數(shù)與有效信標(biāo)節(jié)點(diǎn)圍成的面積成反比關(guān)系?？梢?，該算法在實(shí)際應(yīng)用中是能夠提高定位精度的。

由上述分析可知，在3個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的情況下，4個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)選取所得的定位區(qū)域，見圖7（區(qū)域ABCDE）。經(jīng)過50次的選取，可獲得圖8所示的定位區(qū)域（區(qū)域ABC），該區(qū)域已非常接近需確定的待測(cè)節(jié)點(diǎn)的位置。在實(shí)際應(yīng)用中，這樣的誤差在可接受范圍之內(nèi)，已經(jīng)可以精準(zhǔn)地確定需援救的目標(biāo)。

圖7 3個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)初始定位區(qū)域

圖8 50次信標(biāo)節(jié)點(diǎn)最終定位區(qū)域示意圖

4 結(jié)論

本文提出的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位算法是在三邊定位算法的基礎(chǔ)上演化而來，原理簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確度較高。在災(zāi)后搜救等實(shí)際應(yīng)用中，只要能夠保證搜救設(shè)備的坐標(biāo)精度，就可以對(duì)援助對(duì)象實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。但該算法要求信標(biāo)節(jié)點(diǎn)只能在小范圍內(nèi)移動(dòng)，如果移動(dòng)范圍較大會(huì)直接影響定位精度，故應(yīng)用時(shí)必須要求信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)范圍盡量小，以保證定位的精度。

[1]陳星舟.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法研究[D].廈門:廈門大學(xué)，2011.

[2]滕國(guó)棟.無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位算法的研究[D].杭州:浙江大學(xué)，2010.

[3]徐小玲,張福強(qiáng),李少彪.基于APIT的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)質(zhì)心算法研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011,30(7):57-59,63.

[4]楊澤軍,王英龍,黃太波.基于APIT的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)三維定位算法[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2012,12(5):5-8.

[5]彭力,張煒.基于循環(huán)求精的APIT無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法[C].∕第29屆中國(guó)控制會(huì)議論文集.2010:4753-4756.

[6]陳淦.無線網(wǎng)絡(luò)傳感器定位算法研究[D].贛州:江西理工大學(xué)，2009.

〔責(zé)任編輯 王東〕

Study of Localization Algorithmin of Mobile Node Wireless Sensor Networks

ZHANG Nan,WU Li-gang
(School of Mechanical and Electrical Engineering,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037003)

In this paper,as to large-scale disaster rescue,on the basis of classic trilateral localization algorithm,aiming at the problem that the nodes in the wireless sensor networks are moving in the small range,proposed a mobile node localization algorithm based on trilateral positioning method.The algorithm for node communication radius and the distance between the beacon nodes and the unknown nodes as the basis,through the analysis of the relationship of the two,the location of the unknown node can be preliminari?ly defined in a smaller range,then through multiple iterations,further reduced the positioning area,eventually finally realized the preci?sion positioning of the unknown node.

wireless sensor network;localization;algorithm;mobile node

TN393.4

A

1674-0874(2017)05-0060-03

張楠(1981-)，男，山西大同人，碩士，副教授，研究方向：煤礦安全綜合監(jiān)控。