无线传感器网络静止目标定位方法及系统

摘要

本发明提供了一种无线传感器网络静止目标定位方法及系统，通过目标节点周期广播消息包，收到目标消息包的传感节点将接收信号强度值、传感节点坐标等信息发到上位机。上位机计算一个定位周期内每个传感节点平均接收信号强度值，根据传感节点平均接收信号强度值和节点坐标计算目标定位坐标值。当上位机判断连续N个定位周期的目标定位位置包含在指定半径的圆形区域内时，上位机计算这N个定位周期目标定位坐标的平均定位坐标，并将该平均定位坐标作为静止目标定位结果。本发明的有益效果是本发明避免复杂扰动环境下静止目标定位位置漂移不定的现象，能为用户输出稳定可靠的目标定位结果。

说明书

技术领域

本发明涉及静止目标定位方法及系统，尤其涉及无线传感器网络静止 目标定位方法及系统。

背景技术

在工业生产等领域通常会有大量设备、原材料、产品等相关物质需要 管理和调度，其中很多物质会在一段时间内固定存放。面对大量各类物质， 如何便捷准确地检测每项物质的存放位置，将直接决定资产管理效率和水 平。无线传感器网络目标定位技术应用于资产管理，可发挥其低成本、部 署灵活方便、便于维护等诸多优势，已成为当前无线传感器网络目标定位 技术重要应用方向。然而，工业生产环境下目标定位结果通常会受到多径 效应、各种障碍物干扰等复杂因素影响，使目标即使在静止状态下其定位 位置也总是漂移不定，稳定性和可靠性较差，给定位系统准确可靠地输出 静止目标定位位置带来难度。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种无线传感器网络静止 目标定位方法。

本发明提供了一种无线传感器网络静止目标定位方法，包括如下步骤：

A.目标节点周期广播单个目标消息包；

B.目标节点每广播一个目标消息包，所有收到目标消息包的传感节点 测量接收目标消息包的信号强度值，将记录有接收信号强度值、传感节点 坐标信息的传感节点数据包经过网关节点和传输中介传送到上位机；

C.判断定位周期内，上位机是否收满M个广播周期的传感节点数据 包，若是，那么执行D步骤，否则执行A步骤；指定连续M个目标节点 广播周期为一个定位周期，其中M大于或等于1；

D.上位机计算同一个定位周期内每个传感节点测得平均接收信号强 度值；

E.上位机利用同一个定位周期内传感节点测得平均接收信号强度值 和传感节点坐标计算目标定位坐标值；

F.上位机判断已经历定位周期数是否大于或等于设定值N，若是，那 么执行G步骤，否则执行A步骤，其中N大于或等于2；

G.上位机判断连续N个定位周期的目标定位位置是否位于指定半径 为R的圆形区域内，若是，那么执行H步骤，否则执行A步骤；

H.上位机根据连续N个定位周期的目标定位坐标计算平均定位坐标， 并将该平均定位坐标作为静止目标定位结果。

作为本发明的进一步改进，所述传感节点通过无线链路自组形成多跳 传输网络。

作为本发明的进一步改进，所述传输中介类型包括串口线、以太网、 WiFi、GPRS或3G。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤H中，上位机将静止目标定位 最终确定位置进行显示和存储。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤H中，当上位机确定出静止目 标定位位置后，将该位置作为当前目标静止状态下的定位位置，而不再连 续进行定位计算。

本发明还公开了一种无线传感器网络静止目标定位系统，包括：

目标节点：用于周期广播单个目标消息包；

传感节点：用于目标节点每广播一个目标消息包，所有收到目标消息 包的传感节点测量接收目标消息包的信号强度值，将记录有接收信号强度 值、传感节点坐标的传感节点数据包经过网关节点和传输中介传送到上位 机；

网关节点：网关节点连接传感节点网络与传输中介，它一方面负责管 理传感节点及其组成网络，同时接收传感节点数据包，并经传输中介将数 据包转发到上位机；

传输中介：传输中介负责将传感节点经网关节点发来的数据包传输到 上位机，主要起到延长传输距离，提供稳定可靠数据传输的作用；

上位机：用于汇集传感节点测量信息进行目标定位计算，用于在定位 周期内计算每个传感节点测得平均接收信号强度值，上位机利用同一个定 位周期内传感节点的平均接收信号强度值和传感节点坐标计算目标定位坐 标值，上位机判断连续N个定位周期的目标定位位置是否位于指定半径为 R的圆形区域内，若是，那么上位机根据连续N个定位周期的目标定位坐 标计算平均定位坐标，并将该平均定位坐标作为静止目标定位结果。

作为本发明的进一步改进，所述目标节点由定位对象安装或携带；所 述传感节点在目标节点数据包接收范围内至少部署四个。

作为本发明的进一步改进，所述传感节点通过无线链路自组形成多跳 传输网络，所述传输中介类型包括串口线、以太网、WiFi、GPRS或3G。

本发明的有益效果是：本发明避免复杂扰动环境下静止目标定位位置 漂移不定的现象，能为用户输出稳定可靠的目标定位结果。

附图说明

图1是本发明的无线传感器网络静止目标定位方法流程图。

图2是本发明的无线传感器网络静止目标定位系统一实施例原理图。

图3是本发明的无线传感器网络静止目标定位时序图。

图4是本发明的无线传感器网络静止目标定位的信息处理原理图。

图5是本发明的传感节点到目标节点不同距离下接收信号强度值测量 结果。

图6是本发明的不同定位周期目标定位位置分布示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明公开了一种无线传感器网络静止目标定位方法， 包括如下步骤：在步骤S1中，目标节点周期广播单个目标消息包；在步 骤S2中，目标节点每广播一个目标消息包，所有收到目标消息包的传感 节点测量接收目标消息包的信号强度值（接收信号强度值也可简称为 RSSI），将记录有接收信号强度值、传感节点坐标信息的传感节点数据包 经网关节点和传输中介传送到上位机；在步骤S3中，判断在定位周期内， 上位机是否收满M个广播周期的传感节点数据包，若是，那么执行S4步 骤，否则执行S1步骤；指定连续M个目标节点广播周期为一个定位周期， 其中M大于或等于1；在步骤S4中，上位机计算同一个定位周期内每个 传感节点测得平均接收信号强度值；在步骤S5中，上位机利用同一个定 位周期内传感节点测得平均接收信号强度值和传感节点坐标计算目标定位 坐标值；在步骤S6中，上位机判断已经历定位周期数是否大于或等于设 定值N，若是，那么执行S7步骤，否则执行S1步骤，其中N大于或等于 2；在步骤S7中，上位机判断连续N个定位周期的目标定位位置是否位于 指定半径为R的圆形区域内，若是，那么执行S8步骤，否则执行S1步骤； 在步骤S8中，上位机根据连续N个定位周期的目标定位坐标计算平均定 位坐标，并将该平均定位坐标作为静止目标定位结果。

本发明还公开了一种无线传感器网络静止目标定位系统，包括：

目标节点：用于周期广播单个目标消息包；

传感节点：用于目标节点每广播一个目标消息包，所有收到目标消息 包的传感节点测量接收目标消息包的信号强度值，将记录有接收信号强度 值、传感节点坐标的传感节点数据包经过网关节点和传输中介传送到上位 机；

网关节点：网关节点连接传感节点网络与传输中介，它一方面负责管 理传感节点及其组成网络，同时接收传感节点数据包，并经传输中介将数 据包转发到上位机；

传输中介：传输中介负责将传感节点经网关节点发来的数据包传输到 上位机，主要起到延长传输距离，提供稳定可靠数据传输的作用；

上位机：用于汇集传感节点测量信息进行目标定位计算，用于在定位 周期内计算每个传感节点测得平均接收信号强度值，上位机利用同一个定 位周期内传感节点的平均接收信号强度值和传感节点坐标计算目标定位坐 标值，上位机判断连续N个定位周期的目标定位位置是否位于指定半径为 R的圆形区域内，若是，那么上位机根据连续N个定位周期的目标定位坐 标计算平均定位坐标，并将该平均定位坐标作为静止目标定位结果。

所述目标节点由定位对象安装或携带；所述传感节点在目标节点数据 包接收范围内至少部署四个。

所述传感节点通过无线链路自组形成多跳传输网络，所述传输中介类 型包括串口线、以太网、WiFi、GPRS或3G。

本发明由部署在定位区域的无线传感节点（传感节点）、安装在静止定 位对象上的目标节点、上位机及其应用软件组成。部署的无线传感节点通 过无线链路自组形成多跳传输网络。工作人员把需要管理的相关物质存放 在定位区域，在物质上安装目标节点，目标节点按一定时间间隔周期广播 单个消息包。目标节点每广播一个消息包，所有收到目标节点消息包的传 感节点测量接收目标消息包的信号强度值，将记录有接收信号强度值、传 感节点坐标信息的传感节点数据包经网关节点和传输中介传送到上位机。 目标节点广播周期内，上位机将接收多个传感节点发来的数据包。指定连 续M(M大于或等于1)个目标节点广播周期为一个定位周期，上位机收到 各传感节点在连续M个目标节点广播周期发来的数据包，求出一个定位周 期内每个传感节点平均接收信号强度值，利用同一个定位周期内传感节点 平均接收信号强度值和传感节点坐标计算一次目标定位坐标值，然后判断 连续N(N大于或等于2)个定位周期的目标定位位置是否位于指定半径为R 的圆形区域内。若不满足这一条件，则重复上述过程开始下一个定位周期 的数据包收发和定位计算过程，得到新一个定位周期的目标定位坐标值后， 重复判断连续N个定位周期目标定位位置是否位于指定半径为R的圆形区 域内。以此类推，直到某个定位周期过后发现连续N个定位周期的目标定 位位置均包含在指定半径为R的圆形区域内，上位机程序停止接受数据包 和定位计算，求取连续N个定位周期的目标定位坐标的平均坐标值，并将 该平均定位坐标值作为静止目标定位结果进行显示和存储。

如图2所示，以物流管理应用为例，仓库内实心圆点表示部署在仓库 四周墙壁的传感节点，这些节点通过无线链路自组织形成传感器网络。假 定仓库内静止放置了若干货柜，空心圆点表示安装在货柜上的目标节点。 目标节点按照用户规定的时间长度周期广播单个目标消息包。收到目标消 息包的传感节点测量接收信号强度值，将记录有接收信号强度值传感节 点坐标信息的数据包经过网关节点和串口线、以太网、WiFi、GPRS或3G 等传输中介传送到管理中心的上位机。上位机运行的应用层软件连续接收 和存储各传感节点每个广播周期发来的数据包，并提取数据包记录的接收 信号强度值和传感节点坐标。利用传感节点数据包记录的接收信号强度值 和传感节点坐标对目标节点进行定位，进而确定出货柜在仓库中的存放位 置，以便工作人员对货柜进行有效管理调度。

在本发明的无线传感器网络静止目标定位方法中，整个定位过程由若 干定位周期(总定位周期数大于或等于N)组成，而每个定位周期又包含指 定个数(M)的广播周期。每个广播周期内，目标节点广播一个目标消息包， 凡是收到该目标节点消息包的传感节点立即测量接收信号强度值，并将记 录有接收信号强度值、传感节点坐标信息的传感节点数据包经过网关节点 和传输中介传送到上位机。上位机接收完该目标节点当前广播周期内各传 感节点发送的数据包后，判断是否已接收完当前定位周期包含的M个广播 周期的数据包。若尚未接受完，开始接收当前定位周期包含的下一个广播 周期的数据包；若已经接受完，为改善传感节点接收信号强度值的准确度， 上位机计算当前定位周期内M个广播周期所接收的各传感节点平均接收 信号强度值，并根据各传感节点平均接收信号强度值、传感节点坐标等信 息计算一次目标定位坐标值。然后，上位机判断已经经历的定位周期数是 否大于或等于设定值N。若尚未满足这一条件，开始下一个定位周期的定 位过程；若已经满足这一条件，上位机判断连续N个定位周期的目标定位 位置是否都包含在指定半径的圆形区域内。若这些定位位置不全包含在该 圆形区域内，表明目标定位结果并不稳定，则继续下一个定位周期的定位 过程。若这些定位位置均包含在指定圆形区域内，说明连续N个定位周期 目标定位结果较为稳定，此时上位机求取连续N次定位坐标的平均坐标作 为精致目标定位结果。

如图3所示，图中直观表示出广播周期、定位周期等相关概念。每个 广播周期内目标节点均广播一个目标消息包，收到目标消息包的传感节点 立即将记录接收信号强度值和节点坐标信息的传感节点数据包发送到上位 机。每个定位周期内目标节点依次广播M个目标消息包，上位机接收完一 个定位周期内各传感节点发送的数据包后，计算各传感节点平均接收信号 强度值并求解目标定位坐标，随后开始第2个定位周期并重复上述过程。 在经历了N个定位周期后，上位机开始判断连续N个定位位置是否包含在 指定半径的圆形区域内。这里假定前N个定位周期的目标定位位置不全包 含在指定半径圆形区域内，则继续开始第(N+1)个定位周期。这里假定当上 位机完成第(N+1)次定位计算后，判断连续N个定位周期的目标定位位置 全包含在指定半径圆形区域内，则上位机求连续N个定位位置坐标的平均 坐标，将所得平均坐标作为确定的静止目标定位坐标。

如图4所示，顶端横轴表示时间轴，轴上刻度表示目标节点广播周期， 每条刻度线下面竖框里的符号表示各传感节点在刻度线表示的广播周期内 发送到上位机的接收信号强度数据。例如，第k(k≥1)条刻度线下竖框里的 符号表示第k个广播周期传感节点S_i(x_i,y_i)(i=1,2,…,L)发送到上位机的接收 信号强度值所构成的一组接收信号强度数据从第一个 广播周期开始，这里规定每四个广播周期为一个定位周期，则上位机在第 j(j≥1)个定位周期内将会收到如下四组接收信号强度数据：

k=1+4(j-1),2+4(j-1),3+4(j-1),4+4(j-1)

基于这些接收信号强度数据，上位机通过下式计算传感节点S_i(i=1,2,…,L) 在第j个定位周期的平均接收信号强度值：

${{\bar{r}}_i}^j\underset{k=4(j-1)+1}{\overset{4(j-1)+4}{\Sigma }}{r}_i^k$

上位机根据这些平均接收信号强度值利用定位算法可计算目标定位坐标。 可供选用的目标定位算法种类很多，这里采用最小二乘算法举例说明之。 假定接收信号强度衰减模型采用如下对数模型：

r=A+10·η·lgd

其中，r表示接收信号强度模型值；d表示传感节点到目标节点的距离；A 为常数；η表示衰减因子。根据第j个定位周期传感节点S_i(i=1,2,…,L)的平 均接收信号强度值通过求解下列最优化问题得到第j个 定位算出的目标定位坐标

$\underset{(x_T^j,y_T^j)}{\min }\underset{i=1}{\overset{L}{\Sigma }}{({{\bar{r}}_i}^k-r_i)}^2$

$=\underset{(x_T^j,y_T^j)}{\min }\underset{i=1}{\overset{L}{\Sigma }}{({{\bar{r}}_i}^k-A-10·\eta ·\lg \sqrt{{(x_i-x_T^j)}^2+{(y_i-y_T^j)}^2})}^2$

从第一个定位周期开始，上位机每个定位周期收到新的四组接收信号强度 数据后，就会计算得到一组新的目标定位坐标值。为了判断每个定位周期 得出的目标定位位置是否稳定，上位机判断连续N次目标定位得到的定位 位置是否包含在指定半径的圆形区域内。这里规定N等于3，即上位机完 成前三次目标定位后，开始判断连续三次目标定位位置是否可包含在指定 半径的圆形区域内。如图4示例，上位机首先判断前三次目标定位坐标 是否满足包含条件，当发现不满足条件后，经过第4个定 位周期得到第四次定位坐标并判断近三次定位坐标 是否满足包含条件，同样发现不满足条件后，经过第5 个定位周期得到第五次定位坐标结果发现近三次定位坐标 满足包含条件，这就说明连续三次定位结果是相对比较稳 定的，进而通过下式求取近三次定位坐标的平均坐标值作为最终确定的目 标定位坐标值(x_T,y_T)

$\left(\begin{array}{c}{x}_T=\underset{j=3}{\overset{5}{\Sigma }}{x}_T^j/3\\ y_T=\underset{j=3}{\overset{5}{\Sigma }}{y}_T^j/3\end{array}\right)$

如图5所示，图中黑点表示一定距离下传感节点接收信号强度数据， 曲线为接收信号强度衰减模型曲线。由于多径效应、障碍物干扰等复杂因 素影响，传感节点到目标节点相同距离下重复测得接收信号强度数据在接 收信号强度模型值上下一定范围内随机分布。即使目标位置固定不变，接 收信号强度值的随机性通常将直接影响静止目标定位精度，并使定位结果 欠缺稳定性。图中虚线为传感节点到目标节点相同距离下接收信号强度测 量值的均值曲线，可见，相同距离下平均接收信号强度值到接收信号强度 模型值的偏差相比大多数接收信号强度测量值明显减小。为了减少接收信 号强度随机数据对定位结果的影响，本发明专利在静止目标定位中采用多 次重复测量接收信号强度并求平均值的思想，也即在每个定位周期内获取 各传感节点针对静止目标的多次接收信号强度测量值，通过求取各传感节 点平均接收信号强度值来减小接收信号强度数据包含的随机成分，进而提 高每个定位周期的静止目标定位精度。

如图6所示，位置点T表示静止目标实际位置，位置点T_i′(i=1,2,…,6)表 示连续6个定位周期得到的目标定位位置。显然，图6(a)所示的6个目标 定位位置不能全部包含在半径为R的圆形区域内，这6个目标定位位置相 对目标实际位置的偏移距离比图6(b)所示的6个目标定位位置偏移距离更 大，而图6(b)所示6个目标定位位置均包含在指定半径为R的圆形区域内。 这表明，图6(a)所示的6次目标定位结果因受复杂环境因素较大影响而表 现出较差的稳定性；图6(b)所示6次目标定位结果则相对更加稳定，其包 含的随机成分相对更少。若判断连续6个定位周期的目标定位位置是否包 含在圆形区域内，则图6(a)所示情形显然不满足判定条件，故将继续在新 的定位周期中获取新的定位位置进行判定，直到出现图6(b)所示情形时， 上位机求取满足圆形区域包含条件的连续6个目标位置坐标的平均坐标位 置T′作为确定的静止目标定位位置，这样就可以进一步消减目标定位位置 包含的随机成分，提高目标定位精度。

本发明一方面利用传感节点多次测量目标节点信号的接收信号强度值 并求取平均值，来减小传感节点接收信号强度数据包含的噪声成分，从而 降低接收信号强度测量噪声对目标定位精度的影响；另一方面，基于连续 连续几次目标定位位置的紧密程度来判断当前目标定位结果的稳定性和可 靠性。若连续几次目标定位位置紧密度不符合要求，说明当前目标定位结 果受环境因素影响较大，其可靠性较差，此时定位系统不输出目标定位结 果，而是重新进行目标定位并重复判断连续几次定位位置紧密度，直到某 时刻发现连续几次目标定位位置紧密度达到要求，说明当前定位结果受环 境因素影响变小，定位结果相对可靠，这时将紧密度符合要求的连续几次 目标定位位置的质心位置作为定位系统最终输出的目标定位位置。

本发明避免复杂扰动环境下静止目标定位位置漂移不定的现象，能为 用户输出稳定可靠的目标定位结果。

在本发明中，通过求取平均接收信号强度值，提高定位系统抗干扰能 力和定位精度；通过目标多次重复定位位置是否包含在圆形区域的判定， 为静止目标定位应用提供稳定可靠的定位结果。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说 明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术 领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若 干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。