【摘要】 本发明公开了一种面向三维空间的无线传感器网络定位系统，是由多个TelosB传感器节点、Sink节点和用户端构成。其中各个TelosB节点之间以及每个TelosB节点与Sink节点之间采用无线方式进行通信，Sink节点与用户端可以采用Internet或者USB接口进行通信。在无线传感器网络中对任意目标节点Mb进行三维自身定位中，通过判断任意目标节点Mb是否位于由任意四个可见锚节点组成的四面体的内部，筛选出位置区域P，并计算所有位置区域P的重心集合，并以此重心集合G中所有元素的坐标的平均值作为目标节点Mb在无线传感器网络中的坐标位置。本发明三维自身定位的所有定位解析都是在单个传感器节点上进行的，因此是一种分布式的定位方法。 【专利类型】发明授权 【申请人】北京航空航天大学 【申请人类型】学校 【申请人地址】100083 北京市海淀区学院路37号 【申请人地区】中国 【申请人城市】北京市 【申请人区县】海淀区 【申请号】CN200810101675.X 【申请日】2008-03-11 【申请年份】2008 【公开公告号】CN101241177B 【公开公告日】2010-11-03 【公开公告年份】2010 【授权公告号】CN101241177B 【授权公告日】2010-11-03 【授权公告年份】2010.0 【IPC分类号】G01S5/02 【发明人】刘玉恒; 蒲菊华; 刘云璐; 张硕; 乔治; 熊璋 【主权项内容】 1.一种面向三维空间的无线传感器网络定位系统，无线传感器网络系统包含有多个传感器节点、信息收集节点和用户端，各个传感器节点之间以及每个传感器节点与信息收集节点之间采用无线方式进行通信，信息收集节点与用户端采用Internet或者USB接口进行通信，多个无线传感节点组成一个无线传感器网络，其特征在于：传感器节点采用TelosB无线传感节点；无线传感器网络初始部署中已知位置信息的传感器节点记为锚节点，无线传感器网络初始部署中不知道位置信息的传感器节点记为未知节点；对其中的未知节点进行三维位置估计的节点记为目标节点；在目标节点通讯半径r范围内的未知节点记为目标节点的邻居节点； 在无线传感器网络中对于任意目标节点Mb的三维自身定位执行下列步骤： 步骤一、拾取可见锚节点 无线传感器网络中的锚节点Aa向所述网络内的传感器节点广播信标消息S，能够接收到该信标消息S的目标节点Mb将所述锚节点Aa记为自身的可见锚节点Bba，并在所述目标节点Mb中保存可见锚节点信息SAa； 可见锚节点信息SAa是由锚节点Aa的标识号ID、锚节点Aa在网络内的位置信息(XAa，YAa，ZAa)和目标节点Mb接收到锚节点Aa广播信标消息S的信号强度RSSAa组成； 在无线传感器网络中锚节点与目标节点利用矩阵方式描述它们之间的可见锚节点关系： 其中 式中，A11表示矩阵中第1行的第1个元素，A1n表示矩阵中第1行的最后一个元素，Awl表示矩阵中第w行的第1个元素，Awn表示矩阵中第w行的最后一个元素，Aij表示第j个锚节点与第i个目标节点的可见关系，dij表示目标节点到可见锚节点的距离，R表示锚节点向外发布信息的通信半径；在本发明中，Aij＝1表示第j个锚节点是第i个目标节点的可见锚节点，Aij＝0表示第j个锚节点不是第i个目标节点的可见锚节点； 步骤二、建立接收信号强度信息表 目标节点Mb与邻居节点Kk交换各自的可见锚节点信息SAa，从而获得目标节点Mb与邻居节点Kk关于可见锚节点Bba的接收信号强度信息表Ib；所述接收信号强度信息表Ib的内容为： 式中， 表示目标节点Mb的第i个可见锚节点的标识， 表示目标节点Mb的第i个可见锚节点的位置坐标， 表示目标节点Mb相对于Mb的第i个可见锚节点的接收信号强度， 表示目标节点Mb的第1个邻居节点相对于Mb的第i个可见锚节点的接收信号强度， 表示目标节点Mb的第2个邻居节点相对于Mb的第i个可见锚节点的接收信号强度， 表示目标节点Mb的第k个邻居节点相对于Mb的第i个可见锚节点的接收信号强度，其中，若目标节点Mb的第i个可见锚节点不是邻居节点Kk的可见锚节点，则 步骤三、构建四面体 在目标节点Mb的可见锚节点Bba中任意选取四个可见锚节点组成一个四面体，通过穷举，可见锚节点Bba能够组成的多个四面体记为四面体集合T； 步骤四、判断目标节点是否在一个四面体内部 采用点位于四面体内的近似法则F来获取包含目标节点Mb的四面体作为其在无线传感器网络中的位置区域P；所述点位于四面体内的近似法则F为 式中，m，n，p，q分别表示任意的四个可见锚节点，这四个可见锚节点组成一个四面体， 表示目标节点Mb关于第m可见锚节点的接收信号强度， 表示第k邻居节点关于第m可见锚节点的接收信号强度， 表示目标节点Mb关于第n可见锚节点的接收信号强度， 表示第k邻居节点关于第n可见锚节点的接收信号强度， 表示目标节点Mb关于第p可见锚节点的接收信号强度， 表示第k邻居节点关于第p可见锚节点的接收信号强度， 表示目标节点Mb关于第q可见锚节点的接收信号强度， 表示第k邻居节点关于第q可见锚节点的接收信号强度； 步骤五、选取坐标平均值 计算位置区域P的重心集合，并以此重心集合G中所有元素的坐标的平均值作为 目标节点Mb在无线传感器网络中的坐标位置； 重心集合G＝{Gs |Gs，s＝1……np}，式中，np表示目标节点Mb的位置区域P所包含的四面体的数目，Gs表示目标节点Mb在位置区域P中的任意一个四面体的重心； 所述重心集合G中所有元素的坐标的平均值 的具体计算为： 在无线传感器网络中对于任意目标节点Mb在移动过程的动态休眠调度步骤：(A)初始化定位树： 以任意目标节点Mb自身为根结点、多跳邻居锚节点为多级子结点构建初始定位树LT1；该初始定位树LT1仅作为第一次休眠与唤醒锚节点使用； 任意目标节点Mb通过泛洪广播方式获取无线传感器网络中各锚节点的信息，待泛洪广播结束后，将各锚节点信息存储在初始定位树LT1中； 所述初始定位树LT1中的每个子结点采用三元组顺序表的数据结构形式进行存储，数据结构形式为＜SEED_ID，HOP_COUNT，PARENT_ID＞，SEED_ID表示锚节点的标识，HOP_COUNT表示到根结点的最短路径长度，PARENT_ID表示直接父结点的标识； (B)确定进入休眠与唤醒的锚节点集合： 根据目标节点Mb在当前时刻i所在监控区域NL×L构建一个当前定位树LTi，并将所述 当前定位树LTi中的所有锚节点拾取出形成唤醒锚节点集合Shi和休眠锚节点集合Whi； (C)休眠与唤醒调度规则： 通过传感器网络中各锚节点之间的消息转发机制，向唤醒锚节点集合Shi中的锚节点派发WAKEUP_MSG消息，使其保持唤醒状态，进入全勤的工作方式，以确保足够高的连通度；同时，向休眠锚节点集合Whi中的锚节点派发PRUNE_MSG消息，使其切换至休眠状态，进入低功耗工作方式； WAKEUP_MSG消息格式为： HEADER CMD_WK SEED_ID NODE_ID TAIL HEADER表示WAKEUP_MSG消息的报文头，CMD_WK表示WAKEUP_MSG消息的命令字，SEED ID表示WAKEUP_MSG消息的待唤醒的锚节点标识，NODE_ID表示WAKEUP_MSG消息的目标节点标识，TAIL表示WAKEUP_MSG消息的报文尾； PRUNE_MSG消息格式为： HEADER CMD_PR SEED_ID NODE_ID TAIL HEADER表示PRUNE_MSG消息的报文头，CMD_PR表示PRUNE_MSG消息的命令字，SEED_ID表示PRUNE_MSG消息的待唤醒的锚节点标识，NODE_ID表示PRUNE_MSG消息的目标节点标识，TAIL表示PRUNE_MSG消息的报文尾； (D)定位树重构： 根据目标节点M在监控区域NL×L内的位置移动，获得下一时刻i+1的定位树LTi+1，该下一时刻定位树LTi+1将作为下次循环进行动态休眠调度所需的定位树，顺次重复(B)步骤、(C)步骤实现目标节点的传感器网络中动态休眠调度。 【当前权利人】北京航空航天大学 【当前专利权人地址】北京市海淀区学院路37号 【统一社会信用代码】12100000400011227Y 【引证次数】5.0 【他引次数】5.0 【家族引证次数】5.0 【家族被引证次数】33
