无线传感器网络移动节点定位算法的研究

张 楠，吴利刚

（山西大同大学机电工程学院，山西大同037003）

收稿日期:2017-04-16

无线传感器网络移动节点定位算法的研究

张 楠，吴利刚

（山西大同大学机电工程学院，山西大同037003）

以大型灾害搜救为背景，在经典的三边定位算法基础上，针对无线传感器网络中节点在定位过程中小范围移动的问题，提出了基于三边定位方法的移动节点定位算法。该算法以节点的通信半径和信标节点与待测节点之间的距离为依据，通过分析这两者存在的关系，可以将待测节点的位置初步划定在一个较小的范围内，再通过多次计算迭代，进一步缩小定位区域，最终实现对待测节点的精度定位。

无线传感网络；定位；算法；移动节点

收稿日期:2017-04-16

在传统的三边定位算法中，如果知道三个不在一条直线上的信标节点，就能够将待测节点的坐标定位[1-2]。理想状态下，经典的三边定位算法是可以满足定位精度的。但是在一些现实应用环境下，三边定位算法难免会受到现场多种环境因素的影响，例如：在海面上漂浮的用于海洋数据监测的一些信标节点就无法固定于某一位置，必然会受到风浪等因素的影响而在一定的范围内移动，这种情况必然会对节点的定位精度造成不良影响[3-4]。

为了解决上述问题，文中提出了一种基于三边定位模型的移动节点定位算法，该算法通过将信标节点与待测节点之间的距离和节点通信距离进行对比，把他们之间的关系划分为几种状态，以此来表明两者之间的关系，并利用这种关系进行筛选，在已知的信标节点的帮助下，能够准确的对待测节点进行定位。

1 算法建模

假定信标节点的随机移动范围是一个以α为半径的圆型区域（节点的通信距离r＞α），Bc代表信标节点现在的坐标，Bp为之前的坐标，用R代表待测节点的坐标，将他们之间的关系用以下四种状态表示[5-6]：

（1）外部状态：d(Bc,R)＞r

（2）内部状态：d(Bc,R)≤r

（3）到达状态：d(Bc,R)≤r∧d(Bp,R)＞r

（4）离开状态：d(Bc,R)＞r∧d(Bp,R)≤r

在信标节点的移动范围内，将信标节点与待测节点的距离和通信距离之间的关系分为两个部分，用m和n分别表示这两部分节点，见图1。随机挑选出8个信标节点分成4对，分别表示到达和离开这两种节点的状态。当d(B,R)＞r时，用空心点表示信标节点，依次编号为m1,m2,…,mk；当d(B,R)≤r时，用实心点表示信标节点，依次编号为n1,n2,…,nk。

图1 信标节点定位区域示意图

首先，要找到将m组和n组节点分隔的界线。从图1可以看出，可以将两类信标节点分开的弧有无数条，但必须满足如下几个条件：所在圆的圆心C；所在圆的圆心D；所在圆的圆心E；所在圆的圆心I；点H是所在圆的圆心；点G是所在圆的圆心，点J是所在圆的圆心，点K是所在圆的圆心。由各圆心所围起来的区域CJEKDGIH就是信标节点的定位范围，可以看出其中区域EKRJ和HIGR所确定的范围较大，已经无法利用已有的信标节点将其定位范围缩小，只能寄希望增加新的信标节点，再次迭代将其缩小。

2 移动节点定位算法

上文对定位原理进行了初步的叙述，下面以此为根据，使用三点定位法对待测节点进行定位，并通过单个、2个、3个移动信标节点的情况进行分析。

2.1 单个节点移动的定位分析

假定信标节点的移动范围是一个半径为α的圆，当只有1个信标节点在这个圆内时，定位范围，见图2。因为图中的2个静止的信标节点可以将待测节点确定为A、B两点，而A、B两点之间的距离又大于误差半径α，所以即使存在误差，仍可准确的确定目标节点为B点。

图2 单信标节点移动时定位区域示意图

2.2 双节点移动的定位分析

通过以上分析可以看出，在现有的信标节点定位的基础上想要得到更高的定位精度是非常困难的，只有选取更加有效的信标节点，才能进一步提高定位精度，直至满足要求为止。

图3 2个节点移动时定位区域及优化示意图

2.3 三节点移动的定位分析

如果3个信标节点都处于移动状态，定位原理和上述2个移动节点的情况相同，见图4。图中3个移动信标节点的定位范围为ABCDEF区域，其中分别为定位圆的一部分，排除无效区域，HIJK区域为4个信标节点所定位的范围。

图4 3个节点移动时定位区域及优化示意图

通过上述分析可以看出，如果有效信标节点数量有限，定位精度很难达到预期要求。所以，只有不断地选取有效节点，经过多次迭代，才能将定位精度提高，直至达到要求为止。

3 移动节点定位算法仿真

在灾害搜救现场，可将多个信标节点分别置于搜索设备中，并且应尽量将搜索设备分散，形成内角在50～70°之间的三角形，这样便于提高定位精度。实际应用中，我们可以给搜救设备配置测距装置，以此获得救助对象和搜救设备的距离，再通过判断搜救设备所携带的信标节点的状态，及时锁定救助对象所在的区域，在该算法的帮助下进一步确定救助对象的精确位置。

为了能够较好地表现出算法的优点，将误差半径α和信标节点与待测节点之间的距离d定为1∶10，选取最初的4个信标节点，定位区域，见图5。之后又以50个信标节点进行多次定位，定位区域进一步减小，精度明显增加，见图6。

图5 最初选取的4个信标节点定位仿真示意图

图6 50个信标节点定位区域仿真示意图

再通过计算得出，最初选取的4个信标节点定位区域的大小为8.201 8，50个信标节点定位区域大小为0.712 4，50次选取后确定的面积为最初选取的4个节点确定区域面积的8.67%，即选取信标节点次数与有效信标节点围成的面积成反比关系。可见，该算法在实际应用中是能够提高定位精度的。

由上述分析可知，在3个信标节点移动的情况下，4个信标节点选取所得的定位区域，见图7（区域ABCDE）。经过50次的选取，可获得图8所示的定位区域（区域ABC），该区域已非常接近需确定的待测节点的位置。在实际应用中，这样的误差在可接受范围之内，已经可以精准地确定需援救的目标。

图7 3个信标节点移动初始定位区域

图8 50次信标节点最终定位区域示意图

4 结论

本文提出的移动节点定位算法是在三边定位算法的基础上演化而来，原理简单，准确度较高。在灾后搜救等实际应用中，只要能够保证搜救设备的坐标精度，就可以对援助对象实现准确定位。但该算法要求信标节点只能在小范围内移动，如果移动范围较大会直接影响定位精度，故应用时必须要求信标节点的移动范围尽量小，以保证定位的精度。

[1]陈星舟.无线传感器网络定位算法研究[D].厦门:厦门大学，2011.

[2]滕国栋.无线传感网络节点定位算法的研究[D].杭州:浙江大学，2010.

[3]徐小玲,张福强,李少彪.基于APIT的无线传感器网络质心算法研究[J].传感器与微系统，2011,30(7):57-59,63.

[4]杨泽军,王英龙,黄太波.基于APIT的无线传感器网络三维定位算法[J].单片机与嵌入式系统应用,2012,12(5):5-8.

[5]彭力,张炜.基于循环求精的APIT无线传感器网络定位算法[C].∕第29届中国控制会议论文集.2010:4753-4756.

[6]陈淦.无线网络传感器定位算法研究[D].赣州:江西理工大学，2009.

〔责任编辑 王东〕

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

张楠(1981-)，男，山西大同人，硕士，副教授，研究方向：煤矿安全综合监控。