[发明专利]一种基于非测距的网络锚节点筛选装置及其方法

说明书

技术领域

本发明属于无线传感器网络非测距定位技术领域，具体涉及一种基于非测距的网络锚节点筛选装置及其方法。

背景技术

无线传感器网络(WSN,Wireless Sensor Networks)是由分布在监控区域内的低功耗、小型的传感器节点组成的自组织网络。由于其低功耗、低价格、容错性能强等优点，无线传感网一直是无线通信领域研究的热点之一，并应用于环境监测、灾难现场、军事战场以及生物多样性研究等领域。节点的位置信息在WSN中有非常重要的作用，因此改善定位精度对提高网络的有效性和实用性具有重要意义。

定位算法种类繁多，依据定位过程中是否需要节点之间的距离或角度信息，可以将其分为测距算法和非测距算法两类。对测距算法来说，一般需要知道节点与其邻居节点的测量距离或角度，据此求出未知节点的位置。测距算法包括基于到达时间（TOA，Time of Arrival）、到达时间差（TDOA，Time Difference of Arrival）、到达角度（AOA，Angle of Arrival）和接收信号强度指示（RSSI，Received Signal Strength Indicator）的算法。非测距算法无需了解距离或者角度信息，只需了解整个网络的连通特性信息，因此在WSN领域得到了很大的关注。经典的非测距算法有APIT(Approximate Point-In Triangulation test)、DV-Hop(Distance Vector-Hop)、MDS(Multi-dimensional Scaling)和Centroid等。

发明内容

发明目的：针对非测距算法定位精度较差的问题，本发明提出一种基于非测距的网络锚节点筛选装置及其方法，该装置及其方法不仅能提高定位精度，而且随着网络不均匀度的增大，定位提高效果越明显。

技术方案：为实现上述目的，本发明的一种基于非测距的网络锚节点筛选装置，包括随机分布的普通节点，普通节点包括锚节点和未知节点，所述锚节点和未知节点均包括嵌入式节点模块和为嵌入式节点模块提供驱动力的电源，所述嵌入式节点模块包括编程芯片、Flash存储芯片、通信芯片及天线，所述编程芯片对网络中传入的各个锚节点到该节点的跳数以及位置数据进行分析、筛选和计算，并通过命令控制通信芯片广播各个锚节点到该节点的跳数以及位置数据；所述通信芯片及天线在编程芯片的控制下，对无线传输的跳数和位置数据接收和发送，并可以控制传输有效距离；所述Flash存储芯片保存网络中所有的锚节点的位置和跳数信息；所述锚节点内还配备有GPS模块，GPS模块对锚节点进行定位，精确获得锚节点位置信息，位置信息将存储在锚节点的Flash存储芯片内，并在泛红广播的时候进行向外传输；通信节点用来在未知节点未知计算完毕之后，将网络的所有节点坐标发送到计算机终端，通信节点由传输距离较远、功率较大的无线通信模块构成。

本发明的基于非测距的网络锚节点筛选装置包括：基于MSP430编程芯片、NRF2401通信芯片和GPS的锚节点模块（未知节点没有GPS），并根据终端数据库的信息将这些节点分布在区域内；定位过程中，利用AFDV-Hop筛选算法首先根据未知节点保存的信息拟合出正态分布曲线，再通过合格锚节点计算出未知节点坐标，并将该估算坐标保存在节点内；在计算机评价端，利用软件得到通信节点传输过来的所有节点的估算坐标，并对算法的效果进行评估。具体如下：

（一）定位现场的节点模块

a.编程控制芯片部分。该模块包括MSP430编程芯片、Flash存储芯片及其外围电路。通过MSP430芯片可对接收的数据进行分析并决定抛弃还是转发，可以对最终参与计算的锚节点做最小二乘运算。Flash存储芯片保存了网络中所有的锚节点的位置和跳数信息。外围电路有去耦、保护等功能。

b.无线通信部分。该部分包括NRF2401芯片和天线。通过向NRF2401写入控制命令，可以实现模块对无线数据接收和发送，并可以控制传输有效距离。

c.供电模块。电源负责为设备提供各种需要的电能，通常为PDA或者手机采用的锂电池。

d.调试模块。当终端需要检测或者修理时，可利用该模块进行检测。

（二）一种基于上述的装置的锚节点筛选方法，包括以下步骤：

步骤1，根据未知节点接收到的所有锚节点到它的跳数和位置信息拟合出平均跳距分布函数曲线，再筛选出合格锚节点，据此得出未知节点坐标，定义该方法为AFDV-Hop算法，具体步骤如下：