[发明专利]一种无线传感器节点随机部署的被动式目标定位方法

说明书

技术领域

本发明属于无线网络应用领域，具体涉及一种无线传感节点随即部署的被动式目标定位方法。

背景技术

野生动物在自然界中具有重要的生态地位和生态功能，是整个生态链中不可或缺的环节之一，如何有效对其进行监测与保护，显得尤为重要。传统的野生动物保护采用人工方式手工记录、统计，因此，传统方式存在很多弊端，如：缺乏长期性、实时性，也有一定的困难性和危险性，另外，时空割裂，难以对获取的数据进行时间、空间、现象的综合分析。而目前无线传感器网络的出现，为解决上述问题提供了技术支撑。

无线传感器网络是由部署在被监测区域的大量分布式传感器节点组成的，它综合了传感器技术、无线通信技术、嵌入式技术和计算机技术等多种领域技术，通过各种类型的传感器对物质的性质、环境的状态以及行为模式等信息进行大规模、长期、实时的获取，并通过802.15.4通信协议以自组织的方式将感知数据传送至远程数据中心。其中，无线传感器网络的定位技术为野生动物的活动轨迹监测提供了有效解决方案。

面向野生动物的定位技术存在以下3方面的挑战(问题)：

1）自由（随机）部署。野外环境不同于室内或者理想的规则环境，由于存在山地、湖泊等不规则地带导致监测设备不能规则部署。然而，现有的许多方法都是基于规则部署，因此野外环境下的定位技术面临非规则部署的挑战，即自由（随机）部署。

2）设备无关。现有的许多定位方法都要求待定位物体携带设备(如GPS模块，RFID标签)，然而野生动物不方便携带设备，并且动物保护专家也不建议这样做。因此需要在目标不携带设备的情况下实现定位是面向野生动物保护的需求之一，即设备无关。

3）无先验知识。现有的许多定位方法都是基于学习的，这种基于学习的方法需要在定位前把所有的位置“采样”、“遍历”一遍，然后根据这种事先的先验知识来定位。然而，野外环境下，环境复杂多变，随着时间的迁移，这种先验知识会“过期”失效，导致定位不准。因此野外环境下的定位技术面临需要先验知识的挑战。

截止目前为止，在无线传感器网络中已经有许多定位技术，大体分为以下4类：

第一类：主动式定位，即物体携带设备。如图1（a）所示，传感器节点均匀或者随机部署在定位区域中，物体携带的设备发出的信号（如电磁波、红外、超声波等）会被无线传感器网络检测到，由于物体在不同位置处设备发出的信号不同，因此这类方法的基本思想是通过检测设备发出信号的变化，建立信号变化与位置的对应函数，进而对物体进行定位。如Kaltiokallio、刘云浩等人通过无线传感器网络中RSS(Received Signal Strength)信号波动检测目标的出现，进而进行定位。该方法的优点是定位精度高（典型的如GPS定位），由于每个物体携带可区分的设备，因此多目标定位简单，易于统计目标数量。但该类方法的缺点是需要目标携带设备，不符合面向野生动物保护的设备无关需求。

第二类：以张颠等为代表的密集、规则部署被动式目标定位。如图1（b）所示，传感器节点均匀规则的部署在监测区域中，相邻的节点进行通信，物体在区域内活动会对两个通信的节点造成干扰。物体在不同位置处，干扰的无线链路也不同，通过找到被干扰的无线链路，用这些被干扰的无线链路的中点坐标平均值作为目标的估计位置。该类方法的优点是设备无关，不需要物体携带设备也能对目标定位。但该方法的缺点是需要节点密集规则的部署，并且部署后链路、节点的位置坐标信息已知，不符合面向野生动物保护的自由（随机）部署需求。

第三类：以Joseph Wilson等为代表的四周部署被动式目标定位。如图1（c）所示，传感器节点均匀部署在定位区域四周，所有节点两两之间洪范通信。物体在区域内活动会对两个通信的节点造成干扰。物体在不同位置处对无线电信号RSS值的干扰不同（RSS是指Received Signal Strength），建立位置与RSS值之间的先验知识映射关系。当全网节点收到一组变化的RSS值时，可以推出物体所在的位置。该类方法的优点是设备无关。缺点是需要节点规则部署，需要先验知识，不符合面向野生动物保护的自由（随机）部署和无需先验知识的需求。