無線傳感器網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)測距與定位算法應(yīng)用研究

曾利軍　劉卉　聶朝陽　李曉翠

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于技術(shù)、硬件成本等方面的原因，大規(guī)模的商業(yè)中還沒有得到推廣。但是隨著未處理器的體積越來越小，這些使得大規(guī)模室內(nèi)定位及測距得以推廣。目前已經(jīng)有商業(yè)定位和測距的應(yīng)用，但其傳感器的性能及精度難以保證并且價(jià)格比較昂貴。該文采用一種廉價(jià)的傳感器及算法對商場進(jìn)行設(shè)計(jì)，為傳感器室內(nèi)定位提供有力的理論和現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：傳感器網(wǎng)絡(luò)；定位；測距；室內(nèi)定位

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）23-0027-02

1 無線傳感器應(yīng)用和節(jié)點(diǎn)的設(shè)備選擇

1.1 應(yīng)用方案概述

本應(yīng)用采用的方案是自組織無線傳感網(wǎng)絡(luò)。將大量的傳感器節(jié)點(diǎn)隨意地分布在所選監(jiān)測區(qū)域，這里的監(jiān)控區(qū)域是大型商場，也就是在商場布置大量節(jié)點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)自己夠快速組建通訊網(wǎng)絡(luò)，在盡可能減少能量使用率的情況下獲取商場區(qū)域中監(jiān)控信息。網(wǎng)絡(luò)自組織適應(yīng)性非常高，體現(xiàn)在當(dāng)某些節(jié)點(diǎn)失效時(shí)或者加入一些新的節(jié)點(diǎn)時(shí)網(wǎng)絡(luò)可以自動(dòng)從新組建，通過這種方式從全局的角度調(diào)整探測精度，發(fā)揮出了網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)具有的數(shù)據(jù)采集外加數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)來實(shí)現(xiàn)數(shù)次路由選擇功能的資源優(yōu)勢。傳感器節(jié)點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送匯聚節(jié)點(diǎn)，通過匯聚節(jié)點(diǎn)這個(gè)中轉(zhuǎn)站與有線連接并發(fā)送收集的數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)處理中心，經(jīng)過處理后實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的精確定位。

1.2 節(jié)點(diǎn)的設(shè)備選擇

傳感器節(jié)點(diǎn)一般由四個(gè)部分組成，分別是電源、數(shù)據(jù)的收集、數(shù)據(jù)的傳輸和數(shù)據(jù)的處理，這四個(gè)部分分別對應(yīng)四個(gè)單元，分別是高容量電池、傳感探測單元、無線數(shù)據(jù)傳送單元和微控制單元。本文采用的是傳感器型號為CC2430【1】。

無線傳輸單元采用nRF401芯片，此芯片的工作頻段433.92MHz/434.33MHz，具有無線收發(fā)一體的特點(diǎn)，該芯片集雙頻道切換、FSK調(diào)制解調(diào)、PLL合成和高頻發(fā)射/接收等單元為一體，是高集成度所以很多功能融合在一起的無線數(shù)傳產(chǎn)品。這款芯片具有傳輸速度快、接收靈敏度高、發(fā)射功率大和外圍電路設(shè)計(jì)簡單等眾多優(yōu)點(diǎn)，因此在傳輸單元中備受歡迎。

微控制單元采用的是MSP430這一系列的16位單片機(jī)【2】。這款單片機(jī)以功能豐富、高集成度和極低的功耗等優(yōu)勢脫穎而出，還有一點(diǎn)就是支持C語言程序設(shè)計(jì)，這些優(yōu)點(diǎn)使得這款單片機(jī)廣泛應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中。這種單片機(jī)在數(shù)據(jù)采集方面擁有溫 度、感光 強(qiáng)度、聲 音和加速 度的探 測功能，在本地?cái)?shù)據(jù)處理方面可以通過剔除冗 余數(shù)據(jù)來減少網(wǎng)絡(luò)傳輸 負(fù)載，在功耗方面能夠通過合理的待機(jī)來節(jié)省能量的消耗達(dá)到延長節(jié)點(diǎn)壽命的目的，在傳輸方面采用兩條單向串行傳輸數(shù)據(jù)線來提高傳輸效率，以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與存儲和路由維護(hù)等其他功能。

在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中還有一個(gè)重要硬件的部分就sink點(diǎn)（數(shù)據(jù)匯聚點(diǎn)），數(shù)據(jù)匯聚點(diǎn)是連接數(shù)據(jù)采集點(diǎn)和處理中心的中轉(zhuǎn)站，對上層能夠發(fā)送命令，對下層能夠接收數(shù)據(jù)和請求，除此之外還具有對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合以及對路由進(jìn)行選擇。Sink節(jié)點(diǎn)無線收發(fā)模塊選擇nRF401芯片，電平轉(zhuǎn)換單元使用MAX3316芯片。

1.3 在室內(nèi)布置參考節(jié)點(diǎn)選擇

在測距和定位之前，我們首先得布置錨節(jié)點(diǎn)，錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和位置可能直接影響測距的精確度，從而造成定位不精確。這里選用的信息采集節(jié)點(diǎn)型號CC2430，錨節(jié)點(diǎn)布置如圖所示。由于火災(zāi)商場中的任意地方都可能發(fā)生，不能只在某些地方布置錨節(jié)點(diǎn)，而其他的某些地方一點(diǎn)也不布置。由于本文采用的設(shè)計(jì)方案是自組織無線傳感網(wǎng)絡(luò)，所以我們對整個(gè)商場的節(jié)點(diǎn)布置是這樣的，大廳中不易發(fā)生險(xiǎn)情，布置的節(jié)點(diǎn)密度不需要太大。走廊中也基本不發(fā)生險(xiǎn)情，走廊布置的節(jié)點(diǎn)的作用只是對采集的數(shù)據(jù)起傳輸?shù)淖饔?，從?jīng)濟(jì)角度出發(fā)也不需要布置太多的節(jié)點(diǎn)。重要的區(qū)域有4大商場賣區(qū)，這些地方節(jié)點(diǎn)布置的密度應(yīng)當(dāng)較大，尤其是服裝區(qū)和電器區(qū)域，每個(gè)賣點(diǎn)至少布置三個(gè)以上的幾點(diǎn)。除此之外，倉庫是應(yīng)該是布置錨節(jié)點(diǎn)密度最高的地方，因?yàn)檫@個(gè)地方人員稀少，物品極多，發(fā)生險(xiǎn)情時(shí)不易被人發(fā)現(xiàn)。還有值得一提的地方是電梯，電梯是個(gè)封閉的環(huán)境，一旦發(fā)生情況，無路可逃，迅速定位到位置是非常必要的。

2 室內(nèi)測距目標(biāo)定位

有了這些錨節(jié)點(diǎn)，我們就可以對目標(biāo)進(jìn)行定位了。在我們的商場中某個(gè)地方發(fā)生了火災(zāi)，將火災(zāi)點(diǎn)定義為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，如圖所示。選擇目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的周圍節(jié)點(diǎn)作為參考節(jié)點(diǎn)，選擇好參考節(jié)點(diǎn)后，我們就可以使用信號衰減模型來計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)的距離。在此之前我要先根據(jù)初始化數(shù)據(jù)計(jì)算出這個(gè)環(huán)境中的信號衰減參數(shù)和距離參考節(jié)點(diǎn)一米距離的RSSI值，再通過信號衰減模型的公式一測出參考節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離對目標(biāo)節(jié)點(diǎn)周圍的參考節(jié)點(diǎn)測距之后，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)，再通過匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)教幚碇行?，選擇目標(biāo)節(jié)點(diǎn)周圍的三個(gè)節(jié)點(diǎn)來對目標(biāo)進(jìn)行定位。理論上選取了三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，并且測完距離后就可以對目標(biāo)進(jìn)行定位了，但是由于室內(nèi)的環(huán)境有各種各樣的障礙物阻擋，使得實(shí)際的信號衰減與信號衰減定的模型有差距。信號衰減模型是理想條件下的模型，在實(shí)際情況中，測距完成后，再使用三邊測量定位法，三個(gè)圓不能交于一點(diǎn)，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)只能確定在三個(gè)圓交集的區(qū)域。針對三邊測量法三圓不能交于一點(diǎn)的問題就回到了我們研究的算法上了。本文使用的算法是極大后驗(yàn)概率來計(jì)算那個(gè)位置的概率最大，通過該算法中的一系列方法最終確定目標(biāo)的位置。找到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)后，這樣我們就可以快速采取行動(dòng)，避免浪費(fèi)時(shí)間，從而造成更大的損失。

其定位分為以下幾步：

第一步：對整個(gè)商場建立一個(gè)橫軸為x縱軸為y的二維坐標(biāo)系。

第二步：選取目標(biāo)周圍較近三個(gè)節(jié)點(diǎn)為參考節(jié)點(diǎn)，計(jì)算出它們的坐標(biāo)，三點(diǎn)的坐標(biāo)分別為（160，30），（180，18），（168，29）。

第三步：使用基于RSSI模型公式分別對目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行測距，測出目標(biāo)到第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離為5米，到第二個(gè)點(diǎn)的距離為9米，到第三個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離為7米。

第四步：采用三邊測量法公式【3-5】對目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，此時(shí)定位并不精確，本文采用極大后驗(yàn)概率【6】確定目標(biāo)在坐標(biāo)點(diǎn)（162，25）的概率最大。

通過以上幾步得到目標(biāo)的最終坐標(biāo)（162，25）。

3 驗(yàn)證定位效果

本文研究的是無線傳感器室內(nèi)測距與定位算法，它的價(jià)值體現(xiàn)在應(yīng)用中能不能定位，定位的精度高不高。在經(jīng)過一系列準(zhǔn)備，到測距，再到定位后，無線傳感器是室內(nèi)測距和定位算法的應(yīng)用基本已經(jīng)完成。根據(jù)一系列的定位過程我們在理論上確定了目標(biāo)的位置，要根據(jù)實(shí)際位置驗(yàn)證理論位置，這樣才能夠體現(xiàn)出應(yīng)用的效果。先通過理論定位找到目標(biāo)，在確定目標(biāo)真實(shí)位置與理論位置相差多少。相差的距離越少說明精度越好，定位效果就越好。通過最終的驗(yàn)證目標(biāo)的真實(shí)坐標(biāo)與測得的坐標(biāo)誤差相差0.5米，定位效果比較理想。

4 總結(jié)

到目前為止，隨著研究不斷的深入，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)取得階段性的成果，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在引用方面也取得了很大的發(fā)展，在現(xiàn)實(shí)生活中越來越多的比較實(shí)際應(yīng)用。雖然大規(guī)模的商業(yè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)并沒有出現(xiàn)，它的潛力是不可估量的，值得研究人員研究。相信大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用在不久之后就會實(shí)現(xiàn)。本節(jié)主要敘述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，應(yīng)用的場景為大型商場，跟我們研究的算法室內(nèi)環(huán)境定位相符合，將研究的算法應(yīng)用到實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中提高定位的精度，準(zhǔn)確的找到目標(biāo)。

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