无线传感器网络室内测距与定位算法应用研究

曾利军　刘卉　聂朝阳　李晓翠

摘要：无线传感器网络由于技术、硬件成本等方面的原因，大规模的商业中还没有得到推广。但是随着未处理器的体积越来越小，这些使得大规模室内定位及测距得以推广。目前已经有商业定位和测距的应用，但其传感器的性能及精度难以保证并且价格比较昂贵。该文采用一种廉价的传感器及算法对商场进行设计，为传感器室内定位提供有力的理论和现实基础。

关键词：传感器网络；定位；测距；室内定位

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）23-0027-02

1 无线传感器应用和节点的设备选择

1.1 应用方案概述

本应用采用的方案是自组织无线传感网络。将大量的传感器节点随意地分布在所选监测区域，这里的监控区域是大型商场，也就是在商场布置大量节点，各个节点自己够快速组建通讯网络，在尽可能减少能量使用率的情况下获取商场区域中监控信息。网络自组织适应性非常高，体现在当某些节点失效时或者加入一些新的节点时网络可以自动从新组建，通过这种方式从全局的角度调整探测精度，发挥出了网络中的节点具有的数据采集外加数据转发来实现数次路由选择功能的资源优势。传感器节点收集到的数据发送汇聚节点，通过汇聚节点这个中转站与有线连接并发送收集的数据到数据处理中心，经过处理后实现对目标的精确定位。

1.2 节点的设备选择

传感器节点一般由四个部分组成，分别是电源、数据的收集、数据的传输和数据的处理，这四个部分分别对应四个单元，分别是高容量电池、传感探测单元、无线数据传送单元和微控制单元。本文采用的是传感器型号为CC2430【1】。

无线传输单元采用nRF401芯片，此芯片的工作频段433.92MHz/434.33MHz，具有无线收发一体的特点，该芯片集双频道切换、FSK调制解调、PLL合成和高频发射/接收等单元为一体，是高集成度所以很多功能融合在一起的无线数传产品。这款芯片具有传输速度快、接收灵敏度高、发射功率大和外围电路设计简单等众多优点，因此在传输单元中备受欢迎。

微控制单元采用的是MSP430这一系列的16位单片机【2】。这款单片机以功能丰富、高集成度和极低的功耗等优势脱颖而出，还有一点就是支持C语言程序设计，这些优点使得这款单片机广泛应用在嵌入式系统中。这种单片机在数据采集方面拥有温 度、感光 强度、声 音和加速 度的探 测功能，在本地数据处理方面可以通过剔除冗 余数据来减少网络传输 负载，在功耗方面能够通过合理的待机来节省能量的消耗达到延长节点寿命的目的，在传输方面采用两条单向串行传输数据线来提高传输效率，以及数据转发与存储和路由维护等其他功能。

在无线传感网络中还有一个重要硬件的部分就sink点（数据汇聚点），数据汇聚点是连接数据采集点和处理中心的中转站，对上层能够发送命令，对下层能够接收数据和请求，除此之外还具有对数据进行融合以及对路由进行选择。Sink节点无线收发模块选择nRF401芯片，电平转换单元使用MAX3316芯片。

1.3 在室内布置参考节点选择

在测距和定位之前，我们首先得布置锚节点，锚节点的数量和位置可能直接影响测距的精确度，从而造成定位不精确。这里选用的信息采集节点型号CC2430，锚节点布置如图所示。由于火灾商场中的任意地方都可能发生，不能只在某些地方布置锚节点，而其他的某些地方一点也不布置。由于本文采用的设计方案是自组织无线传感网络，所以我们对整个商场的节点布置是这样的，大厅中不易发生险情，布置的节点密度不需要太大。走廊中也基本不发生险情，走廊布置的节点的作用只是对采集的数据起传输的作用，从经济角度出发也不需要布置太多的节点。重要的区域有4大商场卖区，这些地方节点布置的密度应当较大，尤其是服装区和电器区域，每个卖点至少布置三个以上的几点。除此之外，仓库是应该是布置锚节点密度最高的地方，因为这个地方人员稀少，物品极多，发生险情时不易被人发现。还有值得一提的地方是电梯，电梯是个封闭的环境，一旦发生情况，无路可逃，迅速定位到位置是非常必要的。

2 室内测距目标定位

有了这些锚节点，我们就可以对目标进行定位了。在我们的商场中某个地方发生了火灾，将火灾点定义为目标节点，如图所示。选择目标节点的周围节点作为参考节点，选择好参考节点后，我们就可以使用信号衰减模型来计算目标节点与参考节点的距离。在此之前我要先根据初始化数据计算出这个环境中的信号衰减参数和距离参考节点一米距离的RSSI值，再通过信号衰减模型的公式一测出参考节点与目标节点的距离对目标节点周围的参考节点测距之后，将数据传输到汇聚节点，再通过汇聚节点传输到处理中心，选择目标节点周围的三个节点来对目标进行定位。理论上选取了三个参考节点，并且测完距离后就可以对目标进行定位了，但是由于室内的环境有各种各样的障碍物阻挡，使得实际的信号衰减与信号衰减定的模型有差距。信号衰减模型是理想条件下的模型，在实际情况中，测距完成后，再使用三边测量定位法，三个圆不能交于一点，目标节点只能确定在三个圆交集的区域。针对三边测量法三圆不能交于一点的问题就回到了我们研究的算法上了。本文使用的算法是极大后验概率来计算那个位置的概率最大，通过该算法中的一系列方法最终确定目标的位置。找到目标节点后，这样我们就可以快速采取行动，避免浪费时间，从而造成更大的损失。

其定位分为以下几步：

第一步：对整个商场建立一个横轴为x纵轴为y的二维坐标系。

第二步：选取目标周围较近三个节点为参考节点，计算出它们的坐标，三点的坐标分别为（160，30），（180，18），（168，29）。

第三步：使用基于RSSI模型公式分别对目标节点与三个参考节点间进行测距，测出目标到第一个节点的距离为5米，到第二个点的距离为9米，到第三个节点的距离为7米。

第四步：采用三边测量法公式【3-5】对目标节点进行定位，此时定位并不精确，本文采用极大后验概率【6】确定目标在坐标点（162，25）的概率最大。

通过以上几步得到目标的最终坐标（162，25）。

3 验证定位效果

本文研究的是无线传感器室内测距与定位算法，它的价值体现在应用中能不能定位，定位的精度高不高。在经过一系列准备，到测距，再到定位后，无线传感器是室内测距和定位算法的应用基本已经完成。根据一系列的定位过程我们在理论上确定了目标的位置，要根据实际位置验证理论位置，这样才能够体现出应用的效果。先通过理论定位找到目标，在确定目标真实位置与理论位置相差多少。相差的距离越少说明精度越好，定位效果就越好。通过最终的验证目标的真实坐标与测得的坐标误差相差0.5米，定位效果比较理想。

4 总结

到目前为止，随着研究不断的深入，无线传感器网络已经取得阶段性的成果，无线传感器网络在引用方面也取得了很大的发展，在现实生活中越来越多的比较实际应用。虽然大规模的商业的无线传感器网络并没有出现，它的潜力是不可估量的，值得研究人员研究。相信大规模的商业应用在不久之后就会实现。本节主要叙述无线传感器网络的应用，应用的场景为大型商场，跟我们研究的算法室内环境定位相符合，将研究的算法应用到实际的应用当中提高定位的精度，准确的找到目标。

参考文献：

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