王鵬

引言：本文提出了一種實(shí)用的人工布置無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的位置估計(jì)方案，它僅僅使用少量的包含全球定位系統(tǒng)模塊的IRIS傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)非常簡單的可視化圖形用戶界面就可以給出位置的詳細(xì)的緯度和經(jīng)度信息。在實(shí)際的戶外環(huán)境中對該系統(tǒng)進(jìn)行測試，結(jié)果表明，它可以提供一個(gè)可視化的定位信息。

一、介紹

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless sensor networks，WSN）是無線通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、低功耗嵌入式技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)、分布式信息處理技術(shù)和片上系統(tǒng)等多種新興交叉學(xué)科飛速發(fā)展的結(jié)果，被認(rèn)為是21世紀(jì)最有影響力的技術(shù)之一[1，2]。WSN除了在軍事上的大量應(yīng)用以外，也被廣泛應(yīng)用于民用領(lǐng)域，如生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、現(xiàn)代精確農(nóng)業(yè)、衛(wèi)生健康監(jiān)護(hù)、家庭自動(dòng)化等多個(gè)領(lǐng)域[3]。盡管有關(guān)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究正在廣泛的進(jìn)行，但是仍然存在很多開放的問題，比如信號(hào)處理、節(jié)點(diǎn)功耗、節(jié)點(diǎn)布置、節(jié)點(diǎn)定位和位置估計(jì)等等。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)在不同領(lǐng)域的潛力已經(jīng)被意識(shí)到，因此各種各樣的能夠使得部署配置、維護(hù)和可用性方面相對簡單的軟件框架正在被開發(fā)。

本文中，我們提出一種對人工布置WSN中的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行位置估計(jì)的方案，方案中使用MoteView 2.0.1F軟件，該軟件提供了一個(gè)可靠的IRIS傳感器平臺(tái)，可以監(jiān)測人工布置節(jié)點(diǎn)的緯度和經(jīng)度值。軟件為用戶和傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的通訊提供了一個(gè)強(qiáng)大的接口，配備了Google Earth應(yīng)用程序，是一款基于客戶端層的可視化工具。

IRIS節(jié)點(diǎn)配備有GPS裝置，因此適合于戶外無遮擋的開放環(huán)境，如建筑物的屋頂，可以獲得建筑物的相對緯度和經(jīng)度信息。本文的重點(diǎn)在于提出一個(gè)簡單的對人工布置WSN系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位的解決方案。

二、相關(guān)工作和研究背景

近年來，WSN的研究很大一部分側(cè)重于傳感網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用，目前人工布置WSN被用于很多實(shí)際的系統(tǒng)中[4]。本文中，我們應(yīng)用過去幾年廣泛應(yīng)用的WSN網(wǎng)絡(luò)軟件環(huán)境，提出一種適用于不同網(wǎng)絡(luò)的解決方案。盡管目前已經(jīng)有很多相關(guān)的研究，但是大多數(shù)的現(xiàn)有的軟件僅處理各自的應(yīng)用場景和目標(biāo)域。他們選擇不同的體系結(jié)構(gòu)解決類似于故障檢測和實(shí)時(shí)配置的問題[5]。

位置識(shí)別反映了傳感器網(wǎng)絡(luò)和物理世界之間的內(nèi)在聯(lián)系，是諸如基于位置的目錄服務(wù)和實(shí)體跟蹤等新興應(yīng)用的基本服務(wù)項(xiàng)目之一。在實(shí)際的人工布置WSN中常使用Walking GPS[6]方案來評(píng)估定位性能，但設(shè)計(jì)要求誤差必須在幾米的范圍內(nèi)。針對當(dāng)前定位技術(shù)所表現(xiàn)出的局限性，我們提出了一個(gè)實(shí)用的解決方案，它可以降低成本和復(fù)雜度，僅使用少量的傳感器就能得到很好的定位精度。

三、系統(tǒng)描述和概述

WSN的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括分散在應(yīng)用領(lǐng)域的微型傳感器節(jié)點(diǎn)，它們通過多跳自組織的方式形成的一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠監(jiān)測目標(biāo)區(qū)域中的感興趣的參數(shù)，并將檢測到的信息通過多跳轉(zhuǎn)發(fā)的形式傳遞到匯聚節(jié)點(diǎn)（sink節(jié)點(diǎn)）或基站，匯聚節(jié)點(diǎn)（sink節(jié)點(diǎn)）或基站也可以以同樣的方式將信息發(fā)送給各節(jié)點(diǎn)。MoteView2.0.1F具有一套網(wǎng)絡(luò)控制工具并且能夠提供與經(jīng)度和緯度有關(guān)的數(shù)據(jù)。如前文所述，IRIS傳感器節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)被人工部署在特定區(qū)域。一個(gè)監(jiān)控或匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)并將信息傳遞給個(gè)人電腦。

本網(wǎng)絡(luò)中不假設(shè)任何特定的路由或MAC協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點(diǎn)都具有唯一的ID，且確切知道自身在網(wǎng)絡(luò)中的位置。為保證節(jié)點(diǎn)失效或禁用時(shí)數(shù)據(jù)流不會(huì)中斷，節(jié)點(diǎn)可以選擇任何能夠到達(dá)sink節(jié)點(diǎn)的路徑。MoteView2.0.1F由Crossbow[7]開發(fā)，它是一個(gè)在線軟件工具，利用Google Earth應(yīng)用程序使用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來顯示節(jié)點(diǎn)的估計(jì)位置。

四、性能評(píng)估和部署

自供電的IRIS傳感器節(jié)點(diǎn)由mote （處理器和無線收發(fā)裝置）和傳感器板組成，使用唯一的節(jié)點(diǎn)ID編程。一臺(tái)筆記本或個(gè)人電腦用于和網(wǎng)關(guān)（MIB520）連接，它通過一個(gè)端口連接到服務(wù)器。IRIS傳感器平臺(tái)提供了更廣泛的覆蓋范圍和較低的功耗。

只要網(wǎng)絡(luò)連接可用，用戶可以在任何位置遠(yuǎn)程控制WSN系統(tǒng)。通過無線連接，服務(wù)器上運(yùn)行相應(yīng)的程序并且收集和顯示用戶感興趣的信息。為了從傳感器節(jié)點(diǎn)獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，基站內(nèi)置有GPS天線來發(fā)送放置在建筑屋頂?shù)膫鞲衅鞴?jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)的緯度和經(jīng)度信息。網(wǎng)關(guān)還允許雙向通信來處理當(dāng)前的位置信息。

五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

MoteView平臺(tái)[8]能夠以特定的緯度和經(jīng)度值處理節(jié)點(diǎn)。IRIS傳感器監(jiān)控建筑物的具體的地理位置，如緯度為28°29'2217" N和經(jīng)度為79°49'4267" E。通過Google Earth應(yīng)用程序提供的包含實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的衛(wèi)星圖像，可以使特定位置的瞬時(shí)時(shí)間跨度和空間位置可視化。測試WSN網(wǎng)絡(luò)中某一位置的衛(wèi)星圖像如圖2所示。從中可以觀察到部署位置和相對地理位置之間的完美匹配，然而由于部署的不規(guī)則性和設(shè)備的局限性無法確定定位誤差。

六、結(jié)論及展望

目前，人工部署傳感器節(jié)點(diǎn)這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)部署可以借助參考點(diǎn)估計(jì)自身的相對經(jīng)度和緯度位置。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)依賴于全球定位系統(tǒng)獲得位置信息，借助參考點(diǎn)來對自身進(jìn)行定位，因此，平均定位誤差主要來自于所使用設(shè)備的局限性。下一步，我們將通過進(jìn)一步的模擬試驗(yàn)來進(jìn)行性能評(píng)估，使用我們的解決方案，在初始部署的時(shí)候考慮傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)際位置的速度、高度和軌跡，應(yīng)該可以得到一個(gè)更好、更精確的定位方案。

參考文獻(xiàn)

[1]孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[2]李建中，高宏.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2008，45（1）：1 -15.

[3]潘巨龍.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制中若干問題研究[D].浙江：浙江大學(xué)，2011.

[4]I.Chatzigiannakis，G.Mylonas and S.Nikoletseas.50 Ways to Build your Application：A Survey of Middle-Ware and Systems for Wireless Sensor Networks [C].IEEE Conference on Emerging Technologies and Factory Automation，Greece，25-28 September 2007，466-473.

[5]D.Georgoulas and K. Blow. In Motes Bins： A Real Time Application for Environmental Monitoring in Wireless Sensor Networks[C]. Proceedings of the 9th IEEE/IFIP International Conference on Mobile and Wireless Communications Networks，Cork，19-21 September 2007，21-26.

[6]S.L.Wu，Y. C.Tseng，C.Y.Lin et al. A Multi-Channel MAC Protocol with Power Control for Multi- Hop Mobile Ad Hoc Networks[C].The Computer Journal，2002，45（1）：101-110.

[7]Crossbow Technology.Inc.MPR/MIB Mote Hardware Users Manual， 2006.The user manual is retrieved from http：//www.xbow.com/Support/Support_pdf_files/MPRM IB_Series_Users_Manual.pdf.

[8]Crossbow Technology，Inc.Mica2 datasheet，2006.The datasheet of Mica2 mote platform is retrieved from http：//www.xbow.com/Products/Product_pdf_files/.

（作者單位：山西焦煤霍州煤電呂梁山公司店坪煤礦調(diào)度室）