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格比較昂貴。該文采用一種廉價的傳感器及算法對商場進行設(shè)計，為傳感器室內(nèi)定位提供有力的理論和現(xiàn)實基礎(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，各個節(jié)點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)點失效時或者加入一些新的節(jié)點時網(wǎng)絡(luò)可以自動從新組建，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)點具有的數(shù)據(jù)采集外加數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)來實現(xiàn)數(shù)次路由選擇功能的資源優(yōu)勢。傳感器節(jié)點收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送匯聚節(jié)點，通過匯聚節(jié)點這個中轉(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)過處理后實現(xiàn)對目標(biāo)的精確定位。

1.2 節(jié)點的設(shè)備選擇

傳感器節(jié)點一般由四個部分組成，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，這四個部分分別對應(yīng)四個單元，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，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)計簡單等眾多優(yōu)點，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【2】。這款單片機以功能豐富、高集成度和極低的功耗等優(yōu)勢脫穎而出，還有一點就是支持C語言程序設(shè)計，這些優(yōu)點使得這款單片機廣泛應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中。這種單片機在數(shù)據(jù)采集方面擁有溫 度、感光 強度、聲 音和加速 度的探 測功能，在本地數(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 負載，在功耗方面能夠通過合理的待機來節(jié)省能量的消耗達到延長節(jié)點壽命的目的，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)與存儲和路由維護等其他功能。

在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中還有一個重要硬件的部分就sink點（數(shù)據(jù)匯聚點），數(shù)據(jù)匯聚點是連接數(shù)據(jù)采集點和處理中心的中轉(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)進行融合以及對路由進行選擇。Sink節(jié)點無線收發(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)點選擇

在測距和定位之前，我們首先得布置錨節(jié)點，錨節(jié)點的數(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)點型號CC2430，錨節(jié)點布置如圖所示。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，而其他的某些地方一點也不布置。由于本文采用的設(shè)計方案是自組織無線傳感網(wǎng)絡(luò)，所以我們對整個商場的節(jié)點布置是這樣的，大廳中不易發(fā)生險情，布置的節(jié)點密度不需要太大。走廊中也基本不發(fā)生險情，走廊布置的節(jié)點的作用只是對采集的數(shù)據(jù)起傳輸?shù)淖饔?，從?jīng)濟角度出發(fā)也不需要布置太多的節(jié)點。重要的區(qū)域有4大商場賣區(qū)，這些地方節(jié)點布置的密度應(yīng)當(dāng)較大，尤其是服裝區(qū)和電器區(qū)域，每個賣點至少布置三個以上的幾點。除此之外，倉庫是應(yīng)該是布置錨節(jié)點密度最高的地方，因為這個地方人員稀少，物品極多，發(fā)生險情時不易被人發(fā)現(xiàn)。還有值得一提的地方是電梯，電梯是個封閉的環(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，我們就可以對目標(biāo)進行定位了。在我們的商場中某個地方發(fā)生了火災(zāi)，將火災(zāi)點定義為目標(biāo)節(jié)點，如圖所示。選擇目標(biāo)節(jié)點的周圍節(jié)點作為參考節(jié)點，選擇好參考節(jié)點后，我們就可以使用信號衰減模型來計算目標(biāo)節(jié)點與參考節(jié)點的距離。在此之前我要先根據(jù)初始化數(shù)據(jù)計算出這個環(huán)境中的信號衰減參數(shù)和距離參考節(jié)點一米距離的RSSI值，再通過信號衰減模型的公式一測出參考節(jié)點與目標(biāo)節(jié)點的距離對目標(biāo)節(jié)點周圍的參考節(jié)點測距之后，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點，再通過匯聚節(jié)點傳輸?shù)教幚碇行模x擇目標(biāo)節(jié)點周圍的三個節(jié)點來對目標(biāo)進行定位。理論上選取了三個參考節(jié)點，并且測完距離后就可以對目標(biāo)進行定位了，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，在實際情況中，測距完成后，再使用三邊測量定位法，三個圓不能交于一點，目標(biāo)節(jié)點只能確定在三個圓交集的區(qū)域。針對三邊測量法三圓不能交于一點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概率來計算那個位置的概率最大，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)點后，這樣我們就可以快速采取行動，避免浪費時間，從而造成更大的損失。

其定位分為以下幾步：

第一步：對整個商場建立一個橫軸為x縱軸為y的二維坐標(biāo)系。

第二步：選取目標(biāo)周圍較近三個節(jié)點為參考節(jié)點，計算出它們的坐標(biāo)，三點的坐標(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)點與三個參考節(jié)點間進行測距，測出目標(biāo)到第一個節(jié)點的距離為5米，到第二個點的距離為9米，到第三個節(jié)點的距離為7米。

第四步：采用三邊測量法公式【3-5】對目標(biāo)節(jié)點進行定位，此時定位并不精確，本文采用極大后驗概率【6】確定目標(biāo)在坐標(biāo)點（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)實際位置驗證理論位置，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。通過最終的驗證目標(biāo)的真實坐標(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)實生活中越來越多的比較實際應(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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