狭长空间无线感知节点布置策略及定位算法

摘要：因为人们对无线感知节点在一些狭长空间场所的研究较少，受空间限制，无线感知节点及其网络在这些场所应用具有与开阔空间不同的特征，所以对目前应用于开阔环境下的无线感知节点定位算法进行了修正，给出了应用于狭长空间的无线感知节点定位算法。同时对狭长空间的锚节点布置方法进行了研究，给出一种较优的锚节点布置策略。理论分析、计算机仿真和实验验证表明：该算法及其锚节点布置策略在狭长空间应用中对未知节点具有很好的定位精度。

关键词：狭长空间；无线感知节点；锚节点布置；定位算法

中图分类号：TP3文献标志码：A

[WT]文章编号：1672-1098（2012）04-0006-04

基金项目：国家自然科学基金资助项目（61170060）；安徽省自然科学基金资助项目（11040606M135）；安徽省高等学校自然科学基金重点项目（KJ2011A083）；淮南市科技计划项目（2011A07904）

作者简介：李敬兆（1964-），男，安徽淮南人，教授，博士，主要从事智能控制教学与研究工作。

“物联网”为各行各业的安全生产监督管理引入了新的理念、技术和方法。目前专家普遍认同的是将人、物识别和各类监控子系统均纳入到一起的大物联网系统中。因此物联网在各行各业中的应用就是通过各种感知技术、信息传输与处理技术，将人员、物质、环境等物理系统与信息系统的高度整合，实现对整个系统的智能控制与管理[1]。在物联网的许多应用中，需要确定无线感知节点的位置信息，如物品的跟踪、设备的管理、人员的定位等。目前在宽阔的环境中，无线感知网络得到许多学者的研究和广泛应用。而人们对无线感知节点在一些狭长空间场所的研究较少，受空间限制，无线感知节点及其网络在这些场所应用具有与开阔空间不同的特征[2]。为此，本文对狭长空间无线感知节点定位算法及布置策略进行了研究。

1狭长空间定位算法

在无线感知节点的众多算法中，基于收发信号强度的方法，更适合于狭长空间[3]。对于无线网络感知节点而言，其收发功率的关系由式（1）表示。

由式（1），就能够得到式（2）计算距离的公式。

然而，由于无线信号的发射功率和接收功率一般用dBm表示[4]。因此式（2）在实际测试和仿真中不可使用。为了使无线信号的发射功率和接收功率能够用dBm表示，对式（2）两边取对数，并在两边同乘10，得到式（3）。

式（3）变换后得式（4）

2三种不同无线感知节点布置方法

首先，对于狭长空间环境n的取值进行了实验、计算。计算以式（7）为依据，经反复实验，并与实际位置进行比较，得到实验环境下的A、B、C和n，分别为0.95、-0.22、-40和2.3，以此对不同节点布置情况下定位进行研究。

实验采用ZIGBEE开发板，锚节点采用CC2431、未知节点采用CC2430（见图1）。实验测试时节点接收信号强度截图如图2所示。

下面三种节点布置方法均采用未知节点到锚节点的实际距离和锚节点的坐标来估计未知节点的位置，具体实施如下。

首先，将锚节点的位置均匀布放，且每个锚节点的纵、横坐标均已知，随机分布未知节点。其次，用Dall（i，j）表示第i个节点到第j个节点的计算距离，当未知节点生成后，通过计算，得到Dall（i，j）矩阵。再次，考虑到信号强度值受距离的影响，在实验环境下，经过多次实验，得到无线网络的平均传输半径为240m，为了使更多锚节点能够参与定位计算中，通过定位精度，在此采用的是每隔20m设定一个传感器节点，那么对于任意一个未知节点，它到两个锚节点的距离小于sqrt（52+1202）≈120m。这里，将120m作为一个限定阈，每个未知节点寻找与其距离小于这个限定阈的锚节点，找到后通过这两个锚节点到其距离和这两个锚节点的已知位置来实现这个未知节点的定向和定位。对于多于两个锚节点的情况，其它锚节点的收发信号用于对对上述两个锚节点求得距离进行修正，在此，主要关心的是水平距离，也就是横坐标参数。

2.1 20m范围内布置两个锚节点的未知节点定位

首先在120m×5m的区域，设定两个锚节点，坐标分别为（0，0）和（120，5）。将未知节点随机分布在这个矩形区域内，在此先随机产生十八个未知节点。这里用圆圈o代表通过测量得到的未知节点位置，用星号*代表通过这两个锚节点估计的未知节点的位置。

通过测量得到未知节点的实际位置和通过式（7）由实验得到的接收节点的信号强度计算的估计位置分布如图3所示。

每个未知节点的实际位置与计算估计位置之间的误差如图4所示。

在这种锚节点布置情况下，得到未知节点的平均定位误差为1.3679m。

2.2 40m范围内布置三个锚节点的未知节点定位

接着将锚节点的个数增加到3个，这次将定位区域设为240m×5m，锚节点的坐标分别为（0，0），（120，2.5）和（240，5）。之所以这样进行布置锚节点，是基于理论分析和多次实验基础上，得出狭长空间沿同一水平布置，没有沿斜线布置更适合无线信号的传输。

在这种锚节点布置情况下，通过测量得到未知节点的实际位置和通过式（7）由实验得到的接收节点的信号强度计算的估计位置分布如图5所示。

每个未知节点的实际位置与计算估计位置之间的误差如图6所示。

这种情况下，未知节点的平均定位误差为1.2279m。

2.3 200m范围内11个锚节点的定位

为了反映狭长空间的真实情况，在1200m×5m的矩形区域，11个锚节点位置已知，锚节点矩阵如下：Beacon=[0，120，240，360，480，600，720，840，960，1080，1200；0，2.5，5，2.5，0，2.5，5，2.5，0，2.5，5]；其中第一行为锚节点的横坐标，第二行为其的纵坐标。锚节点的这种布置策略，其定位精度远高于其他布置策略。

此实验环境下，未知节点的实际位置和估计位置的分布如图7所示。

其每个未知节点的实际位置与计算估计位置之间的误差如图8所示。

在1200m范围布置11个锚节点情况下，未知节点的平均定位误差为0.2412m。

3不同锚节点布置的定位分析

与一般开阔空间的定位不同，对于狭长空间，由于其宽度和高度均有限，一般不超过几m，因此，对其宽度和高度的定位意义不大，实际中主要关注的是长度范围的定位。因此仅对水平距离也就是横坐标定位进行了分析。

三种定位的误差均小于1.4m。第一种情况，由于只使用了两个锚节点来对未知节点定位，因而定位精度较低；第二种情况，增加了120m距离，又增加了一个锚节点。在距离较近的两个锚节点进行定位定向后，还有一个锚节点的计算值对其定位进行修正，因而定位精度得到了提高，误差有所降低；第三种情况，在1200m的狭长空间中均匀布置了11个锚节点，同样在距离较近的两个锚节点进行定位定向后，在信号接收范围内一般还有两个锚节点的计算值对其定位进行修正，因而定位精度得到了很大提高，只有零点几米的误差。此种情况更符合实际狭长空间锚节点分布和未知节点定位情况，因而具有更大的应用价值。

4结束语

无线感知定位技术在很多领域得到广泛应用，由于狭长空间的特殊性，一般方法难以在此应用。通过理论分析与实验、仿真，本文给出了应用于狭长空间的无线感知节点定位算法。基于此算法，通过反复实验、比较，给出了一种较优的适用于狭长空间的锚节点布置策略。实验表明：该算法及其锚节点布置策略在狭长空间应用中具有很好的定位精度，可广泛应用于煤矿巷道等狭长空间的人员、设备等定位中。

参考文献：

[1]JINGZHAOLI，YUZHANG，DONGSHENGZHOU.DesignandApplicationofANewIOTReader[C]//The2NDInternationalConferenceonInformationEngineeringandComputerScience，2010：1944-1947.

[2]JINGZHAOLI，QIANLIU.ApplicationandResearchofZigBeeTechnologyintheMiner’sLampMonitoring[C]//2010InternationalConferenceonFutureInformationTechnologyandManagementEngineering.EIAccessionnumber：20110313595574，317-320.

[3]TOMASZCISZKOWSKI，IGORDUNAJEWSKI，ZBIGNIEWKOTULSKI.ReputationasoptimalitymeasureinWirelessSensorNetwork-basedmonitoringsystems[J].ProbabilisticEngineeringMechanics，2011，26（1）：67-75.

[4]付华，胡雅馨.一种改进的无线传感器网络信息融合技术[J].计算机系统应用，2010，19（7）：183-186.

[5]DIWU，LICHUNBAO，RENFALI.Aholisticapproachtowirelesssensornetworkroutinginundergroundtunnelenvironments[J].ComputerCommunications，2010，33（13）：1566-1573.