基于WSN的定位系统研究

摘要:该文介绍了一种基于无线传感器网络(WSN)的定位系统设计方案。定位节点采用ZigBee协议;提出采用基于RSSI的改进三边测量法实现节点定位;并结合优选信标节点的方法提高定位精度。最后,该文给出了系统的硬件结构及软件设计的方案。

关键词:无线传感器网络;ZigBee协议;RSSI;节点

中图分类号:TP393文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)08-1827-03

The Research of Positioning System based on WSN

FU Bo, LI Bin, CHANG Hai-bin

(College of Electronic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073,China)

Abstract: This paper presents a wireless sensor network-based positioning system design, Positioning nodes using ZigBee protocol, Proposed improvements based on RSSI measurements to achieve node localization trilateral,Beacon nodes in combination with optimization methods to improve positioning accuracy. In this paper, we can find the system hardware architecture and software design programs.

Key words: wireless sensor networks; zigBee protocol; RSSI; nodes

1 无线传感器网络简介

无线传感器网络是集信息采集、信息传输、信息处理于一体的综合智能信息系统[1]。它是由大量具有特定功能的传感器节点通过自组织的无线通讯方式,相互传递信息,协同地完成特定功能的智能专用网络。它综合了微机电系统(Micro-Electron Mechanical System, MEMS)、传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络、无线通信技术和分布式信息处理技术及软件编程等技术,能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集网络所监控区域内的各种环境或监测对象的信息,这些信息通过无线方式被发送,并以自组多跳的网络方式传送到用户终端,从而实现物理世界、计算机世界以及人类社会三元世界的连通。无线传感器网络在国防军事、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业和反恐抗灾等领域都具有非常广阔的应用前景。

2 Zigbee技术

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的短距离低速的无线通信技术。ZigBee协议在IEEE802.15.4标准的基础上制定了网络层、应用层和安全层,是一个完整安全的协议栈,已经成为无线传感器网络的国际标准协议[2]。ZigBee协议体系架构图如图1所示。

3 节点定位算法

无线传感器网络的定位算法通常需要具备以下特点:

1) 自组织特性:传感器网络的节点可能随机分布或人工部署;

2) 能量高特效:尽可能地减少算法中计算的复杂性,减少节点间的通信开销,以延长网络的生存周期;

3) 鲁棒性:定位算法必须对测量距离产生的误差具有较好的容错性。

基于测距定位常用的测距方式有:RSSI(Received Signal Strength Indicator)、TOA(Time of Arrival)、TDOA(Time Different on Arrival)和AOA(Angel of Arrival)。由于TDOA、TOA和AOA等测距技术是利用节点硬件上的功能实现对节点间的测距,功耗代价大、成本高、并且对硬件要求高。而RSSI测距技术因能量消耗低,成本低廉而且易于实现而著称,并得以广泛的应用。所以在本文的定位系统中采用基于RSSI的定位算法。

RSSI测距算法的原理是已知发射节点的发射功率,接收节点根据接收到的信号强度,计算出信号的传播损耗,使用理论或经验的信号传播模型将传播损耗转化为距离。该技术主要使用RF信号,因传感器节点本身具有无线通信能力,故其是一种低功率、廉价的测距技术。但在实际应用中,RSSI值常常会因为反射、多径传播、非视距(Non-Line-of-Sight,NLOS),天线增益等问题对相同距离产生显著不同的传播损耗,从而产生较大的定位误差,所以本文采用基于RSSI的改进三边测量法并结合优选信标节点的方法来提高节点的定位精度。

三边测量法[4]。如图2所示,A,B,C三点为已知位置参考节点,坐标分别为(xa, ya),(xb, yb),(xc, yc),D为待定位的盲节点,坐标为假定为(xd, yd),若测得盲节点D到3个参考节点 A,B,C的 RSSI值,根据无线电信号传播路径损耗模型[5],求得D点到A,B,C点的距离分别为ra,rb,rc,由几何关系可得:

(xa-xd)2+(ya-yd)2=ra2(1)

(xb-xd)2+(yb-yd)2=rb2(2)

(xc-xd)2+(yc-yd)2=rc2(3)

对(1)、(2)、(3)式求解便可得到盲节点D的坐标。

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由于在实际环境中,无线电信号传播会发生反射、绕射、散射,引起传播信号的衰减,导致通过RSSI值测距会产生误差[6],以致图中3个圆不会交于一点,而是会形成如图3所示的情形。

为了避免以上问题,提高节点定位精度,采用对距离做平方差的方法,这样可以减少RSSI测距误差,达到提高节点定位精度的目的。具体做法是将(1)、(2)、(3)式两两相减,即可得图3中直线L1,L2,L3如下。可以将三条直线的交点作为待定位节点D的坐标。

2(xb-xa)x+2(yb-ya)y=ra2-rb2-xa2+xb2-ya2+yb2(4)

2(xc-xb)x+2(yc-yb)y=rb2-rc2-xb2+xc2-yb2+yc2(5)

2(xc-xa)x+2(yc-ya)y=ra2-rc2-xa2+xc2-ya2+yc2(6)

在上述定位算法模型的基础上,进一步采用优选信标节点的方法提高盲节点节点的定位精度。不同的待测节点由于所在位置不同,组网后的网络拓扑结构、连通性和其所受到的干扰类型也不同。在实际应用的每次定位中,在目标区域设置N个带有编号的信标节点,并且统一设置各个信标节点的发射功率。N个信标节点自身的定位坐标已知,并且在网络中每个信标节点都有一个地址信息记录本节点。盲节点接收到信标节点发射的RSSI值越大,此信标节点距离盲节点越近,测距误差越小,所以当开始对盲节点定位时,在所有可以与盲节点进行通信的信标节点中选择RSSI值最强的信标节点,读取该信标节点的RSSI值并记录该信标节点的地址,结合上述定位算法模型,就可以对盲节点的位置进行很好的估算。

4 系统整体设计

4.1 系统结构组成

在本文研究设计的定位系统中,通过在目标区域周围布设三个或三个以上参考节点(信标节点),并使目标区域内任一节点能收到参考节点信号,当盲节点(未知节点)进入网络并收到参考节点信息后,估算与各个参考节点之间的距离,然后利用改进的三边测量法计算出自己的位置,最后将位置信息发送回控制中心,在控制端实时显示定位节点的位置信息。系统结构如图4所示。

4.2 系统硬件设计

无线传感器网络节点的基本组成和功能包括如下几个单元:传感单元(由传感器和模数转换功能模块组成)、处理单元(由嵌入式系统构成,包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等)、定位系统、通信单元(由无线模块组成)以及电源部分,如图5所示。

本系统中无线传感器网络节点的主芯片采用TI推出的一款带有定位引擎并且满足ZigBee协议的片上系统(SoC)解决方案CC2431。CC2431由2.4GHz直接序列扩频(DSSS)射频收发器核心和增强型工业标准的8位8051微控制器组成,是带有128 KB 闪存的8051内核ZigBee无线单片机,并带有定位跟踪引擎。CC2431建立在业界首款针对低功耗RF应用的SoC解决方案CC2430的基础上的,封装小、功能强。CC2431 的尺寸只有7mm×7mm的48脚封装,采用具有内嵌闪存的0.18μm CMOS标准技术。它内置定位跟踪引擎,是基于接收到的信号强度RSSI测量的定位引擎,其中RSSI值随距离增大而减小。CC2431基于RSSI的定位引擎能根据接收信号的强度与已知参考节点的位置准确计算出有关节点的位置,然后将位置信息发送给接收端,可以实现精度为0.25m,误差在0.5-3m内的无线定位功能。

参考节点采用CC2431+CC2591模块,CC2431+CC2591无线模块是一个在CC2431无线节点板上增加一个有源增益芯片CC2591的硬件方案,CC2591芯片是一款2.4G频段的高性能增益芯片,在增加收发增益的同时又能有效控制功耗的增长,在无线传感器的信号传输方面具有距离长、穿透力增强的显著效果,增加了WSN系统构建的灵活性。

CC2431+CC2591产品参数:

1) 输出增益:最大22dBm;

2) 灵敏度提升:6dbm;

3) 收发距离 500m-1000m;

4) 工作频率带宽:2.400～2.4835GHz;

5) 数据速率250kbps。

4.3 系统软件设计

无线传感器定位网络中按照节点的逻辑类型分为协调器、路由器和终端节点。从功能上讲可分为参考节点和盲节点两类。无线传感器网络定位的基本思想可描述为:盲节点将周围所有一跳范围内的参考节点的信号强度值(RSSI值)返回到协调器,并由协调器将RSSI值传送到上位机软件,上位机软件调用相应的定位算法,计算出盲节点的坐标位置并实现必要的显示。

1)主节点查询未知节点。在网络建立和节点成功加入网络后,协调器节点要查询盲节点的位置信息,首先要给该节点发送定位请求信号,通信方式为广播方式,保证所有的盲节点都可收到该查询请求。

2)盲节点广播RSSI Blast信号。盲节点接收到查询请求命令后,要广播一系列RSSI Blast,在数据包中设定跳数为l,以保证只有在一跳范围内的参考节点才能接收到该数据包。

3)参考节点预处理RSSI值。跳数为1的参考节点接收到该RSSI 值信号,记录该盲节点的RSSI值,由于障碍物墙壁等多种因素的存在,RSSI会出现一定幅度的扰动,因此各参考节点使用高斯概率模型处理接收到的RSSI,即将高斯分布函数值大于某一个临界阈值(设为0.7)的保留,而剔除小于该阈值的值。再对剩余的RSSI值作平均。

4)盲节点发送RSSI的数据包请求信号,参考节点将上述数据打包,发送到盲节点。

5)盲节点将RSSI发送到协调器。协调器将数据包按照RSSI大小排序,从中选择最大的三个,这样保证盲节点的周围存在三个最强参考节点。盲节点按照一定规则将数据包发送给协调器节点。

图8所示为传感器网络定位通信流程。

5 结束语

本文设计了一种基于无线传感器网络技术的定位系统,通过基于RSSI的改进三边测量法并结合优选信标节点的方法提高节点定位精度,对系统硬件要求不高,具有一定的实际应用参考价值。

参考文献:

[1] 宋文,王兵,周应宾.无线传感器网络技术与应用[M].北京:电子工业出版社, 2007.

[2] 穆乃刚.ZigBee技术简介[J].电信技术, 2006,3:84-86.

[3] 李善仓,张克旺.无线传感器网络原理与应用[M].北京:机械工业出版社,2008.

[4] 文举,金建勋,袁海.一种无线传感器网络四边测距定位算法[J].传感器与微系统, 2008(5):108-110.

[5] Feuerstein M J,Blackard K L, Rappaport T S, et al. Pathloss ,delay spread ,and outage models as functions of antenna height for microcellular system design[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology ,1994,43(3):487-498.

[6] Meguerdichian S,Slijepcevic S,Karayan V,et al . Location discovery and sensor exposure[C]. Proc of the 2nd ACM Int'l Symp . On Mobile Ad Hoc Networking & Computing. Long Beach:ACM Press,2001:106-116.