CN102215564A - 一种无线传感器网络定位系统及定位方法 - Google Patents

Abstract

一种无线传感器网络定位系统及定位方法，涉及无线传感器网络定位系统及定位方法。它解决现有的无线传感器网络定位系统或方法的定位速度差、定位精度低的问题。其系统的每个信标节点与待测节点之间的距离均介于1m～10m之间。其方法：三个信标节点分别将自身ID与数据长度、目的地址、数据、标志位等一起形成数据帧，并将该数据帧以CSMA的方式进行周期性广播；待测节点接收来自三个信标节点的广播信号，进行保存和分析数据帧的各部分结构，读取RSSI值，并根据RSSI-距离线性转换模型计算获得待测无线传感器网络节点与三个信标节点之间的距离，然后采用三边测量法获得待测节点的坐标，实现无线传感器网络节点定位。本发明适用于无线传感器网络节点的定位。

Description

一种无线传感器网络定位系统及定位方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络定位系统及定位方法。

背景技术

无线传感器网络(WSN)是一种全新的信息获取和处理技术，能够实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，具有灵活性、容错性、高感知能力、低费用以及快速布局等特点，广泛应用于国防军事、环境监测和预报、医疗卫生、空间探索等领域。WSN中的很多特定应用都依赖于传感器节点或者目标物体的地理位置信息。传感器节点必须明确自身位置才能详细说明在什么位置或区域发生了特定事件，实现对外部目标的定位和追踪。

WSN自身定位系统和定位方法的研究大致经过了两个阶段：第一阶段主要偏重于紧密耦合型和基于基础设施的定位系统，代表性的研究成果有：RADAR、Active Bat、ctive Badge、Radio Camera、Active Office、Easy Living、SpotON、HiBall Tracker、ParcTAB和mart Floor等。第二阶段主要是松散耦合型和无需基础设施的定位技术，目前已经成为WSN领域的热点。根据定位依据的不同，第二阶段的定位方又可分为基于距离信息和不基于距离信息(Range-Free)两类。现存的方法和系统虽然能够解决WSN自身定位问题，但是，每种系统和方法都与特定的应用对象相关联，解决不同的问题或支持不同的应用，它们在用于定位的物理现象、网络组成、能量需求、基础设施和时空的复杂性等许多方面有所不同，存在一定的局限性，需要针对具体的应用背景作进一步的研究，其中基于RSSI的定位方法和系统最为直观，而现有定位系统中的节点大多仅由单片机构成，定位方法复杂程度较高，定位速度差，定位精度低。

发明内容

本发明是为了解决现有的无线传感器网络定位系统或方法的定位速度差、定位精度低的问题，从而提供一种无线传感器网络定位系统及定位方法。

一种无线传感器网络定位系统，它包括三个信标节点，所述每个信标节点的结构完全相同，均由一个无线收发天线和一个无线收发模块组成，所述无线收发天线的信号接收端或信号发射端与无线收发模块的信号发射端或接收端连接；

待测无线传感器网络节点包括无线收发天线、无线收发模块和控制模块，所述无线收发天线的信号接收端或信号发射端与无线收发模块的信号发射端或接收端连接，无线收发模块的信号输出端与控制模块的信号输入端连接；

以三个信标节点中的一个信标节点为原点，建立直角坐标系，另两个信标节点分别位于所述直角坐标系的X轴上和Y轴上；待测无线传感器网络节点位于所述直角度坐标系的第一象限内，且所述待测无线传感器网络节点与每个信标节点之间的距离均介于1m～10m之间。

待测无线传感器网络节点中还包括演示模块，所述演示模块的信号输入端与控制模块的信号输出端连接。

待测无线传感器网络节点中的控制模块采用FPGA实现。

基于上述系统的一种无线传感器网络定位方法，它由以下步骤实现：

步骤一、每个信标节点分别进行初始化；

步骤二、每个信标节点中的无线收发模块从存储区读出自身ID，与数据长度、目的地址、数据、标志位等一起形成数据帧，并将该数据帧以CSMA的方式进行周期性广播；

步骤三、待测无线传感器网络节点进行初始化；

步骤四、待测无线传感器网络节点等待接收来自三个信标节点的广播信号；

步骤五、待测无线传感器网络节点判断是否收到来自三个信标节点的广播信号，如果判断结果为是，则执行步骤六；如果判断结果为否，则返回执行步骤四；

步骤六、待测无线传感器网络节点分别向每个信标节点发送ACK确认信号；

步骤七、待测无线传感器网络节点保存并分析所述收到来自三个信标节点的广播信号中数据帧的各部分结构，并读取收到来自三个信标节点的广播信号的RSSI值，将所述RSSI值与其对应的信标节点的ID一起送入控制模块；

步骤八、所述控制模块根据RSSI-距离线性转换模型：

d＝0.1×RSSI²+10×RSSI+236

分别获得待测无线传感器网络节点与三个信标节点之间的距离，式中，d表示距离，单位为m；RSSI表示信号强度，单位为dBm；

步骤九、根据步骤八获得的无线传感器网络节点与三个信标节点之间的距离，采用三边测量法：

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{(x-x_a)}^2+{(y-y_a)}^2}=d_a\\ \sqrt{{(x-x_b)}^2+{(y-y_b)}^2}=d_b\\ \sqrt{{(x-x_c)}^2+{(y-y_c)}^2}=d_c\end{array}\right.$

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}2(x_a-x_c)& 2(y_a-y_c)\\ 2(x_b-x_c)& 2(y_b-y_c)\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{x}_a^2-x_c^2+y_a^2-y_c^2+d_c^2-d_a^2\\ x_b^2-x_c^2+y_b^2-y_c^2+d_c^2-d_b^2\end{array}\right]$

获得待测无线传感器网络节点的坐标(x，y)；实现无线传感器网络节点定位。

式中，(x_a，y_a)、(x_b，y_b)和(x_c，y_c)分别为三个信标节点(1)的坐标，d_a、d_b和d_c分别为三个信标节点与待测无线传感器网络节点的距离；

采用演示模块对步骤九获得的待测无线传感器网络节点的坐标(x，y)通过演示，实现在终端显示定位后的待测无线传感器网络节点。

有益效果：本发明的系统及方法的无线传感器网络定位的定位速度快、定位精度高。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；图2是本发明采用的三边测量法的示意图；图3是本发明方法的流程示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1和图2说明本具体实施方式，一种无线传感器网络定位系统，它包括三个信标节点1，所述每个信标节点1的结构完全相同，均由一个无线收发天线3和一个无线收发模块4组成，所述无线收发天线3的信号接收端或信号发射端与无线收发模块4的信号发射端或接收端连接；

待测无线传感器网络节点2包括无线收发天线3、无线收发模块4和控制模块5，所述无线收发天线3的信号接收端或信号发射端与无线收发模块4的信号发射端或接收端连接，无线收发模块4的信号输出端与控制模块5的信号输入端连接；

以三个信标节点1中的一个信标节点1为原点，建立直角坐标系，另两个信标节点1分别位于所述直角坐标系的X轴上和Y轴上；待测无线传感器网络节点2位于所述直角度坐标系的第一象限内，且所述待测无线传感器网络节点2与每个信标节点1之间的距离均介于1m～10m之间。

待测无线传感器网络节点中还包括演示模块，所述演示模块的信号输入端与控制模块的信号输出端连接。

待测无线传感器网络节点中的控制模块采用FPGA或单片机实现。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种无线传感器网络定位系统的区别在于，待测无线传感器网络节点2中还包括演示模块6，所述演示模块6的信号输入端与控制模块5的信号输出端连接。

具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式一或二所述的一种无线传感器网络定位系统的区别在于，待测无线传感器网络节点2中的控制模块采用FPGA实现。

本实施方式中，待测无线传感器网络节点2的无线收发模块4向FPGA传送数据时采用USB端口，采用的芯片为CY7C68013。待测无线传感器网络节点2的FPGA向电脑端传送数据时采用RS232串口，波特率采用19200；

本实施方式中，待测无线传感器网络节点2的无线收发模块4选用CC2510，FPGA选用VirtexII-Pro开发板上的XC2VP30芯片。

具体实施方式四、结合图3说明本具体实施方式，基于具体实施方式一所述的一种无线传感器网络定位系统的一种无线传感器网络定位方法，它由以下步骤实现：

步骤一、每个信标节点1分别进行初始化；

步骤二、每个信标节点1中的无线收发模块4从存储区读出自身ID，与数据长度、目的地址、数据、标志位等一起形成数据帧，并将该数据帧以CSMA的方式进行周期性广播；

步骤三、待测无线传感器网络节点2进行初始化；

步骤四、待测无线传感器网络节点2等待接收来自三个信标节点1的广播信号；

步骤五、待测无线传感器网络节点2判断是否收到来自三个信标节点1的广播信号，如果判断结果为是，则执行步骤六；如果判断结果为否，则返回执行步骤四；

步骤六、待测无线传感器网络节点2分别向每个信标节点1发送ACK确认信号；

步骤七、待测无线传感器网络节点2保存并分析所述收到来自三个信标节点1的广播信号中数据帧的各部分结构，并读取收到来自三个信标节点1的广播信号的RSSI值，将所述RSSI值与其对应的信标节点1的ID一起送入控制模块5；

步骤八、所述控制模块5根据RSSI-距离线性转换模型：

d＝0.1×RSSI²+10×RSSI+236

分别获得待测无线传感器网络节点2与三个信标节点1之间的距离，式中，d表示距离，单位为m；RSSI表示信号强度，单位为dBm；

步骤九、根据步骤八获得的无线传感器网络节点2与三个信标节点1之间的距离，采用三边测量法：

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{(x-x_a)}^2+{(y-y_a)}^2}=d_a\\ \sqrt{{(x-x_b)}^2+{(y-y_b)}^2}=d_b\\ \sqrt{{(x-x_c)}^2+{(y-y_c)}^2}=d_c\end{array}\right.$

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}2(x_a-x_c)& 2(y_a-y_c)\\ 2(x_b-x_c)& 2(y_b-y_c)\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{x}_a^2-x_c^2+y_a^2-y_c^2+d_c^2-d_a^2\\ x_b^2-x_c^2+y_b^2-y_c^2+d_c^2-d_b^2\end{array}\right]$

获得待测无线传感器网络节点2的坐标(x，y)；实现无线传感器网络节点定位；

式中，(x_a，y_a)、(x_b，y_b)和(x_c，y_c)分别为三个信标节点1的坐标，d_a、d_b和d_c分别为三个信标节点1与待测无线传感器网络节点2的距离。

采用演示模块6对步骤九获得的待测无线传感器网络节点2的坐标(x，y)通过演示，实现在终端显示定位后的待测无线传感器网络节点。

本系统中在三个信标节点1与一个待测无线传感器网络节点2进行通信，由于无线传感器网络中节点通过无线通信与多个其他节点进行信息交换，在不使用任何控制协议的情况下很容易出现信道阻塞的情况，造成信息的丢失或无法正确传递。因此，本系统采用载波侦听多路访问(CSMA)，一种抢占型的半双工介质访问控制协议，采用分布式控制方法，工作在OSI参考模型的数据链路层的介质访问控制子层。使用CSMA介质访问控制协议的情况下，节点在欲发送帧前，必须对无线信道进行侦听，当确认其空闲时，才可以发送，否则在固定时间内等待随机的时间再次发送；并且多个设备可以同时访问介质，一个设备发送的帧也可以被多个设备接收。

FPGA通过单片机发送的数据包中的ID来确定该RSSI数值来自哪个节点，确保在一次三边测量法运算中，三个距离是待测节点在某一位置时分别与三个信标节点的距离。

RSSI值是对选定信道中信号电平的一种估计，是基于接收链路中当前设置的增益的。它在接收(RX)模式时，能够被连续读取，直到检测到同步字节时(当同步检测使能开时)，RSSI值会被冻结到下次进入RX模式。而在无线通信的数据帧中没有同步字节时，RSSI是可以一直连续读取的。

单片机Radio寄存器中地址0xDF3A对应的一字节空间存储RSSI。从RSSI寄存器中读取的值是一个8位二进制补码形式的字符，转换为十进制后通常为负值，单位为dBm。在加上一个特定的偏移量后，RSSI值才时接收信号真实强度的估算。这个偏移量通常在-70dBm到-80dBm之间，随着数据传输速率而改变。

在实际测量中，RSSI信号较不稳定，为如下情况：

(1)待测节点与信标节点之间的无线射频信号传播路径中不能有障碍物。在实验中发现，如在二者之间有障碍物，实时显示的RSSI值会产生极大波动，且此种波动范围较大、无任何规律，无法作为有效的实验数据。

(2)待测节点与信标节点的位置需在读取数值过程中保持静止，且二者高度应尽量保持一致。由于节点天线均使用的是PCB天线，任何使天线仰角或朝向改变的运动都将影响数值的准确性。高度的统一也是为了使两个天线增益最大的方向在同一水平面上。

(3)待测节点与信标节点距离较近时，RSSI值波动较大。该现象与RSSI模型理论分析相符，在距离小于1米时，RSSI换算公式不适用，且在距离较近时，周围环境的干扰，如物体对无线信号的反射等，对结果的影响较大，而距离较远时RSSI值较稳定。因此，待测节点可在同一位置多次接受同一信标节点RSSI，然后取平均值，平均数再送入到距离转换子程序中处理，从而进一步降低误差，提高定位精度。本实施方式中，为了提高精度并尽量减少不稳定环境因素对测量准确性的影响，每个测量点读取1分钟内的采样值，在去掉误差极大的部分测量值后取其平均值。

Claims (5)

1.一种无线传感器网络定位系统，其特征是：它包括三个信标节点(1)，所述每个信标节点(1)的结构完全相同，均由一个无线收发天线(3)和一个无线收发模块(4)组成，所述无线收发天线(3)的信号接收端或信号发射端与无线收发模块(4)的信号发射端或接收端连接；

待测无线传感器网络节点(2)包括无线收发天线(3)、无线收发模块(4)和控制模块(5)，所述无线收发天线(3)的信号接收端或信号发射端与无线收发模块(4)的信号发射端或接收端连接，无线收发模块(4)的信号输出端与控制模块(5)的信号输入端连接；

以三个信标节点(1)中的一个信标节点(1)为原点，建立直角坐标系，另两个信标节点(1)分别位于所述直角坐标系的X轴上和Y轴上；待测无线传感器网络节点(2)位于所述直角度坐标系的第一象限内，且所述待测无线传感器网络节点(2)与每个信标节点(1)之间的距离均介于1m～10m之间。

2.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络定位系统，其特征在于待测无线传感器网络节点(2)中还包括演示模块(6)，所述演示模块(6)的信号输入端与控制模块(5)的信号输出端连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种无线传感器网络定位系统，其特征在于待测无线传感器网络节点(2)中的控制模块采用FPGA实现。

4.基于权利要求1所述的一种无线传感器网络定位系统的一种无线传感器网络定位方法，其特征是：它由以下步骤实现：

步骤一、每个信标节点(1)分别进行初始化；

步骤二、每个信标节点(1)中的无线收发模块(4)从存储区读出自身ID，与数据长度、目的地址、数据、标志位等一起形成数据帧，并将该数据帧以CSMA的方式进行周期性广播；

步骤三、待测无线传感器网络节点(2)进行初始化；

步骤四、待测无线传感器网络节点(2)等待接收来自三个信标节点(1)的广播信号；

步骤五、待测无线传感器网络节点(2)判断是否收到来自三个信标节点(1)的广播信号，如果判断结果为是，则执行步骤六；如果判断结果为否，则返回执行步骤四；

步骤六、待测无线传感器网络节点(2)分别向每个信标节点(1)发送ACK确认信号；

步骤七、待测无线传感器网络节点(2)保存并分析所述收到来自三个信标节点(1)的广播信号中数据帧的各部分结构，并读取收到来自三个信标节点(1)的广播信号的RSSI值，将所述RSSI值与其对应的信标节点(1)的ID一起送入控制模块(5)；

步骤八、所述控制模块(5)根据RSSI-距离线性转换模型：

d＝0.1×RSSI²+10×RSSI+236

分别获得待测无线传感器网络节点(2)与三个信标节点(1)之间的距离，式中，d表示距离，单位为m；RSSI表示信号强度，单位为dBm；

步骤九、根据步骤八获得的无线传感器网络节点(2)与三个信标节点(1)之间的距离，采用三边测量法：

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{(x-x_a)}^2+{(y-y_a)}^2}=d_a\\ \sqrt{{(x-x_b)}^2+{(y-y_b)}^2}=d_b\\ \sqrt{{(x-x_c)}^2+{(y-y_c)}^2}=d_c\end{array}\right.$

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}2(x_a-x_c)& 2(y_a-y_c)\\ 2(x_b-x_c)& 2(y_b-y_c)\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{x}_a^2-x_c^2+y_a^2-y_c^2+d_c^2-d_a^2\\ x_b^2-x_c^2+y_b^2-y_c^2+d_c^2-d_b^2\end{array}\right]$

获得待测无线传感器网络节点(2)的坐标(x，y)；实现无线传感器网络节点定位；

式中，(x_a，y_a)、(x_b，y_b)和(x_c，y_c)分别为三个信标节点(1)的坐标，d_a、d_b和d_c分别为三个信标节点(1)与待测无线传感器网络节点(2)的距离。

5.根据权利要求4所述的一种无线传感器网络定位系统的一种无线传感器网络定位方法，其特征在于采用演示模块(6)对步骤九获得的待测无线传感器网络节点(2)的坐标(x，y)通过演示，实现在终端显示定位后的待测无线传感器网络节点。

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