CN103327606A - 一种基于加速度传感器的无线传感器网络节点定位方法 - Google Patents

Abstract

一种基于加速度传感器的无线传感器网络节点定位方法，其中，传感器节点通过相互协作对网络监测区域当中对象的信息进行感知和采集，系统对这些信息进行一定的处理，最后通过随机自组织的无线通信网络，以多跳中继的方式传送给用户，从而实现远距离大范围监测的目的。传感器网络节点定位是传感器网络技术中的重要和基础技术。本方法提出了一种利用加速度传感器实现用一个锚节点来定位未知节点的方法。通过把一个安装有加速度传感器的可移动无线传感器网络节点作为锚节点，给定其一个初始点，让它在节点布置区域内运动，则该节点可以得到它在运动路径中的任何一点的坐标，从而实现一个利用一个锚节点来实现多个锚节点的功能从而完成未知节点定位。

Description

一种基于加速度传感器的无线传感器网络节点定位方法

技术领域

该发明提出了一种基于加速度传感器的节点定位方法，通过把一个安装有加速度传感器的可移动无线传感器网络节点作为锚节点，给定其一个初始点，让它在节点布置区域内运动，则该节点可以得到它在运动路径中的任何一点的坐标，从而实现一个锚节点来完成未知节点定位的技术。该方法属于无线传感器网络技术领域。

背景技术

无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,WSN)是由大量传感器节点所组成的网络系统。在该网络系统中，传感器节点通过相互协作对网络监测区域当中对象的信息(如:光强、压力、温度、湿度、噪声等)进行感知和采集，系统对这些信息进行一定的处理，最后通过随机自组织的无线通信网络，以多跳中继的方式传送给用户，从而实现远距离大范围监测的目的。

传感器网络节点定位是传感器网络技术中的重要和基础技术，很多时候传感器网络节点采集过来的信息的价值体现在定位上，节点定位技术是传感器网络技术中的研究重点之一。现在有很多现成的定位技术，比如专业的全球定位系统(GPS)，其定位精度很高，可以实现全球定位，但是它在室内等难以接收卫星信号的地方就束手无策了，而且GPS的芯片大小和能耗等因素都导致GPS不能完美地应用到传感器网络节点中。现在大多数无线传感器网络定位是采用一定数目的已知位置信息的锚节点来定位的，锚节点分散地置在节点中，未知节点通过锚节点发出信号的RSSI值并通过定位算法来实现定位，锚节点一般都需要已知其位置信息才能工作，但是很多情况不能直接认为地给锚节点设置位置信息，比如在一个未知区域随机布置锚节点时，而且锚节点成本一般都比较高。

加速度传感器是惯性测量系统的关键元器件，具有诸多优点，如体积小、重量轻、可靠性高，采用IC工艺，可批量化生产、成本较低，产品一致性较高等优点;传感器响应时间快、谐振频率高；功耗较低；将不同功能集成在一起，产品的附加值高；是许多技术领域的关键元件,有着非常广阔的应用前景。目前的研究中把传感器网络定位和加速度传感器结合起来的应用还不是太多。所以本方法提出了一种利用加速度传感器而实现用一个锚节点来定位未知节点的方法。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于加速度传感器的无线传感器网络节点定位方法，通过一个安装有加速度传感器的移动锚节点，给定其一个初始点，让其在节点布置区域内运行，使之替代多个锚节点的功能来实现未知节点定位的方案。由于已知了初始点的坐标，通过牛顿定律该移动的锚节点可计算其运行路径中的一点的坐标，该锚节点还会周期性和未知锚节点通信，故其可实现有多个锚节点时定位的功能。

技术方案：首先给出几个定义：

ZigBee：一种无线通信协议的名称，其功耗非常低，网络容量大，ZigBee标准在IEEE802.15.4标准基础上发展起来，其节点按功能的强弱可划分为两大类，即FFD全功能设备和RFD精简功能设备，RFD节点是ZigBee网络中数量最多的端设备，FFD节点具备控制器的功能，能够提供数据交换，是ZigBee网络中的路由器；在ZigBee网络中有一个FFD充当网络协调器，负责维护整个ZigBee网络的节点信息，同时还与其他ZigBee网络的协调器交换数据。

锚节点：通过一定方法获得了坐标位置传感器网络节点，一般是在锚节点上安装GPS接收器，或者直接把锚节点部署在已知坐标的点上，锚节点造价较高或者不易部署，所以锚节点不适合大规模使用。

未知节点：坐标位置未知的传感器节点，需要利用某种定位算法来获取其位置，未知节点也是无线传感器网络中的信息采集者，所以获取其位置信息有很大的必要，未知节点相对比较廉价，适合大规模部署。

RSSI(ReceivedSignalStrengthIndication)：接收信号强度指示，是表示无线微波信号强度的一种度量，通过某种信道模型可以把RSSI值转换为距离。未知节点通过接收锚节点发出的信号，可以得到信号的RSSI值，进而计算出两者之间的距离。

上位机：通过互联网或移动通信网和网关节点连接的并在远程放置的电脑或嵌入式设备，可以处理并显示接收到的信息。

网关节点：固定在某个位置的节点，具有网络协议转换功能，可以收发无线传感器网络节点的信号，再通过其他网络协议（比如：互联网，移动通信网）把信息传输到上位机上。

牛顿第二定律：物体的加速度与施加的合外力成正比，与物体的质量成反比，方向与合外力方向相同。物体在某个轴位移的分量等于物体在这个轴加速度曲线的积分。

方法流程

一种基于加速度传感器的无线传感器网络节点定位方法，具体流程如下：

步骤1）.设计基于无线传感器网络的节点定位系统，该定位系统包含三种节点：若干数目未知节点，一个锚节点，一个网关节点，每个节点分配不同的ID号和物理地址；

步骤2）.设计定位系统的未知节点：由无线zigbee收发功能的节点组成，节点上所用的核心芯片是Atmel公司的CC2430芯片，该芯片用在Zigbee网络中；

步骤3）.未知节点随机布置在某个平面区域内，未知节点启动等待接收锚节点信号的任务，节点之间通过多跳传输把从传感器采集的信息发送到网关节点上，网关节点再把信息发送到上位机；

步骤4）.把安装有加速度传感器的可移动节点作为锚节点，加速度传感器能以很高的精度获取节点在横轴，纵轴，竖轴，即X，Y，Z三个坐标轴的加速度值，加速度传感器的引脚输出是模拟值，所以通过CC2430芯片的模拟/数字转换器ADC来读取加速度值，并且在它们之间设计了滤波电路；

步骤5）.给定一个已知位置的点作为锚节点运动的起始点，在初始点建立适当的平面坐标系，锚节点开始在节点区域中移动，移动中锚节点以很短的周期读取加速度传感器的值，并计算与初始点的位移，从而可以得到锚节点的坐标，锚节点周期性地向未知节点广播其坐标；锚节点计算位移时所使用的是牛顿第二定律，即对获取的加速度曲线进行积分，设对加速度传感器的采样周期是△t，△t应该是很小的一个值，以增加计算的位移的精度，当前采样的加速度值经过滤波器滤除噪声后的值为αt，则当前的位移St=S_t-1+△t*αt；

步骤6）.锚节点发送信息和未知节点接收信息阶段：锚节点在移动过程中周期性地广播其所处位置的瞬时坐标，锚节点均匀地在区域内移动，以保证未知节点能够接收多个不同坐标位置的锚节点的广播数据包；

步骤7）.未知节点定位过程：未知节点接收到3个来自锚节点的信号时，等待一段时间，如果再次接收了锚节点的信号则重复该过程直到达到接收数目上限，否则用接收到的信号来实现定位算法；接收信号时未知节点获得信号的RSSI值，每个RSSI值通过高斯信道模型

P_r[dBm]=p₀[dBm]-10ηlogd+X_σ

其中p_r是未知节点接收的信号功率，p₀是未知节点距锚节点为1米时接收到的信号功率，d是未知节点与锚节点的真实距离，η是信道衰落指数，其大小依赖于传播环境，一般数值为2～3，X_σ是均值为0，方差为σ²的高斯噪声，是信道的随机分量；

RSSI值通过上述公式可转换为未知节点和锚节点之间的直线距离d_i，i表示接收的第i个锚节点信号；获取了RSSI值之后未知节点通过加权质心定位算法计算其坐标位置；

步骤8）定位结果发送阶段：未知节点计算出了自身坐标后通过多跳方式将包含坐标信息的数据包发送到网关节点上；网关节点可进行网络协议的转换，将Zigbee网络发来的数据转换在TCP/IP网络中传输，最终将数据上传到控制中心；控制中心的上位机就监视各个未知节点的坐标信息；上位机将坐标系进行转换，定位中使用的是在初始点上建立的坐标系，上位机将其转换成其他坐标系的位置信息。

有益效果：该发明提出了一种基于加速度传感器的节点定位方法，该方法具有如下优点：

（1）只使用一个移动锚节点，不同于以前的定位系统采用多个固定锚节点的方式，一般定位区域很大的话，锚节点数目也是成倍增长，本方法没有定位区域大小的限制，所以大大减少了对锚节点数目的依赖，降低了定位系统的成本。

（2）锚节点无需事先布置，只需要给予一个已知坐标的初始点，故对于一些GPS无法工作的非开阔平面空间，普通方法中利用GPS获取坐标的锚节点将无法工作，而本方法提出的定位方式将可以提供良好的定位效果。

（3）采用了基于RSSI测距定位算法，相比一些非测距的定位算法，比如DV-HOP,MDS-MAP定位算法等，本方法将提供更好的定位效果。

（4）网关具有协议转换功能，提供数据在多个网络中的传输，屏蔽了转换的底层细节，实现封装的效果，以后升级和修改程序等都很方便。

附图说明

图1是定位系统整体图，

图2是位移运算过程图，

图3是锚节点运动图。

具体实施方式

步骤1）设计基于无线传感器网络的节点定位系统。该定位系统包含三种节点：若干数目未知节点，一个锚节点，一个网关节点，每个节点分配不同的ID号和物理地址。

步骤2）设计定位系统的未知节点：由无线zigbee收发功能的节点组成，节点上所用的核心芯片是Atmel公司的CC2430芯片，该芯片可应用在Zigbee网络中。

步骤3）未知节点随机布置在某个平面区域内，未知节点启动等待接收锚节点信号的任务，节点之间可以通过多跳传输把从传感器采集的信息发送到网关节点上，网关节点再把信息发送到上位机。

步骤4）把安装有加速度传感器的可移动节点作为锚节点，加速度传感器能以很高的精度获取节点在三个坐标轴（横轴，纵轴，竖轴，即X，Y，Z轴）的加速度值，加速度传感器的引脚输出是模拟值，所以通过CC2430芯片的ADC（模拟/数字转换器）来读取加速度值，并且在它们之间设计了滤波电路。

步骤5）给定一个已知位置的点作为锚节点运动的起始点，在初始点建立适当的平面坐标系，锚节点开始在节点区域中移动，移动中锚节点以很短的周期读取加速度传感器的值，并计算与初始点的位移，从而可以得到锚节点的坐标，锚节点周期性地向未知节点广播其坐标。锚节点计算位移时所使用的是牛顿第二定律，即对获取的加速度曲线进行积分，设对加速度传感器的采样周期是△t，△t应该是很小的一个值，以增加计算的位移的精度，当前采样的加速度值经过滤波器滤除噪声后的值为αt，则当前的位移St=S_t-1+△t*αt。

步骤6）锚节点发送信息和未知节点接收信息阶段：锚节点在移动过程中周期性地广播其所处位置的瞬时坐标，锚节点均匀地在区域内移动，以保证未知节点能够接收多个不同坐标位置的锚节点的广播数据包。

步骤7）未知节点定位过程：未知节点接收到3个来自锚节点的信号时，等待一段时间，如果再次接收了锚节点的信号则重复该过程直到达到接收数目上限（设为6个），否则用接收到的信号来实现定位算法。接收信号时未知节点获得信号的RSSI值，每个RSSI值通过高斯信道模型

P_r[dBm]=p₀[dBm]-10ηlogd+X_σ

其中p_r是未知节点接收的信号功率。p₀是未知节点距锚节点为1米时接收到的信号功率。d是未知节点与锚节点的真实距离。η是信道衰落指数，其大小依赖于传播环境，一般数值为2～3。X_σ是均值为0，方差为σ²的高斯噪声，是信道的随机分量。

RSSI值通过上述公式可转换为未知节点和锚节点之间的直线距离d_i，i表示接收的第i个锚节点信号。获取了RSSI值之后未知节点通过加权质心定位算法计算其坐标位置。

步骤8）定位结果发送阶段：未知节点计算出了自身坐标后通过多跳方式将包含坐标信息的数据包发送到网关节点上。网关节点可进行网络协议的转换，将Zigbee网络发来的数据转换在TCP/IP网络中传输，最终将数据上传到控制中心。控制中心的上位机就可以监视各个未知节点的坐标信息了。上位机可以将坐标系进行转换，定位中我们使用的是在初始点上建立的坐标系，上位机可以将其转换成其他坐标系的位置信息。

本发明采用一个装有高精度加速度传感器的可移动锚节点，该锚节点在一个给定的已知初始点开始移动，移动过程中通过加速度传感器获得的值可以计算出与初始点的位移，进而得到锚节点在移动中的坐标信息，未知节点通过接收锚节点广播的多个坐标信息，通过加权质心定位算法可以计算出未知节点的坐标。

步骤1）以图1所示构建基于加速度传感器的节点定位系统，该系统包括三种节点：一个可移动锚节点，若干个基于CC2430的zigbee无线传感器网络未知节点，一个有zigbee收发器和有互联网连接功能的无线传感器网络网关。

步骤2）节点的安装和配置：每个节点（包括锚节点，未知节点，网关）分配不同的ID号和物理地址，把未知节点随机布置到一个平面区域内，未知节点除了开启传感器监测任务外，还要开启准备接受锚节点数据包的任务，未知节点将数据包以多跳的方式发送到网关。网关准备接受zigbee节点发来的信息。锚节点安装有加速度传感器，这里用的加速度传感器是美国飞思卡尔公司的MMA7260加速度传感器。

步骤3）给定一个已知坐标的锚节点移动起始点，这通常是很容易做到的，开始移动时，锚节点的位移计算程序开始运行，原理如图2所示，设对加速度传感器的采样周期是△t，△t应该是很小的一个值，以增加计算的位移的精度，当前采样的加速度值经过滤波器滤除噪声后的值为αt，则当前的位移St=S_t-1+△t*αt，MMA7260加速度传感器具有三轴传感器采集功能，所以可以得到锚节点在运动中任何一个时刻的平面坐标值。采集的加速度信号必然有误差，为增加精度，还可以采取算数平均、中值滤波等方法。

步骤4）移动锚节点按预设的周期广播其当前计算的坐标，这个周期应该按照区域的大小和锚节点移动的速度合理地设置。到达一个周期后，锚节点把计算出来的坐标(x_i,y_i)，写进数据包中，并广播发送。

步骤5）未知节点监听锚节点发来的数据包，当锚节点发送数据包时，在锚节点通信范围内的节点将能接收到锚节点的信号，可以读取出锚节点当前的坐标(x_i,y_i)，并获取所接收信号的RSSI值，接收到的RSSI值通过高斯信道模型转换为距离，对数正态信道模型如下：

P_r[dBm]=p₀[dBm]-10ηlogd+X_σ

接收到的RSSI值通过上述公式可以得到未知节点和锚节点之间的直线距离d_i。最终未知节点将获的如下信息：

(x_i,y_i)…i=1,...,n

d_i…i=1,…,n

利用加权质心定位算法：可以求得未知节点的坐标：

$x=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i{x}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i}\mathrm{Li}=1...n$

$y=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i{y}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i}\mathrm{Li}=1...n$

未知节点将计算出来的坐标(x,y)假如数据包中，以多跳的方式发送到网关节点。

步骤6）网关节点上的zigbee收发器接收到未知节点发送过来的数据包，并将数据解析出来，将数据封装成IP数据包用socket通过TCP/IP协议发送到监测中心。

Claims (1)

1.一种基于加速度传感器的无线传感器网络节点定位方法，其特征在于该方法具体流程如下：

步骤1）.设计基于无线传感器网络的节点定位系统，该定位系统包含三种节点：若干数目未知节点，一个锚节点，一个网关节点，每个节点分配不同的ID号和物理地址；

步骤2）.设计定位系统的未知节点：由无线zigbee收发功能的节点组成，节点上所用的核心芯片是Atmel公司的CC2430芯片，该芯片用在Zigbee网络中；

步骤3）.未知节点随机布置在某个平面区域内，未知节点启动等待接收锚节点信号的任务，节点之间通过多跳传输把从传感器采集的信息发送到网关节点上，网关节点再把信息发送到上位机；

步骤4）.把安装有加速度传感器的可移动节点作为锚节点，加速度传感器能以很高的精度获取节点在横轴，纵轴，竖轴，即X，Y，Z三个坐标轴的加速度值，加速度传感器的引脚输出是模拟值，所以通过CC2430芯片的模拟/数字转换器ADC来读取加速度值，并且在它们之间设计了滤波电路；

步骤5）.给定一个已知位置的点作为锚节点运动的起始点，在初始点建立适当的平面坐标系，锚节点开始在节点区域中移动，移动中锚节点以很短的周期读取加速度传感器的值，并计算与初始点的位移，从而可以得到锚节点的坐标，锚节点周期性地向未知节点广播其坐标；锚节点计算位移时所使用的是牛顿第二定律，即对获取的加速度曲线进行积分，设对加速度传感器的采样周期是△t，△t应该是很小的一个值，以增加计算的位移的精度，当前采样的加速度值经过滤波器滤除噪声后的值为αt，则当前的位移St=S_t-1+△t*αt；

步骤6）.锚节点发送信息和未知节点接收信息阶段：锚节点在移动过程中周期性地广播其所处位置的瞬时坐标，锚节点均匀地在区域内移动，以保证未知节点能够接收多个不同坐标位置的锚节点的广播数据包；

步骤7）.未知节点定位过程：未知节点接收到3个来自锚节点的信号时，等待一段时间，如果再次接收了锚节点的信号则重复该过程直到达到接收数目上限，否则用接收到的信号来实现定位算法；接收信号时未知节点获得信号的RSSI值，每个RSSI值通过高斯信道模型

P_r[dBm]=p₀[dBm]-10ηlogd+X_σ

其中p_r是未知节点接收的信号功率，p₀是未知节点距锚节点为1米时接收到的信号功率，d是未知节点与锚节点的真实距离，η是信道衰落指数，其大小依赖于传播环境，一般数值为2～3，X_σ是均值为0，方差为σ²的高斯噪声，是信道的随机分量；

RSSI值通过上述公式可转换为未知节点和锚节点之间的直线距离d_i，i表示接收的第i个锚节点信号；获取了RSSI值之后未知节点通过加权质心定位算法计算其坐标位置；

步骤8）定位结果发送阶段：未知节点计算出了自身坐标后通过多跳方式将包含坐标信息的数据包发送到网关节点上；网关节点可进行网络协议的转换，将Zigbee网络发来的数据转换在TCP/IP网络中传输，最终将数据上传到控制中心；控制中心的上位机就监视各个未知节点的坐标信息；上位机将坐标系进行转换，定位中使用的是在初始点上建立的坐标系，上位机将其转换成其他坐标系的位置信息。

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