CN104254125A - 一种基于无线传感网的节点定位rssi算法的改进 - Google Patents

Abstract

一种基于无线传感网的节点定位RSSI算法的改进，包括协调器、已知节点、未知节点，所述的未知节点通过握手信号通知已知节点自己接受到的信号强度，已知节点根据此信号来调整发射功率；通过握手信号已知节点可以准确的调整自己的发射功率；所述的某个已知节点到未知节点n个测距采用高斯分布处理原则，然后再取其几何均值；所述的未知节点在定位时使用RSSI测算距离，然后取三个已知节点的坐标，利用三边测量法计算节点坐标，将定位精度提到最高；本发明的优点是通过未知节点反馈的握手信号的数据，调整发送节点RF不同的信号频率，根据所得数据进行误差调整，在实际应用中可以得到很好的效果，所用的硬件成本为零，可大范围推广应用。

Description

一种基于无线传感网的节点定位RSSI算法的改进

技术领域

本发明涉及无线节点定位，具体的涉及一种基于RSSI算法的改进，属于无线网络以及嵌入式领域。 

背景技术

技术是无线传感器网络中重要的支撑技术。定位就是确定位置。确定位置在实际应用中有两种意义：一种是确定自己在系统中的位置；另一种是确定目标在系统中的位置。无线传感器网络的定位是指自组织的网络通过特定方法提供节点位置信息。这种自组织网络定位分为节点自身定位和目标定位。节点自身定位是确定网络中节点为坐标位置的过程。目标定位是确定网络覆盖范围内目标的坐标位置。根据定位过程中是否需要测量实际节点之间的距离，把定位算法分为基于测距(Range-Based)的定位算法和无需测距(Range-Free)的定位算法。前者需要测量相邻节点之间的绝对距离或者方位，并利用节点间的实际距离或者方位来计算未知节点的位置。后者定位算法无需测量节点之间的绝对距离或方位，而是利用节点间的估计距离计算节点的位置。 

目前所用的基于测距的定位算法中常用的有：TOA(到达时间测量法)易于实现，缺陷是需要收发节点的时间高度同步；如果收发信号时速度接近光速的无线电波，则要求收发节点的间距足够远，否则定位精度十分低，不可用于短距离定位。TDOA(到达时间差测量法)在TOA算法的基础上进行了改进，不需要严格的收发节点时间同步，可以在短距离内进行测量，大大地弥补了TOA算法的不足，但是需要节点同时具备无线电与超声波收发装置，价格昂贵。而且超声波传输距离有限，即随着距离的加大，周围环境的吸收或干扰，超声波会逐渐衰弱甚至消失，因此此算法不适用于大范围的测距。AOA算法在 AOA(Angle Of Arrival)定位中，网络内的节点利用阵列天线和多个超声波接收器之间的协调合作，测量相邻节点所发射信号的到达角度，AOA定位对系统硬件要求很高，算法复杂，且只能适用于视距范围内的节点定位，应用上收到很大阻碍。 

基于RSSI的测距主要使用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，对硬件要求不高，同时也比较容易实现，但是信号强度很容易受到周围环境的影响，如障碍物、人员走动、天气等都会影响信号强度。因此，基于接收信号强度的测距会因为环境的不同产生不同程度的误差，通常将其看做一种粗糙的测距技术，有可能产生±150％的测距误差。RSSI的测距方法与其他算法相比优点是不需要添加其他额外的设备，但RSSI的测距误差比较大。 

发明内容

为了解决上述问题，本发明通过未知节点反馈的握手信号的数据，调整发送节点RF不同的信号频率，根据所得数据进行误差调整。在理论上发送节点和接受节点位置固定的情况下，根据发射节点的发射功率与接受节点收到的信号强度计算得到的测距是固定不变的，但在实际应用中当发射节点的发射功率变化时接受节点收到的信号强度的变化率是不同的，所得到的测距会有误差。所以本发明根据实际应用环境调整发射节点的不同功率从而得到接受节点的不同信号强度，多次测量得到比较接近真值，在实际应用中可以得到较好的效果，本发明采用的技术方案如下： 

一种基于无线传感网的节点定位RSSI算法的改进，包括协调器、已知节点、未知节点，所述的未知节点通过握手信号通知已知节点自己接受到的信号强度，已知节点根据此信号来调整发射功率；通过握手信号已知节点可以准确的调整 自己的发射功率，从而可以减少环境的影响。 

所述的某个已知节点到未知节点n个测距采用高斯分布处理原则，然后再取其几何均值；这种做法减少了一些小概率、大干扰事件对整体测量的影响，增强了定位信息的准确性。 

所述的未知节点在定位时使用RSSI测算距离然后取三个已知节点的坐标，利用三边测量法计算节点坐标，将定位精度提到最高。 

所述的三边测量法具体方法是根据节点之间的距离计算节点坐标、获得节点位置常用的算法；已知节点A(x1，y1)、B(x2，y2)、C(x3，y3)，未知节点X(x，y)，A、B、C三点到X的距离为d1、d2、d3，根据坐标计算距离的公式为： 

$d=\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2}---\left(1\right)$

获得三边的距离后可列出如下方程组： 

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}={d_1}^2\\ \sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2}={d_2}^2\\ \sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2}={d_3}^2\end{array}\right.---\left(2\right)$

通过计算，获得未知节点的坐标为： 

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]\text{=}{\left[\begin{array}{c}2(x_1-x_3)2(y_1-y_3)\\ 2(x_2-x_3)2(y_2-2_3)\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{x_1}^2-{x_3}^2+{y_1}^2-{y_3}^2+{d_3}^2-{d_1}^2\\ {x_2}^2-{x_3}^2+{y_2}^2-{y_3}^2+{d_3}^2-{d_2}^2\end{array}\right]---\left(3\right)$

理想状态下，可以算出未知节点的位置(x，y)，但是，大多数情况下，测得或计算获得的di值存在误差，所以，在实现过程中，还要通过各种补偿、约进的方法，获得最佳的节点坐标。 

所述的RSSI算法测距通过调整已知节点的功率进行测距；主要是由已知节点通过未知节点发来的握手信号来获得信号强度，从而可以调整已知节点功率， 通过公式(4)可获得测距，已知节点以不同功率发射时在实际应用中获得测距有偏差。经过测试，可将已知节点的发射功率调整到一个合适的范围所得误差较小。将多次测得的测距求平均后可有效降低信号强度受到周围环境的影响而造成的误差，从而提高精确度。 

$d=\sqrt{\frac{P_t{\×G}_t{\×G}_r\×{\mathrm{\λ}}^2}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^2\×P_{r}L}}---\left(4\right)$

其中Pr表示距离发射点距离d处的测得的信号功率，Pt表示发射时的信号功率，λ表示电磁常数，Gt、Gr分别表示发送与接收时的信号增益，L是传输无关的系统损耗因子。 

利用节点测量传输数据帧时的能量值的不同来进行RSSI的测距，从而确定节点的位置，所用的硬件成本为零。这也使得本系统在推广过程中可以降低价格因素的影响。 

本发明的优点：通过未知节点反馈的握手信号的数据，调整发送节点RF不同的信号频率，根据所得数据进行误差调整，在实际应用中当发射节点的发射功率变化时接受节点收到的信号强度的变化率是不同的，所得到的测距会有误差，所以在实际应用环境调整发射节点的不同功率从而得到接受节点的不同信号强度，多次测量得到比较接近真值，在实际应用中可以得到很好的效果，同时利用节点测量传输数据帧时的能量值的不同来进行RSSI的测距，从而确定节点的位置，所用的硬件成本为零。这也使得本系统在推广过程中降低了成本。 

附图说明

图1是本发明的无线网络示意图。 

图2是本发明的算法示意图。 

图3是本发明中未知节点处于灰色区域时所得测距误差最少的结构示意图。 

图4是本发明中未知节点处于灰色区域外时需将已知节点的发射功率加大的结构示意图。 

图5是本发明中未知节点处于灰色区域外时，需将已知节点的发射功率加大的结构示意图。 

图6是本发明中未知节点、已知节点和协调器的图示说明。 

具体实施方式

面结合附图对本发明作进一步阐述。 

如图1所示，协调器是用户控制端与终端节点交流的桥梁。节点上电之后，协调器形成网络，成为整个网络的中心，向用户端发送端节点信息，向端节点发送用户控制端的命令等数据。已知节点是已知坐标的定位节点。该节点的坐标来源可以是初始时写入及初始节点，也可以是加入网络时计算得出写入已知节点。未知节点是新发现的节点，该节点刚刚上电，自己的位置坐标未知。网络初始时，有三个给定坐标的节点，其他节点的坐标通过组网后通过运算获得。 

如图2所示，已知节点接受到未知节点发来的握手信号以后，将自己的功率调大或者调小。将调整后的发射功率重复发射，得到n个测距。对所得n个测距采用高斯分布处理，最后再对其求几何平均。经测试，功率与参数对应关系如表所示： 

如图3、4、5所示，已知节点RF调节不同的功率，使未知节点所接收的信号强度处于一个较合理的区域。 

具体工作过程： 

第一部分：组成网络。当节点上电后，协调器节点形成网络，将范围内的相同网络号的孤立节点加入自身所在的网络，从节点向协调器报告自身信息，并申请加入网络，协调器许可之后，分派短地址，将从节点加入自身网络，将节点信息加入到邻居表中。 

定位节点距离的确定是计算坐标的基础，而RSSI的测量又是确定距离的前提。节点发送数据帧的功率可以根据实际情况进行更改。如表所示，不同功率对应不同参数，在发送数据时通过根据RSSI算法的特征，该网络中已知定位节点数至少为3个，所以初始写入坐标的节点数为3，并且，这三个节点的坐标最好不在一条直线上。如果已知节点的坐标在一条直线上，因为测距存在误差，未知节点的坐标可能无法计算出来，只能计算出大概的范围。加入网络之后，未知节点搜索周围的网络，当遇到有相同网络号的网络时，便发送请求加入网络的申请。若网络中的节点数未达到设置的上限，协调器便许可其申请，分配短地址，将其加入网络。 

第二部分，测距。在加入网络的同时，未知节点会收到周围节点发送来的反馈信息，反馈信息中包含源节点的坐标信息。通过解析反馈帧，以及捕获的接收帧的功率，便可以计算出彼此的距离。为了减少误差已知节点多次发射功率，所得测距根据高斯分布处理，然后再将数据求平均。 

1)当未知节点位于所有已知节点的最大功率所能达到的信号的最远的距离时不适用本改进算法。 

2)在实际应用中经测试已知节点的功率参数范围是4C-BC时所测得误差较小。已知节点接受到未知节点发来的握手信号以后，将自己的功率调大或者调小。使未知节点处于已知节点的某个功率发射的灰色区域内，将调整后的发射功率重复发射，得到n个测距。对所得n个测距采用高斯分布处理，最后再对其求几何平均。 

三部分：定位。根据三个已知节点分别计算得出的有效测距数达到三个时，采用三边测量法便可以计算出节点自身的坐标信息。 

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。 

Claims (2)

1.一种基于无线传感网的节点定位RSSI算法的改进，包括协调器、已知节点、未知节点，其特征在于：所述的未知节点通过握手信号通知已知节点自己接受到的信号强度，已知节点根据此信号来调整发射功率；通过握手信号已知节点可以准确的调整自己的发射功率，从而可以减少环境的影响； 

所述的某个已知节点到未知节点n个测距采用高斯分布处理原则，然后再取其几何均值； 

所述的未知节点在定位时使用RSSI测算距离然后取三个已知节点的坐标，利用三边测量法计算节点坐标，将定位精度提到最高。 

2.根据权利要求1所述的一种基于无线传感网的节点定位RSSI算法的改进，其特征在于：所述的三边测量法具体方法：是根据节点之间的距离计算节点坐标、获得节点位置常用的算法；已知节点A(x1，y1)、B(x2，y2)、C(x3，y3)，未知节点X(x，y)，A、B、C三点到X的距离为d1、d2、d3，根据坐标计算距离的公式为： 

获得三边的距离后可列出如下方程组： 

通过计算，获得未知节点的坐标为： 

理想状态下，可以算出未知节点的位置(x，y)，但是，大多数情况下，测得或计算获得的d i值存在误差，所以，在实现过程中，还要通过各种补偿、约进的方法，获得最佳的节点坐标； 

所述的RSSI算法测距通过调整已知节点的功率进行测距；主要是由已知节点通过未知节点发来的握手信号来获得信号强度，从而可以调整已知节点功率，通过公式(4)可获得测距，已知节点以不同功率发射时在实际应用中获得测距有偏差。经过测试，可将已知节点的发射功率调整到一个合适的范围所得误差较小。将多次测得的测距求平均后可有效降低信号强度受到周围环境的影响而造成的误差，从而提高精确度； 

其中P r表示距离发射点距离d处的测得的信号功率，Pt表示发射时的信号功率，λ表示电磁常数，Gt、G r分别表示发送与接收时的信号增益，L是传输无关的系统损耗因子； 

利用节点测量传输数据帧时的能量值的不同来进行RSSI的测距，从而确定节点的位置，所用的硬件成本为零。这也使得本系统在推广过程中可以降低价格因素的影响。