CN105744589A - 一种基于改进型DV-Hop的无线传感网络节点定位装置及方法 - Google Patents

一种基于改进型DV-Hop的无线传感网络节点定位装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于改进型DV?Hop的无线传感网络节点定位装置及方法，该装置由锚节点和未知节点组成，两者的硬件架构一样，都包括：433MHz无线模块、电源模块、微处理器与存储器模块、SWD接口、RS485通信模块、传感器接口，锚节点和未知节点负责不同的功能；其中，微处理器与存储器模块通过USART2串口与433MHz无线模块连接，通过USART3串口与RS485通信模块连接，并留有烧录程序用的SWD接口和传感器接口。该定位装置不仅具有硬件结构简单、成本低的特点，而且采用了RSSI技术辅助测距和未知节点二次定位求精的方法，提高了节点的定位精度。

Description

一种基于改进型DV-Hop的无线传感网络节点定位装置及方法
技术领域
本发明涉及无线传感器网络技术领域，具体涉及一种基于改进型DV-Hop的无线传感网络节点定位装置及方法。
背景技术
无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)是集信号采集、数据处理、信息传输于一体的综合智能系统，具有广阔的应用前景，是目前非常活跃的一个领域。WSN采用具有感知、处理和通信能力的传感器节点组成，能够实时采集和监测网络分布区域中各种被监控对象的信息。在很多场合中，未知传感器位置而感知的数据是没有任何意义的，所以对传感器节点自身位置的确定是WSN众多研究和应用的基础。传感器节点要完成信息采集、处理和传输的功能，必须满足成本低、体积小、功耗低的要求。因此，如何实现满足这些要求的传感器节点是无线传感器网络急需解决的关键技术之一。
基于测距的定位方法定位精度较高，但是这种类型的算法需要单独的测距过程，硬件成本高和计算开销大；基于接收信号强度(RSSI)的定位方法无须额外硬件和单独的测量过程，但无线信号在传输的过程中受多径效应和非视距传播的影响较大，在锚节点数量比例偏低时定位精度较差；无需测距的定位方法利用网络拓扑结构和锚节点位置进行定位，无需额外的硬件、算法简单功耗小，但定位精度较差。
发明内容
本发明的首要目的在于克服现有定位装置硬件结构复杂、成本高的不足，提供了一种基于改进型DV-Hop的无线传感网络节点定位装置，该定位装置能够实现对网络中未知节点进行定位。
本发明的另一目的在于克服现有定位技术的缺点与不足，提供了一种基于改进型DV-Hop的无线传感网络节点定位装置的定位方法，该定位方法采用RSSI技术辅助测距和未知节点二次定位求精的方法，提高了节点定位的精度。
根据公开的实施例，本发明的第一方面提出了一种基于改进型DV-Hop的无线传感网络节点定位装置，所述定位装置包括锚节点和未知节点，上述两者的硬件架构相同，均包括：433MHz无线模块1、电源模块2、微处理器与存储器模块3、SWD接口4、RS485通信模块5、传感器接口6；所述微处理器与存储器模块3通过USART2串口与所述433MHz无线模块1连接，通过USART3串口与所述RS485通信模块5连接，并与留有烧录程序用的所述SWD接口4和所述传感器接口6连接。
进一步地，所述的433MHz无线模块1包括51单片机、射频芯片SI4432和天线；其中，所述的51单片机实现控制所述射频芯片SI4432与信号调理功能，所述的射频芯片SI4432负责信号收发功能，同时具备接收信号强度指示功能，并用于测量相邻节点装置间的距离。
进一步地，所述的电源模块2由可充电锂电池和电压调理电路组成，为其连接的各电路模块提供3.3V和5V直流电压。
进一步地，所述的微处理器与存储器模块3包括STM32微处理器和Flash存储器；其中，所述的STM32微处理器实现锚节点的平均跳距和未知节点的估计坐标位置的计算功能，所述的Flash存储器用于保存各种数据。
进一步地，所述的SWD接口4用于给所述的微处理器与存储器模块3烧录程序。
进一步地，所述的RS485通信模块5由485芯片和外围电路组成，实现与上位机的远程通信功能。
进一步地，所述的传感器接口6用于连接各种外部传感器，实现信号接入功能。
根据公开的实施例，本发明的第二方面提出了一种基于改进型DV-Hop的无线传感网络节点定位装置的定位方法，所述方法包括下列步骤：
S1、首先所有锚节点按次序通过433MHz无线模块1向网络中广播包含自身位置和跳数信息的数据包，同时其他所有锚节点和未知节点通过433MHz无线模块1接收各个锚节点发来的数据包，经过微处理器与存储器模块3的分析，所有节点获得到各个锚节点的最小跳数；
S2、利用到其他锚节点的最小跳数和所有锚节点自身已知的位置信息，每个锚节点的微处理器与存储器模块3计算出自身平均跳距，并通过433MHz无线模块1向网络中广播包含平均跳距的数据包，未知节点接收由最近锚节点发来的平均跳距信息并保存，同时利用保存的到所有锚节点的最小跳数和平均跳距信息，计算出到所有锚节点的估计跳段距离；
S3、每个未知节点利用433MHz无线模块1中的射频芯片SI4432接收并指示相邻节点间的信号衰减强度，根据RSSI测距技术计算出节点间的直线距离，由已知的锚节点位置和到锚节点的估计距离，每个未知节点利用三边或极大似然估计法计算出自身的估计坐标位置，计算过程中若锚节点为未知节点的邻居节点，则使用RSSI测距技术测得的直线距离代替估计跳段距离进行计算；
S4、所有未知节点以其周围邻居节点为参考计算出自身的质心坐标，同时根据周围邻居节点的质心坐标和RSSI测距技术测得的相邻节点间距离，利用极大似然估计法进行二次定位得到所有未知节点的最终估计坐标位置。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
本发明公开的一种基于改进型DV-Hop的无线传感网络节点定位装置及定位方法，不仅具有硬件结构简单、成本低的特点，而且采用了RSSI技术辅助测距和未知节点二次定位求精的方法，提高了节点的定位精度。
附图说明
图1是本发明公开的一种基于改进型DV-Hop的无线传感网络节点定位装置的结构框图；
图2是本发明公开的一种基于改进型DV-Hop的无线传感网络节点定位装置的节点分布图；
图3是本发明公开的一种基于改进型DV-Hop的无线传感网络节点定位方法的流程步骤图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
如图1所示，一种基于改进型DV-Hop的无线传感网络节点定位装置，由锚节点和未知节点组成，两者的硬件架构一样，都包括：433MHz无线模块1、电源模块2、微处理器与存储器模块3、SWD接口4、RS485通信模块5、传感器接口6，锚节点和未知节点负责不同的功能；微处理器与存储器模块3通过USART2串口与433MHz无线模块1连接，通过USART3串口与RS485通信模块5连接，并留有烧录程序用的SWD接口4和传感器接口6。433MHz无线模块1包括51单片机、射频芯片SI4432、天线，51单片机实现控制射频芯片SI4432与信号调理功能，射频芯片SI4432负责信号收发功能，同时具备接收信号强度指示(Received Signal Strength Indicator，RSSI)功能可用于测量相邻节点装置间的距离。
电源模块2由可充电锂电池和电压调理电路组成，可以给与其连接的电路模块提供3.3V和5V直流电。微处理器与存储器模块3包括STM32微处理器和Flash存储器，STM32微处理器实现锚节点的平均跳距和未知节点的估计坐标位置的计算等功能，Flash存储器用于保存各种数据。SWD接口4用于给微处理器与存储器模块3烧录程序。RS485通信模块5由485芯片和外围电路组成，实现与上位机的远程通信功能。传感器接口6用于连接各种外部传感器，实现信号接入功能。
如图2所示，一种基于改进型DV-Hop的无线传感网络节点定位装置，由锚节点和未知节点组成，它们随机的分布在工作区域当中，其中锚节点的位置已知，未知节点根据锚节点的位置和节点间的估计距离，利用三边或极大似然估计方法进行定位。
如图3所示，一种基于改进型DV-Hop的无线传感网络节点定位方法的流程步骤图，其基本的定位流程如下：首先所有锚节点按次序通过433MHz无线模块1向网络中广播包含自身位置和跳数信息的数据包，同时其他所有锚节点和未知节点通过433MHz无线模块1接收各个锚节点发来的数据包，经过微处理器与存储器模块3的分析，所有节点获得到所有锚节点的最小跳数。利用到其他锚节点的最小跳数和所有锚节点自身已知的位置信息，每个锚节点的微处理器与存储器模块3计算出自身平均跳距，并通过433MHz无线模块1向网络中广播包含平均跳距的数据包。未知节点接收由最近锚节点发来的平均跳距信息并保存，同时利用保存的到所有锚节点的最小跳数和平均跳距信息，计算出到所有锚节点的估计跳段距离。每个未知节点利用433MHz无线模块1中的射频芯片SI4432接收并指示相邻节点间的信号衰减强度，根据RSSI测距技术计算出节点间的直线距离。由已知的锚节点位置和到锚节点的估计距离，每个未知节点利用三边或极大似然估计法计算出自身的估计坐标位置，计算过程中若锚节点为未知节点的邻居节点，则使用RSSI测距技术测得的直线距离代替估计跳段距离进行计算。所有未知节点以其周围邻居节点为参考计算出自身的质心坐标，同时根据周围邻居节点的质心坐标和RSSI测距技术测得的相邻节点间距离，利用极大似然估计法进行二次定位得到所有未知节点的最终估计坐标位置。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于改进型DV-Hop的无线传感网络节点定位装置，其特征在于：所述定位装置包括锚节点和未知节点，上述两者的硬件架构相同，均包括：433MHz无线模块(1)、电源模块(2)、微处理器与存储器模块(3)、SWD接口(4)、RS485通信模块(5)、传感器接口(6)；所述微处理器与存储器模块(3)通过USART2串口与所述433MHz无线模块(1)连接，通过USART3串口与所述RS485通信模块(5)连接，并与留有烧录程序用的所述SWD接口(4)和所述传感器接口(6)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于改进型DV-Hop的无线传感网络节点定位装置，其特征在于：所述的433MHz无线模块(1)包括51单片机、射频芯片SI4432和天线；其中，所述的51单片机实现控制所述射频芯片SI4432与信号调理功能，所述的射频芯片SI4432负责信号收发功能，同时具备接收信号强度指示功能，并用于测量相邻节点装置间的距离。
3.根据权利要求1所述的一种基于改进型DV-Hop的无线传感网络节点定位装置，其特征在于：所述的电源模块(2)由可充电锂电池和电压调理电路组成，为其连接的各电路模块提供3.3V和5V直流电压。
4.根据权利要求1所述的一种基于改进型DV-Hop的无线传感网络节点定位装置，其特征在于：所述的微处理器与存储器模块(3)包括STM32微处理器和Flash存储器；其中，所述的STM32微处理器实现锚节点的平均跳距和未知节点的估计坐标位置的计算功能，所述的Flash存储器用于保存各种数据。
5.根据权利要求1所述的一种基于改进型DV-Hop的无线传感网络节点定位装置，其特征在于：所述的SWD接口(4)用于给所述的微处理器与存储器模块(3)烧录程序。
6.根据权利要求1所述的一种基于改进型DV-Hop的无线传感网络节点定位装置，其特征在于：所述的RS485通信模块(5)由485芯片和外围电路组成，实现与上位机的远程通信功能。
7.根据权利要求1所述的一种基于改进型DV-Hop的无线传感网络节点定位装置，其特征在于：所述的传感器接口(6)用于连接各种外部传感器，实现信号接入功能。
8.一种基于改进型DV-Hop的无线传感网络节点定位装置的定位方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：
S1、首先所有锚节点按次序通过433MHz无线模块(1)向网络中广播包含自身位置和跳数信息的数据包，同时其他所有锚节点和未知节点通过433MHz无线模块(1)接收各个锚节点发来的数据包，经过微处理器与存储器模块(3)的分析，所有节点获得到各个锚节点的最小跳数；
S2、利用到其他锚节点的最小跳数和所有锚节点自身已知的位置信息，每个锚节点的微处理器与存储器模块(3)计算出自身平均跳距，并通过433MHz无线模块(1)向网络中广播包含平均跳距的数据包，未知节点接收由最近锚节点发来的平均跳距信息并保存，同时利用保存的到所有锚节点的最小跳数和平均跳距信息，计算出到所有锚节点的估计跳段距离；
S3、每个未知节点利用433MHz无线模块(1)中的射频芯片SI4432接收并指示相邻节点间的信号衰减强度，根据RSSI测距技术计算出节点间的直线距离，由已知的锚节点位置和到锚节点的估计距离，每个未知节点利用三边或极大似然估计法计算出自身的估计坐标位置，计算过程中若锚节点为未知节点的邻居节点，则使用RSSI测距技术测得的直线距离代替估计跳段距离进行计算；
S4、所有未知节点以其周围邻居节点为参考计算出自身的质心坐标，同时根据周围邻居节点的质心坐标和RSSI测距技术测得的相邻节点间距离，利用极大似然估计法进行二次定位得到所有未知节点的最终估计坐标位置。
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