CN106209281B - 无线传感器网络rssi衰减模型实地校准装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准装置，包括超声波测距模块、人机交互模块、射频收发模块和微处理器；所述超声波测距模块、人机交互模块、射频收发模块分别与微处理器连接。本发明还公开了基于上述装置的无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准方法。本发明可根据环境参数变化自动触发校准流程，及时提高定位系统的测距精度和定位性能，增强定位系统的环境适应能力。

Description

无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准装置及方法
技术领域
本发明涉及无线传感器网络技术领域，特别涉及无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准装置及方法。
背景技术
无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)由大量成本低廉的传感器节点以无线通讯的方式组建而成，各网络节点可独立进行数据采集、处理和传输。基于RSSI的WSN定位技术依靠信号衰减模型，把采集得到的RSSI信息转化为距离数据，并通过位置解算实现目标定位。
然而在非视距传输环境中，由于高频无线信号易受地形、障碍物的影响，存在明显的多径传播和小尺度衰落现象，单一的理论模型不能有效描述不同网络架设环境中的衰减特性。因此，传播模型的估算偏差是定位过程中最主要的误差来源。为了减小环境因素对距离估算的影响，提高系统测距精度和定位性能，需对模型参数进行实地校准和现场修正，使模型能准确反映实际应用场景中的信号传输特性，从而确保定位系统能在各类环境中获得较高的测算精度。
在现有技术中，采用无线传感器网络和RSSI测距结合的定位系统通常依靠传统的对数距离路径损耗模型，尚未发现采用硬件装置实现模型参数校准的电路设计或同类研究。特别是对于RSSI衰减模型的测距算法，多数专利的距离估算模型参数采用经验值代替，而较少通过实地校准的方式予以精确修正。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准装置，减小RSSI测距误差，进而提高定位系统的性能。
本发明的另一目的在于提供一种无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准装置，包括超声波测距模块、人机交互模块、射频收发模块和微处理器；所述超声波测距模块、人机交互模块、射频收发模块分别与微处理器连接；
所述超声波测距模块用于测量无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准装置与目标节点之间的距离；
所述微处理器用于控制校准流程并进行测距数据运算；
所述人机交互模块用于根据测距数据与用户进行交互；
所述射频收发模块用于测量RSSI值，并将校准结果发送到WSN定位网络中的协调器节点。
所述的无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准装置，还包括电源管理模块，所述电源管理模块与微处理器连接。
所述超声波测距模块为RBURF02型超声波测距模块。
所述微处理器为MSP430F4132型单片机。
所述射频收发模块采用附带Zigbee射频通信模块的CC2530型芯片。
所述人机交互模块包括LCD1602和有源蜂鸣器；所述LCD1602和有源蜂鸣器分别与微处理器相连。
基于所述的无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准装置的无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准方法，对每个目标节点的循环监测过程包括以下步骤：
(1)微处理器控制超声波测距模块测量目标节点和无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准装置之间的实际距离，测量结果记为dUS；
(2)微处理器控制射频收发模块，利用当前定位网络系统中的衰减模型参数，通过RSSI测量本装置与目标节点之间的距离，测量结果记为dRSSI；
(3)微处理器计算dUS-dRSSI，若|dUS-dRSSI|≥1.5m，进行步骤(4)；否则，跳过本轮校准过程；
(4)校准主流程：
(4-1)超声波测距模块与目标节点绑定，确定其MAC地址，并组建网络；
(4-2)从预先存放于微处理器内的校准距离序列中取出第i轮循环的校准距离值D(i),i为正整数；
(4-3)用户手持无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准装置，调整无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准装置和目标节点之间的间距；期间超声波测距模块持续开启，不断测量目标节点和无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准装置之间的实际距离d‘US；
(4-4)微处理器判断超声波测得的实际距离d′US与预设的测距距离偏差：
若|d′US-D(i)|>0.1m，则进一步判断其偏差类型：若d′US<D(i)，则提醒用户增大两节点间距离；否则提示用户减小两节点间距离；返回步骤(4-3)；
若|d′US-D(i)|≤0.1m；则进行步骤(4-5)；
(4-5)微处理器控制射频收发模块多次测量当前位置的RSSI值，取其平均值，保存测量结果；
(4-6)如果校准序列中尚有未测量RSSI值的位置点，返回步骤(4-2)；
(4-7)微处理器将各次测量所得的RSSI值，上传至上位机或网络协调器节点进行模型参数解算，并由协调器节点在定位网络中分发，校准过程结束。
校准距离区段为距离信号源2.5米到5.0米范围。
所述无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准装置在对某一目标节点进行检测之前，通过微处理器的实时时钟实现定时，延时结束后，微处理器由RTC时钟中断唤醒，打开超声波测距模块、人机交互模块，开始对该目标节点按步骤(1)～(4)的进行检测；本轮检测结束后，断开超声波测距模块、人机交互模块的电源供应，重置定时器。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明将环境因素的影响纳入对距离估算模型的修正，实时更新模型参数，确保模型能准确反映实际应用场景中的信号传输特性，提高测距精度和定位性能。
(2)本发明的无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准装置硬件电路采用低功耗器件，并在软件流程设计中充分利用其节电模式，通过开断闲置外设电源的方式，降低装置整体运行功耗，提高连续工作时长。
附图说明
图1为本发明的无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准装置的模块框图。
图2为本发明的无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准装置的电路图。
图3为本发明的无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准装置的电源管理器的电路图。
图4为本发明的无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准装置的射频收发模块的电路图。
图5为本发明的无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准方法的流程图。
图6为本发明的无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准方法的校准过程的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，本实施例的无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准装置，包括微处理器1、超声波测距模块2、人机交互模块3、电源管理器4和射频收发模块5；所述超声波测距模块、人机交互模块、射频收发模块分别与微处理器连接；所述电源模块与微处理器连接。
本实施例的微处理器为MSP430F4132型单片机。如图2所示，装置由电源管理模块通过管脚“DVcc”、“AVcc”向MSP430F4132型单片机供电；管脚“DVss”、“AVss”接地。管脚“XIN”、“XOUT”接32.768kHz晶振，通电后产生外部时钟信号；管脚“P6.5”作为UART的RXD接收端口，管脚“P6.6”作为UART的TXD发送端口，通过UART协议与射频收发模块进行串行通信，用于传输控制信号和数据信号。管脚“P3.3”与三极管Q2的集电极相连，用于在定时休眠期间切断人机交互模块中LCD1602的驱动电源和背光灯电源，降低装置整体功耗，提高电池续航能力。
本实施例的超声波测距模块为高分辨率的RBURF02型超声波测距模块，通过测量超声波遇障回传的时间差间接测得距离，具有精度高、能耗小、成本低的优点，可实现视距范围内的精确测距，其测量结果将作为两节点之间的实际距离用作信号校准参考。RBURF02型超声波测距模块通过管脚“VCC”向超声波测距模块提供+5V直流电源、管脚“GND”用于接地。管脚“OUTPUT”与微处理器的管脚“P4.7”相连；管脚“INPUT”与微处理器的管脚“P6.7”相连。其中管脚“OUTPUT”用于向微处理器输出响应信号，管脚“INPUT”用于从微处理器接收触发控制信号。当微处理器通过管脚“INPUT”输入持续10μS的高电平信号后，超声波测距模块将发出8个周期的40KHz超声波并检测回波，检测到声波反射的回传信号后，立即通过管脚“OUTPUT”向微处理器输出响应信号。微处理器利用其片内定时器测量该响应信号的高电平持续时间，经过换算获知两节点间的距离。
如图2所示，本实施例的人机交互模块由LCD1602、3个独立按键s1～s3、2盏LED(包括用于指示用户远离的指示灯LED_FAR和用于指示用户靠近的指示灯LED_NEAR)、1个有源蜂鸣器组成，用以指示电源状态、显示操作提示信息，系统将通过LCD屏幕实时展示装置的运行状况，并向用户提出下一步操作指示。同时用户也可通过按键调整装置的参数设置，保证人机交互的准确性和高效性。LCD1602的管脚“D7”至管脚“D0”依次与微处理器的管脚“P2.7”至管脚“P2.0”相连，作为8位并行数据线，用于接收微处理器发送的字符数据和指令信号；管脚“RS”与微处理器的管脚“P3.5”相连，用于指定当前传输的数据类型、管脚“RW”与微处理器的管脚“P3.6”相连，用于传输读写控制信号；管脚“E”与微处理器的管脚“P3.7”相连，用于传输使能控制信号。有源蜂鸣器经三极管与+3.3V电源相连，三极管基极与微处理器的管脚“P3.2”相连。2盏LED采用共阳极接法，分别由微处理器的管脚“P3.0”、“P5.4”控制亮灭，用于向提示用户增大或减小节点间距离。此外，三组独立按键分别与微处理器的管脚“P1.5”、管脚“P1.6”、管脚“P1.7”相连，便于用户通过按键调整装置的工作状态和设置。
如图3所示，本实施例的无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准装置依靠+5V直流稳压电源或3节1.5V干电池供电，电源管理器(4)采用AMS1117-3.3低压差线性稳压芯片，通过电容C1、C2、C3、C4滤波减少纹波输出，可为其余模块提供稳定的+3.3V直流稳压电源。发光二极管LED_Power用于指示+5V电源的供应状态。
如图4所示，本实施例的射频收发模块利用CC2530芯片，利用片内附带Zigbee射频通信模块，与周围节点建立低功耗、短距离无线通信网络。完成校准工作流程后，装置将通过射频收发模块向WSN定位网络中的协调器节点发送处理结果，使最新模型参数立即在定位网络中得到应用。装置通过管脚“VCC”、“GND”向CC2530供电；管脚“P0_2”为片内UART模块的RX接收端口，与微处理器的管脚“P6.6”(TXD发送端口)相连，管脚“P0_3”为片内UART模块的TX发送端口，与微处理器的管脚“P6.5”(RXD接收端口)相连，通过UART协议建立串行异步通讯，用于传输数据和控制信号。管脚“RF_P”、管脚“RF_N”为CC2530内部射频通讯模块的收发端口，经电容、电感滤波后与外接天线相连。装置利用射频收发模块(5)，通过射频通讯与协调器节点或上位机建立联系，由后者将经过校准的模型参数向无线传感器定位网络中的节点分发。
如图5所示，本实施例的无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准方法，对每个目标节点的循环监测过程包括以下步骤：
(1)微处理器控制超声波测距模块测量目标节点和无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准装置之间的实际距离，测量结果记为dUS。
(2)微处理器控制射频收发模块，利用当前定位网络系统中的衰减模型参数，通过RSSI测量本装置与目标节点之间的距离，测量结果记为dRSSI。
(3)微处理器计算dUS-dRSSI，若|dUS-dRSSI|≥1.5m，进行步骤(4)；否则，跳过本轮校准过程。
(4)校准主流程，如图6所示：
(4-1)超声波测距模块与目标节点绑定，确定其MAC地址，并组建网络；
(4-2)从预先存放于微处理器内的校准距离序列中取出第i轮循环的校准距离值D(i),i为正整数；
根据理论分析，在自由空间中传播的ISM频段无线信号(2.4GHz)随着距离增加，大致呈对数规律衰减。在信号源附近区域信号衰减迅速，信号强度因测量误差或环境随机干扰造成的偏差经过测距换算后，将产生明显误差。在远离信号源区域信号衰减趋势平缓，信号强度几乎无法反映距离特征。因此校准过程所用的距离区间不宜过大或过小。综合考虑上述两点因素，经论证分析和实验验证，本实施例选定距离信号源2.5米到5.0米范围作为校准距离区段，以0.5m为间隔均匀取点，定义校准距离序列为{2.5,3.0,3.5,4.5,5.0}(单位：米)。
(4-3)用户手持无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准装置，调整无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准装置和目标节点之间的间距；期间超声波测距模块持续开启，不断测量目标节点和无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准装置之间的实际距离d‘US；
(4-4)微处理器判断超声波测得的实际距离d′US与预设距离的偏差类型：
若|d′US-D(i)|>0.1m，则进一步判断其偏差类型：若d′US<D(i)，则亮起远离指示灯，蜂鸣器鸣响，提醒用户增大两节点间距离；否则亮起靠近指示灯，蜂鸣器鸣响，提示用户减小两节点间距离；返回步骤(4-3)；
若|d′US-D(i)|≤0.1m；则进行步骤(4-5)；
(4-5)微处理器控制射频收发模块多次测量当前位置的RSSI值，取其平均值，保存测量结果；
(4-6)如果校准序列中尚有未测量RSSI值的位置点，返回步骤(4-2)；
(4-7)微处理器将各次测量所得的RSSI值，上传至上位机或网络协调器节点进行模型参数解算，并由协调器节点在定位网络中分发，校准过程结束。
本实施例的所述无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准装置在对某一目标节点进行检测之前，通过微处理器的实时时钟实现定时，等待时间达到30min时，微处理器由RTC时钟中断唤醒，打开超声波测距模块、人机交互模块，开始对该目标节点按步骤(1)～(4)的进行检测；本轮检测结束后，断开超声波测距模块、人机交互模块的电源供应，重置定时器。
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所述实施例的限制，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 (7)

1.无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准方法，其特征在于，实现该方法的无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准装置包括超声波测距模块、人机交互模块、射频收发模块和微处理器；所述超声波测距模块、人机交互模块、射频收发模块分别与微处理器连接；
所述超声波测距模块用于测量无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准装置与目标节点之间的距离；
所述微处理器用于控制校准流程并进行测距数据运算；
所述人机交互模块用于根据测距数据与用户进行交互；
所述射频收发模块用于测量RSSI值，并将检测结果发送到WSN定位网络中的协调器节点；
所述无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准装置在对某一目标节点进行检测之前，通过微处理器的实时时钟实现定时，延时结束后微处理器由RTC时钟中断唤醒，打开超声波测距模块、人机交互模块，开始对该目标节点按步骤(1)～(4)进行检测；本轮检测结束后，断开超声波测距模块、人机交互模块的电源供应，重置定时器；
对每个目标节点的循环监测过程包括以下步骤：
(1)微处理器控制超声波测距模块测量目标节点和无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准装置之间的实际距离，测量结果记为dUS；
(2)微处理器控制射频收发模块，利用当前定位网络系统中的衰减模型参数，通过RSSI测量本装置与目标节点之间的距离，测量结果记为dRSSI；
(3)微处理器计算dUS-dRSSI，若|dUS-dRSSI|≥1.5m，进行步骤(4)；否则，跳过本轮校准过程；
(4)校准主流程：
(4-1)超声波测距模块与目标节点绑定，确定其MAC地址，并组建网络；
(4-2)从预先存放于微处理器内的校准距离序列中取出第i轮循环的校准距离值D(i),i为正整数；
(4-3)用户手持无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准装置，调整无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准装置和目标节点之间的间距；期间超声波测距模块持续开启，不断测量目标节点和无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准装置之间的实际距离d‘US；
(4-4)微处理器判断超声波测得的实际距离d′US与预设的测距距离偏差：
若|d′US-D(i)|>0.1m，则进一步判断其偏差类型：若d′US<D(i)，则提醒用户增大两节点间距离；否则提示用户减小两节点间距离；返回步骤(4-3)；
若|d′US-D(i)|≤0.1m；则进行步骤(4-5)；
(4-5)微处理器控制射频收发模块多次测量当前位置的RSSI值，取其平均值，保存测量结果；
(4-6)如果校准序列中尚有未测量RSSI值的位置点，返回步骤(4-2)；
(4-7)微处理器将各次测量所得的RSSI值，上传至上位机或网络协调器节点进行模型参数解算，并由协调器节点在定位网络中分发，校准过程结束。
2.根据权利要求1所述的无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准方法，其特征在于，还包括电源管理模块，所述电源管理模块与微处理器连接。
3.根据权利要求1所述的无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准方法，所述超声波测距模块为RBURF02型超声波测距模块。
4.根据权利要求1所述的无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准方法，其特征在于，所述微处理器为MSP430F4132型单片机。
5.根据权利要求1所述的无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准方法，其特征在于，所述射频收发模块采用附带Zigbee射频通信模块的CC2530型芯片。
6.根据权利要求1所述的无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准方法，其特征在于，所述人机交互模块包括LCD1602和有源蜂鸣器；所述LCD1602和有源蜂鸣器分别与微处理器相连。
7.根据权利要求1所述的无线传感器网络RSSI衰减模型实地校准方法，其特征在于，校准距离区段为距离信号源2.5米到5.0米范围。
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基于RSSI的无线传感器网络环境参数分析与修正方案;凡高娟等;《南京邮电大学学报(自然科学版)》;20091215;第29卷(第06期);第54-58页 *
基于RSSI的无线传感器网络距离修正定位算法;陈昌祥等;《通信技术》;20110210;第44卷(第02期);第65-66、69页 *

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