【正文】 T 1T 2超 聲 波射 頻 信 號D 圖 26 基于 TDOA 定位 Fig. 26 Located Based on TDOA 如圖 33 所示，該技術的測距精度可達到 厘米 級，但前提是需要精確的時鐘，同時使用超聲波測量需要額外的硬件，增加了成本，而且容易受到非視距誤差的影響。但由于受到地板、墻壁和人體等各種物體等障礙物的阻攔，電磁波會存在著反射及衍射，使得 RSSI 值隨機變化較大，因此無法準確判斷某一個距離對應的 RSSI值。根據高斯分布功率表達式，得到的 接收 功率為： ? ? ? ? dBr ddndPdP ???? ?? )(l o g10 0100 （ ） 其中 ε dB為零均值及以δ 2,N(0,δ 2)變化的高斯分布隨機變量。所以距離d 與 接收 到的信號強度的關系可以表示為： ? ? ? ? )(l o g10 0100 ddndPdP r ?? ?? （ ） 其中 P(d0)為參考距離 d0 接收到的信號。因為 RSSI 在一個真實環(huán)境下的信號隨著距離的增大而減少。 RSSI 的理論模型是根據信號強度隨著距離的變化成對數衰 減的原理，如式（ ） ,其中 r0 是 1m距離處對應的 RSSI 測距值， a 是信號的衰減率，理論值為 2。其中 r 是 RSSI 測距值。最優(yōu)模型如式 ()，根據給定 RSSI 的距離值r，對具有相同 RSSI 測量值的觀測數據來計算實際距離的平均值，這個模型可以很好地從收集到的數據中統計出有效的距離估計值。同時為了更好的利用 RSSI 值估計節(jié)點與鄰節(jié)點之間的距離 ，需要建立一個 RSSI 模型。若芯片為 CC2420： ][2 5 6_ d B mR S S IV A LR S S I ?? （ ） 廣東工業(yè)大學碩士學位論文 14 ][__ d B mO F F S E TR S S IV A LR S S IP ?? （ ） 其中， RSSI 是一個 8 位的寄存器值； RSSI_VAL 為轉換前 RSSI 功率值，單位為 dBm， RSSI_OFFSET 是一個常數，約為 45dBm。若芯片是 CC1000： BATR S S I VVR S S I /)1 0 2 4*(? （ ） ][ d B mVP R S S I ??? （ ） ][0 d B mPPP c u r r e n t?? （ ） B a tc u r r e n t VPPR S S I /1 0 2 4*)())(( 0 ???? （ ） 其中， RSSI 是寄存器值，也就是節(jié)點接收到的信號強度值， VRSSI 是 A/D 轉換前的 RSSI 電壓值，單位為 (V)； Vbat 為電源電壓，該值為一個常數值 3V； Pcurrent是當前節(jié)點的發(fā)射功率，單位為 dBm； P0 為當節(jié)點與源節(jié)點足夠遠時接收到的功率值，一般來說 P0 取 80dBm； P 為功率衰減值。對于 CC1000 通信芯片， RSSI值是一個 10 位的寄存器值，而對于 CC2420，該值卻是一個 8 位的寄存器值。 CC1000的工作頻帶為 315MHz,868MHz,915MHz，數據傳送速率可達 ，適用于跳頻協議。 目前 很多定位算法都是利用 RSSI 技術實現的。前者需要測量相鄰節(jié)點間的絕對距離或方位，然后利用該實際距離來確定未知目標節(jié)點位置；后者則僅利用節(jié)點間距離關聯關系計算目標節(jié)點位置 [35] 。最后根據已知的 r1， ? ?11,ooxy ， r2， ? ?22,ooxy ， r3， ? ?33,ooxy ，采用三邊測量法確定 D 點坐標。 圖 24 三角測量法示意圖 Fig. 24 Triangulation Method Principle 對于節(jié)點 A， C 和角 ? ADC，如果弧段 AC 在 ? ABC 內，那么能夠唯一確定一個圓，設圓心為 ? ?111 ,ooO x y ，半徑為 r1，那么 ? ?1 22A O C A D C??? ? ? ? ?，并存在下列公式： ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?111122122122 22112 2 c o so a o ao b o ba c a cx x y y rx x y y rx x y y r r ?? ? ? ? ????? ? ? ???? ? ? ? ? ??? () 由式 ()能夠確定圓心 O1 點的坐標和半徑 r1。 總的來說，針對節(jié)點的定位算法都是在理想的仿真環(huán)境下進行研究的 ，當節(jié)點處于存在干擾或者移動的情況下，這些算法或不能夠實現節(jié)點精確的定位，或算法的計算量太大 。這樣建立起來的等式方程組沒有解，根本無法實現對節(jié)點的定位。如下圖 21 所示，當節(jié)點 P1， P2， P3 未知節(jié)點P 發(fā)出的定位信號時，根據 RSSI 值，可以得到 P1 到 P， P2 到 P， P3 到 P 的距離 d1， d2， d3；分別以 P1， P2， P3 為圓心， d1， d2， d3 為半徑作圓，通 過這 3 個圓相交區(qū)域定出未知節(jié)點的位置。那么，存在下列公式： 第二章 傳感器網絡常用節(jié)點定位算法相關研究 11? ? ? ? 222 111 dYYXX ???? ? ? ? ? 222 222 dYYXX ???? ∶ ? ? ? ? 222 dnYYnXXn ???? () 最后，使用標準的最小均方差估計方法可以得到未知節(jié)點 D 的坐標。因此可以使用更多的節(jié)點以獲得冗余信息來計算未知節(jié)點的位置。 本章 首先介紹無線傳感器網絡常用的定位方式及其實現，然后 介紹常用的 基于測距和無需測距的 定位算法，并根據這些算法的特點，分析其優(yōu)缺點，為下一章提出新的 基于移動信標的 定位算法奠定了理論基礎。因為信標節(jié)點造價往往比普通節(jié)點高，在許多固定的傳感器網絡中，定位成功后信標節(jié)點將轉為普通節(jié)點使用，極大的浪費了資源。 基于信標節(jié)點的定位 算法的 一個 重要特征是定位精度取決于 信標 點密度 。 基于信標節(jié)點的定位 算法依賴于某些已知坐標位置的節(jié)點。利用 AMP 所有節(jié)點從隨機初始坐標分配開始，只利用局部距離估計和通過局部信息交換收斂到一個與距離 估計一致的坐標分配。 SDGPSN 算法和 SPA 算法相比，通信開銷明顯 降低 ，這使得它更適于大規(guī)模無線傳感器網絡的部署。節(jié)點域廣東工業(yè)大學碩士學位論文 10 內的所有其他從節(jié)點通過選擇適當的輔助節(jié)點對來計算其在此局部坐標系中的坐標?；舅枷?:網絡部署完后，每個傳感器節(jié)點開始運行一個隨機的定時器，如果與鄰居節(jié)點相比，節(jié)點 i的定時器最先到期且沒有收到任何鄰居節(jié)點的消息，則 i升級為主節(jié)點，并向鄰居節(jié)點廣播此消息，所有接收到該消息的鄰居節(jié)點中止其定時器并成為該主節(jié)點的從節(jié)點。 SPA 算法的主要缺點是網絡通信開銷太大。 SPA 算法選擇網絡中密度最大處的一組節(jié)點作為建立網絡全局坐標系統的參考點，并在其中選擇連通度最大的一個節(jié)點作為坐標系統的原點。 在某些無需網絡節(jié)點絕對位置的應用中，可以采用無 信標節(jié)點的 定位算法來實現整個網絡的相對定位。絕對定位可為網絡提供唯一的命名空間 ， 受節(jié)點移動性影響較小 ， 有更廣泛的應用領域 。 結合基于 VWMC 的傳感器網絡移動節(jié)點定位算法以及 錨節(jié)點動態(tài)調整策略，提出了基于錨節(jié)點動態(tài)調整的傳感器網絡移動節(jié)點定位算法，提高了算法對外界干擾的抵御能力 。 提出基于 VWMC（ Voronoi and Weight Monte Carlo Method）的傳感器網絡移動節(jié)點定位算法，該算法在 MCL（ Monte Carlo Localization）算法的基礎上加入 Voronoi圖和權值分析技術。 對基于錨節(jié)點動態(tài)調整的傳感器網絡移動節(jié)點定位系統進行了研究，該系統能夠實現移動 節(jié)點的高效率定位。同時，把節(jié)點放在車載平臺上，實現節(jié)點的移動 。節(jié)點 采用 MSP430 低功耗單片機，芯片集成 SPI， IIC， 12 位 A/D 等標準接口，可以通過 SPI 接口與射頻模塊 CC2420 進行連接，節(jié)點還設計了了標準的傳感器接口，可以通過接口連接到常用的傳感器模塊。 無線傳感器網絡移動節(jié)點定位系統的硬件系統需要根據上面所述的要求建立合適的傳感器系統， 為此設計的 傳感器移動節(jié)點主要由低功耗的微處理器，射頻模塊，傳感器接口 ， 電源模塊 以及車載平臺 5 部分組成，如圖 21 所示 ，普通節(jié)點則沒有車載平臺。 廣東工業(yè)大學碩士學位論文 8 傳感器節(jié)點主要由低功耗的單片機，無線射頻模塊以及車載平臺等組成，它首先采集各個模擬信號，把模擬信號轉化成數字信號，經過 單片機處理后，通過無線射頻模塊把數據傳送到匯聚節(jié)點。由于信標節(jié)點需要移動，其在網絡中的作用更為重要，需要根據傳感器網絡的特點 進行 移動信標 節(jié)點的設計及 無線傳感器網絡的應用系統的研究 。 當前絕大多數節(jié)點定位算法均假設網絡中存在少量 信標 節(jié)點，以實現整個網絡的絕對定位。 第二章 傳感器網絡常用節(jié)點定位算法相關研究 7 第 二 章 傳感器網絡常用節(jié)點定位算法 相關研究 無線傳感器網絡節(jié)點定位 方法的 不同，分成兩種定位類型： 基于信標節(jié)點和不基于信標節(jié)點 (也有論著將其分為無錨節(jié)點和有錨節(jié)點 的定位算法，信標節(jié)點也可稱為錨節(jié)點 )。 第 4 章 結合基于 移動 信標 改進的 DVHop 定位算法，提出了 面向無線傳感器網絡 的移動 信標 的路徑規(guī)劃方法，把圖論引入 信標 移動路徑規(guī)劃 ， 獲取針對所處網絡連通狀況的優(yōu)化 信標 移動路徑。 第 2 章 介紹了信標節(jié)點定位算法的相關工作， 闡述了常用的 基于移動 信標的 無線傳感器節(jié)點定位算法，并分析了 這幾 種 常用 算法的 特點 。 文章結構層次安排如下： 第 1 章 闡述 了本課題的研究背景、研究意義及項目來 源。仿真證明，相對于 DVHop 算法， 基于 移動 信標 改進的 DVHop 定位算法 降低了定位的成本和布網的復雜度 ， 提高節(jié)點定位的精度和效率。 提出基于 移動 信標 改進的 DVHop 定位算法 ， 該算法在 DVHop 定位算法的基礎 上，利用一個移動的信標節(jié)點在網絡中按預定的路徑移動并不斷的廣播自己的位置信息，形成多個虛擬信標，未知節(jié)點采用加權處理的方法計算平均跳距及其與各虛擬信標的距離，最后利用三邊測量法計算未知節(jié)點的位置信息，實現節(jié)點精確定位 。 本論文的主要研究內容與結構 針對 無線 傳感器網絡 基于信標節(jié)點的 無需測距 定位 算法 精度低， 定位效率低的情況，本文提出基于 移動 信標 優(yōu)化路徑 的 無線 傳感器網絡節(jié)點定位 算法 。 根據現有的路徑規(guī)劃方法，可 以把路徑的規(guī)劃分為靜態(tài)和動態(tài)規(guī)劃，靜態(tài)的路徑規(guī)劃與網絡的連通狀況無關，根據需要定位的 ROI 區(qū)域，規(guī)劃以盡可能短的路徑覆蓋區(qū)域為目標，目前靜態(tài)的路徑主要有隨機移動模型，高斯馬爾可夫移動模型，螺線移動模型和 SCAN 移動模型。 目前國內外主要的路徑規(guī)劃均為靜態(tài)的路徑，研究如何使移動節(jié)點的移動軌跡可以盡量覆蓋網絡區(qū)域。當采用移動信標在網絡中移動來廣播定位信息時，移動信標的移動路徑及廣播時間的選取，則很大程序上決定了網絡定位的能量消耗及定位的效率。 本 論文 針對 基于信標的定位算法需要較高的信標節(jié)點密度導致定位成本提高的情況，引入移動信標在網絡中移動并廣播自己的位置分組 信息在網絡中構成虛擬信標 的方法來定位未知節(jié)點， 在 DVHop 定位算法的基 礎上將移動信 標構成第一章 緒 論 5 的虛擬信標來計算平均跳距離并結合跳數信息來對未知節(jié)點定位， 通過 規(guī)劃優(yōu)化的路徑來提高定位效率。另外，增加普通節(jié)點的同時，也提高了隨機網絡的連通度。根據 信標 的即時位置信息，新位置的普通節(jié)點知道自身的位置。 文獻 [27] 則在 DVHop 的 基礎 上 引入 移 動 的 信標 形成 一 種新 的MADVHop 算法，實現在不提高硬件成本的情況下 ，又能達到同樣定位效果的構想。 通過移動 信標 來定位的主要思想是：移動 信標 在“感興趣的區(qū)域內（ Region of interest，簡稱 ROI）” [24] 移動的過程中，不斷的廣播包含其當前位置信息的分組，在其通信半徑內的節(jié)點將接收到這些廣播分組，當未知節(jié)點接收到三個或者三個以上的與其距離為 R 的位置信息時，就可以利用三邊測量法或極大似然估計法 [17] 計算該未知節(jié)點的位置。 通過移動 信標 ，或者說移動信標來對整個網絡的未知節(jié)點進行定位的方法是最來興起的一種新的定位方法，將節(jié)點裝載在移動機器人上或是進行節(jié)點撒播的飛行器上，并且該節(jié)點裝有 GPS 或其他定位裝置，這樣就構造了移動 信標 [23] 。 無需測距（ rangefree）的定位算法不需要直接測量距離信息，而是根據網絡的連通性確定網絡中節(jié)點之間的跳數，同時根據已知位置參考節(jié)點的位置等信息估計每一跳的大致距離，然后估出節(jié)點在網絡中的位置 [22] 。為此，