无线传感器网络中的信号强度比值定位方法及定位装置

摘要

本发明涉及无线传感器网络的信号强度比值定位方法，步骤为：1)网络中各节点进行初始化及格式化；2)参考节点调整其收发模块，写寄存器并广播自己的位置；3)未知节点j调整收发模块，接收到坐标信息，储存在数据模块中；4)未知节点使用其微处理模块为每个接收到的参考节点计算权值；5)如果接收到的参考节点大于3时，就使用其微处理模块通过右式计算位置节点的坐标；6)实现节点间通信。本发明的定位装置，微处理模块完成对节点的控制以及数据处理；储存模块保存数据；收发模块收发无线信号；系统启动固件，完成初始化工作，内存保存相关数据；本发明抗干扰能力强、误码率低、装置功耗低、可靠性高、具有较好的定位效果。

说明书

技术领域

本发明是属于无线传感器网络技术领域，具体涉及无线传感器网络WSN中的信号强度比值定位方法。

背景技术

无线传感器网络具有能量有限、通信距离较短、节点规模大且随机布置等特点，对定位方法有特殊的要求。现有的定位方法可以分为基于距离的定位方法和与距离无关的定位方法，前者需要测量节点之间的绝对距离或角度信息来确定位置，后者则无需测量节点间的绝对距离和角度，而是通过节点间的相对位置、网络拓扑、网络连通等相关信息来估算未知节点位置。

基于距离的定位方法定位精度高，但对节点的硬件要求较高，不符合无线传感器节点的低功耗、小体积等特点。而与距离无关的定位方法虽然定位误差较大，但实现简单、算法复杂度低、对环境因素依赖低，适用于无线传感器网络。与距离无关的定位方法主要以下几种：质心算法，该算法首先确定包含未知节点的区域，然后计算该区域的质心并将其作为未知节点的位置；距离矢量(DV-Hop Distance Vector-Hop)算法，该算法中的未知节点首先计算其与参考节点的最小跳数，估算平均每跳距离，然后使用最小跳数乘以平均每跳距离作为未知节点与参考节点间的估计距离，再使用极大似然估计法计算未知节点坐标；近似三角形内点测试法(APIT Approxamate Point-in-triangulation Test)，该方法先确定包含未知节点的三角形区域，这些三角形区域的交集是一个多边形，然后计算这个多边形的质心并将其作为未知节点的位置。

现有技术

质心算法是一种与距离无关的、粗略估算、低开销的定位方法，在2000年由N.Bulusu和J.Heidemann提出。在质心算法中参考节点首先广播自己的位置信息(x_j，y_j)，若未知节点收集到n个参考节点发来的信息，当n≥3时则未知节点坐标就使用已接收到的参考节点坐标的平均值来确定。

按照以上方法所确定的未知节点坐标与其实际位置有较大误差，当参考节点密度较高时，相对误差降低，因此它适用于在大规模的网络中粗略估计未知节点的位置。由于该方法基于理想信号传播模型的假设，所以与实际环境中信号的传播方式有较大出入。其优点是计算简单，在对精度不高的应用场景中有一定的实用价值。

考虑到在实际无线传感器网络中，距离未知节点较近的参考节点在计算未知节点的估算坐标时应具有较大权重，Jan Blumenthal等提出了加权质心算法(WCL Weight Centroid Localization)。

加权质心算法在计算未知节点坐标时引入了权重值w_ij，表示在计算未知节点j的坐标时参考节点i所占的比重。w_ij＝1/(d_ij)^g，其中d_ij表示参考节点i和未知节点j之间的距离，g代表度数。

d_ij可以由相关技术如接收信号强度(RSSI Received Signal StrengthIndicator)、连接质量(LQI Link Quality Indicator)得出。但由于RSSI和LQI的值不与距离成线性关系，受到环境、干扰等因素的影响，因此距离d_ij是粗略估算的距离，并不代表节点之间的真实距离。度数g与所采用的距离估算技术和环境有关，是一个经验值。通常情况下g取1。在计算未知节点坐标时，w_ij代表不同参考节点的权重值，通常距离未知节点较近的参考节点具有较大的权重值。因此计算出的坐标更靠近距离其较近的参考节点，提高了定位精度。

基于比值的加权质心方法提高了定位精度，但其对使用的权值若通过RSSI、LOI等方法计算误差较大，且对于环境较为依赖。不同环境下的RSSI和LQI值出入很大，导致定位方法可靠性不高。有文献中在实验结果中指出，在参考节点网格分布下，节点间通信距离是参考节点间距95％时，该方法可取得最佳效果，最大定位误差为通信距离的18％。

目前无线传感器网络的硬件节点的结构由电源管理模块、无线收发模块、微处理模块和数据储存模块组成。为了符合无线传感器网络的特点，其电源模块采用较为稳定的稳压器和电源；无线收发模块采用较高质量，误码率低的无线收发芯片；运算模块采用兼顾运算能力和能耗的芯片。从整体上来说无线传感器网络的节点设计要兼顾性能、功耗和成本的诸多因素。

发明内容

针对现有技术中对于无线传感器网络中，基于距离的定位方法定位精度高，但对节点的硬件要求也高；按照质心算法所确定的未知节点坐标与其实际位置有较大误差，当参考节点密度较高时，相对误差降低的技术问题，本发明提出一种无线传感器网络中的信号强度比值定位方法。

一种无线传感器网络中的信号强度比值定位方法，包括如下步骤：

1)初始化与格式化：网络中节点分别进行初始化，处理器模块运行启动程序、收发模块写寄存器，设置为休眠状态、储存模块对储存空间进行格式化；

2)广播发射信号：参考节点i分别调整其收发模块，写无线收发寄存器，将状态改变为发射状态并广播自己的坐标位置信息(x_i，y_i)；

3)接受信号：未知节点j调整其收发模块，写无线收发寄存器，将状态改为接收状态，j所接收信号强度最大的参考节点的信号强度记为P_maxj(d)，并储存在数据模块中；

4)加权处理：未知节点使用其微处理模块通过公式

$w_{\mathrm{ij}}=\frac{d_{\max }}{d_i}\approx {10}^{\left|P_{\max j}\left(d\right)\right|-\left|P_{\mathrm{ij}}\left(d\right)\right|}$

为每个接收到的参考节点计算权值w_ij；

5)确定节点位置：如果接收到的参考节点的权值大于一定的域值r_min且接收到参考节点数目大于3时，就使用其微处理模块通过公式

$(x_{\mathrm{est}\_j},y_{\mathrm{est}\_j})=(\frac{\underset{w_{\mathrm{ij}}>r_{\min }}{\Sigma }{w}_{\mathrm{ij}}·x_i}{\underset{w_{\mathrm{ij}}>r_{\min }}{\Sigma }{w}_{\mathrm{ij}}},\frac{\underset{w_{\mathrm{ij}}>r_{\min }}{\Sigma }{w}_{\mathrm{ij}}·y_i}{\underset{w_{\mathrm{ij}}>r_{\min }}{\Sigma }{w}_{\mathrm{ij}}})$

计算位置节点的坐标(x_{est_j}，y_{est_j})，确定了具体的节点位置；

6)实现节点间通信：将传感器收集到的各种信息和估算的坐标(x_{est_j}，y_{est_j})写入数据包，发送至参考节点，实现其节点间的通信。

一种无线传感器网络中的信号强度比值定位装置，对于参考节点与未知节点来说，定位装置都由以下模块构成：

微处理模块以S3C44B0X处理器与HY57V641602为内存构成，完成对节点的控制以及数据的处理功能；

数据储存模块以K9F2808U0C构成系统的文件系统，使得节点可以保存收集到的数据；

无线收发模块以CC1000芯片负责收发无线信号，起到无线数据的传输作用；

电源管理模块为整个系统提供稳定的电能。

SST39VF1601芯片烧入系统启动固件，完成系统的初始化工作；

其各自的信号流向为：

参考节点使用其微处理模块从数据存储模块中读取位置信息，与节点编号一起形成数据包，再通过收发模块将数据包发送出去。

未知节点接收参考节点发送的数据包，使用微处理模块读出数据包中的节点编号和位置信息存储在未知节点的数据存储模块中，未知节点的微处理模块再根据该信息计算自身的位置，如图6所示。

我们通过MATLAB仿真实验对比了不同参考节点通信半径、数量和分布形式下质心算法和比值加权定位算法的定位精度。同时也对比了当路径衰减指数n_p随环境变化时，比值加权定位算法和加权质心算法的误差。经过50次独立实验的平均误差对比情况，在参考节点随机分布的情况下，质心方法的平均定位精度误差为39.8％，RRWCL方法的平均定位精度误差为34.4％。RRWCL方法比质心方法提高精度13.5％；在网格分布的情况下，质心方法的平均定位精度误差为21.4％，RRWCL方法的平均定位精度误差为7.84％，RRWCL方法比质心方法提高精度63.36％；在等边三角形分布下，质心方法的平均定位精度误差为20.27％，RRWCL方法的平均定位精度误差为7.7％，RRWCL方法比质心方法提高精度62.01％。

附图说明

图1为本发明信号强度比值定位方法的中参考节点的流程框图

图2为本发明信号强度比值定位方法中未知节点的流程框图；

图3为无线传感器网络中参考节点和未知节点示意图；

图4为不同环境下权值w_ij的对比；

图5为本发明信号强度比值定位方法与质心方法的误差对比；

图6为传感器节点系统结构框图；

具体实施方式

一种无线传感器网络中的信号强度比值定位方法，包括如下步骤：

1)网络中节点分别进行初始化，处理器模块运行启动程序、收发模块写寄存器，设置为休眠状态、储存模块对储存空间进行格式化；

2)参考节点i分别调整其收发模块，写无线收发寄存器，将状态改为发射状态并广播自己的位置信息(x_i，y_i)；

3)未知节点j调整其收发模块，写无线收发寄存器，将状态改为接收状态，j接收参考节点i的位置信息(x_i，y_i)，所接收信号强度最大的参考节点的信号强度记为P_maxj(d)，并储存在数据模块中；

4)未知节点使用其微处理模块通过公式

$w_{\mathrm{ij}}=\frac{d_{\max }}{d_i}\approx {10}^{\left|P_{\max j}\left(d\right)\right|-\left|P_{\mathrm{ij}}\left(d\right)\right|}$

为每个接收到的参考节点计算权值w_ij；

5)如果接收到的参考节点的权值大于一定的域值r_min且接收到参考节点数目大于3时，就使用其微处理模块通过公式

$(x_{\mathrm{est}\_j},y_{\mathrm{est}\_j})=(\frac{\underset{w_{\mathrm{ij}}>r_{\min }}{\Sigma }{w}_{\mathrm{ij}}·x_i}{\underset{w_{\mathrm{ij}}>r_{\min }}{\Sigma }{w}_{\mathrm{ij}}},\frac{\underset{w_{\mathrm{ij}}>r_{\min }}{\Sigma }{w}_{\mathrm{ij}}·y_i}{\underset{w_{\mathrm{ij}}>r_{\min }}{\Sigma }{w}_{\mathrm{ij}}})$

计算位置节点的坐标(x_{est_j}，y_{est_j})；

6)实现节点间通信，将传感器收集到的各种信息和估算的坐标(x_{est_j}，y_{est_j})写入数据包，发送至参考节点。

该方法的流程框图如图1和图2所示。

该定位方法以未知节点与各个参考节点之间的信号强度的相对比值为权重，以此来确定未知节点坐标，提高了定位精度。由于引入了信号强度相对比值，该方法也降低了环境对定位精度的影响，具有较高的可靠性。

在加权质心定位方法中，权值的精确程度是影响定位精度性能的决定性因素。在传统的质心类的定位方法中，其权值往往不够精确并且受到环境因素影响较大。

本发明的无线传感器网络中的信号强度比值定位方法，在信号传输过程中普遍使用的信号衰减模型为对数常态模型，可用公式表示为：P(d)＝P₀-10n_p log d/d₀。它所计算出的信号强度单位为dBm(decibelmilliwatts)，这是一个表示信号强度绝对大小的值。考虑两个未知节点m和n接收到的参考节点i的信号强度分别为P_m(d)和P_n(d)，其差值为

$P_m\left(d\right)-P_n\left(d\right)=(P_0-{10n}_p\log \frac{d_m}{d_0})-(P_0+{10n}_p\log \frac{d_n}{d_0})$

该值表示两点信号强度的相对比值关系。

如图3所示，RN_i为随机分布的参考节点。①未知节点j可接收到参考节点RN_1-4的位置信息，假设从参考节点RN₁接收到的信号强度最大，记为RN_max其信号强度记为P_maxj(d)，②从其他参考节点i接收到的信号强度与其分别取比值：

$\left|P_{\max j}\left(d\right)\right|-\left|P_{\mathrm{ij}}\left(d\right)\right|=(P_0-10n_p\log \frac{d_i}{d_0})-(P_0+10n_p\log \frac{d_{\max }}{d_0})$

该值是未知节点从i参考节点接收到信号强度和其接收到的最大信号强度的相对比值，为使权重值符合质心算法要求我们取w_ij为：

$w_{\mathrm{ij}}=\frac{d_{\max }}{d_i}\approx {10}^{\left|P_{\max j}\left(d\right)\right|-\left|P_{\mathrm{ij}}\left(d\right)\right|}$

其中d_max表示信号强度最大的参考节点距离未知节点的距离。

w_ij是一个关于d_i的函数，理想状态下w_ij＝d_max/d_i。它受到接受信号强度误差、n_p随环境变化等因素的影响。图4表明这些因素对w_ij影响较小，w_ij的曲线接近于理想情况下的曲线。

硬件平台主要由以下几部分组成：微处理模块以S3C44B0X处理器为中心完成对节点的控制以及数据的处理功能；SST39VF1601芯片烧入系统启动固件，完成系统的初始化工作；HY57V641602为内存，保存系统运行中的相关数据；数据储存模块以K9F2808U0C构成系统的文件系统，使得节点可以保存收集到的数据；无线收发模块以CC1000芯片负责收发无线信号，起到无线数据的传输作用。

硬件平台的结构框图如图6所示，图中的虚线框中的定位系统是一个虚拟的定位系统，也就是本发明的定位方法中的计算程序构成的，它的计算结果由微处理模块通知无线收发模块发送到参考节点。

本发明的无线传感器网络中的信号强度比值定位装置的信号流向为：

参考节点使用其微处理模块从数据存储模块中读取位置信息，与节点编号一起形成数据包，再通过收发模块将数据包发送出去。

未知节点接收参考节点发送的数据包，使用微处理模块读出数据包中的节点编号和位置信息存储在未知节点的数据存储模块中，未知节点的微处理模块再根据该信息计算自身的位置。

本发明的硬件系统与现有技术的硬件系统是一致的。其中主要部分处理器模块中微处理器电路采用三星公司的S3C44B0X微控制器，它采用低功耗CMOS工艺生产，基于RISC结构，具有片内128KB的程序存储器(Flash)、4KB的数据存储器(SRAM)和4KB的EEPROM，有8个10位ADC通道、2个8位和2个16位硬件定时/计数器、8个PWM通道，具有可编程看门狗定时器和片上振荡器、片上模拟比较器、JTAG、UART、SPI、I2C总线等接口。S3C44B0X可在多种不同模式下工作，除了正常操作模式外，还具有六种不同等级的低能耗操作模式，因此该微控制器适合于低能耗的应用场合。S3C44B0X的工作时钟源可以选取外部晶振、外部RC振荡器、内部RC振荡器、外部时钟等方式。工作时钟的选择通过S3C44B0X的内部熔丝位来设计，熔丝位可以通过JTAG编程、ISP编程等方式设置。本发明中S3C44B0X采用两个外部晶振：14.3728MHz晶振作为S3C44B0X的工作时钟，32.768kHz晶振作为实时时钟源。

无线通信模块采用无线射频CC1000模块。它是Chipcon公司在2003年底推出的一款标准的无线收发模块，基于Chipcon公司的SmartRF03技术，使用CMOS工艺生产，工作电压低、能耗低、体积小，具有输出强度和收发频率可编程等特点。该芯片只需晶体振荡器及负载电容、输入/输出匹配元件和电源去耦电容等很少的外部元件即可正常工作，可确保短距离通信的有效性和可靠性，其最大收发速率为250kbps。

CC1000有33个16位配置寄存器、15个命令选通寄存器、1个128字节的发送FIFO缓存区、1个128字节的接收FIFO缓存区、1个112字节的安全信息存储器。CC1000与处理器的连接比较简便，它使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA四个引脚表示收发数据的状态；处理器通过SPI接口(CSn、SO、SI、SCLK)与CC1000交换数据、发送命令，使用RESETn引脚复位芯片，使用VREG EN引脚使能CC1000的电压调整器，使其产生CC1000所需要1.8V电压，从而使CC1000进入正常工作的状态，CC1000通过单极天线或PCB天线进行通信。

该硬件平台具有微功率发射；高抗干扰能力和低误码率；低功耗、高可靠性、体积小、重量轻；无线传输器件模块化等特点，符合无线传感器网络对于硬件节点的要求，有利于定位算法的实现。