無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的定位算法

摘要：從硬件設(shè)計(jì)入手，介紹了自主設(shè)計(jì)的以片上系統(tǒng)(SOC)STM32W108為核心的WSN節(jié)點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上采用了一種基于RSSI的加權(quán)質(zhì)心定位算法實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)的自定位。該算法將RSSI測(cè)距和質(zhì)心定位算法相結(jié)合，用測(cè)得的RSSI值作為質(zhì)心定位的加權(quán)因子，合理體現(xiàn)了不同錨節(jié)點(diǎn)對(duì)定位未知節(jié)點(diǎn)的約束力。通過測(cè)試證明，該定位方法在較少的通信開銷情況下具有較高的定位精度，且易于實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；接收信號(hào)強(qiáng)度指示；節(jié)點(diǎn)定位；加權(quán)質(zhì)心定位

    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，大多數(shù)情況下，監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)必須結(jié)合實(shí)際的位置信息才有價(jià)值，這些位置信息主要包括事件發(fā)生的位置和WSN節(jié)點(diǎn)的位置，節(jié)點(diǎn)的位置是定位事件發(fā)生位置的基礎(chǔ)。獲取節(jié)點(diǎn)位置信息最直接的方法是采用人工部署或GPS定位，但是對(duì)于大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，由于成本的制約和應(yīng)用條件的限制，以上兩種方法實(shí)現(xiàn)起來都不理想。因此有必要采取相應(yīng)的定位算法措施來解決目前大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)位置信息的需求。
    依據(jù)是否需要通過測(cè)量節(jié)點(diǎn)的距離信息把定位方法分為兩類：基于測(cè)距(rang—based)和不基于測(cè)距(rang—free)。前者是利用測(cè)量得到的距離或角度信息來進(jìn)行位置計(jì)算，主要有TOA、TDOA、AOA和RSSI；后者是利用節(jié)點(diǎn)的連通性和多跳路由信息交換等方法來估計(jì)節(jié)點(diǎn)間的距離或角度，并完成位置估計(jì)，主要有DV—Hop、質(zhì)心算法等。兩類定位算法各有優(yōu)點(diǎn)，相比之下，基于距離的定位算法測(cè)量精度較高但是需要額外的硬件，不基于距離的定位算法對(duì)硬件要求較低但是定位誤差較大。本設(shè)計(jì)在自主設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)硬件基礎(chǔ)上，采用了將RSSI測(cè)距和質(zhì)心定位方法結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)的自定位，避免了使用單一定位方法的不足，提高了定位精度。

1 WSN節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
1．1 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案的確定
    WSN節(jié)點(diǎn)設(shè)汁有兩種方式：一種是NCP(network eoprocessor)——核心處理器和Zigbee網(wǎng)絡(luò)處理器分開，另一種是SOC(system on chip) ——使用包含無線射頻功能的核心處理器。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)大部分采用了NCP的方式，這種方式的優(yōu)勢(shì)在于應(yīng)用程序和Zigbee協(xié)議間可以分開設(shè)計(jì)，核心處理器的選擇很靈活，可以是8位的單片機(jī)，也可以是運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)的高級(jí)ARM，但是由于需要兩個(gè)處理器，就意味著增加了成本，且增加了節(jié)點(diǎn)的功耗，對(duì)于電池供電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，增大了功耗就使得整的網(wǎng)絡(luò)的壽命減少。而SOC的方式，大大減小了功耗和成本，且隨著芯片工藝的進(jìn)步，SOC內(nèi)部的資源已經(jīng)不再是限制其使用的瓶頸。故本設(shè)計(jì)采用了SOC的方式，選用了意法半導(dǎo)體最新推出的射頻SOC—STM32W108。
1．2 STM32W108簡(jiǎn)介
    STM32W108是意法半導(dǎo)體推出的一款WSN專SOC。該芯片采用32位ARM Cortex—M3內(nèi)核，具有較強(qiáng)的處理能力，內(nèi)部集成了符合IEEE80 2．15．4標(biāo)準(zhǔn)的2．4 GHz射頻收發(fā)器，且芯片內(nèi)部帶有功率放大器，最大輸出功率可達(dá)7 dB，芯片內(nèi)部同化了Zigbee 2007 Pro協(xié)議棧，用戶根據(jù)ST官網(wǎng)提供的API函數(shù)就可實(shí)現(xiàn)Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的收發(fā)。
1．3 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
    實(shí)際設(shè)計(jì)中，選用了由上海沁科公司基于STM32W108生產(chǎn)的Zigbee模塊——EMZ3018A，該模塊采用了類似郵票孔的焊盤，可以很方便的焊接在PCB板上。圍繞著該模塊實(shí)現(xiàn)了外圍電路的設(shè)計(jì)，主要包括：電源模塊、SD卡存儲(chǔ)模塊、藍(lán)牙模塊、接口擴(kuò)展模塊，下面分別進(jìn)行詳細(xì)介紹：
    (1)電源模塊
    由于STM32W108的工作電壓要求是2．1～3．6 V，而SD卡和藍(lán)牙模塊要求是33 V供電，故選擇了3．3 V輸出的低壓差線性穩(wěn)壓芯片SP620 1-3．3，它的輸出電流能達(dá)到200 mA，滿足節(jié)點(diǎn)正常工作的需要，而且僅需要300 mV的壓差，3．6 V的鋰電池即可滿足要求。電源電路如圖1所示。

    (2)存儲(chǔ)模塊
    考慮到節(jié)點(diǎn)在后期的實(shí)際監(jiān)測(cè)中需要存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)，一般的存儲(chǔ)芯片容量較小且價(jià)格較高，故本設(shè)計(jì)選用了大容量的存儲(chǔ)設(shè)備SD卡，而且SD卡支持FAT32文件系統(tǒng)，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可以直接在PC上瀆取，實(shí)際應(yīng)用中方便人工現(xiàn)場(chǎng)取數(shù)。同時(shí)SD卡支持SPI接口，操作方便。電路如圖2所示。

    (3)藍(lán)牙模塊
    藍(lán)牙模塊只在中心節(jié)點(diǎn)上安裝，主要是為網(wǎng)關(guān)與中心節(jié)點(diǎn)通信服務(wù)的。本設(shè)計(jì)選用的是BMX藍(lán)牙模塊，其操作很方便，通過串口和STM32 W108連接，網(wǎng)關(guān)通過藍(lán)牙配對(duì)成功后即可實(shí)現(xiàn)和中心節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)透?jìng)鳌Ｋ{(lán)牙模塊電路如圖3所示。

    (4)接口擴(kuò)展模塊
    考慮到節(jié)點(diǎn)的體積和實(shí)際應(yīng)用中的不同需求因而選用不同的傳感器，故將I2C接口、SPI接口、和STM32W108的內(nèi)部12位AD的6路接口引出來，做成插針封裝。使用時(shí)，在PCB上焊接雙排插針母座，然后根據(jù)需要單獨(dú)做出傳感器板插接到節(jié)點(diǎn)上，即可實(shí)現(xiàn)大部分傳感器的采集。

2 基于RSSI測(cè)距的加權(quán)質(zhì)心定位原理
    在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的位置是否己知，將節(jié)點(diǎn)分為未知節(jié)點(diǎn)和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。未知節(jié)點(diǎn)表示節(jié)點(diǎn)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的位置需要定位，而信標(biāo)節(jié)點(diǎn)也稱為錨節(jié)點(diǎn)，表示其位置已經(jīng)確定。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)是通過人工事先放置好或者在節(jié)點(diǎn)上增加GPS模塊得到自身位置。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)是未知節(jié)點(diǎn)定位時(shí)的參考點(diǎn)，但是由于功耗和成本的限制，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)不能太多。
2．1 RSSI測(cè)距原理
    RSSI (received signal strength indicator)測(cè)距原理：利用節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)強(qiáng)度與節(jié)點(diǎn)距離成反比的關(guān)系，通過測(cè)量接收到的信號(hào)強(qiáng)度和已知的信道衰落模型，估算出節(jié)點(diǎn)之間的距離。無線信號(hào)的發(fā)射功率和接收功率之間的關(guān)系可以用式(1)表示
   
    PR是無線信號(hào)的接收功率，PT是無線信號(hào)的發(fā)送功率，d是收發(fā)單元之間的距離，n是傳播因子，數(shù)值大小取決于無線信號(hào)傳播的環(huán)境。給上式兩邊取對(duì)數(shù)得
    10lgPR=10lgPT-10n·lgd     (2)
    當(dāng)距離d=1 m時(shí)，PR=Pr，令10 lg RT=10 lg R=A，即是距離發(fā)射節(jié)點(diǎn)1 m遠(yuǎn)處的信號(hào)接收強(qiáng)度，將(2)式化簡(jiǎn)為
    PR(dBm)=A-10*nlgd       (3)
    可以看出常數(shù)A和n決定了接收信號(hào)強(qiáng)度和傳輸距離的關(guān)系。A值為無線收發(fā)節(jié)點(diǎn)相距1 m時(shí)接收節(jié)點(diǎn)接收到的無線信號(hào)強(qiáng)度值，n值是無線信號(hào)的傳播因子，這兩個(gè)值都是經(jīng)驗(yàn)值，和具體使用的硬件節(jié)點(diǎn)和無線信號(hào)傳播的環(huán)境密切相關(guān)，所以測(cè)距前必須在應(yīng)用環(huán)境中把兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)值標(biāo)定好，然后根據(jù)(3)式就可以求出距離d。
2．2 質(zhì)心定位原理
    質(zhì)心定位的原理是：未知節(jié)點(diǎn)以所有在其通信范圍內(nèi)錨節(jié)點(diǎn)組成的幾何形狀的質(zhì)心作為自己的估計(jì)位置。質(zhì)心坐標(biāo)就是多邊形各頂點(diǎn)坐標(biāo)的平均值。
    具體實(shí)現(xiàn)過程為：錨節(jié)點(diǎn)周期性的向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)信標(biāo)信號(hào)，信號(hào)中包含有錨節(jié)點(diǎn)自身的ID和位置信息，未知節(jié)點(diǎn)接收到信標(biāo)信號(hào)以后將其存儲(chǔ)起來。當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)在一段偵聽時(shí)間內(nèi)接收到來自某個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)信號(hào)數(shù)量超過預(yù)設(shè)的門限后，就認(rèn)為該錨節(jié)點(diǎn)與自身連通，最終該未知節(jié)點(diǎn)將自身位置確定為所有與之連通的錨節(jié)點(diǎn)所組成的多邊形的質(zhì)心。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的n個(gè)固定錨節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為(Xi，Yi)，其中1≤i ≤n，未知節(jié)點(diǎn)M的估測(cè)位置坐標(biāo)為(Xm，Ym)，那么質(zhì)心定位計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)公式如下：
   
2．3 基于RSSI的加權(quán)質(zhì)心定位
    傳統(tǒng)的質(zhì)心定位算法忽略了不同距離的錨節(jié)點(diǎn)對(duì)質(zhì)心定位精度的影響，針對(duì)傳統(tǒng)質(zhì)心定位算法的缺陷，將RSSI信息引入可以起到輔助信息的作用。其基本思想是：在確定了未知節(jié)點(diǎn)所在的多邊形以后，首先根據(jù)未知節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)通信時(shí)獲取到的RSSI值計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)和各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)之間的距離d，然后以wi=1／di作為加權(quán)質(zhì)心定位算法中的權(quán)值，計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。
    假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的n個(gè)同定錨節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為(Xi，Yi)，其中1≤i≤n，未知節(jié)點(diǎn)M的估測(cè)位置坐標(biāo)為(Xm，Ym)，那么加權(quán)質(zhì)心計(jì)算公式5如下：
   
    這樣選擇加權(quán)因子能夠體現(xiàn)出與未知節(jié)點(diǎn)距離不同的錨節(jié)點(diǎn)對(duì)未知節(jié)點(diǎn)定位的決定權(quán)的大小，其約束力符合加權(quán)質(zhì)心算法的要求。

3 節(jié)點(diǎn)定位的實(shí)現(xiàn)
3．1 定位系統(tǒng)的工作原理
    節(jié)點(diǎn)的定位計(jì)算主要是在網(wǎng)關(guān)上完成的。本定位系統(tǒng)中采用了Android平板電腦做網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過監(jiān)牙通信和中心節(jié)點(diǎn)上的藍(lán)牙模塊建立連接，藍(lán)牙配對(duì)成功后，中心節(jié)點(diǎn)將未知節(jié)點(diǎn)上傳的與之通信錨節(jié)點(diǎn)的RSSI值和對(duì)應(yīng)錨節(jié)點(diǎn)ID信息通過藍(lán)牙模塊無線透?jìng)鹘o網(wǎng)關(guān)，在網(wǎng)關(guān)上進(jìn)行計(jì)算。定位系統(tǒng)原理如圖4所示。

3．2 定位實(shí)現(xiàn)的步驟
    (1) RSSI值的獲取
    在成功組建Zigbee網(wǎng)絡(luò)后，錨節(jié)點(diǎn)周期性的向周同廣播一個(gè)包含自身ID的信標(biāo)信號(hào)，在通信范圍內(nèi)的未知節(jié)點(diǎn)接收到信標(biāo)信號(hào)以后，通過調(diào)用API函數(shù)獲取與自己通信錨節(jié)點(diǎn)的RSSI值和對(duì)應(yīng)的錨節(jié)點(diǎn)ID號(hào)，使用的API函數(shù)主要包括：emberIneoming MessageHandler主要是處理節(jié)點(diǎn)接收到的信息，在這個(gè)函數(shù)里面再調(diào)用API函數(shù)emberGetSender，獲取發(fā)送節(jié)點(diǎn)編號(hào)(node ID)：調(diào)用API函數(shù)emberGetLastHopRssi，獲取目前接收信息的信號(hào)強(qiáng)度；調(diào)用API函數(shù)emberSendUnicast將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)，最終在中心節(jié)點(diǎn)調(diào)用API函數(shù)emberSerialPri ntf將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。獲取RSSI值的部分代碼如下：
   
   

    在PC機(jī)上測(cè)試獲取到的RSSI值和ID節(jié)點(diǎn)信息，如圖5所示。

    (2)定位的計(jì)算
    在Android平板上提取出來與未知節(jié)點(diǎn)通信超過所設(shè)閾值的錨節(jié)點(diǎn)ID號(hào)和RSSI值，并對(duì)RSSI值求平均值，根據(jù)事先標(biāo)定出的A值和當(dāng)前環(huán)境傳播因子n，通過式計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)和每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)之間的距離di，最后通過式(5)計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。

4 定位的測(cè)試
    基于RSSI測(cè)距時(shí)需要標(biāo)定出(3)式中的常數(shù)A和傳播因子n。標(biāo)定這個(gè)兩個(gè)因素可通過星型Zigbee網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，成功組網(wǎng)后將中心節(jié)點(diǎn)通過USB轉(zhuǎn)串口線和PC機(jī)相連，通過串口調(diào)試器觀察中心節(jié)點(diǎn)獲取的RSSI值和對(duì)應(yīng)子節(jié)點(diǎn)ID號(hào)。
4．1 A值的標(biāo)定
    A值即距離發(fā)射節(jié)點(diǎn)1m遠(yuǎn)處接收到的信號(hào)強(qiáng)度，為了減小誤差，同時(shí)測(cè)量了距離中心節(jié)點(diǎn)1 m遠(yuǎn)的三個(gè)不同方向上中心節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)通信的RSSI值，如圖6所示。

    共測(cè)試了9組數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

    經(jīng)過計(jì)算，中心節(jié)點(diǎn)在1 m遠(yuǎn)處接收到終端節(jié)點(diǎn)的RSSI平均值是-73．1052632，故取A=-73dBm。
4．2 n值的標(biāo)定
    基于已標(biāo)定的A，來標(biāo)定n值，，選擇測(cè)量直線相距發(fā)射節(jié)點(diǎn)5 m遠(yuǎn)處接收到的信號(hào)強(qiáng)度，共測(cè)量20組數(shù)據(jù)，如表2所示。

    經(jīng)過計(jì)算得n的平均值為2．5037，故選擇n=3。
4. 3 定位的測(cè)試
    定位測(cè)試在一片空曠的場(chǎng)地上進(jìn)行的，選擇了6個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組建Zigbee網(wǎng)絡(luò)，1個(gè)中心節(jié)點(diǎn)、1個(gè)未知節(jié)點(diǎn)和4個(gè)錨節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率設(shè)置為0 dBm。4個(gè)錨節(jié)點(diǎn)提前人工布置于一塊8 mx8 m的正方形地面四角，未知節(jié)點(diǎn)位于正方形中心，中心節(jié)點(diǎn)布置在正方形外圍，整個(gè)節(jié)點(diǎn)布局如圖7所示。

    測(cè)試中發(fā)現(xiàn)一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)沒有入網(wǎng)，未知節(jié)點(diǎn)與3個(gè)錨節(jié)點(diǎn)通信，接收到RSSI值如下表3所示：

    已知與未知節(jié)點(diǎn)通信的三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)為： (0，0)(0，8)(8，8)，A=-73，n=3，經(jīng)過計(jì)算得：未知節(jié)點(diǎn)和與之通信的3個(gè)錨節(jié)點(diǎn)通信的RSSI均值分別為-92．6、-93．2、-92．1，未知節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)之間的距離分別為：d1=4．501；d2=4．713；d3=4.332；未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為： (x，y)=(3.391，3．535)。
4．4 誤差分析
    實(shí)際情況下，未知節(jié)點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)應(yīng)該是(4，4)，實(shí)際箅出來的坐標(biāo)是(3．391，3．535)，所以實(shí)際測(cè)量是存在誤差的。誤差計(jì)算如下式：
   

5 結(jié)束語
    本文基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自主設(shè)計(jì)，采用基于RSSI的加權(quán)質(zhì)心算法實(shí)現(xiàn)了WSN節(jié)點(diǎn)的自定位。通過實(shí)際測(cè)試證明，相對(duì)于單一的質(zhì)心定位算法，該算法利用得到的RSSI作為權(quán)值來修正質(zhì)心定位的結(jié)果，提高了定位精度，且易于實(shí)現(xiàn)，能夠滿足大多數(shù)的實(shí)際應(yīng)用中定位的需求。另一方面，在實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，RSSI值易受到多徑、障礙物等環(huán)境因素的影響，故存RSSI測(cè)距中引進(jìn)了較多的誤差，基于RSSI測(cè)距的精度還有待進(jìn)一步的提高。