狹長空間無線感知節點布置策略及定位算法

摘要：因為人們對無線感知節點在一些狹長空間場所的研究較少，受空間限制，無線感知節點及其網絡在這些場所應用具有與開闊空間不同的特征，所以對目前應用于開闊環境下的無線感知節點定位算法進行了修正，給出了應用于狹長空間的無線感知節點定位算法。同時對狹長空間的錨節點布置方法進行了研究，給出一種較優的錨節點布置策略。理論分析、計算機仿真和實驗驗證表明：該算法及其錨節點布置策略在狹長空間應用中對未知節點具有很好的定位精度。

關鍵詞：狹長空間；無線感知節點；錨節點布置；定位算法

中圖分類號：TP3文獻標志碼：A

[WT]文章編號：1672-1098（2012）04-0006-04

基金項目：國家自然科學基金資助項目（61170060）；安徽省自然科學基金資助項目（11040606M135）；安徽省高等學校自然科學基金重點項目（KJ2011A083）；淮南市科技計劃項目（2011A07904）

作者簡介：李敬兆（1964-），男，安徽淮南人，教授，博士，主要從事智能控制教學與研究工作。

“物聯網”為各行各業的安全生產監督管理引入了新的理念、技術和方法。目前專家普遍認同的是將人、物識別和各類監控子系統均納入到一起的大物聯網系統中。因此物聯網在各行各業中的應用就是通過各種感知技術、信息傳輸與處理技術，將人員、物質、環境等物理系統與信息系統的高度整合，實現對整個系統的智能控制與管理[1]。在物聯網的許多應用中，需要確定無線感知節點的位置信息，如物品的跟蹤、設備的管理、人員的定位等。目前在寬闊的環境中，無線感知網絡得到許多學者的研究和廣泛應用。而人們對無線感知節點在一些狹長空間場所的研究較少，受空間限制，無線感知節點及其網絡在這些場所應用具有與開闊空間不同的特征[2]。為此，本文對狹長空間無線感知節點定位算法及布置策略進行了研究。

1狹長空間定位算法

在無線感知節點的眾多算法中，基于收發信號強度的方法，更適合于狹長空間[3]。對于無線網絡感知節點而言，其收發功率的關系由式（1）表示。

由式（1），就能夠得到式（2）計算距離的公式。

然而，由于無線信號的發射功率和接收功率一般用dBm表示[4]。因此式（2）在實際測試和仿真中不可使用。為了使無線信號的發射功率和接收功率能夠用dBm表示，對式（2）兩邊取對數，并在兩邊同乘10，得到式（3）。

式（3）變換后得式（4）

2三種不同無線感知節點布置方法

首先，對于狹長空間環境n的取值進行了實驗、計算。計算以式（7）為依據，經反復實驗，并與實際位置進行比較，得到實驗環境下的A、B、C和n，分別為0.95、-0.22、-40和2.3，以此對不同節點布置情況下定位進行研究。

實驗采用ZIGBEE開發板，錨節點采用CC2431、未知節點采用CC2430（見圖1）。實驗測試時節點接收信號強度截圖如圖2所示。

下面三種節點布置方法均采用未知節點到錨節點的實際距離和錨節點的坐標來估計未知節點的位置，具體實施如下。

首先，將錨節點的位置均勻布放，且每個錨節點的縱、橫坐標均已知，隨機分布未知節點。其次，用Dall（i，j）表示第i個節點到第j個節點的計算距離，當未知節點生成后，通過計算，得到Dall（i，j）矩陣。再次，考慮到信號強度值受距離的影響，在實驗環境下，經過多次實驗，得到無線網絡的平均傳輸半徑為240m，為了使更多錨節點能夠參與定位計算中，通過定位精度，在此采用的是每隔20m設定一個傳感器節點，那么對于任意一個未知節點，它到兩個錨節點的距離小于sqrt（52+1202）≈120m。這里，將120m作為一個限定閾，每個未知節點尋找與其距離小于這個限定閾的錨節點，找到后通過這兩個錨節點到其距離和這兩個錨節點的已知位置來實現這個未知節點的定向和定位。對于多于兩個錨節點的情況，其它錨節點的收發信號用于對對上述兩個錨節點求得距離進行修正，在此，主要關心的是水平距離，也就是橫坐標參數。

2.1 20m范圍內布置兩個錨節點的未知節點定位

首先在120m×5m的區域，設定兩個錨節點，坐標分別為（0，0）和（120，5）。將未知節點隨機分布在這個矩形區域內，在此先隨機產生十八個未知節點。這里用圓圈o代表通過測量得到的未知節點位置，用星號*代表通過這兩個錨節點估計的未知節點的位置。

通過測量得到未知節點的實際位置和通過式（7）由實驗得到的接收節點的信號強度計算的估計位置分布如圖3所示。

每個未知節點的實際位置與計算估計位置之間的誤差如圖4所示。

在這種錨節點布置情況下，得到未知節點的平均定位誤差為1.3679m。

2.2 40m范圍內布置三個錨節點的未知節點定位

接著將錨節點的個數增加到3個，這次將定位區域設為240m×5m，錨節點的坐標分別為（0，0），（120，2.5）和（240，5）。之所以這樣進行布置錨節點，是基于理論分析和多次實驗基礎上，得出狹長空間沿同一水平布置，沒有沿斜線布置更適合無線信號的傳輸。

在這種錨節點布置情況下，通過測量得到未知節點的實際位置和通過式（7）由實驗得到的接收節點的信號強度計算的估計位置分布如圖5所示。

每個未知節點的實際位置與計算估計位置之間的誤差如圖6所示。

這種情況下，未知節點的平均定位誤差為1.2279m。

2.3 200m范圍內11個錨節點的定位

為了反映狹長空間的真實情況，在1200m×5m的矩形區域，11個錨節點位置已知，錨節點矩陣如下：Beacon=[0，120，240，360，480，600，720，840，960，1080，1200；0，2.5，5，2.5，0，2.5，5，2.5，0，2.5，5]；其中第一行為錨節點的橫坐標，第二行為其的縱坐標。錨節點的這種布置策略，其定位精度遠高于其他布置策略。

此實驗環境下，未知節點的實際位置和估計位置的分布如圖7所示。

其每個未知節點的實際位置與計算估計位置之間的誤差如圖8所示。

在1200m范圍布置11個錨節點情況下，未知節點的平均定位誤差為0.2412m。

3不同錨節點布置的定位分析

與一般開闊空間的定位不同，對于狹長空間，由于其寬度和高度均有限，一般不超過幾m，因此，對其寬度和高度的定位意義不大，實際中主要關注的是長度范圍的定位。因此僅對水平距離也就是橫坐標定位進行了分析。

三種定位的誤差均小于1.4m。第一種情況，由于只使用了兩個錨節點來對未知節點定位，因而定位精度較低；第二種情況，增加了120m距離，又增加了一個錨節點。在距離較近的兩個錨節點進行定位定向后，還有一個錨節點的計算值對其定位進行修正，因而定位精度得到了提高，誤差有所降低；第三種情況，在1200m的狹長空間中均勻布置了11個錨節點，同樣在距離較近的兩個錨節點進行定位定向后，在信號接收范圍內一般還有兩個錨節點的計算值對其定位進行修正，因而定位精度得到了很大提高，只有零點幾米的誤差。此種情況更符合實際狹長空間錨節點分布和未知節點定位情況，因而具有更大的應用價值。

4結束語

無線感知定位技術在很多領域得到廣泛應用，由于狹長空間的特殊性，一般方法難以在此應用。通過理論分析與實驗、仿真，本文給出了應用于狹長空間的無線感知節點定位算法。基于此算法，通過反復實驗、比較，給出了一種較優的適用于狹長空間的錨節點布置策略。實驗表明：該算法及其錨節點布置策略在狹長空間應用中具有很好的定位精度，可廣泛應用于煤礦巷道等狹長空間的人員、設備等定位中。

參考文獻：

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[3]TOMASZCISZKOWSKI，IGORDUNAJEWSKI，ZBIGNIEWKOTULSKI.ReputationasoptimalitymeasureinWirelessSensorNetwork-basedmonitoringsystems[J].ProbabilisticEngineeringMechanics，2011，26（1）：67-75.

[4]付華，胡雅馨.一種改進的無線傳感器網絡信息融合技術[J].計算機系統應用，2010，19（7）：183-186.

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（責任編輯：李麗，范君）