一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)精確定位的方法

摘要：在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)經(jīng)常被布設(shè)在大面積的農(nóng)田環(huán)境里，由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、節(jié)點(diǎn)數(shù)目多、節(jié)點(diǎn)能量有限等特點(diǎn)，如何對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位是最為重要的事情。為了延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的存活時(shí)間，就需要在節(jié)點(diǎn)通信過(guò)程中盡可能提高定位的精度。為此提出了一種利用距離和角度相結(jié)合的定位方法來(lái)解決這類問(wèn)題。分析結(jié)果表明，采用該方案節(jié)省了節(jié)點(diǎn)能量，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；定位；距離；角度

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）12-2923-03

A Method for Accurate Location of Nodes in Wireless Sensor Network

TONG Lin1，CHAI Bao-jie1，MA Bao-ying2

（1. Engineering Institute， Mudanjiang Normal University， Mudanjiang 157011， Heilongjiang， China；

2. College of Health and Management， Mudanjiang Medical University， Mudanjiang 157011， Heilongjiang， China）

Abstract： In the wireless sensor network， sensor nodes are often located in large area farmland environment， due to the large network size， numerous nodes and limited node energy， locating accurate position of the nodes was very important. In order to extend the survival time of node， the locating should be as accuracy as possible in the communication process. A locating method combing distance and angle position was proposed， and it was proved that this method could save node energy while extend the network lifetime.

Key words： wireless sensor networks； position； distance； angle

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，但在應(yīng)用上需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一就是網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)的精確定位，該問(wèn)題現(xiàn)在已經(jīng)成為領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。為此，國(guó)外啟動(dòng)了許多關(guān)于WSN（Wireless sensor network）的研究計(jì)劃，如Pico-Radio[1]、WINS[2]、Smart dust[3]、μAMPS[4]等。

從ATT公司開(kāi)發(fā)出室內(nèi)定位系統(tǒng)Active badge至今，已經(jīng)有許多算法能夠解決WSN自身的定位問(wèn)題。但每一種算法都是針對(duì)不同的具體應(yīng)用，它們?cè)诼酚蓞f(xié)議、設(shè)備需求、能量供給以及適合的應(yīng)用場(chǎng)合等許多方面存在著很大的不同。傳感器通常采用電池供電，節(jié)點(diǎn)的能量是受限的，在設(shè)計(jì)路由協(xié)議時(shí)，保證節(jié)點(diǎn)高效使用能量來(lái)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)原則，以便盡可能地延長(zhǎng)整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期[5]。

現(xiàn)有的定位方法基本上包含兩個(gè)步驟：①到未知節(jié)點(diǎn)距離的測(cè)量；②通過(guò)距離計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)[6]。此次研究將對(duì)傳統(tǒng)的測(cè)距算法進(jìn)行改進(jìn)，并利用三角的方法獲取未知節(jié)點(diǎn)相對(duì)精確的定位，即將WSN中需要定位的節(jié)點(diǎn)稱為未知節(jié)點(diǎn)，將用于監(jiān)控和定位的場(chǎng)所稱為監(jiān)測(cè)站，鄰近節(jié)點(diǎn)是指在一個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信半徑內(nèi)可以直接通信的節(jié)點(diǎn)。

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的測(cè)距技術(shù)

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中主要的測(cè)距技術(shù)和算法有RSSI（Received signal strength indicator）、TOA（Time of arrival）技術(shù)以及DV-hop、DV-distance算法等。RSSI技術(shù)的主要思想是未知節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率為已知，在監(jiān)測(cè)站測(cè)量接收功率，計(jì)算功率損耗，再根據(jù)相關(guān)理論將損耗轉(zhuǎn)化為距離。它的主要缺點(diǎn)為功率損耗受到環(huán)境因素的影響太大，通常會(huì)產(chǎn)生比較大的誤差[6]。TOA技術(shù)的主要思想是根據(jù)信號(hào)的傳播時(shí)間乘以傳播速度來(lái)計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)到監(jiān)測(cè)站的距離[7]。這一技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景。但是，對(duì)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)的時(shí)間同步有著嚴(yán)格的要求，同時(shí)對(duì)硬件設(shè)備有著很高的要求，不太適合在地域廣、節(jié)點(diǎn)布設(shè)密度大的農(nóng)業(yè)中應(yīng)用。DV-hop算法是由美國(guó)路特格斯大學(xué)（Rutgers University）提出，它的基本思想是監(jiān)測(cè)站到未知節(jié)點(diǎn)的距離等于點(diǎn)平均每跳的距離乘以二者之間的跳數(shù)。該算法簡(jiǎn)單實(shí)用、易于實(shí)現(xiàn)。但對(duì)于比較稀疏的或拓?fù)洳灰?guī)則的傳感器網(wǎng)絡(luò)，所測(cè)得的距離精度會(huì)大幅度下降。由此又產(chǎn)生了DV-distance算法，該算法要求節(jié)點(diǎn)具有測(cè)距功能，在距離交換協(xié)議中傳播的是每跳的距離值，最后在監(jiān)測(cè)站進(jìn)行距離的累加，從而得到與未知節(jié)點(diǎn)的距離[7，8]。

2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位技術(shù)

2.1 三邊定位技術(shù)

如果應(yīng)用上述測(cè)距方法測(cè)得了未知節(jié)點(diǎn)到3個(gè)或3個(gè)以上監(jiān)測(cè)站（錨點(diǎn)）的距離，就可以求得未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。如圖1所示，A、B、C為3個(gè)監(jiān)測(cè)站，3個(gè)圓的交點(diǎn)D為未知節(jié)點(diǎn)，3個(gè)圓的半徑分別為各監(jiān)測(cè)站到未知節(jié)點(diǎn)所測(cè)的距離，通過(guò)解析幾何的方法即可求得未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。但事實(shí)上由于存在誤差，3個(gè)圓往往無(wú)法相交于同一點(diǎn)。常常還需要使用最小二乘法估計(jì)D點(diǎn)的坐標(biāo)，這就需要比較大的浮點(diǎn)計(jì)算開(kāi)銷和能量消耗。

2.2 三角定位AOA技術(shù)

在這里僅介紹AOA（Angle of arrival）技術(shù)，它的基本思想是通過(guò)天線陣列或接收器來(lái)估算鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)的角度[9，10]。如圖2所示，A為未知節(jié)點(diǎn)，B和C為監(jiān)測(cè)站。在B、C端，通過(guò)分別估算A節(jié)點(diǎn)發(fā)射的信號(hào)方向與參考方向上的夾角θ1和θ2，即可用幾何的方法求解A點(diǎn)的坐標(biāo)。

3 相關(guān)的改進(jìn)技術(shù)

此次研究對(duì)流行的DV-distance算法進(jìn)行了改進(jìn)，結(jié)合三角定位AOA技術(shù)，提出了一種比較精確的節(jié)點(diǎn)定位方法。如前所述，DV-distance算法的基本思想是在節(jié)點(diǎn)的傳播過(guò)程中，將路徑上每跳的距離值進(jìn)行傳播，最后在監(jiān)測(cè)站進(jìn)行距離的累加。但事實(shí)上傳播路徑上的節(jié)點(diǎn)往往不會(huì)排列在同一條直線上，這樣累加的距離實(shí)際上是一段折線距離，與理想的直線距離有著很大的誤差。如圖3所示，O為未知節(jié)點(diǎn)，C為監(jiān)測(cè)站，A、B為傳播路徑上的節(jié)點(diǎn)。根據(jù)相應(yīng)距離交換協(xié)議，最后在監(jiān)測(cè)站所累加的距離為OA、AB、BC 3段線段的長(zhǎng)度之和。這與所求的距離OC之間有著明顯的誤差。

為了獲得相對(duì)精確的距離及定位，特將三角定位AOA技術(shù)引入其中。即測(cè)得每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號(hào)與參考方向（這里假定為豎直方向）的夾角θi，θ1為未知節(jié)點(diǎn)O所發(fā)出的信號(hào)與A節(jié)點(diǎn)在豎直方向上的夾角，θ2為A節(jié)點(diǎn)所發(fā)出的信號(hào)與B節(jié)點(diǎn)在豎直方向上的夾角，θ3為B節(jié)點(diǎn)所發(fā)出的信號(hào)與監(jiān)測(cè)站C在豎直方向上的夾角。同時(shí)再對(duì)DV-distance算法的距離交換協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，將各節(jié)點(diǎn)所測(cè)的夾角θi連同每跳的距離di進(jìn)行傳播，最后在監(jiān)測(cè)站進(jìn)行相應(yīng)的三角運(yùn)算，得到未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。

具體計(jì)算方法：

CD=∑di×cos（θi）

OD=∑di×sin（θi）

未知節(jié)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)站的精確距離：

未知節(jié)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)站連線與豎直方向上的夾角：

這樣，求得了監(jiān)測(cè)站與未知節(jié)點(diǎn)的精確距離以及方位角度，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)未知節(jié)點(diǎn)的精確定位。

4 仿真試驗(yàn)結(jié)果

利用Matlab對(duì)DV-distance算法和改進(jìn)后的算法進(jìn)行仿真比較。取仿真區(qū)域?yàn)?0 km×10 km的方形區(qū)域，在監(jiān)測(cè)站和未知節(jié)點(diǎn)間分別隨機(jī)加入5、25、45、65、85和105個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，圖4為加入25個(gè)節(jié)點(diǎn)的Matlab仿真試驗(yàn)截圖。圖4中，坐標(biāo)原點(diǎn)為未知節(jié)點(diǎn)，C點(diǎn)為監(jiān)測(cè)站，各次試驗(yàn)分別記錄兩種算法下監(jiān)測(cè)站與未知節(jié)點(diǎn)的距離。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1可知，使用傳統(tǒng)的DV-distance算法，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)距誤差。而采用改進(jìn)后的算法測(cè)距精度有了顯著的提高。

5 小結(jié)

研究對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)的原理和方法進(jìn)行了闡述，在現(xiàn)有的DV-distance算法和三角定位AOA（Angle of arrival）技術(shù)的基礎(chǔ)上，將二者進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，提出了改進(jìn)方案。該方案在原有距離交換協(xié)議中添加節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號(hào)的角度參數(shù)，利用三角與解析幾何的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)未知節(jié)點(diǎn)的精確定位。該算法簡(jiǎn)便實(shí)用，基本上沿襲了DV-distance算法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，并對(duì)在拓?fù)洳灰?guī)則網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的定位精度會(huì)迅速下降的弊端進(jìn)行了適當(dāng)?shù)膹浹a(bǔ)和修正。同時(shí)由于整個(gè)定位過(guò)程只需用到一個(gè)監(jiān)測(cè)站，并且大量的浮點(diǎn)運(yùn)算都在其中完成，從而網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建成本及各節(jié)點(diǎn)的能量消耗都有所降低。最后經(jīng)過(guò)仿真分析，取得了比較好的效果。

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