基于ZIGBEE 的無線定位技術研究

蘇勇杰

（中國人民解放軍69047部隊 新疆 烏魯木齊 830002）

無線傳感器網絡結合了監管、控制和無線通信的網絡系統，在整個網絡系統中有數量龐大的節點，并且分布非常密集，節點之間彼此交互，所以一個節點的故障以及環境影響就會影響到整個網絡拓撲的運行，所以對于無線網絡來說，無論是定位能力還是報警能力，都依賴于節點。本研究在ZIGBEE的基礎上，對基于ZIGBEE無線傳感器網絡系統架構進行分析，并且對其系統傳感器信號采集模塊進行了一定分析，最終對其無線定位技術進行研究。

1 系統需求和總體架構

本文對于無線傳感器的網絡應用環境采用的設計方案是2.4 GHz的IEEE802.15.4/ZIGBEE標準[1]。在這個標準下，所有的ZIGBEE節點都運用抗干擾的直序擴頻通信方式進行工作，每個節點都對強弱指示功能(RSSI)的模式來接收信號，并且在無線網絡內，能夠將這些節點共同組成通信網絡，整個網絡在布置ZIGBEE節點位置時，能夠進行每個節點之間的通信，兩個以上的節點就可以組成信道[2]。整個網絡如圖1所示。

圖1 基于ZIGBEE的無線傳感器網絡Fig.1 Wireless sensor network is based on ZIGBEE

對于這些節點的控制平臺架構，首先要了解到3個線程：CCR、DSS、.NET 公共運行進程（CLR），3 個進程都是由各自的庫文件進行配置。CCR采用事件驅動，用于處理異步請求、并行執行的庫；DSS作為服務驅動的庫，使得各項服務通過網絡進行通訊。例如當兩個線程同時運行時，調用同一片資源，這時就會產生兩條線程所用到的數據不一致，這就需要編程者使用互斥技術進行處理?；贛RDS的CCR恰恰可以輕易的解決上述問題，使用者僅需要使用CCR提供的庫函數編程，即可以避免資源不一致的問題[3]。

2 系統無線定位技術分析

在無線傳感器網絡節點的模型中，假設t代表離散時間；mt代表離散時間上的節點分布位置點；nt代表從t-1時刻到t時刻間所收到的節點數量；p(mt,mt-1)代表以前一時刻的節點位置為依據所估計和描述的節點定位方程；p(mt,nt)代表的是一種概率，對應于給定觀測值的節點所在位置mt。隨時間反復估計節點位置分布情況是該算法的最終目的[4]。

要實現節點位置的有效定位，其估算算法基本思想是先初始化后計算定位。初始化是由于節點本身沒有存儲自身定位信息，所以進行初始化。對于節點位置的計算，主要依據上一個時間段收集的信息計算出可能的位置信息，同時結合本時間段的信息來對位置進行重復計算從而得出可能的位置序列。

通過上述過程已經能夠得到一些可能的位置組Mt-1，在本階段進行對節點位置的具體預測。在預測過程中采用節點移動模型，將已經采集到的各個節點信息值通過模型獲得另外一組值Mt，我們需要獲取節點移動速度的上界值vmax[5]，這樣即使在不知道節點移動的矢量信息情況下依然能對節點位置進行初步預測，以可能位置組中的任一位置值為圓心，以vmax為半徑，這樣就可以得到一個圓形區域。對于Mt中可能的m1和m2兩個點，在該圓形區域內歐幾里得距離用d表示，而且，在這個區域內節點的移動速度應當一致。有了以上的分析，就可以根據前一時間段的位置結合本時間段的信息，對位置信息做出概率分布預測：

對于分級拓撲結構而言，網絡被劃分為簇(Cluster)，其中每個簇由簇頭和普通成員節點兩個部分構成，而各個節點將節點位置表轉化為簇內節點拓撲圖[6]。

在無線傳感器網絡中，當任意的兩個節點之間的距離小于有效通訊范圍之內，就能建立一種通訊聯系線路。在一個網絡拓撲結構中，有很多的節點，節點之間的連線代表通信鏈路，任意數量的節點構成，按照節點的最大有效通訊范圍形成一個無線傳感器網絡里的節點網絡，因此任意兩個節點通過一條或者幾條通訊鏈路通訊聯系，但是不同網絡之間的節點不能建立通訊聯系。當然上述圖只是一個簡單的無線傳感器網絡中的節點簇，實際上的無線傳感器網絡是由上述無數個節點簇形成的。

小世界是復雜網絡理論中的重要特性，在無線傳感器網絡中，當節點的傳感器測量出數據的大小和形狀時，就將這些信息予以記錄，而從其他網絡獲取或者接受該等信息的時間節點就是對信息資源進行更新的節點，因此也能夠用于確認節點是否在一個確定的網絡之中。

以5個節點為例，黑色圓點即代表節點實體，節點之間的連線表示通訊鏈路。圖形a)中5個節點形成兩個不同的網絡Net0和Net1；由于節點之間的位置變化，位置b)中形成了新的網絡Net2。兩個通信網絡是由5個節點共同形成的，而由于這兩個通信網絡之間的距離較近，因此就可能出現有效通信范圍內的直接通信。而在網絡Net2之中，則由于距離的原因，可能無法進行節點之間的直接通信。而且由于節點會不斷的朝著目標方向移動。

位置實際上是動態變化的，因此網絡也需要動態變化。如果網絡節點距離超過了有效距離，就會隨之出現脫離網絡的情形，反之新的節點進入有效網絡內部，就會形成一個新的網絡。小世界模型里節點通過傳感器檢測網絡中來自其他節點的數據和信息。

3 小世界理論體系下無線定位技術研究

基于復雜網絡理論的無線傳感器網絡，其具有一定的網絡運動規劃的觸發條件。從當前的研究來看，主要有3個方面的條件：第一，網絡N初步形成，比如兩個新的節點脫離原網絡，并且二者進入有效傳輸距離，形成新的網絡；第二，世界模型環境在新網絡條件下發生一定改變；第三，網絡N中的一個或者若干個節點的目標位置發生動態變化。上述條件中，其中一個發生，就會導致節點間的信息交流，網絡N中的節點會獲得新的世界模型信息[7]。

如圖2所示，該事例中以沒有障礙物的立體空間中的節點為研究對象。圖中顯示了3條節點構建的網絡規劃方案，不同條件之下，左邊的圖形都會顯示節點的運動軌跡，而右邊則顯示的是節點的通訊范圍以及不同節點之間的通信鏈路情況。

圖2 三個節點(灰色圓圈)在初始位置Fig.2 Three nodes(gray circles)in initial position

圖2 中，居圖右的兩節點通信范圍為以節點為中心的球星區域內，在這個區域內形成了一個網絡，而且規劃出了避免相互碰撞的路徑。居圖左的節點則單獨形成通信網絡，且其路徑與其他兩個節點互不沖突和依賴，完成路徑規劃之后，3個節點朝各自目標運動。

圖3，隨著節點向目標方向的移動，中間的節點和右邊的節點也進入到它們之間的通信范圍之內，這時3個節點形成了一個新的網絡。

圖3 三個節點共同形成新的網絡Fig.3 Three nodes to form a new network together

圖4 產生新網絡簇點形成方案Fig.4 Generate new network points to form clusters

新網絡之中的節點基于新的世界模型中的相關信息，產生新的規劃方案，從圖2～6知，新的方案對之前的規劃進行了一定的調整，提高了效率，使其更為合理。而且，節點沿著新的規劃軌跡可以繼續進行移動，只有在其超出有效的通信范圍之后，通信鏈路才會斷開，節點各自向其目標位置移動[8]，如圖 5所示。

圖5 節點脫離網絡沿著各自的目標方向前進Fig.5 Nodes from the network along the respective target direction

由于節點的傳感器局限性，網絡共享的信息并不全面，因此路徑規劃并非最佳。隨著節點的移動，先前未知的障礙物可能導致網絡內部的節點路徑必須要進行全新的規劃，同一個網絡內部的節點在采集了局部世界模型的信息之后，可以通過集中式的規劃給出合適的路徑方案，而后傳遞到各個節點，使得各個節點可以依據規劃的路徑移動。這個過程完成之后，簇頭會選擇相關節點重新構成新的簇，如圖6所示。

4 結論

圖6 無線傳感器網絡中的節點簇動態圖Fig.6 Wireless sensor network node in the cluster dynamic figure

本研究在滿足無線傳感器網絡連通性和稀疏性的同時，結合了平面拓撲和層次拓撲結構。研究以傳感器網絡結點和網關結點為主線，重點以無線傳感器網絡的兩個結點的硬件原理設計和定位技術實現為主，進行了分析。

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