基于RSSI的WSN定位算法的研究

劉 鎮，劉軍偉

（江蘇科技大學 計算機科學與工程學院，江蘇 鎮江212003）

信息的生成、獲取、存儲、傳輸、處理及其應用，是現代信息科學的6大組成部分，其中信息的獲取是信息技術產業鏈中的一個重要環節。無線傳感器網絡 （Wireless Sensor Network，WSN）是由大量無線傳感器構成的自組織網絡，通常包括傳感器節點、匯聚節點和管理節點，它主要是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋范圍內對象的信息，并將相關信息傳遞給所需的用戶，具有體積小、組網速度快、可自組織、隱蔽性強和高容錯性的特點[1]。

無線傳感器網絡的應用范圍十分廣泛，尤其是應用在人類無法接近的惡劣或特殊環境，傳感器節點的部署主要通過飛行器撒播、人工埋置等方式任意放置，節點的位置信息都是隨機的[2]。節點負責信息的采集與傳輸，但是如果沒有傳感器的位置信息，采集到的信息價值就會大打折扣，只有結合了位置信息的傳感器所采集的信息才有實際意義，因此，在無線傳感器網絡的應用中節點的定位就變成了一個關鍵的問題。

1 節點定位的相關算法

無線傳感器網絡是由部署在監測區域內大量無處不在的、具有通信與計算能力的微型傳感器節點構成，通過無線通信形成一個多跳的自組織網絡系統，網絡中各個傳感器節點具有數據收集和將數據路由到協調器的功能，從而實現對監測覆蓋范圍內對象信息的感知、采集和傳輸[3]。為了要實現對目標對象的準確監測，各傳感器節點的位置信息是必不可少的，依據信號傳播收發的功率、信號傳播的時間以及信號傳播的角度可以對傳感器節點的位置信息進行測量計算，相關的定位算法也有很多，比如基于RSSI(Received Signal Strength Indicator)的定位算法、基于TOA的定位算法和基于AOA的定位算法等[3-4]。

其中，RSSI算法是依據信號傳播過程中功率的衰減程度來對傳感器節點進行定位的。在信號發射方，傳感器節點發射功率是已知的，在信號接收方，傳感器節點接收信號功率，通過計算信號在傳播過程中的功率損耗，運用理論或者經驗的信號傳播模型將信號傳播過程中的功率損耗轉換成距離，該技術主要依賴于射頻信號，無需額外的硬件支持，在實際應用時，由于無線信號在傳播過程中受環境的影響較大，因此，該技術的測量精度不是很高[5]。

RSSI的定位算法使用的計算模型如下所示：

其中，B(d)是距離處的信號功率，nb是路徑損耗量值，范圍處于2～4之間，是在距離處的信號功率(dBm)。

2 RSSI節點定位算法

基于RSSI的定位算法通過接收信號功率進行測距，傳感器節點根據接收到的信號功率，計算出信號傳播過程中的功率損耗，然后利用理論和經驗模型把功率損耗轉換成距離，最后依據信標節點坐標和求得距離計算未知節點的坐標[6]。它的算法流程如圖1所示。

圖1 基于RSSI的定位算法流程Fig.1 The process of the loacalization algorithm based on RSSI

節點定位算法采用極大值似然估計法，已知n個信標節點的坐標(x1，y1)，(x2，y2)，…，(xn，yn)，未知節點坐標記為(x，y)，具體計算過程是：

1)信標節點周期性地想未知節點發送附有自身ID和未知信息的數據包；

2)未知節點在收到同一ID信標節點發送過來的數據包后，提取出該數據包中的信號功率值RSSI，當接收到某個ID信標節點發送過來的數據包超過一定閾值后，則對這些RSSI值求取平均值，計算該ID信標節點最終的RSSI值，然后再利用RSSI計算模型計算出距離d，這樣就計算出了某個未知節點和某個ID信標節點之間的距離。采用同樣的方法對所有信標節點進行處理，計算出n個距離d1，d2,…，dn。最后，未知節點就會記錄下所有信標節點的坐標及其對應的距離d。

3)構建信標節點坐標和未知節點距離的方程組。

該方程組是一個非線性方程組，化簡后得到如下線性方程：

其中X=[x，y]T，利用最小二乘法求解方程(3)，得到未知節點的坐標值，如下式所示：

3 實驗平臺搭建

通過相關文獻的閱讀和以上的知識總結，基于最基本的RSSI的算法原理和自由傳播模型建立了一個RSSI的分析系統，用于以后的進一步研究，現在這個平臺可以實現一些基本功能：包括無線傳感器節點的RSSI值的捕獲、節點RSSI值的分類存儲、RSSI的實時查看、對存儲的節點RSSI元數據的處理和分析、繪制不同節點的RSSI值和距離的統計分布圖。基站使用監聽程序，能監聽節點發送數據時的RSSI值，而WSN節點使用正常采集程序即可，不影響其數據采集的工作。

1)平臺搭建目的

實現對多個傳感器節點的RSSI值的分類采集，數據存儲和后期分析[7]。為以后搭建更好、功能更強大的平臺做準備。

2)平臺搭建方法

介紹平臺搭建所需要的硬件設備和軟件環境，進行實驗的方法。

RSSI分析系統實物圖：

如圖2所示WSN節點的RSSI值都由基站監測，基站模塊需要獨立編程，而節點模塊不需要。

圖2 RSSI分析系統實物圖Fig.2 The real map of RSSI analysis system

RSSI分析系統使用硬件：WSN節點和基站模塊CC2430，節點數 3個；

RSSI功能介紹，軟件界面：

圖3 RSSI分析系統軟件界面Fig.3 The software interface of RSSI analysis system

串口選擇：配置無線傳感器基站板和PC機之間的通信串口，包括串口選擇、開始和關閉按鈕；

即時數據：顯示采集到的每條數據信息，包括源節點號、目標節點號、RSSI值、數據負載長度、接收時間、所在頻道、AT是絕對時間(精度非常高，可達小數點后9位)；

數據分析：歷史數據和處理后的數據測試顯示窗口；

分析模塊：進行分析和控制的模塊；

3)平臺搭建所涉及到的算法

RSSI定位方法：在自由空間的模型下，節點到接收基站的距離和RSSI值之間有一定關系。

TOA到達時間法：利用TOA的方法實現信標節點到待測節點的距離估算。

三邊定位法：知道2個或2個以上的信標節點后可以通過三邊定位法估算出待測節點的位置。

精度算法：通過將以上算法得出的待測節點的坐標和待測節點的實際坐標進行比對和統計分析，對測試的參數進行改進，從而提高RSSI定位精度。

4)本次實驗方法

①在離基站不同距離的情況下，對3個WSN節點進行RSSI值采集，每個節點在每個距離下采集50次數據。距離包括(m)：0.4、0.51、0.59、0.89、1.78、2.67、3.56、3.86。 之所以選擇這么短的距離是因為實驗室太小了。本次試驗一共采集了1509次數據。

②對采集到的節點RSSI值求均值，得到每個節點在一定距離下的RSSI值的均值。

圖4 節點RSSI和距離統計數據Fig.4 Node RSSI and distance statistics

③將3個節點在離基站不同距離的RSSI值繪制成曲線，進行對比。

4 實驗結果

實驗結果如圖所示。

圖5 對應節點RSSI值和距離的擬合圖Fig.5 The corresponding node RSSI values and distance fitting chart

5 結論

基于RSSI的無線傳感器網絡定位技術在簡化定位算法過程以及提高定位精度方面有一定的優勢，盡管RSSI定位算法的定位精度較低，節點密度要求較高，但是它對硬件的依賴程度不大。通過分析RSSI定位算法的基本原理，構建RSSI距離的計算模型，剖析RSSI定位算法的計算流程，搭建RSSI定位實驗平臺，并得出實驗結果，證明了算法的可行性和可操作性，能夠滿足實際應用過程中基本的定位要求。

[1]馮成旭，劉忠，程遠國.一種基于RSSI的無線傳感器網絡的改進定位算法[J].艦船電子工程，2010(20):69-71.FENG Cheng-xu,LIU Zhong,CHENG Yuan-guo.An improved localization algorithm based on RSSI in wireless sensor networks[J].Ship Electronic Engineering,2010(20):69-71.

[2]劉運杰，金明錄，崔承毅.基于RSSI的無線傳感器網絡修正加權質心定位算法[J].傳感技術學報，2010(5):717-721.LIU Yun-jie,JIN Ming-lu,CUI Cheng-yi.Modified weighted centroid localization algorithm based on RSSI for WSN[J].Chinese Journal of Sensors and Actuators,2010(5):717-721.

[3]章磊，黃光明.基于RSSI的無線傳感器網絡節點定位算法[J].計算機工程與設計，2010,31(2):290-293.ZHANG Lei,HUANG Guang-ming.Localization algorithm for wireless sensor networks based on RSSI[J].Computer Engineering and Design,2010,31(2):290-293.

[4]周賢偉，王強，覃伯平.無線傳感器網絡節點定位算法的研究[J].傳感器與微系統，2006,25(3):4-6.ZHOU Xian-wei,WANG Qiang,TAN Bo-ping.Research on node-positioning algorithms for wireless sensors network[J].Transducer and Microsystem Technologies,2006,25(3):4-6.

[5]張遠.基于距離和角度信息的無線傳感網節點定位問題研究[D].濟南：山東大學，2012.

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[7]朱子勇，孫萬民，王占林.某試驗臺LH2貯箱氣體置換過程數值模擬[J].火箭推進，2012（4）：52-60，66.ZHU Zi-yong,SUN Wan-min,WANG Zhan-lin.Numerical simulation of gas replacement process in LH2 tank of testbed[J].Journal of Rocket Propulsion,2012（4）：52-60，66.