基于無線傳感器網絡的保護區動物定位節點設計

齊晉維++李暉

摘要：為了使科學工作者可以更便捷地掌握野生動物的活動布局情況，設計了一種基于無線傳感器網絡的動物定位系統。該方案以Arduino LilyPad單片機為基礎，結合使用Zigbee技術的XBee模塊以及無源RFID標簽，利用RSSI模型和三邊測量定位法，進行模塊數據處理，分析出野生動物的位置情況。

關鍵詞：無線傳感器網絡；定位；Arduino

中圖分類號：TP212.9 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）02-0190-01

動物保護一直是維護全球生態平衡中非常重要的部分，然而由于生態環境的惡化，野生動物的數量不容樂觀。在動物研究領域，要根據實際情況開展相關的實地考察監測。當前人工觀測研究的方式數據可靠性差，并且數據采集的時間間隔較長，不僅影響工作效率并且阻礙了研究進展[1]。為了突破人工監測方式的缺點，本文利用無線傳感器網絡的優勢，通過使用Zigbee和RFID技術，應用RSSI模型和三邊測量法，進行野生動物的定位。本方案可以在不打擾動物的生存活動情況下，獲取動物的位置信息，從而直觀獲得保護區內動物的分布情況。

1 定位原理

1.1 RSSI技術與定位算法

RSSI（Received Signal Strength Indication）又稱接收信號強度指示，是在已知發射功率的前提下，接收節點測量接收功率，計算傳播損耗，并根據信號傳播模型將信號功率損耗轉化為近似距離的技術。獲取RSSI信息比較容易。由無線信號強度與距離的關系曲線模型，可以測得信號傳播距離，信號功率衰減與信號傳播距離的函數為：Pr=f（Pt，d），其中Pr是可測的接收信號強度，Pt是信號發射強度，d是信號傳播距離，f是信號強度與衰減距離的經驗模型。可見，假設已知發射功率和信號傳播經驗模型，在測得了某處的Pr信號強度值后，即可根據以上模型對距離進行求解[3]。無線傳感器節點配備通信模塊，不需要額外的硬件[2]，計算量相對較小，比較適合無線傳感器網絡的節點計算能力，不需要定制更快的計算核心模塊。

1.2 三邊測量法

三邊測量法是一種利用三角形幾何運算的定位方法。二維平面中，假設已知了三個節點A、B、C的坐標，并利用RSSI技術得到了這三點到未知節點D的距離，建立A、B、C三點的距離方程，聯立方程組解出D點的坐標。

2 定位節點硬件設計

2.1 節點供電選擇

以前節點供電普遍使用干電池，若以半小時的采樣頻率來計算，節點壽命一般僅能持續幾個月。但實際研究中，往往需要獲取動物活動范圍一年甚至幾年時間的統計數據，并且在人跡罕至的保護區內，手動更換電池不可行。本方案中，節點的供電采用鋰聚合物電池，可在有限的體積內具有較大的容量，并且配備太陽能供電模塊，大大延長節點的生存周期。

2.2 節點硬件選擇

本方案采用了Arduino Lilypad系列單片機和XBee模塊的結合來實現定位節點的設計。LilyPad是Arduino一個特殊版本，主要是為可穿戴設備和電子紡織品開發。LilyPad處理器核心是ATmega168或者ATmega328，同時具有14路數字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出，一路可以用來做藍牙模塊的復位信號），6路模擬輸入，一個16MHz晶體振蕩器，一個ICSP header和一個復位按鈕，芯片高度集成，尺寸僅為一枚普通硬幣大小，在保護區也可以良好地隱藏，不受動物的影響。XBee模塊，由美國DIGI公司出品，其運用了Zigbee技術，主要特點是高性能、低成本和低功耗，最突出的特點是遠距離。與其他運用Zigbee的模塊進行對比，它在室內條件下可傳輸距離40-100米，在室外視距條件下的傳輸距離可達300米，有阻擋的情況下可以保證至少100米的信號覆蓋，非常適合在保護區內使用。模塊的尺寸與LilyPad一樣小巧，并能使用針腳式連接。Zigbee技術組網快，模塊內含有RSSI值寄存器，可用來存儲相關數據，進而計算動物的距離。除此之外，為了實現完整的定位過程，在野生動物身上需要進行RFID標簽的固定。本設計選擇使用無源標簽，既可以省去使用電源的成本，又不至于攜帶電源對于動物身體造成傷害。基于RSSI的距離估計技術，定位數據可由傳感器節點的XBee模塊測量獲取。通過這種無線傳感網絡測距方法，采用RFID和Zigbee技術相融合的設計，能夠有效完成動物的跟蹤定位。

3 結語

本文設計了一個基于無線傳感器網絡的野生動物定位方案，為了保證節點使用的壽命，延長節點周期，本設計采用了鋰聚合物電池以及太陽能電池板供電，通過長期的數據收集，進行動物分布情況的分析，并對于特定的動物進行有效的識別與跟蹤。而且本方案使用的硬件體積小巧，適合在保護區作偽裝，不易被動物所破壞。定位方法使用RSSI來測定，使用起來也更加方便簡潔。

參考文獻

[1]劉晨，陳昊，陳鋒，王曄竹，趙菁菁.基于無線傳感器網絡的金絲猴監測系統平臺[J].物聯網技術，2015（02）：13-16.

[2]彭宇，王丹.無線傳感器網絡定位技術綜述[J].電子測量與儀器學報，2011（05）：389-399.

[3]錢志鴻，孫大洋，LEUNG Victor.無線網絡定位綜述[J].計算機學報，2016（06）：1237-1256.