（通信与信息系统专业论文）基于wsn的定位算法研究与会场人员定位系统实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着国内外各项赛事、演出、会展、会议等活动的举办愈加频繁，与会人员数目 越来越多，因此，对会场管理系统的智能化、有效性、便捷性的要求也越来越高。现 有的会场管理系统不仅具有人员登记、入场证发放等基本功能，也更多的根据人们的 需要增加了新的功能，如视频会议、电话会议、门禁人脸识别等功能。但是人们却忽 视了在大型会场中，由于参会人员比较多，发生突发问题时能够及时快速的寻找到某 位与会人员才是急需解决的问题。因此，会场人员的准确定位变得尤为重要。 本硕士论文主要针对大型会场人员定位的需求，设计并实现了大型会场人员定位 系统。该系统建立在无线传感器网络定位的基础上，利用t i 公司的c c 2 4 3 0 31 开发套 件，在充分研究开发套件所使用的z i g b e e 协议栈基础上，提出了基于四个参考节点的 改进的测距算法；本文也对定位节点收集到的r s s i 数据进行滤波分析，最终将高斯滤 波方法应用于实际的定位系统；同时，详细分析了协调器收集的参考节点、定位节点 的数据帧格式和z i g b c c 网络默认的对参考节点、定位节点配置的命令帧格式，根据串 口通信的相关知识，设计并实现了适合实际场景的客户端上位机，使会场管理员能方 便快速的配置该会场定位系统；另外，本论文也在服务器端开发了数据库，以便对与 会人员的相关信息进行及时有效的管理。 测试结果表明，本文设计的上位机和数据库能实现系统需求，且在协议栈中对定 位算法的改进减小了定位系统的定位误差，同时硬件定位的可靠性与稳定性也得到改 善。 关键词：无线传感器网络，会场定位系统，z i g b c e ，c c 2 4 3 1 西南交通大学硕士研究生学位论文 第f f 页 a b s t r a c t t h em o r ef i e q u e n ts o c i a la c t i v i t i e ss u c ha sc o m p e t i t i o n s ，p e r f o r m a n c e sa n de x h i b i t i o n s ， a sw e l la st h e g r o w i n gn u m b e ro fp a r t i c i p a n t s r e s u l t si n h i g h e rr e q u i r e m e n t s o n i n t e l l i g e n c e ，e f f e c t i v e n e s s a n dc o n v e n i e n c eo fc o n f e r e n c em a n a g e m e n t t h ee x i s t i n g c o n f e r e n c em a n a g e m e n ts y s t e m sc a nn o to n l yp r o v i d eb a s i cf u n c t i o n sa ss t a f fr e g i s t r a t i o n a n d p a s si s s u e b u ta l s o p o s s e s s f e a t u r e sa sv i d e o c o n f e r e n c e ， c o n f e r e n c ec a l l ， f a c e ，r e c o g n i t i o n b a s e d a c c e s sc o n t r o lw h i l em o s to ft h e mi g n o r et h ep r o b l e mt ol o c a t ea p e r s o ni nu r g e n tc i r c u m s t a n c ei n al a r g ec o n f e r e n c ec a l l t h e r e f o r e ，p r o v i d i n gt h ee x a c t l o c a t i o no ft h ec o n f e r e n c ep a r t i c i p a n t sh a v eb e c o m ep a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t f a c i n gt h er e q u i r e m e n t so np o s i t i o n i n gf u n c t i o n s ，t h et h e s i sp r o v i d e st h ed e s i g na n d r e a l i z a t i o no fc o n f e r e n c e - h a l lp o s i t i o n i n gs y s t e m o nt h eb a s i so ft h ep o s i t i o n i n go fw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k s ，w eu s et h ed e v e l o p m e n tk i tc c 2 4 3 0 31o ft it oi m e p l e m e n tt h e c o n f e r e n c e - h a l lp o s i t i o n i n gs y s t e m t h r o u g hd e t a i l e da n a l y s i so fz i g b e ep r o t o c o l ，t h et h e s i s p r o p o s e st h ei m p r o v e df o u r - r e f e r e n c e n o d ed i s t a n c em e a s u r e m e n ta l g o r i t h m f u r t h e r , t o i m p r o v et h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c y , g a u s s i a nf i l t e rm e t h o di si n t r o d u c e dt od e a lw i t h t h er s s i d a t a a tt h es a m et i m e ，w ea n a l y z e st h et h ef o r m a to ft h ed a t a -a n dc o m m a n d - f l a m eo ft h e r e f e r e n c e - a n dl o c a t i n g n o d e ，a n dd e s i g nt h es o f t w a r eo ft h ec l i e n t sc o m p u t e ra n dt h e d a t a b a s ei nt h es e r v e r , s ot h a tt h ea d m i n i s t r a t o ro ft h es y s t e mc a nr a p i d l yf a c i l i t a t et h e p o s i t i o n i n gs y s t e m t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h es o f t w a r ei nt h ec l i e n t sp ca n dt h ed a t e b a s ec a nf u l f i l lt h e n e e d so ft h es y s t e m t h es i m u l a t i o na n dt e s i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h mc a n b o t hr e d u c et h ee r r o ro ft h es y s t e ma n di n e r e a s et h es t a b i l i t yo f t h eh a r d w a r e k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，c o n f e r e n c e h a l lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，z i g b e e ，c c 2 4 3 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 论文研究背景与意义 第1 章绪论 近代社会里，随着科技的进步，交通工具也日渐增多，这使人们的出行更加方便 快捷，各国人民之间的交流也日益增多，人们经常出席各种集体活动，参加很多国内 外会议或赛事。随着国内外各项赛事、演出、会展、会议等活动的举办愈加频繁，与 会人员数目越来越多，对会场管理系统的要求也越来越高。会场管理者希望能很方便 的对整个会议场所进行控制，对会议进程进行合理的安排，对与会人员信息进行有效 的管理；与会人员也希望会场各项设施更加人性化，自己的需求，如获悉卫生间排队 情况等，能得到及时满足【。 现有的会场管理系统实现的基本功能为：会议前期与会人员登记( 网上登记和现场 快速登记) ，入场证的发放，食宿安排、会议安排等短信的群发通知，有效确认与会者 入场速度等是衡量现有的会场管理系统的关键因素。最近，随着人们对会场管理系统 其他方面的需求，又出现了含有视频会议、电话会议、身份识别如人脸识别等功能的 会场人员管理系统。会场人员管理系统也向着功能日趋增多和完善的方向发展【2 】。 但是，目前多数会议系统管理者和开发者的注意力仍主要放在音频、视频等会议 的实现上，功能上也主要关注音响设备的清晰度、语言翻译、投票系统的更新与改进， 更有甚者只是将有线会议系统变成无线。人们忽视了在大型会场中，由于参会人员比 较多，发生突发问题时能够及时快速的寻找到某位与会人员才是急需解决的问题。因 此，会场人员的准确定位变得尤为重要。 在室内定位时，由于受到定位时间、定位精度及室内环境的影响，室内定位技术 有待完善。现在已经存在的室内无线定位技术有g p s 定位技术、蓝牙技术、超声波定 位技术、超宽带技术、红外线技术、无线传感器网络定位技术、射频识别技术等【3 弓】。 目前，g p s ( 6 7 】是应用最广泛的定位技术。但是g p s 在室内工作时，信号受到室内 障碍物的影响，定位精度大大降低。g p s 定位与其他定位技术相比，覆盖面积大，且 导航信号是不收取费用的，但是信号到达地面时信号强度急剧下降，致使不能穿透建 筑物，并且定位终端的成本较高。 红外线定位技术【8 】是靠红外线瓜标志发射红外射线，利用室内的光学传感器进行 定位。红外线具有较高的定位精度，但是光线不能穿透障碍物，使得红外射线仪能视 距传播，该特点决定了红外线主要缺点是室内定位效果较差，当将标志放在口袋里定 位时，因为有遮挡而不能正常工作。 超声波定位技术【9 1 0 】主要采用的是反射测距法，即发射端发射超声波并接收由被测 物体产生的回波，根据回拨与发射波的时间差计算待测距离，然后根据三角定位等算 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 法确定物体位置。超声波的定位精度较高，且硬件结构简单，但是容易受到多径效应 和非视距传播的影响，需要的硬件设备也较多，成本支出很高。 蓝牙定位技术【1 1 】通过测量信号强度进行定位，是一种通信距离短、消耗功耗低的 定位技术。最大优点是设备体积小，容易集成在p d a 、p c 及手机中，且在室内短距离 定位时，信号传输不受视距的影响。不足之处是蓝牙设备价格比较昂贵，且系统稳定 性较差，受噪声影响较大。 射频识别定位技术【1 21 3 】利用射频方式，按照非接触式双向通信的方式互换数据以 达到识别和定位的目的。该技术作用距离短，但可在很短时间，几毫秒内得到精确的 定位精度，且成本较低。射频识别技术以其非接触和非视距的优点成为室内定位技术 的宠儿。该技术缺点是作用距离较近，不能进行相互通信，与其他系统兼容性较差。 超宽带定位技术【1 41 5 】区别于普通通信技术的特点是不需要使用载波，通过发送和 接收具有纳秒或纳秒级以下的极冲来传输数据，从而具有g h z 数量级的带宽，因此它 是一种全新的、与传统通信技术有极大差别的通信方式，能够提供十分精确的定位。 近年来，无线传感器网络技术以其低成本、低功耗、分布式和容错功能成为时代 的宠儿，无线传感器定位技术也以其全新的信息获取和技术处理的特点在定位相关领 域得到广泛的应用。同时，无线传感器网络定位技术也是本论文的重点研究内容。 本论文将深入研究无线传感器网络定位技术，将其应用于大型会场定位系统中， 以期望在降低复杂度，提高可应用性的同时，改进定位算法，减少硬件设备，降低成 本。 1 2 无线传感器网络定位技术研究现状 传感器网络的研究最早起源于军事领域【1 6 1 ，1 9 7 8 年，美国国防部开始研究这一先 进技术，并设立一系列无线传感器网络研究项目。随着相关技术的发展成熟，无线传 感器网络开始走向民用，并得到英国、日本、巴西、意大利、法国等国家的极大关注， 各个政府争相出资资助相关项目，国内外各大公司，如因特尔、微软和加州大学伯克 利分校、麻省理工学院等大学都参与到各个典型定位系统项目的研究中，其中比较典 型的定位系统有a c t i v eb a d g e 系统【17 1 ，r a d a r 2 系统【1 引，a hl o s 系统【19 1 ，c r i c k e t 系 统【2 0 】等。 a c t i v eb a d g e 系统每隔很短的时间发送一个独特的代码标记。这些周期信号被围绕 在主机周围的传感器节点采样。负责向其他传感器发送采集命令的基站也连接到网络， 将传感器节点采集到的数据处理为可视信号以便人们接受。此外，a c t i v eb a d g e 系统由 于采用红外传感技术且价格低廉，得到了广泛的应用，并且该系统提供的信息也是相 当准确的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 r a d a r 2 系统是以射频为技术基础的、被用于建筑物内定位与跟踪用户的定位系 统。r a d a r 2 系统使用多个接收机收集的信号强度，通过三角测量得到所定位的坐标 信息。研究表明，很多定位系统可以建立在以r a d a r 2 系统为基础的无线网络数据上。 a hl o s 系统，即为a d h o c 定位系统。在a hl o s 系统中，只有一小部分节点知道自己的 位置信息，其他节点需要通过一个分布式定位算法动态估计自己的位置。它相比于g p s 系统经济实惠，不需要将定位设备装在每一个节点上，具有一定的市场价值。 c r i c k e t 系统是一个支持在建筑物内、移动环境下等场所进行定位的系统，它允许 运行在手机里的静态节点，通过使用者听到的来自建筑物周边的节点信息来获取自身 物理位置，该系统特点为保护用户隐私、分散管理、网络异质性、成本低等特点独占 一定的市场地位。 国内作为无线传感网络解决方案专业提供商的西安华凡科技有限公司，为z i g b e e 技术在国内的推广做出了巨大的努力，提供了从单个模块到整个系统的多种服务方案， 其中基于z i g b e , e 技术的紫安系列气体检测报警中央监控系统和智能监控系统都已经产 品化并已经推向市场。其他一些企业的产品也涉及到无线传感网络，目前主要在电子 商务、公共场所安全紧急控制系统等方面进行了开发与研究。 总体而言，当前各种定位系统也均是针对不同的应用环境而设计的，由于无线信 号受环境因素干扰较大，不同的应用环境对w s n 网络节点的要求不同，能够适用于通 用环境的w s n 定位系统还很难实现。在对w s n 定位技术的研究中，需要从提高算法 的定位精度，采取合适的通信协议降低网络中各个节点之间的通信量、减少能量损耗， 增强网络的稳定性等多个方面综合考虑。因此，提高w s n 定位系统的适用性、降低系 统能耗和成本、寻求定位精度更高的定位算法成为w s n 定位技术研究主要问题【2 1 1 。 1 3 论文主要工作简述 本课题的主要工作是在大型会场这一场景下，利用t i 公司的开发套件c c 2 4 3 0 3 1 ， 实现会场人员定位系统，并改进定位算法，提高定位精度。具体工作如下： l 、z i g b e , e 通信协议研究。研究分析z i g b e e 协议的整体框架、协议栈各层的特点、完 整的协议栈结构等。针对市场上出现的各种协议栈，对t i 公司基于c c 2 4 3 0 芯片开发的 精简版z i g b e 圮通信协议进行深入研究，熟悉及掌握其中关键的网络通信原理以及数据 包处理机制，为设计定位系统中的网络结构和下位机软件做基础。 2 、 无线传感器网络定位平台关键技术研究。分析开发无线传感器网络定位平台存在 的限制，对构建无线传感器网络定位平台的关键技术进行研究，包括无线传感器网络 定位平台各个芯片定位流程，c c 2 4 3 1 定位引擎，基于r s s i 的定位技术等，并对利用硬 件芯片定位存在的不足提出改进措施。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 3 、 会场人员定位系统设计实现。将z i g b e e 通信协议与定位算法理论基础相结合，并 将其应用到定位系统的设计之中。在c c 2 4 3 0 3 1 _ 1 ：完成会场人员定位系统的组网配置， 下位机单片机程序的编写和调试，完成上位机界面开发，并将改进的算法融入到系统 设计实现中，同时也在服务器端的设计了简单的数据库，满足与会人员信息管理功能。 4 、会场人员定位系统功能及性能测试及分析。测试设计的上位机软件是否满足各个 需求，同时在相同的实际环境下，分别对算法改进前后的定位结果记录并比较，通过 分析，判断改进后的模型是否提高了定位精度，改善了定位效果。最后结合实际环境、 硬件条件等因素对测试结果进行进一步分析，指出系统中需要改进的地方。 1 4 论文内容安排 本文的内容安排如下： 。 第一章阐述了本课题研究的背景与意义，同时探讨了无线传感器网络定位技术的 研究现状，并介绍了本文的主要研究工作。 第二章结合t i 公司的基于c c 2 4 3 0 芯片开发的精简版z i g b e e 通信协议，研究 z i g b e e 协议栈及现有的无线传感器网络定位技术，为下面大型会场人员定位系统的实 现及算法改进做铺垫。 第三章主要研究了已有的定位算法，并结合硬件实现条件提出了改进的基于4 个 参考节点的定位算法，提高定位精度。 第四章分析c c 2 4 3 0 3 1 定位原理，并结合硬件条件，提出可以在c c 2 4 3 0 3 1 开发 套件上实现的三种r s s i 数据处理模型，并比较定位效果。 第五章主要介绍会场人员定位系统的设计及实现。在c c 2 4 3 0 3 1 开发板上完成会 场人员定位系统的组网配置，完成下位机单片机程序的编写和调试，完成上位机界面 开发，并将改进的算法融入到系统设计实现中。 第六章测试系统功能和定位性能。查看设计的上位机软件、服务器端软件是否能 实现相应的功能，并比较算法改进前后的定位效果，验证改进算法是否提高定位精度。 最后总结全文，提出该实现的缺陷及需要改进的地方。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章无线传感器网络定位技术基础 在无线传感器网络中，在对各项数据的采集分析及网络环境的监测过程中，快速 知道事件所发生的地点是无线传感器网络需要解决的关键问题，不能知晓位置的监测 是毫无意义的；位置信息也是目标跟踪、路由选择、网络管理等应用的前提条件。由 于无线传感器网络自身低功耗、低成本的要求，不可能在所有节点上安装g p s 定位收 发器，因此，研究符合无线传感器网络自身特点的定位算法显得尤其重要。 由于本课题的c c 2 4 3 0 3 1 所用的是z i g b e e 通信协议，故本章先对z i g b e e 通信协 议做简要介绍，然后研究现有的无线传感器网络定位技术。 2 1z i g b e e 通信协议概述 z i g b e e 2 2 1 技术满足无线传感器网络自身低功耗、低成本的要求。z i g b e e 协议栈是 基于标准的开放式系统互连参考模型( o s i ) ，规范使用了i e e e8 0 2 1 5 4 定义的物理层【2 3 】 和媒体介质访问剧2 4 1 ，并在此基础上定义了网络层和应用剧2 6 1 架构和应用层。 z i g b e e 协议栈的结构如图2 1 所示： 一 应用层 企g b e e 或( 应用架构 1 i 网络层 z i g ；e 媒体访问控制层 1 l e e e 物理层p h y i 、l ，、 ， 图2 - i z i g b e e 协议栈结构 z i g b e e 协议栈是以独立的传感器节点为基础，每个节点的功能并非都是相同的。 为了减少投资成本，z i g b e e 网络中大部分节点只具有一部分指定功能，被称为精简功 能设备，；而另外一些节点，负责与网络内其他节点间的数据收集与命令发布，甚至具 有通信路由的功能，将其称之为全功能设备，即协调器。z i g b e e 的组网结构有星状网、 串状网和网状网，如图2 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 星状网 串状网网状网 协调器 路由器 。终端设备 图2 2z i g b e e 网络拓扑结构图 在星状网中【2 7 1 ，协调器相当于中央控制器，其他节点只能与协调器进行通信，他 们相互之间的通信是禁止的，只能由协调器进行转发。因为星状网具有的简单的网络 拓扑结构，故其经常与其他网络混合使用。串状网络适合在通信范围要求相对较大的 环境里使用，它由路由器来充填星状网，从而扩大通信距离。网状网中，也存在着协 调器，但与星状网、串状网不同的是，网状网中任何一个设备都可以与他的通信范围 内的节点进行通信。网状拓扑与星状、串状拓扑结构相比，拓扑结构复杂，且路由是 动态变化的，用户可根据不同的应用场景选择不同的拓扑结构和路由协议，已达到更 好的使用效果。 2 2 无线传感器网络中的距离测量方法 从无线传感器网络的定位方式上，可将定位算法分为基于测距的定位算法和非基 于测距的定位算法。基于测距的定位算法需要测量节点间的距离或角度等信息，然后 根据三边测量、三角测量或最大似然估计等算法计算节点的位置。常用的测距技术有 t o a t 2 s 、t d o a 2 9 1 、a o a 3 们、r s s i 3 u 等：而非基于测距的定位算法是不需要测量距离 或角度信息的，而是主要依靠网络的连通性等信息实现定位，常见定位的算法有质心算 法【3 2 1 、d v - h o p 算法【3 3 】等。在这里，由于本课题使用的c c 2 4 3 0 3 1 是基于测距的，所 以只研究基于测距的定位算法。 2 2 1 到达时间测距法 基于到达时间( t o a ) 的测距技术【3 4 1 是通过测量信号的传播时间来测距的。在t o a 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 测距方法中，无线电信号从位置已知的参考节点到位置未知的定位节点的传播时间为 f ，信号的传播速度为c ，则参考节点到定位节点的距离为t c 。t o a 实现的前提是参 考节点和定位节点能够同时知道信号开始传播的时间和接收到信号的时间，这就要求 这些节点有非常精确的时钟，所以对硬件要求很高，尽管这种方法测距误差小，但是 在绝大多数无线传感器网络中难以实现。 2 2 2 时间差测距法 发射端 接收端 l 无线信号卜_ 一 l 超声波脉冲l 一 碌丘蜜，| 图2 - 3 时间差测距法 t l t 2 在基于到达时间差( t d o a ) 的测距方法【3 5 】中，发射节点需要同一时间发射两种具有 不同传播速度的无线电信号，接收节点根据两种信号到达的时间差以及两种信号的传 播速度，计算出发射节点和接收节点间的距离。如图2 3 所示，发射节点同时发送传 播速度分别为c l ，c ：的两种信号，接收节点记录两种信号到达的时间为，f ：，则两者之 间的距离为 d = i i t 2 一f 。i ( 2 - 1 ) 该测距方法有较高的精度，同时不测量绝对时间，降低了时间同步的要求，但是 仍需要精确的记时功能：在距离较大的环境下该测距方法有一定的使用价值，而对与 通信范围小、网络节点密集的场景下，应用难度较大。 2 2 3 到达角度测距法 在基于到达角度( a o a ) ! u m 方法中，接收节点通过天线阵列或多个超声波接 收机感知发射节点信号的到达方向，然后计算接收节点和发射节点间的相对方位或角 度，再通过三角定位算法计算节点的位置。 a o a 测距法不仪能确定节点的位置信息，还能提供节点的相对方位或角度信息。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 但是和t o a 、t d o a 一样，该方法对外界环境和硬件的要求较高，不适用于大规模的 无线传感器网络中。 2 2 4r s s i 测距法 在基于接收信号强度r s s i 的测距算法【3 7 1 中，发射节点的发射信号强度是已知的， 接收节点根据收到的信号强度，计算出信号的传播损耗，利用信号传输模型将传输损 耗转换为节点间的距离。 接收信号强度r s s i 是发射节点与接收节点之间距离的函数，它与距离的关系可以 表示为： r s s i = - ( 1 0 n l o g l od+彳)(2-2) 其中，以为信号传输常数，是与信号传输环境有关的参数；d 表示接收节点到发射 节点的距离；a 表示距发射节点l m 处的所接收到的信号强度，是一个与发射强度有关 的量。获得了节点之间的相对距离信息后，就可以根据各个定位算法得到位置信息。 由于r s s i 值受到的环境影响较大，故其定位精度不高，但是r s s in i l e _ 技术无需 额外的硬件支持，只需利用接收到的信号强度来计算节点间的距离，因而基于r s s i 的 测距技术在无线传感器网络节点的定位中得到了较为广泛的应用。 2 3 无线传感器网络常用的定位算法 传感器节点定位过程中，未知节点在获得邻近信标节点的距离，或获得邻近的信 标节点与未知节点之间的相对角度后，通常使用下列方法计算自己的位置【3 8 1 。 2 3 1 三边测量法 三边测量法【3 9 】如图2 4 所示： 图2 _ 4 三边测最法 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 已知a 、b 、c 三个节点的坐标分别为( z 。，y 。) 、( ，y 6 ) 、( 工。，y f ) ，以及他们到未 知节点d 的距离分别为d 。，d 6 ，d 。，假设节点d 的坐标为( x ，y ) 。+ 那么，存在下列公式： 瓜i 丁而= 以 瓜i f 而：d b ( 2 3 ) 瓜二了瓦巧了：以 由此可以得到节点d 的坐标为： r l y x = 2 2 ( ( x x ：二乏；2 2 ( ( y y ：二y y c c ) 。1 乏：二三：；：二y y ：乏：二d 乏： c 2 4 ， jl6 一x 。) 6 一jl - 黾2 一x 。2 + y 6 2 。2 + d 。2 。2i 卜v 2 3 2 三角测量法 三角测量法原理【柏】如图2 - 5 所示： 图2 5 三边测量法 已知a ，b ，c 三个节点的坐标分别为( 工。，y 。) 、( 屯，y 。) 、( x c , y 。) ，节点d 相对于节 点a ，b ，c 的角度分别为：_ a d b ，z a d c ，z b d c ，假设节点d 的坐标为( x ，y ) 。对于节点 a ，c 和z a d c ，如果弧段a c 在a a b c 内，那么能够唯一确定一个圆，设圆心为 d i ( x o j ，y 。1 ) ，半径为，那么口= z a o j c = ( 2 万一2 _ 4 d c ) ，并存在下列公式： 瓜了石而= 瓜i 万可而= ( 屯- x c ) 2 + ( y 。一y c ) 2 = 2 1 2 2 2 c o s a ( 2 - 5 ) 能够确定圆心q 点的坐标和半径。同理对a ，b ，z a d b 年f lb ，c ，么肋c 分别确 定相应的圆心0 2 ( x 0 2 y 。2 ) ，半径，2 、圆心q ( x 。3 ，y 。3 ) 和半径，3 。 最后利用三边测量法由d ( x ，y ) ，d i ( 工。l ，y 。1 ) ，0 2 ( 工0 2 y 。2 ) ，q ( x 0 3 y 。3 ) 确定d 点的坐 标。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 3 3 极大似然估计法 极大似然估计法 4 1 1 ，已知1 ，2 ，3 等n 个节点的坐标分别为 ( 而，y 。) 、( x 2 ，y 2 ) 、( x 3 ，y 3 ) 、0 。，y 。) ，它们到节点d 的距离分别为d l , d 2 d 。，假设 节点d 的坐标为( 工，y ) 极大似然估计法如图2 - 6 所示： 2 4 图2 - 6 极大似然估计法 f ( x l - x ) 2 + ( y l - y ) 2 = d ? ； i ( k x ) 2 + ( y 。- y ) 2 = d ： 从第一个方程开始，分别减去最后一个方程，得： f砰一2 - 2 ( x 。- x ) x + y 卜一- 2 ( y i - y 。) y = d ? 一刃 ； i x n 1 2 一2 2 ( 一l i n ) x + y ：l y ：一2 ( y 。一l y 。) y = d l 。一d ： 彳= i l 2 ( x 篡2 ( y 三 彳= l i； l 。一i z 。) 。一i j ，。) j l 工? 一工：+ y ? 一y ：+ d ? 一d ： 1 6 ：l l iz 三。一工：+ 少：。- y ：+ d ：一d ：。i x = 嘲 ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) 使用标准的最小均方差估计方法可以得到节点d 的坐标为： x = ( 彳7 彳) 。1 彳7 b ( 2 1 1 ) 2 4 无线传感器网络定位算法的评价标准 无线传感器网络自身定位系统的性能和算法的精度直接影响其在实际应用的可操 作性【4 2 1 ，同时也是选择定位算法的重要依据。讨论几个重要的定位算法评价标准【4 3 】： 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 l 、定位精度。无线传感器网络定位系统中首先考虑到的是精度问题f 矧，定位精度是 定位算法和系统的重要评价标准，它决定了该算法和系统的应用范围，定位精度一般 用误差值与节点无线射程的比例表示，也有些系统用无线网格表示，其定位精度也即 网格的大小。 2 、网络规模。不同的定位算法和系统有不同的定位范围，算法的适用情景需根据算 法的适用范围和节点的部署情况决定，也可以在开阔空地、建筑物、甚至一间房间内 实现定位。 3 、定位节点密度。定位节点通常需要人工布置或g p s 定位实现。定位节点的人工布 置不仅受环境因素的影响，而且其可扩展性也要受到影响，对环境的监控效果较差： 而使用g p s 定位，锚节点的费用将比普通节点高很多，使整个网络系统的造价提高1 0 倍甚至以上。 4 、节点密度。在无线传感器网络中，节点密度通常由网络的平均连通度表示，节点 密度的增大意味着网络投资成本的增加，并且许多的基于非测距的定位算法的定位精 度受节点密度的影响很大，如最基本的d v - h o p 算法仅在节点连通度好且节点部署密 集的情况下才能准确定位。 5 、定位覆盖率。定位覆盖率定义为可定位的节点占位置未知的节点总数的比例。在 实际应用中，提高覆盖率，减少不可定位的节点的比例，使更多的未知节点实现定位 是无线传感器网络的追求目标之一。 6 、功耗。由于传感器节点自身能量有限，且不容易更换，在保证定位精度的前提下， 应尽量降低算法的计算复杂度，减少节点间的通信功耗，才能有效的延长无线传感器 网络的使用寿命。 7 、 代价。无线传感器网络的代价主要指系统组件及运行时损耗时间的时间代价，组 网所需硬件设施数量及所占体积的空间代价，建立网络所耗经费的资金代价以及通信 时占用网络带宽的通信代价。 8 、分布式计算。在无线传感器网络定位系统中，每个定位节点应该都能够在其余节 点的协助下准确地计算自身所在的位置，而不需要将所有的信息都传给某个节点进行 集中定位计算。 上述八个性能评价指标不仅是评价无线传感器网络定位系统和算法的重要参考标 准，也是无线传感器网络设计上的重要优化目标。上述性能指标是相互关联的，需根 据不同的应用场合全面权衡各个指标，以设计和选择更合适的节点定位算法。 本文设计的定位系统应用于大型会场环境下，会场内部署传感器网络，与会人员 每人携带一个定位节点，会场内已经布置好的位置已知的参考节点组成的无线传感器 网络。与会人员进入会场后，所携带的定位节点便加入会场内已经存在的无线传感器 网络，收集参考节点信息，以便确定自身的位置，并将位置信息传送给网关节点，通 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 过串1 3 将数据传送到p c 机，以便管理人员查看。因为此网络属于室内定位，定位精度 至关重要，且由于室内环境下节点所带的电源也可以随时更换或直接应用交流电，故 本文不把功耗作为算法设计标准。 2 5 本章总结 本章首先简要概述了无线传感器网络z i g b e e 协议栈的概念、结构以及拓扑结构， 为在基于c c 2 4 3 0 3 1 开发套件上定位系统的实现奠定一定的理论基础。接着对现有的 定位算法进行分类，这里本文主要采用基于测距与无需测距的分类方法，并且主要研 究基于测距的定位算法。之后，对常用的基于测距方法，如t o a ，t d o a ，a o a ，r s s i 等 做了详细介绍，同时也介绍了三种基于测距的定位算法，三边测量法、三角测量法和 极大似然估计法。本章最后，介绍了常用的评价无线传感器网络定位系统性能的8 个 指标，以便于自己提出的定位算法与c c 2 4 3 0 3 1 开发板自身的定位性能做比较，得出 最终结论。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 -| 第3 章基于加权处理的三边测量定位算法研究与改进 由于本课题主要是在c c 2 4 3 0 3 1 开发套件上完成定位系统的实现与算法的改进， 所以在选择无线传感器的定位算法时也尽量选择能在开发套件中实现并得到良好效果 的定位算法。本章主要分析了能在实际应用中实现的三边定位算法，并在已有的三边 测量方法基础上进行了改进，以便改进的加权算法能在硬件上得到实现并达到定位精 度的改善。同时，为便于仿真时节点间r s s i 值的获取，本章也对无线电传播损耗模型 进行了分析。 3 1 无线电传播损耗模型 在无线传感器网络定位系统进行定位之前，可以在测试环境内放置两个传感器节 点，一个节点相对另一个节点移动，每隔一定距离如0 2 5 m 记录一次r s s i 值。如此反 复多次测量后，将这些r s s i 值与对应的距离建立起一一对应的关系，存放于数据库里。 实际定位过程中，把实际测得的数据与数据库中的信号强度比较，以便由节点间的r s s i 值得到节点间的距离或由节点间距离值得到相应的r s s i 值。这种方法尽管简单方便， 但是计算量大，且在具体定位环境中环境因素影响较大，误差也相对较大。 无线电传播过程中的损耗对于无线传感器的定位是有较大影响的。目前常用的无 线电传播损耗模型【4 5 1 有：自由空间传播模型、双向地面反射模型和阴影模型等。 ( 1 ) 自由空间传播模型 自由空间模型是指在理想的环境下，无线电没有任何干扰。假设发送者和接收者 间的距离为d ，则接收到的信号功率可用下列公式得到： e ( d ) = 丽p ，g , g , 2 2 ( 3 - 1 ) 式中，p 为传送信号的功率，g ，和g ，分别为发送者和接收者的天线增益，( 大 于或者等于1 ) 为系统损耗，旯为波长。通常情况下，取g ，= g ，= l ，l = l 。 ( 2 ) 双向地面反射模型 在信号传播的过程中，由于受到环境因素的影响，信号传播的路径不是唯一的， 双向地面反射模型将信号以直线传播和经地面反射后按反射路径传播这两种情况都进 行了考虑，定位精度比自由空间模型更高。这种模型中，接收到的信号能量可用如下 公式计算： e p ) = 掣( 3 - 2 ) 式中，h ，和h ，分别为发送和接收天线的高度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 由式( 3 1 ) 和( 3 2 ) 可以看出，双向地面反射模型的能量损耗比自由空间传播模型的 能量损耗快，由于双向地面反射模型在短距离环境中的传播路径不唯一而且对多路径 的撤销和建立容易产生抖动，定位效果不理想。所以在传播距离较短的情况下，常采 用自由空间传播模型。 ( 3 ) 阴影模型【蛔 在实际环境中，无线电信号的传播过程受反射、折射等环境因素的影响，接收到 的信号强度及其不稳定。通过研究发现，接收强度服从正态分布，其传播模型如下： 嘶 d b m = 瞄，( d 。) l 跏一1 0 n l g ( ，a - - ) + a 乙孙 ( 3 3 ) u 0 式中，d 为发射端与接收端的距离，单位为m ；成为参考距离，一般取l m ；厕是 接收端的接收信号功率，单位为d b m 尸，( d 。) 是距离为成时对应的接收信号功率，单 位为d b m ：x m 是一个平均值为o 的高斯随机变量，表示当距离一定时，接收信号功 率的变化，单位为d b m ；n 为路径损耗指数，其值大小与环境有关。 在实际应用中，采用如下公式【4 7 船】： ， p ，( d ) d 砌= k ，( d o ) l 砌一1 0 挖l g ( - ) ( 3 4 ) “0 这里取d o = l m ，故实际情况下r s s i 的测距方法由式( 3 5 ) 给出： 【r 跚k = e 两= - - ( 1 0 n i g d + a ) ( 3 5 ) 上式中，a 为信号传输l m 远处接收信号的功率，单位为d b m 。 3 2 测距方法的研究及改进 在基于距离的定位算法中，对节点距离的测量直接影响无线传感器网络定位的精 度，所以对节点间距离的测量在定位算法中起着举足轻重的作用，因此，对这一问题 的研究也是本课题的重点研究内容之一。本论文结合已有的基于加权处理的三边定位 测量算法，又考虑到算法实现的复杂性及在c c 2 4 3 0 3 1 上的可实现性，提出自己的改 进的加权处理算法，以保证提高定位精度的同时，也能应用于实际无线传感器网络中， 以达到一定的使用目的。 3 2 1 已有的测距算法 首先来看最基本的三边测距算法。假设3 个参考点的坐标分别为a ，( ，y ，) ， 彳，0 ，y ，) ，a k ( 以，y 。) ，定位节点的坐标为( x ，y ) ，定位节点到各个参考节点的测量距 离分别是西，d ，畋，根据二维空间距离计算公式，可以获得一个非线性方程组： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 f 一而) 2 + ( y 一乃) 2 = 刃 ( x - - x + ( y - y = d ； i ( x - x ) 2 + ( y - y 七) 2 = d ； m - 2 ( x ，一以) 2 ( y ，一y k ) 一k x ：+ y 卜y ：+ 一d 1 l y j l 2 ( x j k ) 2 ( y 厂j ，i ) jl x 卜x ：+ y 卜y ；+ d ；一d 列 ( 3 6 ) ( 3 - 7 ) 由上式可以看出，影响定位节点的定位精度的因素主要取决于定位节点到各个参 考节点定位距离的准确度。在实际应用中，为了提高定位准确度，常采用多次测量求 平均值的方法，以避免某次测量不准确造成的定位误差。 假设无线传感器网络中有n 个参考节点，分别为i ，2 ，3 虬，它们的位置都 是已知的，分别为( x 。，乃) ，( 屯，y ：) ，( 屯，y ，) ，( x 。，y 。) 。网络中另有一个待定位的节点 以，其位置用( x p ，y ) 来表示，并作如下定义，d s ( 七) 为第k 次测得的节点m 和q 之 间的距离；r s s i i ，( 七) 为第k 次测得的节点，接收到的来自m 的信号强度的r s s i 表示； f ，的范围为l ，2 n 。 根据公式r s s i = 一( 1 0 n l o g 。od + a ) ，有d = 1 01 ，设节点f 和，之间的距离需 兰! 竺些望 要测量m 次，即测量次数的阈值为m 。则第一次测量的结果即为缉，( 1 ) = 1 0 妇 ，同 兰! 苎些! ：坐!兰苎些：应! ! ! 苎墅：4 1 1 。 理矾，( 2 ) = 1 0 1 0 ” ，d i , j ( 3 ) = 1 0 1 0 ” ，4 ，( 聊) = 1 0 1 0 “ 则d t 的平均值为： 万：10a竺! q 竺二：! q 竺：鬯 ( 3 - 8 ) l 1 0 “ + 1 0 1 0 n + l o l o ” 鲁l p 7 ，o 、 f = 一= 一 j 。o ， 7 mm 其中，f ，= 1 , 2 刀 3 2 2 改进的加权测距定位算法 上述算法的主要思想是计算统计均值，这种算法的缺点是把一些数据异常值也计算 在内，降低了数据准确度，增大了误差。在这里，本课题结合硬件实现要求，在r s s i 测距基础上提出权重的概念，并提出了基于r s s i 的加权测距算法，以使无线传感器网 络的定位性能得到一定的提高。 依次记录节点，接收到的来自i 的信号强度r s s i ，( 七) ，k = 1 , 2 ，当收集到的 r s s i ，个数超过闽值m 时，计算其统计平均值，即 瓦：竺丛堕型丝生兰型：l r s s i _ f ( k ) ( 3 9 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 其中，f ，j f = 1 , 2 以 由于尺跚