狹長空間無線感知節(jié)點布置策略及定位算法

摘要：因為人們對無線感知節(jié)點在一些狹長空間場所的研究較少，受空間限制，無線感知節(jié)點及其網絡在這些場所應用具有與開闊空間不同的特征，所以對目前應用于開闊環(huán)境下的無線感知節(jié)點定位算法進行了修正，給出了應用于狹長空間的無線感知節(jié)點定位算法。同時對狹長空間的錨節(jié)點布置方法進行了研究，給出一種較優(yōu)的錨節(jié)點布置策略。理論分析、計算機仿真和實驗驗證表明：該算法及其錨節(jié)點布置策略在狹長空間應用中對未知節(jié)點具有很好的定位精度。

關鍵詞：狹長空間；無線感知節(jié)點；錨節(jié)點布置；定位算法

中圖分類號：TP3文獻標志碼：A

[WT]文章編號：1672-1098（2012）04-0006-04

基金項目：國家自然科學基金資助項目（61170060）；安徽省自然科學基金資助項目（11040606M135）；安徽省高等學校自然科學基金重點項目（KJ2011A083）；淮南市科技計劃項目（2011A07904）

作者簡介：李敬兆（1964-），男，安徽淮南人，教授，博士，主要從事智能控制教學與研究工作。

“物聯(lián)網”為各行各業(yè)的安全生產監(jiān)督管理引入了新的理念、技術和方法。目前專家普遍認同的是將人、物識別和各類監(jiān)控子系統(tǒng)均納入到一起的大物聯(lián)網系統(tǒng)中。因此物聯(lián)網在各行各業(yè)中的應用就是通過各種感知技術、信息傳輸與處理技術，將人員、物質、環(huán)境等物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)的高度整合，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的智能控制與管理[1]。在物聯(lián)網的許多應用中，需要確定無線感知節(jié)點的位置信息，如物品的跟蹤、設備的管理、人員的定位等。目前在寬闊的環(huán)境中，無線感知網絡得到許多學者的研究和廣泛應用。而人們對無線感知節(jié)點在一些狹長空間場所的研究較少，受空間限制，無線感知節(jié)點及其網絡在這些場所應用具有與開闊空間不同的特征[2]。為此，本文對狹長空間無線感知節(jié)點定位算法及布置策略進行了研究。

1狹長空間定位算法

在無線感知節(jié)點的眾多算法中，基于收發(fā)信號強度的方法，更適合于狹長空間[3]。對于無線網絡感知節(jié)點而言，其收發(fā)功率的關系由式（1）表示。

由式（1），就能夠得到式（2）計算距離的公式。

然而，由于無線信號的發(fā)射功率和接收功率一般用dBm表示[4]。因此式（2）在實際測試和仿真中不可使用。為了使無線信號的發(fā)射功率和接收功率能夠用dBm表示，對式（2）兩邊取對數(shù)，并在兩邊同乘10，得到式（3）。

式（3）變換后得式（4）

2三種不同無線感知節(jié)點布置方法

首先，對于狹長空間環(huán)境n的取值進行了實驗、計算。計算以式（7）為依據，經反復實驗，并與實際位置進行比較，得到實驗環(huán)境下的A、B、C和n，分別為0.95、-0.22、-40和2.3，以此對不同節(jié)點布置情況下定位進行研究。

實驗采用ZIGBEE開發(fā)板，錨節(jié)點采用CC2431、未知節(jié)點采用CC2430（見圖1）。實驗測試時節(jié)點接收信號強度截圖如圖2所示。

下面三種節(jié)點布置方法均采用未知節(jié)點到錨節(jié)點的實際距離和錨節(jié)點的坐標來估計未知節(jié)點的位置，具體實施如下。

首先，將錨節(jié)點的位置均勻布放，且每個錨節(jié)點的縱、橫坐標均已知，隨機分布未知節(jié)點。其次，用Dall（i，j）表示第i個節(jié)點到第j個節(jié)點的計算距離，當未知節(jié)點生成后，通過計算，得到Dall（i，j）矩陣。再次，考慮到信號強度值受距離的影響，在實驗環(huán)境下，經過多次實驗，得到無線網絡的平均傳輸半徑為240m，為了使更多錨節(jié)點能夠參與定位計算中，通過定位精度，在此采用的是每隔20m設定一個傳感器節(jié)點，那么對于任意一個未知節(jié)點，它到兩個錨節(jié)點的距離小于sqrt（52+1202）≈120m。這里，將120m作為一個限定閾，每個未知節(jié)點尋找與其距離小于這個限定閾的錨節(jié)點，找到后通過這兩個錨節(jié)點到其距離和這兩個錨節(jié)點的已知位置來實現(xiàn)這個未知節(jié)點的定向和定位。對于多于兩個錨節(jié)點的情況，其它錨節(jié)點的收發(fā)信號用于對對上述兩個錨節(jié)點求得距離進行修正，在此，主要關心的是水平距離，也就是橫坐標參數(shù)。

2.1 20m范圍內布置兩個錨節(jié)點的未知節(jié)點定位

首先在120m×5m的區(qū)域，設定兩個錨節(jié)點，坐標分別為（0，0）和（120，5）。將未知節(jié)點隨機分布在這個矩形區(qū)域內，在此先隨機產生十八個未知節(jié)點。這里用圓圈o代表通過測量得到的未知節(jié)點位置，用星號*代表通過這兩個錨節(jié)點估計的未知節(jié)點的位置。

通過測量得到未知節(jié)點的實際位置和通過式（7）由實驗得到的接收節(jié)點的信號強度計算的估計位置分布如圖3所示。

每個未知節(jié)點的實際位置與計算估計位置之間的誤差如圖4所示。

在這種錨節(jié)點布置情況下，得到未知節(jié)點的平均定位誤差為1.3679m。

2.2 40m范圍內布置三個錨節(jié)點的未知節(jié)點定位

接著將錨節(jié)點的個數(shù)增加到3個，這次將定位區(qū)域設為240m×5m，錨節(jié)點的坐標分別為（0，0），（120，2.5）和（240，5）。之所以這樣進行布置錨節(jié)點，是基于理論分析和多次實驗基礎上，得出狹長空間沿同一水平布置，沒有沿斜線布置更適合無線信號的傳輸。

在這種錨節(jié)點布置情況下，通過測量得到未知節(jié)點的實際位置和通過式（7）由實驗得到的接收節(jié)點的信號強度計算的估計位置分布如圖5所示。

每個未知節(jié)點的實際位置與計算估計位置之間的誤差如圖6所示。

這種情況下，未知節(jié)點的平均定位誤差為1.2279m。

2.3 200m范圍內11個錨節(jié)點的定位

為了反映狹長空間的真實情況，在1200m×5m的矩形區(qū)域，11個錨節(jié)點位置已知，錨節(jié)點矩陣如下：Beacon=[0，120，240，360，480，600，720，840，960，1080，1200；0，2.5，5，2.5，0，2.5，5，2.5，0，2.5，5]；其中第一行為錨節(jié)點的橫坐標，第二行為其的縱坐標。錨節(jié)點的這種布置策略，其定位精度遠高于其他布置策略。

此實驗環(huán)境下，未知節(jié)點的實際位置和估計位置的分布如圖7所示。

其每個未知節(jié)點的實際位置與計算估計位置之間的誤差如圖8所示。

在1200m范圍布置11個錨節(jié)點情況下，未知節(jié)點的平均定位誤差為0.2412m。

3不同錨節(jié)點布置的定位分析

與一般開闊空間的定位不同，對于狹長空間，由于其寬度和高度均有限，一般不超過幾m，因此，對其寬度和高度的定位意義不大，實際中主要關注的是長度范圍的定位。因此僅對水平距離也就是橫坐標定位進行了分析。

三種定位的誤差均小于1.4m。第一種情況，由于只使用了兩個錨節(jié)點來對未知節(jié)點定位，因而定位精度較低；第二種情況，增加了120m距離，又增加了一個錨節(jié)點。在距離較近的兩個錨節(jié)點進行定位定向后，還有一個錨節(jié)點的計算值對其定位進行修正，因而定位精度得到了提高，誤差有所降低；第三種情況，在1200m的狹長空間中均勻布置了11個錨節(jié)點，同樣在距離較近的兩個錨節(jié)點進行定位定向后，在信號接收范圍內一般還有兩個錨節(jié)點的計算值對其定位進行修正，因而定位精度得到了很大提高，只有零點幾米的誤差。此種情況更符合實際狹長空間錨節(jié)點分布和未知節(jié)點定位情況，因而具有更大的應用價值。

4結束語

無線感知定位技術在很多領域得到廣泛應用，由于狹長空間的特殊性，一般方法難以在此應用。通過理論分析與實驗、仿真，本文給出了應用于狹長空間的無線感知節(jié)點定位算法?；诖怂惴ǎㄟ^反復實驗、比較，給出了一種較優(yōu)的適用于狹長空間的錨節(jié)點布置策略。實驗表明：該算法及其錨節(jié)點布置策略在狹長空間應用中具有很好的定位精度，可廣泛應用于煤礦巷道等狹長空間的人員、設備等定位中。

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（責任編輯：李麗，范君）