淺談無線移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)中一種新定位技術(shù)

齊蕊 詹世濤

摘要：無線移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)自身節(jié)點(diǎn)位置的不確定性，要求對(duì)其節(jié)點(diǎn)作出頻繁的位置評(píng)估。一種良好的無線定位技術(shù)應(yīng)具備低能耗、高精度、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，故本文提出一種基于非測(cè)距、RSSI的三維快速節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)，這一新定位技術(shù)在任何地理環(huán)境中均使用，且定位精度較高。對(duì)其進(jìn)行探討，明確其相關(guān)內(nèi)容，意在為這一新定位技術(shù)在無線移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的推廣應(yīng)用提供借鑒與支持。

關(guān)鍵詞：無線移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)；三維定位技術(shù)；節(jié)點(diǎn)定位；分析

無線移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要組成，在其應(yīng)用領(lǐng)域，移動(dòng)性的作用越來越突出，但其同時(shí)也存在諸多需要克服的問題，如能力消耗、覆蓋范圍、傳感器節(jié)點(diǎn)連接等，其中最重要的一個(gè)問題就是對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的定位。因此，對(duì)無線移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)進(jìn)行探討，明確新型技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容，對(duì)于無線移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)足、穩(wěn)定發(fā)展具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

一、三維節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

三維節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)主要具有如下優(yōu)勢(shì)：依靠GPS移動(dòng)節(jié)點(diǎn)來對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)施定位，在實(shí)現(xiàn)高精度定位的同時(shí)，定位花費(fèi)大大減少；應(yīng)用飛機(jī)裝載形式，避免了障礙物影響，定位精度大大提高；三維定位的形式，具有很強(qiáng)的魯棒性，且對(duì)于各種地理環(huán)境均適用；定位簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，消耗功率小，定位的實(shí)現(xiàn)十分快速；相比于當(dāng)前現(xiàn)有定位技術(shù)，具有高精度和分布式計(jì)算的特點(diǎn)，無需將測(cè)距模塊加入到節(jié)點(diǎn)硬件中。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由多個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)傳感器構(gòu)成，這些傳感器集傳感器執(zhí)行、控制器和通信裝置于一體，集傳感與驅(qū)動(dòng)控制能力、計(jì)算能力、通信能力于一身的資源受限的嵌入式設(shè)備。由這些微型傳感器構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種監(jiān)測(cè)對(duì)象信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行處理，傳送給需要這些信息的用戶。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織、自愈、多跳等特點(diǎn)，并且節(jié)點(diǎn)放置位置大多固定。由于有些無線傳感器現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境比較惡劣，因此在設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的時(shí)候就必須充分考慮傳感器節(jié)點(diǎn)的節(jié)能問題和采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性傳輸問題。

ZigBee技術(shù)是一個(gè)具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無線通信技術(shù)，其PHY層和MAC層協(xié)議為IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。本文提出的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作在全球通用的ISM(Industrial,Scientific and Medica1)免付費(fèi)頻段2.4GHz上，其數(shù)據(jù)傳輸速率為250Kb/s,劃分為16個(gè)信道。與藍(lán)牙或802.11b等同屬短距離無線通信技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)具有先天的優(yōu)勢(shì)。ZigBee設(shè)備為低功耗設(shè)備，具有能量檢測(cè)和鏈路質(zhì)量指示的功能。同時(shí)，由于采用了碰撞避免機(jī)制(CSMA—CA)，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的沖突。在網(wǎng)絡(luò)安全方面，采用了密鑰長(zhǎng)度為128位的加密算法，對(duì)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行加密處理，保證了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的高可靠性和安全性。

二、三維節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)的定位實(shí)現(xiàn)

（一）選擇信標(biāo)點(diǎn)

為獲取待定位節(jié)點(diǎn)位置，通常選用兩類信標(biāo)點(diǎn)，一類表示為待定位節(jié)點(diǎn)從移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)中第一次正確收到包信息時(shí)，移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的位置；另一類表示為移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)所有位置信息中，獲得最大RSSI值的待定位節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)位置。移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)在傳感區(qū)域上空飛行，并伴有一定周期廣播包，其中包括錨節(jié)點(diǎn)的預(yù)定義生存時(shí)間、時(shí)間戳、坐標(biāo)、ID等。此點(diǎn)應(yīng)注意，廣播周期受通信環(huán)境和硬件的影響，其大小同發(fā)送信息的長(zhǎng)度和節(jié)點(diǎn)發(fā)送速率有關(guān)。故實(shí)際選擇中，應(yīng)將這些因素納入考慮范圍當(dāng)中。為獲取信標(biāo)點(diǎn)，每?jī)蓚€(gè)表格（定位信息表格和移動(dòng)錨點(diǎn)訪問表格）應(yīng)由一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行維護(hù)，前者包含兩類新標(biāo)點(diǎn)及狀態(tài)的定位信息，后者是對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)正確接收錨點(diǎn)信息及此時(shí)RSSI值的記錄。

（二）確定待定位節(jié)點(diǎn)的位置

對(duì)待位節(jié)點(diǎn)所獲取的新標(biāo)點(diǎn)作集合處理（Ax，Bx），x=1,2,3….，并對(duì)定位信息表中的狀態(tài)標(biāo)識(shí)值進(jìn)行更改。而當(dāng)待位節(jié)點(diǎn)所獲取的新標(biāo)點(diǎn)達(dá)三對(duì)時(shí)，定位狀態(tài)的標(biāo)識(shí)值便開始由定位位置初次信息、定位位置再次信息、位置可計(jì)算信息的依次轉(zhuǎn)變。當(dāng)定位狀態(tài)的標(biāo)識(shí)值轉(zhuǎn)變成定位位置可計(jì)算信息時(shí)，便可就節(jié)點(diǎn)相應(yīng)位置作出確定。且試驗(yàn)表明，這一新定位技術(shù)在任何三維地理環(huán)境下均可達(dá)到節(jié)點(diǎn)定位作用。

三、三維節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)的實(shí)施過程

三維節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)的實(shí)施過程基本包括如下內(nèi)容：第一，布置傳感器節(jié)點(diǎn)于指定區(qū)域，且在制定區(qū)域范圍內(nèi)運(yùn)用費(fèi)用來進(jìn)行傳感器節(jié)點(diǎn)的安裝是最常用形式，從而對(duì)這些節(jié)點(diǎn)不需要采取其他措施或人工定位便可獲取真實(shí)地理坐標(biāo)；第二，創(chuàng)建每個(gè)節(jié)點(diǎn)的定位信息表格該表格中包含極值，并依據(jù)極值來對(duì)其初始定位狀態(tài)加以定位；第三，移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)對(duì)自身信息作出周期性的廣播，其信息包括此次生存時(shí)間、當(dāng)前位置信息、ID和時(shí)間戳；第四，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)完成對(duì)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)發(fā)出信息的接收后，其首要任務(wù)就是對(duì)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)是否達(dá)到單次生存期限作出判斷；第五，如期限未滿，則對(duì)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息的接收是否為第一次作出判斷，如為第一次，則應(yīng)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)訪問表格的創(chuàng)建，如不是第一次，則應(yīng)就當(dāng)前值同RSSI值作出比較；第六，對(duì)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)第一次發(fā)出的節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行判斷，并即刻針對(duì)該節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建訪問表格，并對(duì)移動(dòng)錨點(diǎn)的RSSI值、ID、時(shí)間戳、坐標(biāo)值加以記錄。同時(shí)，將移動(dòng)錨點(diǎn)當(dāng)前位置信息存放于節(jié)點(diǎn)定位信息表格當(dāng)中；第七，當(dāng)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)單詞生存時(shí)間達(dá)到極致時(shí)，應(yīng)在節(jié)點(diǎn)定位信息表格中就移動(dòng)訪問表格中的錨點(diǎn)坐標(biāo)加以保存。之后，將移動(dòng)錨點(diǎn)訪問表格刪除，并進(jìn)行節(jié)點(diǎn)定位狀態(tài)信息的更新，將自身定位狀態(tài)信息一次變?yōu)槲恢眯畔⒌某醮味ㄎ弧⒃俅味ㄎ?、可?jì)算值；第八，對(duì)節(jié)點(diǎn)自身狀態(tài)是否為可計(jì)算信息作出判斷，如果是，便可直接確定節(jié)點(diǎn)位置，如果尚未達(dá)到可計(jì)算狀態(tài)，則將定位信息復(fù)位于過程四來重復(fù)之后過程。

結(jié)語

無線移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，依靠于快速、準(zhǔn)確的節(jié)點(diǎn)定位，三維節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)作為一種新型的定位技術(shù)能夠很好地滿足其應(yīng)用要求，且我們有理由相信，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，三維節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)必將進(jìn)一步完善，從而更好地應(yīng)用于無線移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。

參考文獻(xiàn)

[1]李煜.基于移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位研究概論[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī).2011（8）

[2]孫燕.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理與節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)研究[J].管理科學(xué)與工程.2010（5）

[3]魏葉華.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中定位問題研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù).2012（1）

[4]王偉東，董育寧.移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)研究[J].信號(hào)與信息處理.2011（9）