基于ZIGBEE 的無線定位技術(shù)研究

蘇勇杰

（中國人民解放軍69047部隊(duì) 新疆 烏魯木齊 830002）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)合了監(jiān)管、控制和無線通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中有數(shù)量龐大的節(jié)點(diǎn)，并且分布非常密集，節(jié)點(diǎn)之間彼此交互，所以一個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障以及環(huán)境影響就會(huì)影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞倪\(yùn)行，所以對于無線網(wǎng)絡(luò)來說，無論是定位能力還是報(bào)警能力，都依賴于節(jié)點(diǎn)。本研究在ZIGBEE的基礎(chǔ)上，對基于ZIGBEE無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行分析，并且對其系統(tǒng)傳感器信號(hào)采集模塊進(jìn)行了一定分析，最終對其無線定位技術(shù)進(jìn)行研究。

1 系統(tǒng)需求和總體架構(gòu)

本文對于無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境采用的設(shè)計(jì)方案是2.4 GHz的IEEE802.15.4/ZIGBEE標(biāo)準(zhǔn)[1]。在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)下，所有的ZIGBEE節(jié)點(diǎn)都運(yùn)用抗干擾的直序擴(kuò)頻通信方式進(jìn)行工作，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都對強(qiáng)弱指示功能(RSSI)的模式來接收信號(hào)，并且在無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，能夠?qū)⑦@些節(jié)點(diǎn)共同組成通信網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在布置ZIGBEE節(jié)點(diǎn)位置時(shí)，能夠進(jìn)行每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信，兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)就可以組成信道[2]。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 基于ZIGBEE的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Wireless sensor network is based on ZIGBEE

對于這些節(jié)點(diǎn)的控制平臺(tái)架構(gòu)，首先要了解到3個(gè)線程：CCR、DSS、.NET 公共運(yùn)行進(jìn)程（CLR），3 個(gè)進(jìn)程都是由各自的庫文件進(jìn)行配置。CCR采用事件驅(qū)動(dòng)，用于處理異步請求、并行執(zhí)行的庫；DSS作為服務(wù)驅(qū)動(dòng)的庫，使得各項(xiàng)服務(wù)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。例如當(dāng)兩個(gè)線程同時(shí)運(yùn)行時(shí)，調(diào)用同一片資源，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生兩條線程所用到的數(shù)據(jù)不一致，這就需要編程者使用互斥技術(shù)進(jìn)行處理。基于MRDS的CCR恰恰可以輕易的解決上述問題，使用者僅需要使用CCR提供的庫函數(shù)編程，即可以避免資源不一致的問題[3]。

2 系統(tǒng)無線定位技術(shù)分析

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的模型中，假設(shè)t代表離散時(shí)間；mt代表離散時(shí)間上的節(jié)點(diǎn)分布位置點(diǎn)；nt代表從t-1時(shí)刻到t時(shí)刻間所收到的節(jié)點(diǎn)數(shù)量；p(mt,mt-1)代表以前一時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)位置為依據(jù)所估計(jì)和描述的節(jié)點(diǎn)定位方程；p(mt,nt)代表的是一種概率，對應(yīng)于給定觀測值的節(jié)點(diǎn)所在位置mt。隨時(shí)間反復(fù)估計(jì)節(jié)點(diǎn)位置分布情況是該算法的最終目的[4]。

要實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)位置的有效定位，其估算算法基本思想是先初始化后計(jì)算定位。初始化是由于節(jié)點(diǎn)本身沒有存儲(chǔ)自身定位信息，所以進(jìn)行初始化。對于節(jié)點(diǎn)位置的計(jì)算，主要依據(jù)上一個(gè)時(shí)間段收集的信息計(jì)算出可能的位置信息，同時(shí)結(jié)合本時(shí)間段的信息來對位置進(jìn)行重復(fù)計(jì)算從而得出可能的位置序列。

通過上述過程已經(jīng)能夠得到一些可能的位置組Mt-1，在本階段進(jìn)行對節(jié)點(diǎn)位置的具體預(yù)測。在預(yù)測過程中采用節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型，將已經(jīng)采集到的各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息值通過模型獲得另外一組值Mt，我們需要獲取節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的上界值vmax[5]，這樣即使在不知道節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的矢量信息情況下依然能對節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行初步預(yù)測，以可能位置組中的任一位置值為圓心，以vmax為半徑，這樣就可以得到一個(gè)圓形區(qū)域。對于Mt中可能的m1和m2兩個(gè)點(diǎn)，在該圓形區(qū)域內(nèi)歐幾里得距離用d表示，而且，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度應(yīng)當(dāng)一致。有了以上的分析，就可以根據(jù)前一時(shí)間段的位置結(jié)合本時(shí)間段的信息，對位置信息做出概率分布預(yù)測：

對于分級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而言，網(wǎng)絡(luò)被劃分為簇(Cluster)，其中每個(gè)簇由簇頭和普通成員節(jié)點(diǎn)兩個(gè)部分構(gòu)成，而各個(gè)節(jié)點(diǎn)將節(jié)點(diǎn)位置表轉(zhuǎn)化為簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)拓?fù)鋱D[6]。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)任意的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離小于有效通訊范圍之內(nèi)，就能建立一種通訊聯(lián)系線路。在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，有很多的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間的連線代表通信鏈路，任意數(shù)量的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，按照節(jié)點(diǎn)的最大有效通訊范圍形成一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，因此任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)通過一條或者幾條通訊鏈路通訊聯(lián)系，但是不同網(wǎng)絡(luò)之間的節(jié)點(diǎn)不能建立通訊聯(lián)系。當(dāng)然上述圖只是一個(gè)簡單的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)簇，實(shí)際上的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由上述無數(shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)簇形成的。

小世界是復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論中的重要特性，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的傳感器測量出數(shù)據(jù)的大小和形狀時(shí)，就將這些信息予以記錄，而從其他網(wǎng)絡(luò)獲取或者接受該等信息的時(shí)間節(jié)點(diǎn)就是對信息資源進(jìn)行更新的節(jié)點(diǎn)，因此也能夠用于確認(rèn)節(jié)點(diǎn)是否在一個(gè)確定的網(wǎng)絡(luò)之中。

以5個(gè)節(jié)點(diǎn)為例，黑色圓點(diǎn)即代表節(jié)點(diǎn)實(shí)體，節(jié)點(diǎn)之間的連線表示通訊鏈路。圖形a)中5個(gè)節(jié)點(diǎn)形成兩個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)Net0和Net1；由于節(jié)點(diǎn)之間的位置變化，位置b)中形成了新的網(wǎng)絡(luò)Net2。兩個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)是由5個(gè)節(jié)點(diǎn)共同形成的，而由于這兩個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)之間的距離較近，因此就可能出現(xiàn)有效通信范圍內(nèi)的直接通信。而在網(wǎng)絡(luò)Net2之中，則由于距離的原因，可能無法進(jìn)行節(jié)點(diǎn)之間的直接通信。而且由于節(jié)點(diǎn)會(huì)不斷的朝著目標(biāo)方向移動(dòng)。

位置實(shí)際上是動(dòng)態(tài)變化的，因此網(wǎng)絡(luò)也需要?jiǎng)討B(tài)變化。如果網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)距離超過了有效距離，就會(huì)隨之出現(xiàn)脫離網(wǎng)絡(luò)的情形，反之新的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入有效網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，就會(huì)形成一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)。小世界模型里節(jié)點(diǎn)通過傳感器檢測網(wǎng)絡(luò)中來自其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)和信息。

3 小世界理論體系下無線定位技術(shù)研究

基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其具有一定的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的觸發(fā)條件。從當(dāng)前的研究來看，主要有3個(gè)方面的條件：第一，網(wǎng)絡(luò)N初步形成，比如兩個(gè)新的節(jié)點(diǎn)脫離原網(wǎng)絡(luò)，并且二者進(jìn)入有效傳輸距離，形成新的網(wǎng)絡(luò)；第二，世界模型環(huán)境在新網(wǎng)絡(luò)條件下發(fā)生一定改變；第三，網(wǎng)絡(luò)N中的一個(gè)或者若干個(gè)節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)位置發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。上述條件中，其中一個(gè)發(fā)生，就會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)間的信息交流，網(wǎng)絡(luò)N中的節(jié)點(diǎn)會(huì)獲得新的世界模型信息[7]。

如圖2所示，該事例中以沒有障礙物的立體空間中的節(jié)點(diǎn)為研究對象。圖中顯示了3條節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案，不同條件之下，左邊的圖形都會(huì)顯示節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，而右邊則顯示的是節(jié)點(diǎn)的通訊范圍以及不同節(jié)點(diǎn)之間的通信鏈路情況。

圖2 三個(gè)節(jié)點(diǎn)(灰色圓圈)在初始位置Fig.2 Three nodes(gray circles)in initial position

圖2 中，居圖右的兩節(jié)點(diǎn)通信范圍為以節(jié)點(diǎn)為中心的球星區(qū)域內(nèi)，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)形成了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，而且規(guī)劃出了避免相互碰撞的路徑。居圖左的節(jié)點(diǎn)則單獨(dú)形成通信網(wǎng)絡(luò)，且其路徑與其他兩個(gè)節(jié)點(diǎn)互不沖突和依賴，完成路徑規(guī)劃之后，3個(gè)節(jié)點(diǎn)朝各自目標(biāo)運(yùn)動(dòng)。

圖3，隨著節(jié)點(diǎn)向目標(biāo)方向的移動(dòng)，中間的節(jié)點(diǎn)和右邊的節(jié)點(diǎn)也進(jìn)入到它們之間的通信范圍之內(nèi)，這時(shí)3個(gè)節(jié)點(diǎn)形成了一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)。

圖3 三個(gè)節(jié)點(diǎn)共同形成新的網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Three nodes to form a new network together

圖4 產(chǎn)生新網(wǎng)絡(luò)簇點(diǎn)形成方案Fig.4 Generate new network points to form clusters

新網(wǎng)絡(luò)之中的節(jié)點(diǎn)基于新的世界模型中的相關(guān)信息，產(chǎn)生新的規(guī)劃方案，從圖2～6知，新的方案對之前的規(guī)劃進(jìn)行了一定的調(diào)整，提高了效率，使其更為合理。而且，節(jié)點(diǎn)沿著新的規(guī)劃軌跡可以繼續(xù)進(jìn)行移動(dòng)，只有在其超出有效的通信范圍之后，通信鏈路才會(huì)斷開，節(jié)點(diǎn)各自向其目標(biāo)位置移動(dòng)[8]，如圖 5所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)脫離網(wǎng)絡(luò)沿著各自的目標(biāo)方向前進(jìn)Fig.5 Nodes from the network along the respective target direction

由于節(jié)點(diǎn)的傳感器局限性，網(wǎng)絡(luò)共享的信息并不全面，因此路徑規(guī)劃并非最佳。隨著節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，先前未知的障礙物可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)路徑必須要進(jìn)行全新的規(guī)劃，同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)在采集了局部世界模型的信息之后，可以通過集中式的規(guī)劃給出合適的路徑方案，而后傳遞到各個(gè)節(jié)點(diǎn)，使得各個(gè)節(jié)點(diǎn)可以依據(jù)規(guī)劃的路徑移動(dòng)。這個(gè)過程完成之后，簇頭會(huì)選擇相關(guān)節(jié)點(diǎn)重新構(gòu)成新的簇，如圖6所示。

4 結(jié)論

圖6 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)簇動(dòng)態(tài)圖Fig.6 Wireless sensor network node in the cluster dynamic figure

本研究在滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)連通性和稀疏性的同時(shí)，結(jié)合了平面拓?fù)浜蛯哟瓮負(fù)浣Y(jié)構(gòu)。研究以傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)結(jié)點(diǎn)為主線，重點(diǎn)以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的硬件原理設(shè)計(jì)和定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)為主，進(jìn)行了分析。

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