一種實用的人工布置無線傳感器網(wǎng)絡(luò)位置估計方案

王鵬

引言：本文提出了一種實用的人工布置無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的位置估計方案，它僅僅使用少量的包含全球定位系統(tǒng)模塊的IRIS傳感器節(jié)點和一個非常簡單的可視化圖形用戶界面就可以給出位置的詳細的緯度和經(jīng)度信息。在實際的戶外環(huán)境中對該系統(tǒng)進行測試，結(jié)果表明，它可以提供一個可視化的定位信息。

一、介紹

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless sensor networks，WSN）是無線通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、低功耗嵌入式技術(shù)、微機電系統(tǒng)、分布式信息處理技術(shù)和片上系統(tǒng)等多種新興交叉學(xué)科飛速發(fā)展的結(jié)果，被認為是21世紀最有影響力的技術(shù)之一[1，2]。WSN除了在軍事上的大量應(yīng)用以外，也被廣泛應(yīng)用于民用領(lǐng)域，如生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、現(xiàn)代精確農(nóng)業(yè)、衛(wèi)生健康監(jiān)護、家庭自動化等多個領(lǐng)域[3]。盡管有關(guān)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究正在廣泛的進行，但是仍然存在很多開放的問題，比如信號處理、節(jié)點功耗、節(jié)點布置、節(jié)點定位和位置估計等等。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)在不同領(lǐng)域的潛力已經(jīng)被意識到，因此各種各樣的能夠使得部署配置、維護和可用性方面相對簡單的軟件框架正在被開發(fā)。

本文中，我們提出一種對人工布置WSN中的傳感器節(jié)點進行位置估計的方案，方案中使用MoteView 2.0.1F軟件，該軟件提供了一個可靠的IRIS傳感器平臺，可以監(jiān)測人工布置節(jié)點的緯度和經(jīng)度值。軟件為用戶和傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的通訊提供了一個強大的接口，配備了Google Earth應(yīng)用程序，是一款基于客戶端層的可視化工具。

IRIS節(jié)點配備有GPS裝置，因此適合于戶外無遮擋的開放環(huán)境，如建筑物的屋頂，可以獲得建筑物的相對緯度和經(jīng)度信息。本文的重點在于提出一個簡單的對人工布置WSN系統(tǒng)中的節(jié)點進行定位的解決方案。

二、相關(guān)工作和研究背景

近年來，WSN的研究很大一部分側(cè)重于傳感網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用，目前人工布置WSN被用于很多實際的系統(tǒng)中[4]。本文中，我們應(yīng)用過去幾年廣泛應(yīng)用的WSN網(wǎng)絡(luò)軟件環(huán)境，提出一種適用于不同網(wǎng)絡(luò)的解決方案。盡管目前已經(jīng)有很多相關(guān)的研究，但是大多數(shù)的現(xiàn)有的軟件僅處理各自的應(yīng)用場景和目標域。他們選擇不同的體系結(jié)構(gòu)解決類似于故障檢測和實時配置的問題[5]。

位置識別反映了傳感器網(wǎng)絡(luò)和物理世界之間的內(nèi)在聯(lián)系，是諸如基于位置的目錄服務(wù)和實體跟蹤等新興應(yīng)用的基本服務(wù)項目之一。在實際的人工布置WSN中常使用Walking GPS[6]方案來評估定位性能，但設(shè)計要求誤差必須在幾米的范圍內(nèi)。針對當(dāng)前定位技術(shù)所表現(xiàn)出的局限性，我們提出了一個實用的解決方案，它可以降低成本和復(fù)雜度，僅使用少量的傳感器就能得到很好的定位精度。

三、系統(tǒng)描述和概述

WSN的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括分散在應(yīng)用領(lǐng)域的微型傳感器節(jié)點，它們通過多跳自組織的方式形成的一個無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠監(jiān)測目標區(qū)域中的感興趣的參數(shù)，并將檢測到的信息通過多跳轉(zhuǎn)發(fā)的形式傳遞到匯聚節(jié)點（sink節(jié)點）或基站，匯聚節(jié)點（sink節(jié)點）或基站也可以以同樣的方式將信息發(fā)送給各節(jié)點。MoteView2.0.1F具有一套網(wǎng)絡(luò)控制工具并且能夠提供與經(jīng)度和緯度有關(guān)的數(shù)據(jù)。如前文所述，IRIS傳感器節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)被人工部署在特定區(qū)域。一個監(jiān)控或匯聚節(jié)點負責(zé)收集單個傳感器節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)并將信息傳遞給個人電腦。

本網(wǎng)絡(luò)中不假設(shè)任何特定的路由或MAC協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點都具有唯一的ID，且確切知道自身在網(wǎng)絡(luò)中的位置。為保證節(jié)點失效或禁用時數(shù)據(jù)流不會中斷，節(jié)點可以選擇任何能夠到達sink節(jié)點的路徑。MoteView2.0.1F由Crossbow[7]開發(fā)，它是一個在線軟件工具，利用Google Earth應(yīng)用程序使用實時數(shù)據(jù)來顯示節(jié)點的估計位置。

四、性能評估和部署

自供電的IRIS傳感器節(jié)點由mote （處理器和無線收發(fā)裝置）和傳感器板組成，使用唯一的節(jié)點ID編程。一臺筆記本或個人電腦用于和網(wǎng)關(guān)（MIB520）連接，它通過一個端口連接到服務(wù)器。IRIS傳感器平臺提供了更廣泛的覆蓋范圍和較低的功耗。

只要網(wǎng)絡(luò)連接可用，用戶可以在任何位置遠程控制WSN系統(tǒng)。通過無線連接，服務(wù)器上運行相應(yīng)的程序并且收集和顯示用戶感興趣的信息。為了從傳感器節(jié)點獲得實時數(shù)據(jù)，基站內(nèi)置有GPS天線來發(fā)送放置在建筑屋頂?shù)膫鞲衅鞴?jié)點的實時的緯度和經(jīng)度信息。網(wǎng)關(guān)還允許雙向通信來處理當(dāng)前的位置信息。

五、實驗結(jié)果

MoteView平臺[8]能夠以特定的緯度和經(jīng)度值處理節(jié)點。IRIS傳感器監(jiān)控建筑物的具體的地理位置，如緯度為28°29'2217" N和經(jīng)度為79°49'4267" E。通過Google Earth應(yīng)用程序提供的包含實時數(shù)據(jù)的衛(wèi)星圖像，可以使特定位置的瞬時時間跨度和空間位置可視化。測試WSN網(wǎng)絡(luò)中某一位置的衛(wèi)星圖像如圖2所示。從中可以觀察到部署位置和相對地理位置之間的完美匹配，然而由于部署的不規(guī)則性和設(shè)備的局限性無法確定定位誤差。

六、結(jié)論及展望

目前，人工部署傳感器節(jié)點這項技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，結(jié)果表明，節(jié)點部署可以借助參考點估計自身的相對經(jīng)度和緯度位置。因為節(jié)點依賴于全球定位系統(tǒng)獲得位置信息，借助參考點來對自身進行定位，因此，平均定位誤差主要來自于所使用設(shè)備的局限性。下一步，我們將通過進一步的模擬試驗來進行性能評估，使用我們的解決方案，在初始部署的時候考慮傳感器節(jié)點實際位置的速度、高度和軌跡，應(yīng)該可以得到一個更好、更精確的定位方案。

參考文獻

[1]孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[2]李建中，高宏.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進展[J].計算機研究與發(fā)展，2008，45（1）：1 -15.

[3]潘巨龍.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全機制中若干問題研究[D].浙江：浙江大學(xué)，2011.

[4]I.Chatzigiannakis，G.Mylonas and S.Nikoletseas.50 Ways to Build your Application：A Survey of Middle-Ware and Systems for Wireless Sensor Networks [C].IEEE Conference on Emerging Technologies and Factory Automation，Greece，25-28 September 2007，466-473.

[5]D.Georgoulas and K. Blow. In Motes Bins： A Real Time Application for Environmental Monitoring in Wireless Sensor Networks[C]. Proceedings of the 9th IEEE/IFIP International Conference on Mobile and Wireless Communications Networks，Cork，19-21 September 2007，21-26.

[6]S.L.Wu，Y. C.Tseng，C.Y.Lin et al. A Multi-Channel MAC Protocol with Power Control for Multi- Hop Mobile Ad Hoc Networks[C].The Computer Journal，2002，45（1）：101-110.

[7]Crossbow Technology.Inc.MPR/MIB Mote Hardware Users Manual， 2006.The user manual is retrieved from http：//www.xbow.com/Support/Support_pdf_files/MPRM IB_Series_Users_Manual.pdf.

[8]Crossbow Technology，Inc.Mica2 datasheet，2006.The datasheet of Mica2 mote platform is retrieved from http：//www.xbow.com/Products/Product_pdf_files/.

（作者單位：山西焦煤霍州煤電呂梁山公司店坪煤礦調(diào)度室）