無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位技術(shù)的研究

史志軍

【摘要】 本文主要從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的作用、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位的分類、測距定位算法、基于測距的定位技術(shù)等四個方面對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位技術(shù)進行分析及探討。

【關(guān)鍵詞】無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 分類 算法

隨著科技的進步，計算機和智能手機的廣泛應(yīng)用，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在生活中隨處可見。下文將對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點定位技術(shù)進行分析。

一、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的作用

節(jié)點定位問題是傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的基礎(chǔ)。節(jié)點定位技術(shù)是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的一個主要支撐技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在計算機軟硬件所組成計算世界與實際物理世界之間建立了更為密切的聯(lián)系，極大地提高了信息的真實程度。網(wǎng)絡(luò)層，可以設(shè)計基于節(jié)點位置信息的路由算法，提高路由效率，減少路由發(fā)現(xiàn)等開銷，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡;在應(yīng)用層，系統(tǒng)可以智能地根據(jù)節(jié)點位置，選擇一些特定的節(jié)點來完成任務(wù)，提高系統(tǒng)的存活時間，降低整個系統(tǒng)的能耗。

二、基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身定位系統(tǒng)的分類

（一）絕對定位與相對定位。絕對定位與物理定位類似，定位結(jié)果是一個坐標(biāo)位置。而相對定位通常是以傳感區(qū)域某點為參考，建立整個網(wǎng)絡(luò)的相對坐標(biāo)系統(tǒng)。 （二）物理定位與符號定位。經(jīng)緯度就是物理位置;而某個節(jié)點在某街道的某門牌的建筑物內(nèi)就是符號位置。（三）集中式計算與分布式計算定位。集中式計算是指把所需信息傳送到某個中心節(jié)點，并在那里進行節(jié)點定位計算的方式;分布式計算是指依賴節(jié)點間的信息交換和協(xié)調(diào)，由節(jié)點自行計算的定位方式。（四）移動信標(biāo)與固定信標(biāo)定位。移動信標(biāo)節(jié)點是一類裝備了GPS或其它定位裝置的可移動節(jié)點，它在移動的過程中周期性發(fā)布自己的位置信息。

三、測距定位算法

3.1測距/測角技術(shù)

（一）接收信號強度（RSSI）：根據(jù)接收到的RSSI值計算出信號的傳播損耗，然后利用信號傳播模型將其轉(zhuǎn)化為距離信息，該技術(shù)主要使用RF信號。商業(yè)無線芯片本身具有RSSI獲取功能，無需額外硬件;故其是一種低功率、低成本的測距技術(shù)。（二）信號傳播時間（TOA）：已知信號的傳播速度根據(jù)信號兩點間的傳播時間來計算傳輸距離，需要精確的時間同步，因此需要昂貴的、高能耗的電子設(shè)備來確保時間同步，如GPS定位系統(tǒng)。 （三）信號傳播時間差（TDOA）：根據(jù)兩種信號在兩點間的到達時間差及信號傳播速度計算出兩點間的距離，不需要時間同步。

3.2定位計算方法

3.2.1三邊測距法和多邊測距法

在二維空間中，知道一點到三點或三點以上的距離就可以確定該點的坐標(biāo)。三邊測距法的原理就是求解三個已知半徑和圓心坐標(biāo)的圓的交點，可表示為：（x-x1）2+（y -yi）2=r2i，i=l，2，3（1）。設(shè)錨節(jié)點坐標(biāo)分別為（xl，yl），（x2，y2），…，（xk，yk），未知節(jié)點S的坐標(biāo)為（x，y），S到錨節(jié)點的測量距離為Si;根據(jù)最小二乘法原理：

設(shè)目標(biāo)函數(shù)：F=min∑（dSi - S1）2式中：dSi=（x-xi）2+（y -yi）2采用優(yōu)化的方法使估計位置與實際位置間的差最小，從而估計出節(jié)點S的坐標(biāo)。

3.2.2三角測距法

三角測距法也稱AOA定位法，如圖l（c）所示，設(shè)參考節(jié)點A和B的坐標(biāo)分別為（xl，yl），（x2，y2），待定位節(jié)點S的坐標(biāo)為（x，y），節(jié)點S到參考節(jié)點A和B的角度分別為θ 1和θ 2，則有如下關(guān)系式：tanθi=x - xiy - yi，i=l，2（2）通過上述非線性方程組可得未知節(jié)點S的坐標(biāo)（x，y）。

四、基于測距的定位技術(shù)

4.1基于RSSI的定位

在基于接收信號強度指示的RSSI定位技術(shù)中，已知發(fā)射節(jié)點的發(fā)射信號強度，接收節(jié)點根據(jù)接收信號的強度，計算出傳播損耗，利用理論的或經(jīng)驗的信號傳播模型將傳播損耗轉(zhuǎn)化為距離，然后再計算出節(jié)點的位置，該技術(shù)主要使用RF信號。

4.2基于TOA的定位

在基于到達時間的TOA定位技術(shù)中，已知信號的傳播速度，根據(jù)信號的傳播時間來計算節(jié)點間的距離，然后利用已有的算法計算出節(jié)點的位置。

4.3基于TDOA的定位

在基于到達時間差的TDOA定位技術(shù)中，發(fā)射節(jié)點同時發(fā)射兩種不同傳播速度的信號，接收節(jié)點根據(jù)兩種信號到達的時間差以及這兩種信號的傳播速度計算它和發(fā)射節(jié)點之間的距離，再根據(jù)已有的基本定位算法定位節(jié)點。

4.4基于AOA的定位

在基于到達角度的AOA定位技術(shù)中，接收節(jié)點通過天線陣列或多個超聲波接收器探測發(fā)射節(jié)點信號的到達方向，計算它和發(fā)射節(jié)點之間的相對方位，再通過三角測量法計算出節(jié)點的位置。

五、結(jié)束語

總之，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點技術(shù)，作為新興的科技技術(shù)的代表，要掌握其技術(shù)要點，在應(yīng)用的同時也要注重對技術(shù)的創(chuàng)新，使其得到更廣泛的應(yīng)用。

參 考 文 獻[1]豐皇.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位技術(shù)綜述.信息技術(shù).2013年3月，第2期，66-68[2]王福豹.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位系統(tǒng)與算法的研究和發(fā)展，信息與控制.2012年4月，第4期，43-47