基于Wifi的無線傳感網(wǎng)定位技術(shù)的研究

高銘悅，邱慧麗

在無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）中傳感節(jié)點地理位置定位監(jiān)測非常重要，地理定位技術(shù)可以實現(xiàn)目標(biāo)跟蹤、軌跡檢測、路徑選擇、拓?fù)渚W(wǎng)管和事件通告等，如城市酒店火災(zāi)監(jiān)控、石油泄露監(jiān)控、人員定位管理等［1］.因此，高精度的節(jié)點定位技術(shù)是系統(tǒng)實現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)之一.

無線高速傳輸Wifi技術(shù)具有安全性高、傳輸距離長、能耗低和定位精準(zhǔn)等優(yōu)點，適于用無線傳感網(wǎng)的距離測定和節(jié)點定位，并實際應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)的各個行業(yè)中［2］.然而，基于TOA的定位技術(shù)在實際項目中會出現(xiàn)多路徑選擇困難［3］.本文使用模糊邏輯控制技術(shù)，并利用信號首次直達(dá)路徑時間（first direct path time）與信號最強(qiáng)到達(dá)路徑時間（strongest path time）的加權(quán)時間計算出了直達(dá)信號的到達(dá)時間，實現(xiàn)了Wifi技術(shù)在WSN多路徑網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點精確定位功能.

1　單路徑（TOA）的距離測量

WSN網(wǎng)絡(luò)的單條路徑距離測量方法可以利用TOA（Time Of Arrive，到達(dá)時間）的測距估計d^根均方差：

c是無線電的光速傳播速度，Lgrn是通信信號與干擾信號的比例，α是信號在信道傳輸?shù)倪^程中的有效帶寬值［4］.

通過對輸出信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換得到 f(x)，通信信號與干擾信號的比例Lgrn與估計根的方差成反比關(guān)系.TOA定位方法是利用接收信號到達(dá)時間的直接路徑來測量通信收發(fā)節(jié)點間的距離，因此，直接路徑信號到達(dá)時間的準(zhǔn)確估計至關(guān)重要.一般而言，通過檢測接收到的信號振幅來確定最大的直接信號到達(dá)時間，但這種方法在多種路徑選擇條件下無法滿足測量的高精度要求［5］.多路徑選擇的WSN網(wǎng)絡(luò)下Wifi接收信號如圖1所示.

圖1　多路徑選擇的WSN網(wǎng)絡(luò)下Wifi接收信號

利用極大似然估計法檢測直接路徑信號到達(dá)時間，計算傳感器節(jié)點之間的距離可能引起信號波形畸變，具有一定的測量難度［6］.根據(jù)Wifi直接信號難以準(zhǔn)確地檢測的特性，本文提出基于首次到達(dá)時間信號和最強(qiáng)信號時間，利用加權(quán)系數(shù)計算出直接信號到達(dá)時間，采用模糊邏輯技術(shù)進(jìn)行加權(quán)系數(shù)選擇［7］.

2　基于模糊邏輯的加權(quán)系數(shù)選取技術(shù)

設(shè)Wifi信號在T0時刻被發(fā)送，在接收端節(jié)點接收到的首次到達(dá)信號和幅度最強(qiáng)信號的到達(dá)時刻分別為T1和T2，而直達(dá)信號到達(dá)時刻通過式（3）計算：

信號輸出位置與信號接收位置的路徑距離可以表示為R：

設(shè)第一次信號接收的幅值為E1，最強(qiáng)信號接收的幅值為E2，基于模糊邏輯的信號傳送值分別為E3和T3，a為加權(quán)系數(shù)，則E3=E1/E2，T3=(T1-T0)/(T2-T0).E3、T3和a分別設(shè)置了高、中和低，基于E3和T3的加權(quán)系數(shù)a選取規(guī)則如表1所示［8-10］.

表1　a值選取規(guī)則

3　系統(tǒng)精度測試

基于WSN的多路徑網(wǎng)絡(luò)環(huán)境在定位技術(shù)的引導(dǎo)下，采用Wifi技術(shù)進(jìn)行接收信號的精度測試，其中E3，T3和a的隸屬函數(shù)如圖2所示.

圖2　隸屬函數(shù)

首次信號輸出的時間節(jié)點為T0=0，信號首次接收時間節(jié)點為T1，信號最強(qiáng)接收時間節(jié)點為T2.首次信號輸出值為E1，信號最強(qiáng)接收值為 E2.利用公式（1）（2）計算出模糊邏輯信號值E3和T3，根據(jù)E3和T3的隸屬函數(shù)a帶入公式（3）計算出直達(dá)信號T進(jìn)而結(jié)合公式（4）計算出輸入信號和輸出信號直接的直線距離R.

取三個位置參考節(jié)點坐標(biāo)為（1，1）（20，1）和（20，20），信號輸出節(jié)點到參考節(jié)點的距離為7.35、3.64、8.38，利用三邊測距技術(shù)計算出信號接收節(jié)點的位置如表2.

表2　節(jié)點定位結(jié)果

從表2可以看出與實際位置比較，基于Wifi技術(shù)的定位誤差為0.5324，遠(yuǎn)小于首次信號輸出和最強(qiáng)信號輸出的誤差值.測試結(jié)果表明基于Wifi的距離測試定位技術(shù)大大提高了WSN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點定位精度.

4　結(jié)語

本文利用信號首次直達(dá)路徑時間與信號最強(qiáng)到達(dá)路徑時間的加權(quán)時間計算出了直達(dá)信號的到達(dá)時間，采用邏輯模糊技術(shù)和信號最強(qiáng)幅值計算出了加權(quán)系數(shù)，提出了Wifi技術(shù)的到達(dá)時間（Time Of Arrive，TOA）的距離測試方法.精度測試結(jié)果表明，該方法實現(xiàn)了Wifi技術(shù)在WSN多路徑網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點精確定位功能.

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