無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)嵌入式節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

覃琪 譚松鶴

關(guān)鍵詞： 嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng); 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò); 錨節(jié)點(diǎn)距離估計(jì); 節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng); 安全定位; 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TN926?34; U665 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）03?0035?04

Abstract： The cost of node location in the sensor is relatively high， and the system is complex， which may cause the error or even failure of the node self positioning function. The software of the wireless sensor network is improved to better design the wireless sensor network system and realize the high?precision positioning system design. In combination with the innovation and optimization of the embedded node positioning system， an embedded node location system of wireless sensor network is set up to improve the running reliability， accuracy and flexibility of the positioning system， and make the system more suitable for different application detection and location environments. The simulation experiment was carried out to verify the effectiveness of the system. The experimental results show that the method can effectively improve the positioning accuracy and reliability of wireless sensor network technology， and effectively make up for the shortcomings existing in the traditional positioning system， and has higher reference and practical values.

Keywords： embedded network control system; wireless sensor network; anchor node distance estimation; node positioning system; security positioning; system design

0 ?引 ?言

作為一種新的定位搜索平臺(tái)，無(wú)線傳感器已廣泛應(yīng)用在交通管理和災(zāi)害檢測(cè)等日常公共生活領(lǐng)域，從而形成能夠?qū)θ蚨嗄繕?biāo)信息進(jìn)行多種檢測(cè)、高效采集和準(zhǔn)確傳輸?shù)谋O(jiān)控定額覆蓋網(wǎng)絡(luò)[1]。由于當(dāng)前無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中傳感器節(jié)點(diǎn)定位方法相對(duì)復(fù)雜，易出現(xiàn)定位信息傳輸誤差等問(wèn)題[2]。為了更好地提高無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)功能運(yùn)作的準(zhǔn)確性和高效性。結(jié)合嵌入式節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)、監(jiān)控目標(biāo)信息進(jìn)行采集和傳輸。在對(duì)嵌入式節(jié)點(diǎn)定位理論進(jìn)行深入研究和分析的基礎(chǔ)上，對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化，為驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)，該方法可有效提高系統(tǒng)的運(yùn)作性能，具有較高的應(yīng)用價(jià)值[3]。

1 ?嵌入式節(jié)點(diǎn)移動(dòng)定位方法探究

對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和角度信息進(jìn)行獲取后，利用網(wǎng)格記數(shù)法對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信距離約束定位關(guān)系進(jìn)行計(jì)算[4]。對(duì)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)分布距離進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)后，對(duì)系統(tǒng)中的錨節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)值及位置信息進(jìn)行獲取，通過(guò)獲取信息對(duì)其他錨節(jié)點(diǎn)的實(shí)際距離和平均每跳距離進(jìn)行計(jì)算，并將此估計(jì)值作為標(biāo)準(zhǔn)校正數(shù)據(jù)傳輸至無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中[5]。在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)通信定位系統(tǒng)中的通信節(jié)點(diǎn)一旦接收到上述校正信息，就可以精確快速地對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的錨節(jié)點(diǎn)距離進(jìn)行估計(jì)。為了進(jìn)一步擴(kuò)大定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)檢測(cè)效果，設(shè)置了部分虛擬節(jié)點(diǎn)以便進(jìn)行優(yōu)化，從而有效解決節(jié)點(diǎn)分布稀疏或不規(guī)則的傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中定位精確度差、效率低等問(wèn)題，從而有效提高動(dòng)態(tài)無(wú)線自組傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的適用性[6]。動(dòng)態(tài)無(wú)線自組傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)分布優(yōu)化過(guò)程如圖1所示。

在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，當(dāng)錨節(jié)點(diǎn)密度較高時(shí)，網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)對(duì)自身相對(duì)于錨節(jié)點(diǎn)的距離或角度測(cè)量會(huì)比較復(fù)雜[7]。因此需要對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)功能進(jìn)行優(yōu)化，嵌入固定的未知節(jié)點(diǎn)，使之向周圍臨近的節(jié)點(diǎn)發(fā)送定位信息請(qǐng)求，并快速精準(zhǔn)地獲取到周圍每個(gè)未知節(jié)點(diǎn)的鄰居回復(fù)消息，從而實(shí)現(xiàn)定位[8]。傳感器嵌入節(jié)點(diǎn)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

根據(jù)節(jié)點(diǎn)嵌入方法及結(jié)構(gòu)功能進(jìn)一步對(duì)嵌入節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了減少設(shè)計(jì)過(guò)程中的額外花銷，提出使用嵌入式移動(dòng)虛擬節(jié)點(diǎn)對(duì)自身精確位置進(jìn)行廣播和傳輸，從而對(duì)系統(tǒng)定位進(jìn)行輔助的設(shè)計(jì)方法[9]。通過(guò)對(duì)大量移動(dòng)虛擬節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查和研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)中的虛擬節(jié)點(diǎn)處于移動(dòng)狀態(tài)時(shí)，可以在固定的時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)自身的精確坐標(biāo)信息進(jìn)行傳播，從而提高系統(tǒng)定位的精準(zhǔn)度。虛擬節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程簡(jiǎn)化示意圖如圖3所示。

利用移動(dòng)虛擬節(jié)點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)輔助定位的方法可以全面掌握系統(tǒng)定位信息，提高系統(tǒng)的定位精度和速度[10]。移動(dòng)虛擬節(jié)點(diǎn)具有受能源限制相對(duì)較小，且可有效替代系統(tǒng)中冗余節(jié)點(diǎn)設(shè)置的優(yōu)勢(shì)，從而降低定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)花銷。為了更好地對(duì)嵌入式節(jié)點(diǎn)移動(dòng)過(guò)程進(jìn)行記錄，設(shè)置了虛擬節(jié)點(diǎn)移動(dòng)網(wǎng)格，從而達(dá)到更加精確地對(duì)移動(dòng)虛擬節(jié)點(diǎn)位移及距離進(jìn)行檢測(cè)和獲取的設(shè)計(jì)目標(biāo)[11]。嵌入式節(jié)點(diǎn)移動(dòng)記錄方法如圖4所示。

利用上述網(wǎng)格方法可以更好地對(duì)虛擬節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)情況、距離和節(jié)點(diǎn)信息獲取的覆蓋面積進(jìn)行分析和檢測(cè)，有效獲取系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)定位信息，從而對(duì)傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息傳輸和定位功能進(jìn)行優(yōu)化[12]。

2 ?嵌入式無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)嵌入式移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程及傳輸計(jì)算對(duì)嵌入式節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)定位控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)[13]。由于在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)定位信息的獲取需求不同，會(huì)產(chǎn)生不同的虛擬節(jié)點(diǎn)信息傳輸設(shè)計(jì)要求，為了快速、精準(zhǔn)地獲取節(jié)點(diǎn)定位信息，設(shè)計(jì)了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息排查檢測(cè)系統(tǒng)，并給出冗余定位信息進(jìn)行檢測(cè)和排查的設(shè)計(jì)流程，以便對(duì)目標(biāo)信息進(jìn)行檢索，快速獲取所需數(shù)據(jù)。信息排查檢測(cè)系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)如圖5所示。

為了避免在對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位信息進(jìn)行排查的過(guò)程中出現(xiàn)由于嵌入式處理器對(duì)目標(biāo)信息儲(chǔ)存內(nèi)容相對(duì)較多造成的延時(shí)等問(wèn)題，要根據(jù)具體需求對(duì)目標(biāo)定位信息進(jìn)行限制，從而精準(zhǔn)獲取定位信息。另外，由于嵌入式移動(dòng)虛擬節(jié)點(diǎn)對(duì)信息的處理能力有限，應(yīng)盡量避免對(duì)運(yùn)算量相對(duì)較為繁重的信息進(jìn)行排查。由于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)具有開(kāi)放性和普遍適用性，為了能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于多種監(jiān)控定位場(chǎng)合的設(shè)計(jì)目標(biāo)，要對(duì)節(jié)點(diǎn)定位信息安全功能進(jìn)行優(yōu)化，以便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)細(xì)節(jié)信息的獲取和排查工作?；谏鲜鲂畔?，設(shè)計(jì)了嵌入式節(jié)點(diǎn)信息定位安全優(yōu)化方法，以便保證系統(tǒng)的正常運(yùn)作。

嵌入式節(jié)點(diǎn)的安全定位方法如圖6所示，在安全校驗(yàn)范圍內(nèi)，對(duì)固定良性節(jié)點(diǎn)域嵌入式移動(dòng)虛擬節(jié)點(diǎn)以及部分難以正常運(yùn)行的通信節(jié)點(diǎn)的定位過(guò)程進(jìn)行信息傳輸鏈接和直接定位，利用移動(dòng)虛擬節(jié)點(diǎn)對(duì)其他節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行接收和檢驗(yàn)，從而避免被破壞節(jié)點(diǎn)中信息丟失的問(wèn)題，達(dá)到信息安全定位的設(shè)計(jì)目標(biāo)。在保障系統(tǒng)安全準(zhǔn)確運(yùn)行的基礎(chǔ)上，綜合前文內(nèi)容對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)嵌入式節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

3 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了對(duì)改進(jìn)后的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)嵌入式節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)的工作效率進(jìn)行評(píng)估，需要進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。首先對(duì)系統(tǒng)嵌入式節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)如表1所示。

在上述同等條件下分別對(duì)被破壞的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)次數(shù)、嵌入式節(jié)點(diǎn)移動(dòng)次數(shù)及良性節(jié)點(diǎn)移動(dòng)次數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，以便通過(guò)移動(dòng)次數(shù)驗(yàn)證定位節(jié)點(diǎn)的運(yùn)作情況。假設(shè)所有檢測(cè)的節(jié)點(diǎn)均被隨機(jī)分布于安全檢測(cè)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，且節(jié)點(diǎn)通信半徑相同，對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)次數(shù)進(jìn)行對(duì)比檢測(cè)的結(jié)果如圖8所示。

通過(guò)圖8不難發(fā)現(xiàn)，在網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)中，嵌入式移動(dòng)節(jié)點(diǎn)運(yùn)作相對(duì)更為靈活，可快速進(jìn)行移動(dòng)，以便獲取更大范圍的定位數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)良性節(jié)點(diǎn)移動(dòng)較慢造成信息獲取量低和被破壞節(jié)點(diǎn)中信息易丟失等問(wèn)題。

由于在傳統(tǒng)傳感網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)中，所有節(jié)點(diǎn)相對(duì)較多，且測(cè)距定位計(jì)算相對(duì)繁瑣，易造成計(jì)算誤差，且誤差值會(huì)在其他環(huán)節(jié)上進(jìn)行累積，從而導(dǎo)致系統(tǒng)定位精準(zhǔn)度大幅度降低。基于上述背景，在同等條件下對(duì)比傳統(tǒng)方法和文中設(shè)計(jì)方法對(duì)定位信息精準(zhǔn)度進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果如圖9所示。

綜合上述仿真檢測(cè)結(jié)果可知，改進(jìn)后的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)嵌入式節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)可更精準(zhǔn)地獲取和傳輸信息，精準(zhǔn)度遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)方法，且系統(tǒng)運(yùn)作過(guò)程相對(duì)穩(wěn)定，檢測(cè)過(guò)程中波動(dòng)相對(duì)更小，由此證實(shí)該系統(tǒng)具有更高的安全性和優(yōu)越性，符合系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的，適用于對(duì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的應(yīng)用。

4 ?結(jié) ?語(yǔ)

為了更好地完成對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的設(shè)計(jì)，利用嵌入式節(jié)點(diǎn)靈活、精準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化，設(shè)計(jì)了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)嵌入節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)，從而達(dá)到快速高效、精準(zhǔn)定位。為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的實(shí)用性進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，該方法可有效解決傳統(tǒng)方法中定位信息存在誤差等問(wèn)題，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法中的不足，達(dá)到了精準(zhǔn)定位的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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