摘要：在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，傳感器節(jié)點經(jīng)常被布設(shè)在大面積的農(nóng)田環(huán)境里，由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、節(jié)點數(shù)目多、節(jié)點能量有限等特點，如何對節(jié)點進行準(zhǔn)確定位是最為重要的事情。為了延長節(jié)點的存活時間，就需要在節(jié)點通信過程中盡可能提高定位的精度。為此提出了一種利用距離和角度相結(jié)合的定位方法來解決這類問題。分析結(jié)果表明，采用該方案節(jié)省了節(jié)點能量，延長了網(wǎng)絡(luò)的生存時間。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；定位；距離；角度

中圖分類號：TP391.9 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）12-2923-03

A Method for Accurate Location of Nodes in Wireless Sensor Network

TONG Lin1，CHAI Bao-jie1，MA Bao-ying2

（1. Engineering Institute， Mudanjiang Normal University， Mudanjiang 157011， Heilongjiang， China；

2. College of Health and Management， Mudanjiang Medical University， Mudanjiang 157011， Heilongjiang， China）

Abstract： In the wireless sensor network， sensor nodes are often located in large area farmland environment， due to the large network size， numerous nodes and limited node energy， locating accurate position of the nodes was very important. In order to extend the survival time of node， the locating should be as accuracy as possible in the communication process. A locating method combing distance and angle position was proposed， and it was proved that this method could save node energy while extend the network lifetime.

Key words： wireless sensor networks； position； distance； angle

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，但在應(yīng)用上需要解決的關(guān)鍵問題之一就是網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點的精確定位，該問題現(xiàn)在已經(jīng)成為領(lǐng)域內(nèi)的一個研究熱點。為此，國外啟動了許多關(guān)于WSN（Wireless sensor network）的研究計劃，如Pico-Radio[1]、WINS[2]、Smart dust[3]、μAMPS[4]等。

從ATT公司開發(fā)出室內(nèi)定位系統(tǒng)Active badge至今，已經(jīng)有許多算法能夠解決WSN自身的定位問題。但每一種算法都是針對不同的具體應(yīng)用，它們在路由協(xié)議、設(shè)備需求、能量供給以及適合的應(yīng)用場合等許多方面存在著很大的不同。傳感器通常采用電池供電，節(jié)點的能量是受限的，在設(shè)計路由協(xié)議時，保證節(jié)點高效使用能量來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)是一個重要的設(shè)計原則，以便盡可能地延長整個傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期[5]。

現(xiàn)有的定位方法基本上包含兩個步驟：①到未知節(jié)點距離的測量；②通過距離計算未知節(jié)點的坐標(biāo)[6]。此次研究將對傳統(tǒng)的測距算法進行改進，并利用三角的方法獲取未知節(jié)點相對精確的定位，即將WSN中需要定位的節(jié)點稱為未知節(jié)點，將用于監(jiān)控和定位的場所稱為監(jiān)測站，鄰近節(jié)點是指在一個節(jié)點的通信半徑內(nèi)可以直接通信的節(jié)點。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的測距技術(shù)

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中主要的測距技術(shù)和算法有RSSI（Received signal strength indicator）、TOA（Time of arrival）技術(shù)以及DV-hop、DV-distance算法等。RSSI技術(shù)的主要思想是未知節(jié)點的發(fā)射功率為已知，在監(jiān)測站測量接收功率，計算功率損耗，再根據(jù)相關(guān)理論將損耗轉(zhuǎn)化為距離。它的主要缺點為功率損耗受到環(huán)境因素的影響太大，通常會產(chǎn)生比較大的誤差[6]。TOA技術(shù)的主要思想是根據(jù)信號的傳播時間乘以傳播速度來計算未知節(jié)點到監(jiān)測站的距離[7]。這一技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景。但是，對節(jié)點的發(fā)射信號的時間同步有著嚴(yán)格的要求，同時對硬件設(shè)備有著很高的要求，不太適合在地域廣、節(jié)點布設(shè)密度大的農(nóng)業(yè)中應(yīng)用。DV-hop算法是由美國路特格斯大學(xué)（Rutgers University）提出，它的基本思想是監(jiān)測站到未知節(jié)點的距離等于點平均每跳的距離乘以二者之間的跳數(shù)。該算法簡單實用、易于實現(xiàn)。但對于比較稀疏的或拓撲不規(guī)則的傳感器網(wǎng)絡(luò)，所測得的距離精度會大幅度下降。由此又產(chǎn)生了DV-distance算法，該算法要求節(jié)點具有測距功能，在距離交換協(xié)議中傳播的是每跳的距離值，最后在監(jiān)測站進行距離的累加，從而得到與未知節(jié)點的距離[7，8]。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位技術(shù)

2.1 三邊定位技術(shù)

如果應(yīng)用上述測距方法測得了未知節(jié)點到3個或3個以上監(jiān)測站（錨點）的距離，就可以求得未知節(jié)點的坐標(biāo)。如圖1所示，A、B、C為3個監(jiān)測站，3個圓的交點D為未知節(jié)點，3個圓的半徑分別為各監(jiān)測站到未知節(jié)點所測的距離，通過解析幾何的方法即可求得未知節(jié)點坐標(biāo)。但事實上由于存在誤差，3個圓往往無法相交于同一點。常常還需要使用最小二乘法估計D點的坐標(biāo)，這就需要比較大的浮點計算開銷和能量消耗。

2.2 三角定位AOA技術(shù)

在這里僅介紹AOA（Angle of arrival）技術(shù)，它的基本思想是通過天線陣列或接收器來估算鄰節(jié)點發(fā)送信號的角度[9，10]。如圖2所示，A為未知節(jié)點，B和C為監(jiān)測站。在B、C端，通過分別估算A節(jié)點發(fā)射的信號方向與參考方向上的夾角θ1和θ2，即可用幾何的方法求解A點的坐標(biāo)。

3 相關(guān)的改進技術(shù)

此次研究對流行的DV-distance算法進行了改進，結(jié)合三角定位AOA技術(shù)，提出了一種比較精確的節(jié)點定位方法。如前所述，DV-distance算法的基本思想是在節(jié)點的傳播過程中，將路徑上每跳的距離值進行傳播，最后在監(jiān)測站進行距離的累加。但事實上傳播路徑上的節(jié)點往往不會排列在同一條直線上，這樣累加的距離實際上是一段折線距離，與理想的直線距離有著很大的誤差。如圖3所示，O為未知節(jié)點，C為監(jiān)測站，A、B為傳播路徑上的節(jié)點。根據(jù)相應(yīng)距離交換協(xié)議，最后在監(jiān)測站所累加的距離為OA、AB、BC 3段線段的長度之和。這與所求的距離OC之間有著明顯的誤差。

為了獲得相對精確的距離及定位，特將三角定位AOA技術(shù)引入其中。即測得每個節(jié)點發(fā)射信號與參考方向（這里假定為豎直方向）的夾角θi，θ1為未知節(jié)點O所發(fā)出的信號與A節(jié)點在豎直方向上的夾角，θ2為A節(jié)點所發(fā)出的信號與B節(jié)點在豎直方向上的夾角，θ3為B節(jié)點所發(fā)出的信號與監(jiān)測站C在豎直方向上的夾角。同時再對DV-distance算法的距離交換協(xié)議進行改進，將各節(jié)點所測的夾角θi連同每跳的距離di進行傳播，最后在監(jiān)測站進行相應(yīng)的三角運算，得到未知節(jié)點坐標(biāo)。

具體計算方法：

CD=∑di×cos（θi）

OD=∑di×sin（θi）

未知節(jié)點與監(jiān)測站的精確距離：

未知節(jié)點與監(jiān)測站連線與豎直方向上的夾角：

這樣，求得了監(jiān)測站與未知節(jié)點的精確距離以及方位角度，即可以實現(xiàn)對未知節(jié)點的精確定位。

4 仿真試驗結(jié)果

利用Matlab對DV-distance算法和改進后的算法進行仿真比較。取仿真區(qū)域為10 km×10 km的方形區(qū)域，在監(jiān)測站和未知節(jié)點間分別隨機加入5、25、45、65、85和105個節(jié)點進行試驗，圖4為加入25個節(jié)點的Matlab仿真試驗截圖。圖4中，坐標(biāo)原點為未知節(jié)點，C點為監(jiān)測站，各次試驗分別記錄兩種算法下監(jiān)測站與未知節(jié)點的距離。試驗結(jié)果如表1所示。

由表1可知，使用傳統(tǒng)的DV-distance算法，隨著節(jié)點數(shù)目的增加，會產(chǎn)生較大的測距誤差。而采用改進后的算法測距精度有了顯著的提高。

5 小結(jié)

研究對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位技術(shù)的原理和方法進行了闡述，在現(xiàn)有的DV-distance算法和三角定位AOA（Angle of arrival）技術(shù)的基礎(chǔ)上，將二者進行有機結(jié)合，取長補短，提出了改進方案。該方案在原有距離交換協(xié)議中添加節(jié)點發(fā)射信號的角度參數(shù)，利用三角與解析幾何的方法實現(xiàn)了對未知節(jié)點的精確定位。該算法簡便實用，基本上沿襲了DV-distance算法設(shè)計簡單、易于實現(xiàn)的特點，并對在拓撲不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的定位精度會迅速下降的弊端進行了適當(dāng)?shù)膹浹a和修正。同時由于整個定位過程只需用到一個監(jiān)測站，并且大量的浮點運算都在其中完成，從而網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建成本及各節(jié)點的能量消耗都有所降低。最后經(jīng)過仿真分析，取得了比較好的效果。

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