楊阿弟,佘明輝

(湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動化工程系,莆田 351254)

?

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中移動目標(biāo)的定位及誤差分析

楊阿弟,佘明輝

(湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動化工程系,莆田 351254)

摘要：為了提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中移動目標(biāo)的室內(nèi)定位精度,采用插值算法與信號傳播通道模型相配合,結(jié)合X-Bee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),提出了移動目標(biāo)實際位置的計算方法.通過該方法計算出理想距離,參照實際距離進行修正,建立了一套無線接收信號強度定位算法.結(jié)果表明：該算法的動態(tài)權(quán)重法誤差值和固定權(quán)重法誤差值在功率級別為Lowest時較其他功率級別小,系統(tǒng)定位精度較高；且功率級別為Lowest時,動態(tài)權(quán)重法誤差值小于固定權(quán)重法.

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；誤差分析；定位精度；動態(tài)權(quán)重法

dynamic weighing algorithm

近年來,無線技術(shù)的飛速發(fā)展,相關(guān)應(yīng)用的無線技術(shù)結(jié)合的定位也已經(jīng)在不斷地發(fā)展、創(chuàng)新中.環(huán)境定位技術(shù)包括室內(nèi)、外定位兩種技術(shù),室外環(huán)境定位技術(shù)多數(shù)采用全球定位系統(tǒng),需要接收空間中環(huán)繞地球的衛(wèi)星定位信號,而且必須要在開闊的環(huán)境與衛(wèi)星之間有直視性,沒有遮蔽,但信號容易受氣候等因素的影響,故全球定位系統(tǒng)不適用于室內(nèi)定位[1-3].

室內(nèi)環(huán)境定位中,通常需要使用者身上佩戴裝置來接收與發(fā)送信號,在其所處環(huán)境內(nèi)布置設(shè)置在已知的位置,當(dāng)使用者在環(huán)境中移動到設(shè)備的搜索半徑范圍內(nèi),即可推算出使用者所在的位置.國外實驗室最早于1992年開發(fā)出室內(nèi)定位系統(tǒng)Active Badge之后,各國研究人員開始對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)和算法進行研究[4],相繼提出了Active Bat、Active Badge、Radio Camera、Active Office、Easy Rooms和WhereNet等一些代表性的無線傳感器定位系統(tǒng)[5]以及相應(yīng)的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種定位技術(shù)和算法.文獻[6]基于無線傳感網(wǎng)絡(luò),研究了航標(biāo)系統(tǒng)節(jié)點的定位方法,并對定位誤差進行了分析.文獻[7]針對不同的環(huán)境和不同的應(yīng)用場所,提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于接收信號強度(Receive Signal Strength Indicator,RSSI)差值的改進定位算法.文獻[8]通過基于接收信號強度進行測距,然后依據(jù)目標(biāo)距離進行目標(biāo)定位,并進行了實例驗證.文獻[9]對時間同步與定位、傳感器數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)方面、嵌入式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、可重構(gòu)技術(shù)、無線傳感器中的定位等技術(shù)進行了研究.針對不同環(huán)境要求提出的以上解決方案,在給定條件下均達到很好的效果,但真正應(yīng)用還比較少,而且一般條件限制都是非常嚴格的.由于傳感器網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點資源有限、通信易受環(huán)境干擾,傳感器網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模、隨機部署、動態(tài)性等特點,決定了傳感定位方法不能直接應(yīng)用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中[6].因而如何設(shè)計適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身特點的、能量高效、簡單精確、分布式可擴展的節(jié)點定位算法,成為近年來國內(nèi)外研究討論的熱點.

因此,本文采用X-Bee無線傳感器網(wǎng)絡(luò),通過采集測試環(huán)境數(shù)據(jù)的接收信號強度指標(biāo),結(jié)合插值算法,提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中移動目標(biāo)的室內(nèi)定位方法,分析了定位誤差,以期提高移動目標(biāo)室內(nèi)定位精度.

1移動目標(biāo)室內(nèi)定位

室內(nèi)定位一般通過布置多個傳感器,以聚集算法進行空間無線信號強度分析結(jié)果相關(guān)聯(lián)來改善定位精度.該定位方法具有傳感距離長、定位精度好的優(yōu)點,但其器件采用有源器件,因此成本較高.為此,文中以無線接收信號強度指標(biāo)作為判斷接收端與發(fā)送端之間的關(guān)系,其強度因不同環(huán)境產(chǎn)生了不同路徑衰減模型,當(dāng)無線接收信號強度指標(biāo)應(yīng)用在定位系統(tǒng)中,利用其測量值的強弱測定固定點未知目標(biāo)節(jié)點的距離,進而估算出目標(biāo)節(jié)點的位置.由于無線接收信號強度容易受反射、散射及繞射等多重路徑干擾,使得利用其測量值來計算目標(biāo)距離的誤差就會比較大.因此有效地采樣無線接收信號強度值并進行估算,可使得定位誤差縮小進而提高定位精度.

在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境條件下進行室內(nèi)定位的模式有多種,文中采用插值算法進行目標(biāo)定位.插值法在數(shù)值分析中,用兩個已知數(shù)求得和此兩已知數(shù)相關(guān)的未知數(shù),其具體算法如圖1所示.其中A1、A2為錨節(jié)點(Anchor Node),M為移動目標(biāo)物(Mobile Target),D1為錨節(jié)點A1到移動目標(biāo)物的距離,D2為錨節(jié)點A2到移動目標(biāo)物的距離,W1、W2為權(quán)重值,T為距離總長度,Z為原點.

圖1　插值法結(jié)構(gòu)圖

兩者距離總和并非為距離總長度,在此設(shè)A1錨節(jié)點為原點,與移動目標(biāo)物M之間距離為D1,與A2錨節(jié)點距離為D2,但是D2距離是根據(jù)A2的通道模型所測量出來的距離,并非距離原來的距離,因此在A1與A2相距為T時,修正A2錨節(jié)點距離為距離原點的距離.距離原點的距離為

D3=T-D2

(1)

D1及D3分別為以A1及A2錨節(jié)點利用接收信號強度值所估測出的距離,并不一定相等,因此利用權(quán)重值來決定M點的估測距離,權(quán)重值的分配準(zhǔn)則為

W1+W2=1

(2)

接著利用插值法,兩錨節(jié)點根據(jù)接收信號強度建立起通道模型,再根據(jù)兩錨節(jié)點所估測出來的距離加上權(quán)重值得到移動目標(biāo)物M的實際距離為

T′=(D1*W1)+(D3*W2)

(3)

權(quán)重值分配方案中,精確到小數(shù)點后一位,若W1=0.1～0.9,那么W2=0.9～0.1,分配9種不同方案.由權(quán)重值分配,可以修正距離測量之后的誤差,進而估測到定位值.

2實驗及分析

2.1系統(tǒng)定位整體結(jié)構(gòu)

本實驗環(huán)境測試采用無線網(wǎng)絡(luò)Wi-Fi作為干擾源,與X-Bee無線傳感器通信網(wǎng)絡(luò)的頻段相互干擾.針對環(huán)境對于接收信號強度值的干擾進行實驗,分析通道模型在每段距離的接收信號強度值的環(huán)境干擾影響.系統(tǒng)硬件采用X-Bee無線傳感器通信網(wǎng)絡(luò)為主結(jié)構(gòu),與Arduino UNO開發(fā)板相連接,作為錨節(jié)點,采用無線通信傳輸?shù)姆绞竭M行定位,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示.圖2中的A1～A6為錨節(jié)點.

系統(tǒng)定位方法是要先建立起通道模型的基礎(chǔ)上,再開始定位,具體工作原理為：系統(tǒng)先通過錨節(jié)點采集接收信號強度值(RSSI)的數(shù)據(jù),建立起通道模型,當(dāng)模型建完后就開始定位,此時開始移動目標(biāo)物,當(dāng)目標(biāo)物進入錨節(jié)點的接收半徑范圍并采集接收信號強度值的數(shù)據(jù),依據(jù)這些數(shù)據(jù)建立通道模型并初步估算距離,此估算距離一般誤差都較大,需把數(shù)據(jù)送入插值演算法進行計算,得到較精準(zhǔn)的定位位置送給協(xié)調(diào)器,協(xié)調(diào)器通過RS-232接口與計算機進行數(shù)據(jù)傳輸,并顯示上屏幕.

2.2通道模型分析

首先調(diào)整X-Bee模塊的功率級別為Lowest,設(shè)置固定節(jié)點與移動節(jié)點之間的測量距離為每 0.5 m測量一次,每次測量次數(shù)為20次,每一次傳送的封包大小為1 Byte,依次增加X-Bee模塊的功率級別為Low、Medium、High和Highest,共5種通道模型,比較每次測量的數(shù)據(jù),得出接收信號強度通道模型如圖3所示.

圖2　定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3　接收信號強度通道模型

由圖3可以看出,接收信號強度通道模型可歸納出兩點之間的直線路徑衰減,在無線傳感器定位系統(tǒng)中,相應(yīng)兩點之間的距離為

(4)

式中：D為相應(yīng)兩點之間的距離；X1、X2為通道模型對應(yīng)兩點坐標(biāo)；Y1、Y2為模型對應(yīng)兩點的接收信號強度值；Y為測量到的接收信號強度值.

2.3功率級別強度的分段定位及分析

在每個功率級別強度中的每一段(0.5 m)隨機取5個測量位置,每一個測量位置均做20次定位測量,在依照插值法進行權(quán)重值分配.每個權(quán)重值分配方案測量位置誤差為

(5)

式中：i為測量次數(shù)；ei為實際距離減去測量距離；I為測量次數(shù)的總和.

取0～0.5 m的范圍內(nèi)隨機取5個測量位置來做實驗,從圖3中可以看出,錨節(jié)點A1到移動目標(biāo)物測量到的接收信號強度值相等,所以可以定為0.25 m,但也可以從錨節(jié)點A2估測出來的距離用插值法算法進行估算,定位結(jié)果見表1.

將表1估算值代入式(5)中計算出定位平均誤差,見表2.以此方法類推,可以得出其他段的定位平均誤差,由于數(shù)據(jù)較多,這里就不一一列出.

表1　功率級別處于Lowest時的L1段定位結(jié)果

表2　功率級別處于Lowest時的L1段定位平均誤差

從以上結(jié)果做個比較,若將整段測量到的方案1～9取誤差值最小的方案,獎其定義為固定權(quán)重法,將每個分段定位誤差值最小的方案定義為動態(tài)權(quán)重法,用這兩種方法隨機取10個測量位置作為比較,再用標(biāo)準(zhǔn)誤差來分析兩種方法效能,其標(biāo)準(zhǔn)誤差為

(6)

式中：σi=xi-xt；σi為第i次誤差；xi為估算距離；xt為實際距離.若算得標(biāo)準(zhǔn)誤差小時,說明系統(tǒng)定位精度高,反之,定位精度低.

2.4Lowest定位結(jié)果

分別用固定權(quán)重法和動態(tài)權(quán)重法隨機選取10個測量位置,Lowest定位結(jié)果見表3.

將表3測量值代入式(6)可以算出標(biāo)準(zhǔn)誤差.以此方法類推也可以算出Low、Medium、High、Highest段的標(biāo)準(zhǔn)誤差,見表4.

表3　Lowest定位結(jié)果

分析表4的數(shù)據(jù)得出,從誤差值看,誤差值較小的是在Lowest環(huán)境下,而且采用動態(tài)權(quán)重法也有一定的改善.從改善情況來看,最大改善的是在Low與High環(huán)境下,但是其本身的誤差值也比較大.而Medium與Highest環(huán)境下不但本身的誤差值大,而且也沒有多大的改善,都不適合于定位系統(tǒng).所以從以上數(shù)據(jù)的分析得出,只有在Lowest環(huán)境下,兩種誤差值都比較小,因此系統(tǒng)的定位精度較高.

表4　標(biāo)準(zhǔn)誤差

3結(jié) 論

1) 文中采用插值算法與信號傳播通道模型相配合,結(jié)合X-Bee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),提出了移動目標(biāo)實際位置的計算方法.

2) 將定位方法分為固定權(quán)重法和動態(tài)權(quán)重法,實驗結(jié)果顯示,動態(tài)權(quán)重法誤差值比固定權(quán)重法小,且在功率級別為Lowest時,動態(tài)權(quán)重定位誤差最小.考慮到環(huán)境干擾,為使定位精度進一步提高,后續(xù)研究可考慮采取模糊邏輯技術(shù)或其他算法來完善定位模型.

參 考 文 獻：

[1]WANG C,WU H,ZENG N F.RFID-Based 3-D Positioning Schemes[C]//26th IEEE International Conference on Computer Communications.Anchorage:IEEE,2007:1235.

[2]HOSSAIN S,ARIFFIN S H S,FISAL N.Accuracy Enhancement of Fingerprint Indoor Positioning System[C]// 2012 Third International Conference on Intelligent Systems Modeling and Simulation.Piscataway:IEEE,2012:600.

[3]李文仲,段朝玉.Zigbee2006無線網(wǎng)絡(luò)與無線定位實戰(zhàn)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008.

LI Wenzhong,DUAN Chaoyu.Combat of Wi-Fi and Wireless Location in Zigbee2006[M].Beijing:Beihang University of Aeronautics and Astronautics Press,2008.(in Chinese)

[4]LIU Y H,YIU C L,PATIL A P.Landmarc:Indoor Location Sensing Using Active RFID[J].Wireless Networks,2004,10(6):701.

[5]洪博,徐國祥,何通能.WSN的定位技術(shù)在污染源監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技信息,2010(9):84.

HONG Bo,XU Guoxiang,HE Tongneng.Application of Location Algorithm in Monitor System of Pollution Emergency[J].Science & Technology Information,2010(9):84.(in Chinese)

[6]林月美,鄭佳春.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的航標(biāo)系統(tǒng)節(jié)點定位研究[J].集美大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010,15(3):190.

LIN Yuemei,ZHENG Jiachun.Research on Node Location for Navigation Mark System Based on WSNs[J].Journal of Jimei University(Natural Science),2010,15(3):190.(in Chinese)

[7]徐燕,石江宏,吳曉芳.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于RSSI差值的改進定位算法[J].廈門大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2008,47(3):361.

XU Yan,SHI Jianghong,WU Xiaofang.An Improved Localization Algorithm Based on RSSI-mrgin in WSN[J].Journal of Xiamen University(Natural Science),2008,47(3):361.(in Chinese)

[8]章堅武,張璐,應(yīng)瑛,等.基于ZigBee的RSSI測距研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2009,22(2):285.

ZHANG Jianwu,ZHANG Lu,YING Ying,et al.Research on Distance Measurement Based on RSSI of ZigBee[J].Journal of Sensors Actuators,2009,22(2):285.(in Chinese)

[9]張佳.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)研究[D].西安：西安科技大學(xué),2013.

ZHANG Jia.A Research of Wireless Sensor Network Locaction Technology[D].Xi’an:Xi’an University of Science and Technology,2013.(in Chinese)

(責(zé)任編輯、校對張超)

Localization and Error Analysis of Moving Target in Wireless Sensor Network

YANGAdi,SHEMinghui

(Department of Automation Engineer,Meizhouwan Vocational Technology College,Putian 351254,China)

Abstract:In order to improve the indoor positioning precision of moving targets in wireless sensor networks,the method of calculating the actual position of moving targets by using interpolation algorithm to match the signal propagation channel model,combining with X-Bee wireless sensor network technology,is put forward.With this method,the ideal distance is calculated,and then corrected with reference to the actual distance,to establish a set of wireless receiving signal strength localization algorithm.The result shows that when the power level is Lowest,the error value of dynamic weighing method and fixed weighing method of this algorithm is smaller than those in other power levels,and the system positioning accuracy is better.Bsides,when the power level is Lowest,the error value of dynamic weighing method is smaller than that of fixed weighing method.

Key words:wireless sensor networks； error analysis； positioning accuracy；

DOI:10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.04.015

收稿日期：2015-11-26

基金資助：福建省教育廳自然科學(xué)基金項目(JA12456)

作者簡介：楊阿弟(1978-),男,湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師,主要研究方向為網(wǎng)絡(luò)通信工程及控制.E-mail：mzyyad@126.com.

文獻標(biāo)志碼:中圖號：TN98A

文章編號：1673-9965(2016)04-0340-05