齊晉維++李暉

摘要：為了使科學(xué)工作者可以更便捷地掌握野生動物的活動布局情況，設(shè)計了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的動物定位系統(tǒng)。該方案以Arduino LilyPad單片機為基礎(chǔ)，結(jié)合使用Zigbee技術(shù)的XBee模塊以及無源RFID標簽，利用RSSI模型和三邊測量定位法，進行模塊數(shù)據(jù)處理，分析出野生動物的位置情況。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；定位；Arduino

中圖分類號：TP212.9 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）02-0190-01

動物保護一直是維護全球生態(tài)平衡中非常重要的部分，然而由于生態(tài)環(huán)境的惡化，野生動物的數(shù)量不容樂觀。在動物研究領(lǐng)域，要根據(jù)實際情況開展相關(guān)的實地考察監(jiān)測。當前人工觀測研究的方式數(shù)據(jù)可靠性差，并且數(shù)據(jù)采集的時間間隔較長，不僅影響工作效率并且阻礙了研究進展[1]。為了突破人工監(jiān)測方式的缺點，本文利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，通過使用Zigbee和RFID技術(shù)，應(yīng)用RSSI模型和三邊測量法，進行野生動物的定位。本方案可以在不打擾動物的生存活動情況下，獲取動物的位置信息，從而直觀獲得保護區(qū)內(nèi)動物的分布情況。

1 定位原理

1.1 RSSI技術(shù)與定位算法

RSSI（Received Signal Strength Indication）又稱接收信號強度指示，是在已知發(fā)射功率的前提下，接收節(jié)點測量接收功率，計算傳播損耗，并根據(jù)信號傳播模型將信號功率損耗轉(zhuǎn)化為近似距離的技術(shù)。獲取RSSI信息比較容易。由無線信號強度與距離的關(guān)系曲線模型，可以測得信號傳播距離，信號功率衰減與信號傳播距離的函數(shù)為：Pr=f（Pt，d），其中Pr是可測的接收信號強度，Pt是信號發(fā)射強度，d是信號傳播距離，f是信號強度與衰減距離的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。可見，假設(shè)已知發(fā)射功率和信號傳播經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，在測得了某處的Pr信號強度值后，即可根據(jù)以上模型對距離進行求解[3]。無線傳感器節(jié)點配備通信模塊，不需要額外的硬件[2]，計算量相對較小，比較適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點計算能力，不需要定制更快的計算核心模塊。

1.2 三邊測量法

三邊測量法是一種利用三角形幾何運算的定位方法。二維平面中，假設(shè)已知了三個節(jié)點A、B、C的坐標，并利用RSSI技術(shù)得到了這三點到未知節(jié)點D的距離，建立A、B、C三點的距離方程，聯(lián)立方程組解出D點的坐標。

2 定位節(jié)點硬件設(shè)計

2.1 節(jié)點供電選擇

以前節(jié)點供電普遍使用干電池，若以半小時的采樣頻率來計算，節(jié)點壽命一般僅能持續(xù)幾個月。但實際研究中，往往需要獲取動物活動范圍一年甚至幾年時間的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并且在人跡罕至的保護區(qū)內(nèi)，手動更換電池不可行。本方案中，節(jié)點的供電采用鋰聚合物電池，可在有限的體積內(nèi)具有較大的容量，并且配備太陽能供電模塊，大大延長節(jié)點的生存周期。

2.2 節(jié)點硬件選擇

本方案采用了Arduino Lilypad系列單片機和XBee模塊的結(jié)合來實現(xiàn)定位節(jié)點的設(shè)計。LilyPad是Arduino一個特殊版本，主要是為可穿戴設(shè)備和電子紡織品開發(fā)。LilyPad處理器核心是ATmega168或者ATmega328，同時具有14路數(shù)字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出，一路可以用來做藍牙模塊的復(fù)位信號），6路模擬輸入，一個16MHz晶體振蕩器，一個ICSP header和一個復(fù)位按鈕，芯片高度集成，尺寸僅為一枚普通硬幣大小，在保護區(qū)也可以良好地隱藏，不受動物的影響。XBee模塊，由美國DIGI公司出品，其運用了Zigbee技術(shù)，主要特點是高性能、低成本和低功耗，最突出的特點是遠距離。與其他運用Zigbee的模塊進行對比，它在室內(nèi)條件下可傳輸距離40-100米，在室外視距條件下的傳輸距離可達300米，有阻擋的情況下可以保證至少100米的信號覆蓋，非常適合在保護區(qū)內(nèi)使用。模塊的尺寸與LilyPad一樣小巧，并能使用針腳式連接。Zigbee技術(shù)組網(wǎng)快，模塊內(nèi)含有RSSI值寄存器，可用來存儲相關(guān)數(shù)據(jù)，進而計算動物的距離。除此之外，為了實現(xiàn)完整的定位過程，在野生動物身上需要進行RFID標簽的固定。本設(shè)計選擇使用無源標簽，既可以省去使用電源的成本，又不至于攜帶電源對于動物身體造成傷害?；赗SSI的距離估計技術(shù)，定位數(shù)據(jù)可由傳感器節(jié)點的XBee模塊測量獲取。通過這種無線傳感網(wǎng)絡(luò)測距方法，采用RFID和Zigbee技術(shù)相融合的設(shè)計，能夠有效完成動物的跟蹤定位。

3 結(jié)語

本文設(shè)計了一個基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的野生動物定位方案，為了保證節(jié)點使用的壽命，延長節(jié)點周期，本設(shè)計采用了鋰聚合物電池以及太陽能電池板供電，通過長期的數(shù)據(jù)收集，進行動物分布情況的分析，并對于特定的動物進行有效的識別與跟蹤。而且本方案使用的硬件體積小巧，適合在保護區(qū)作偽裝，不易被動物所破壞。定位方法使用RSSI來測定，使用起來也更加方便簡潔。

參考文獻

[1]劉晨，陳昊，陳鋒，王曄竹，趙菁菁.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的金絲猴監(jiān)測系統(tǒng)平臺[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015（02）：13-16.

[2]彭宇，王丹.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)綜述[J].電子測量與儀器學(xué)報，2011（05）：389-399.

[3]錢志鴻，孫大洋，LEUNG Victor.無線網(wǎng)絡(luò)定位綜述[J].計算機學(xué)報，2016（06）：1237-1256.