羅秀梅

(洛陽廣播電視大學(xué)，河南 洛陽 471000)

0 引言

近年來，WSN以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點(diǎn)為信息感知領(lǐng)域帶來了一場跨時代的革命，并已經(jīng)在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用；而定位技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，基本的定位方法是依靠少數(shù)已知位置的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)作為參考節(jié)點(diǎn)，其他未知節(jié)點(diǎn)通過監(jiān)測與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離或角度等信息來計算自己的位置。在多播種機(jī)協(xié)同作業(yè)過程中，由于受到農(nóng)田作業(yè)環(huán)境的限制，多播種機(jī)之間的通信效率較低，從而影響了其協(xié)同作業(yè)的水平和速度。而中繼節(jié)點(diǎn)的引入有望改觀這一問題，中繼節(jié)點(diǎn)通過協(xié)同通信功能，可以有效地提高多通信終端之間的通信效率，將其引入到多播種機(jī)協(xié)同控制系統(tǒng)中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 基于無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位和協(xié)同通信的多播種機(jī)控制技術(shù)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)是由很多成本較低的微型無線傳感器節(jié)點(diǎn)組成的，可以較低的成本獲得最大的通信功能，其技術(shù)核心是保證信息傳播和獲取的可靠性。由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)使用了很多節(jié)點(diǎn)，因此其通信技術(shù)是保證節(jié)點(diǎn)正常通信的關(guān)鍵。在農(nóng)田作業(yè)環(huán)境下，單臺播種機(jī)的作業(yè)效率較慢，為了提高作業(yè)效率，一般采用多臺播種機(jī)協(xié)同作業(yè)的方式。在多臺播種機(jī)協(xié)同控制時，其通信較為復(fù)雜，采用單一方向的通信模式往往通信效率較慢。為了提高節(jié)點(diǎn)間通信的效率，可以采用協(xié)同通信方式，其原理如圖1所示。

圖1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)協(xié)同通信Fig.1 The cooperative communication of wireless sensor network nodes

圖1中，源節(jié)點(diǎn)S發(fā)出通信數(shù)據(jù)后傳送給中繼節(jié)點(diǎn)(R1,R2,R3,R4)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到通信數(shù)據(jù)后產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)包然后發(fā)送給中繼節(jié)點(diǎn)。在協(xié)同通信時，源節(jié)點(diǎn)可以收到來自不同中繼的數(shù)據(jù)包，源節(jié)點(diǎn)一般不能夠分辨哪個中繼發(fā)來的數(shù)據(jù)包，但可以以固定的功率廣播數(shù)據(jù)發(fā)送給所有的中繼節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，舉手的中繼節(jié)點(diǎn)對數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，沒有舉手的中繼節(jié)點(diǎn)不做任何處理。

圖2表示多播種機(jī)協(xié)同作業(yè)的基本流程。利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的協(xié)同通信，可以對多播種機(jī)同時進(jìn)行定位和路徑規(guī)劃，從而實(shí)現(xiàn)多播種機(jī)的實(shí)時導(dǎo)航功能及自動化作業(yè)。

圖2 多播種機(jī)協(xié)同作業(yè)流程Fig.2 The cooperative operation flow of multi seeders

2 無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位及協(xié)同通信與聚合算法

利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，可以對未知的播種機(jī)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時定位，無線RSSI算法是常用的節(jié)點(diǎn)定位算法，該算法利用無線傳感器接收到信號的損耗，來判斷位置節(jié)點(diǎn)的距離，從而實(shí)現(xiàn)未知節(jié)點(diǎn)的定位，其原理如圖3所示。

圖3 基于RSSI的測距模型原理Fig.3 The principle of ranging model based on RSSI

根據(jù)信號損耗的理論模型可得

(1)

其中，n表示信號衰減指數(shù)，在不同的環(huán)境中可以對其設(shè)定不同的數(shù)值，一般經(jīng)驗(yàn)值在2～5之間。利用該模型公式，可以求出相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的距離為

(2)

假設(shè)已知的參照節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為(x0,y0)，兩個閱讀器的坐標(biāo)為(x1,y1)，(x2,y2)，待測定節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為(x,y)，則可以得到

(3)

利用式(3)便可以求出待測節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，求待測坐標(biāo)位置還可以根據(jù)三邊測量法，如圖4所示。

圖4 三邊測量法基本原理圖Fig.4 The basic principle diagram of three side measurement method

圖4表示三邊測量方法的基本原理，其中D(x,y)表示待測節(jié)點(diǎn)的位置，可以根據(jù)其他節(jié)點(diǎn)的位置信息來進(jìn)行定位。假設(shè)其他3個參照節(jié)點(diǎn)A、B、C的坐標(biāo)分別為(xa,ya)、(xb,yb)、(xc,yc)，以及它們到待測量節(jié)點(diǎn)D的距離da=AD、db=BD、dc=CD，則可以得到

(4)

由式(1)可得D點(diǎn)的坐標(biāo)為

(5)

在較為復(fù)雜的農(nóng)田作業(yè)環(huán)境下，還可以采用極大似然估計方法來對未知的播種機(jī)位置進(jìn)行實(shí)時定位，以觀測值出現(xiàn)的概率最大為準(zhǔn)則，是一種常用的參數(shù)估計方法。

如圖5所示：已知節(jié)點(diǎn)1,2,…,n的坐標(biāo)分別為(x1,y1)，(x2,y2)，…，(xn,yn)，它們到節(jié)點(diǎn)D的距離分別為d1,d2,…,dn，則待測節(jié)點(diǎn)D(x,y)為

(6)

式(6)中，從第一個方程開始分別依次減去最后一方程可得

(7)

將線性方程組表示為矩陣的形式為AX=b，則

(8)

當(dāng)n≥3時，使用標(biāo)準(zhǔn)的最小均方差估計算法，可以得到節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)為

X=(ATA)-1ATb

(9)

圖5 極大似然估計法原理示意圖Fig.5 The schematic diagram of maximum likelihood estimation

為了使多節(jié)點(diǎn)的協(xié)同通信達(dá)到最優(yōu)，可以采用聚類算法對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分類，其步驟如下：

其中，k為迭代運(yùn)算的次序號，第一次迭代k=1，Sj表示第j個聚類，其聚類中心為Zj。

(10)

其中，Nj為第j個聚類域Sj中所包含的樣本個數(shù)，將節(jié)點(diǎn)的均值向量作為新的聚類中心，利用聚類準(zhǔn)則使函數(shù)值最小，即

(11)

利用以上聚類算法可以對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分類，充分發(fā)揮中繼節(jié)點(diǎn)的協(xié)同通信功能，從而有效提高多播種機(jī)間協(xié)同通信的效率。

3 多播種機(jī)協(xié)同作業(yè)通信測試

為了驗(yàn)證協(xié)同通信和聚類算法在多播種機(jī)作業(yè)通信中使用的可行性，以多臺播種機(jī)的協(xié)同作業(yè)為試驗(yàn)對象，對算法進(jìn)行了驗(yàn)證，在播種機(jī)上分別安裝了無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和接收與發(fā)射天線，如圖6所示。

圖6 多播種機(jī)裝備示意圖Fig.6 The sketch map of multi seeders

試驗(yàn)測試的項(xiàng)目主要是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)實(shí)時定位的誤差。將多臺播種機(jī)設(shè)備置于農(nóng)田中同時作業(yè)，如圖7所示。

圖7 多播種機(jī)協(xié)同作業(yè)過程Fig.7 The cooperative operation process of multiple seeder

為了保證試驗(yàn)的順利進(jìn)行，選擇了較為寬闊的平坦的農(nóng)田環(huán)境，并設(shè)置了大量的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其布置如圖8所示。

圖8 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布圖Fig.8 The node distribution of Wireless Sensor Networks

在農(nóng)田環(huán)境中布置了較多的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，*部分表示已知的位置節(jié)點(diǎn)，其他的為未知位置的節(jié)點(diǎn)。其中，4臺播種機(jī)被設(shè)置為移動未知節(jié)點(diǎn)，通過在一定距離內(nèi)對其位置進(jìn)行定位測試，得到了如表1所示的測試結(jié)果。

表1 多播種機(jī)協(xié)同通信定位精度Table 1 The positioning accuracy of cooperative communication of multi seeders

由表1可知：其定位所需時間較短，4臺播種機(jī)分別實(shí)時定位的時間都沒有超過1s，定位效率較高；從x和y向定位誤差可以看出，其定位誤差范圍都在5%以內(nèi)，定位精度較高，從而驗(yàn)證了算法的可行性和可靠性。

4 結(jié)論

為了提高多播種機(jī)協(xié)同作業(yè)過程中的通信效率，將協(xié)同通信中繼節(jié)點(diǎn)技術(shù)引入到了協(xié)同控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中，并采用聚類算法對節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了多播種機(jī)作業(yè)過程的高效實(shí)時定位。為了驗(yàn)證該方案的可行性，以4臺播種機(jī)的協(xié)同通信為例，對其定位時間和定位精度進(jìn)行了測試。結(jié)果表明：4臺播種機(jī)的定位時間均不超過1s，在x和y向上的定位誤差也不超過5%，從而驗(yàn)證了算法的可行性和可靠性。如果將該系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級，將其使用在多農(nóng)機(jī)協(xié)同作業(yè)控制系統(tǒng)中，對于實(shí)現(xiàn)多農(nóng)機(jī)的自主導(dǎo)航和路徑規(guī)劃具有重要的參考意義。