無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )用于監測系統中的定位算法
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2 基于RSSI測距的加權質(zhì)心定位原理
在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，根據節點(diǎn)的位置是否己知，將節點(diǎn)分為未知節點(diǎn)和信標節點(diǎn)。未知節點(diǎn)表示節點(diǎn)在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的位置需要定位，而信標節點(diǎn)也稱(chēng)為錨節點(diǎn)，表示其位置已經(jīng)確定。信標節點(diǎn)是通過(guò)人工事先放置好或者在節點(diǎn)上增加GPS模塊得到自身位置。信標節點(diǎn)是未知節點(diǎn)定位時(shí)的參考點(diǎn)，但是由于功耗和成本的限制，信標節點(diǎn)不能太多。
2．1 RSSI測距原理
RSSI (received signal strength indicator)測距原理：利用節點(diǎn)接收信號強度與節點(diǎn)距離成反比的關(guān)系，通過(guò)測量接收到的信號強度和已知的信道衰落模型，估算出節點(diǎn)之間的距離。無(wú)線(xiàn)信號的發(fā)射功率和接收功率之間的關(guān)系可以用式(1)表示
PR是無(wú)線(xiàn)信號的接收功率，PT是無(wú)線(xiàn)信號的發(fā)送功率，d是收發(fā)單元之間的距離，n是傳播因子，數值大小取決于無(wú)線(xiàn)信號傳播的環(huán)境。給上式兩邊取對數得
10lgPR=10lgPT-10n·lgd (2)
當距離d=1 m時(shí)，PR=Pr，令10 lg RT=10 lg R=A，即是距離發(fā)射節點(diǎn)1 m遠處的信號接收強度，將(2)式化簡(jiǎn)為
PR(dBm)=A-10*nlgd (3)
可以看出常數A和n決定了接收信號強度和傳輸距離的關(guān)系。A值為無(wú)線(xiàn)收發(fā)節點(diǎn)相距1 m時(shí)接收節點(diǎn)接收到的無(wú)線(xiàn)信號強度值，n值是無(wú)線(xiàn)信號的傳播因子，這兩個(gè)值都是經(jīng)驗值，和具體使用的硬件節點(diǎn)和無(wú)線(xiàn)信號傳播的環(huán)境密切相關(guān)，所以測距前必須在應用環(huán)境中把兩個(gè)經(jīng)驗值標定好，然后根據(3)式就可以求出距離d。
2．2 質(zhì)心定位原理
質(zhì)心定位的原理是：未知節點(diǎn)以所有在其通信范圍內錨節點(diǎn)組成的幾何形狀的質(zhì)心作為自己的估計位置。質(zhì)心坐標就是多邊形各頂點(diǎn)坐標的平均值。
具體實(shí)現過(guò)程為：錨節點(diǎn)周期性的向鄰居節點(diǎn)廣播一個(gè)信標信號，信號中包含有錨節點(diǎn)自身的ID和位置信息，未知節點(diǎn)接收到信標信號以后將其存儲起來(lái)。當未知節點(diǎn)在一段偵聽(tīng)時(shí)間內接收到來(lái)自某個(gè)錨節點(diǎn)的信標信號數量超過(guò)預設的門(mén)限后，就認為該錨節點(diǎn)與自身連通，最終該未知節點(diǎn)將自身位置確定為所有與之連通的錨節點(diǎn)所組成的多邊形的質(zhì)心。假設網(wǎng)絡(luò )中的n個(gè)固定錨節點(diǎn)坐標為(Xi，Yi)，其中1≤i ≤n，未知節點(diǎn)M的估測位置坐標為(Xm，Ym)，那么質(zhì)心定位計算未知節點(diǎn)的坐標公式如下：
2．3 基于RSSI的加權質(zhì)心定位
傳統的質(zhì)心定位算法忽略了不同距離的錨節點(diǎn)對質(zhì)心定位精度的影響，針對傳統質(zhì)心定位算法的缺陷，將RSSI信息引入可以起到輔助信息的作用。其基本思想是：在確定了未知節點(diǎn)所在的多邊形以后，首先根據未知節點(diǎn)和錨節點(diǎn)通信時(shí)獲取到的RSSI值計算出未知節點(diǎn)和各個(gè)錨節點(diǎn)之間的距離d，然后以wi=1／di作為加權質(zhì)心定位算法中的權值，計算未知節點(diǎn)的坐標。
假設網(wǎng)絡(luò )中的n個(gè)同定錨節點(diǎn)坐標為(Xi，Yi)，其中1≤i≤n，未知節點(diǎn)M的估測位置坐標為(Xm，Ym)，那么加權質(zhì)心計算公式5如下：
這樣選擇加權因子能夠體現出與未知節點(diǎn)距離不同的錨節點(diǎn)對未知節點(diǎn)定位的決定權的大小，其約束力符合加權質(zhì)心算法的要求。
3 節點(diǎn)定位的實(shí)現
3．1 定位系統的工作原理
節點(diǎn)的定位計算主要是在網(wǎng)關(guān)上完成的。本定位系統中采用了Android平板電腦做網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過(guò)監牙通信和中心節點(diǎn)上的藍牙模塊建立連接，藍牙配對成功后，中心節點(diǎn)將未知節點(diǎn)上傳的與之通信錨節點(diǎn)的RSSI值和對應錨節點(diǎn)ID信息通過(guò)藍牙模塊無(wú)線(xiàn)透傳給網(wǎng)關(guān)，在網(wǎng)關(guān)上進(jìn)行計算。定位系統原理如圖4所示。本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/159474.htm
3．2 定位實(shí)現的步驟
(1) RSSI值的獲取
在成功組建Zigbee網(wǎng)絡(luò )后，錨節點(diǎn)周期性的向周同廣播一個(gè)包含自身ID的信標信號，在通信范圍內的未知節點(diǎn)接收到信標信號以后，通過(guò)調用API函數獲取與自己通信錨節點(diǎn)的RSSI值和對應的錨節點(diǎn)ID號，使用的API函數主要包括：emberIneoming MessageHandler主要是處理節點(diǎn)接收到的信息，在這個(gè)函數里面再調用API函數emberGetSender，獲取發(fā)送節點(diǎn)編號(node ID)：調用API函數emberGetLastHopRssi，獲取目前接收信息的信號強度；調用API函數emberSendUnicast將接收到的數據發(fā)送給中心節點(diǎn)，最終在中心節點(diǎn)調用API函數emberSerialPri ntf將數據通過(guò)串口發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。獲取RSSI值的部分代碼如下：
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