摘 要: 對WSN中基于測距技術(shù)的定位方法進(jìn)行了研究，針對室內(nèi)環(huán)境易對信號造成干擾且硬件存在差異的情況，采用為每個參考節(jié)點(diǎn)設(shè)置其測距模型的方案。對利用線性定位和極大似然估計(jì)兩種定位算法分別進(jìn)行了分析，通過實(shí)驗(yàn)測試定位系統(tǒng)中測距模型的測距誤差以及兩種定位算法的定位誤差，依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了綜合運(yùn)用兩種定位算法的策略。
關(guān)鍵詞: 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； RSSI； 定位算法； 測距誤差
目前，在室外環(huán)境下，全球定位系統(tǒng)(GPS) 已經(jīng)能夠成功地對移動目標(biāo)進(jìn)行定位。但在室內(nèi)環(huán)境下，GPS的衛(wèi)星信號受室內(nèi)障礙物的阻隔，難以實(shí)現(xiàn)定位[1]。同時，GPS的成本和功耗較高,不能適應(yīng)一些應(yīng)用場合的要求。
WSN 是一種短距離、低速率、低復(fù)雜度、低功耗和低成本的無線通信網(wǎng)絡(luò)，主要用于分布式測量和遠(yuǎn)程控制[2]。近些年來，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)已開發(fā)出一些基于WSN的室內(nèi)定位系統(tǒng)，其中最典型的室內(nèi)定位系統(tǒng)有RADAR、Active Badge、Active Office、Cricket等。但由于室內(nèi)的無線信號傳播條件和狀態(tài)復(fù)雜多變，如：墻壁的多徑反射、人員走動等等都會影響室內(nèi)定位精度。因此，本文為研究基于RSSI的定位技術(shù)設(shè)計(jì)了一個室內(nèi)定位系統(tǒng)，根據(jù)具體的環(huán)境，對不同的硬件設(shè)備測量出不同的參數(shù)，從而得到不同的傳播損耗模型。當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時，需重新確定節(jié)點(diǎn)的測距模型。測距階段的結(jié)果直接影響整個定位系統(tǒng)的定位精度，因此應(yīng)減小測距階段的測距誤差以提高系統(tǒng)的定位精度。并在實(shí)際環(huán)境中測試定位算法的有效性及所能達(dá)到的精度范圍,實(shí)驗(yàn)需要測試?yán)肦SSI測距技術(shù)所能達(dá)到的測距精度，同時需要對比兩種不同的定位算法所能達(dá)到的定位精度。
當(dāng)參考節(jié)點(diǎn)的位置信息固定好以后，根據(jù)前面所說的測距模型的方法測出每個參考節(jié)點(diǎn)的參數(shù)值,見表1。
當(dāng)定位環(huán)境發(fā)生變化時，需要重新測量參數(shù)值。
3.3 測試結(jié)果與分析
定位測試結(jié)果與分析內(nèi)容主要包括距離測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析以及位置測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。測距結(jié)果分析指將實(shí)際距離與估計(jì)距離作對比后的誤差分析，而位置結(jié)果分析是對估計(jì)坐標(biāo)值的誤差進(jìn)行分析。最后對不同定位算法的定位誤差進(jìn)行對比，并得出結(jié)論。
3.3.1 距離測試
首先,分別測試盲節(jié)點(diǎn)與各參考節(jié)點(diǎn)間距離的測量誤差。以24號節(jié)點(diǎn)為例，通過回歸分析計(jì)算兩節(jié)點(diǎn)間的距離估計(jì)值，距離的相對誤差與實(shí)際距離的關(guān)系如圖4所示。圖中曲線表明，當(dāng)兩節(jié)點(diǎn)間的距離在(2 m,6 m)范圍內(nèi)時，估計(jì)距離的相對誤差小于該區(qū)域外的相對誤差。其他參考節(jié)點(diǎn)的測距相對誤差也有類似的效果,即中間區(qū)域的整體相對誤差小于該區(qū)域外的誤差，但相對誤差值的大小略有不同。
重復(fù)距離測試實(shí)驗(yàn)，可得出以下結(jié)論：當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)位于定位區(qū)域的中間范圍(2,2)×(6,6)內(nèi)時，節(jié)點(diǎn)間的測距誤差小于2 m；當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)位于該范圍外時，測距誤差相對較大，但是整體仍小于3.5 m。由于測距誤差直接影響系統(tǒng)的定位誤差，由以上結(jié)論可以推斷，當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)在中間區(qū)域內(nèi)移動時定位誤差較小。
3.3.2 定位誤差測試與分析
實(shí)驗(yàn)中選取定位區(qū)域內(nèi)的25個位置作為測試點(diǎn)，具體的測試點(diǎn)分布如圖5所示。
為更加具體地對定位誤差進(jìn)行分析，對每個測試點(diǎn)都進(jìn)行10次位置計(jì)算。測試結(jié)束后，分別對線性定位算法的誤差和極大似然估計(jì)法的誤差進(jìn)行比較，如圖6所示。
由圖6可知，兩種定位算法的定位誤差占比比較相似。分析不同區(qū)域內(nèi)的誤差值可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)測試節(jié)點(diǎn)分布靠近邊界時，極大似然估計(jì)法的計(jì)算結(jié)果優(yōu)于線性定位算法；當(dāng)測試節(jié)點(diǎn)位于中間區(qū)域時，線性定位算法的定位結(jié)果優(yōu)于極大似然估計(jì)法。因此在實(shí)際的定位系統(tǒng)中，可同時實(shí)現(xiàn)兩種算法。當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)靠近監(jiān)控區(qū)域的邊界時使用極大似然估計(jì)法計(jì)算節(jié)點(diǎn)位置；當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)靠近中間區(qū)域時可使用線性定位算法計(jì)算最終的坐標(biāo)。
本文研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位技術(shù)，對基于RSSI的室內(nèi)測距原理和定位算法進(jìn)行了分析，在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中測試了距離測量精度和兩種不同的定位算法的定位精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在連通的室內(nèi)環(huán)境中，基于測距的定位方法的定位誤差≤3 m（約90%的概率），在中間區(qū)域和外圍分別使用不同的定位算法可以提高定位精度。由于距離測量精度是影響定位效果的關(guān)鍵因素，因此，未來需要進(jìn)一步研究提高測距精度的方法。
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