2018浅谈改进型无线传感器无锚定位信息提取算法研究

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　　　[摘 要]无线传感器网络是能够改变人类未来生活的新兴技术之一。在很多情况下,传感器采集的数据要结合其位置信息才有意义。文章首先提出了一种利用超声波测距的改进型TOA无锚定位算法。
　　[关键词]无线传感器网络;定位算法;超声波测距;硬件平台
　　　　
　　1 引 言
　　随着微电子技术、分布式信息处理技术、低功耗技术和无线通信等技术的飞速发展,设计低功耗多功能的无线传感器节点成为可能。传感器节点作为无线传感器网络的基本单元,其设计的优劣直接影响到整个网络的性能。本文提出了一种利用超声波测距的改进型无锚定位算法,并针对该算法,设计了一款以C8051F020和CC2430为核心器件的无线传感器节点硬件平台。
　　2 利用超声波测距的改进型TOA无锚定位算法
　　现有基于距离的定位算法主要有TOA、TDOA、AOA和RSSI等。TOA算法精度较高,但其要求整个网络的节点间保持精确的时间同步,对传感器节点的硬件和功耗提出了较高的要求。并且TOA需要相当数量的锚节点来辅助未知节点进行定位。为解决这两个问题,本文借鉴超声波测距和AOA定位的思想,提出了一种利用超声波测距结合来波方向进行定位的无锚定位算法。算法利用超声波自发自收的方式解决了传统TOA需要收发节点间时间同步的问题,用测得的距离结合来波方向进行定位,可以确定全网节点的相对位置关系,若需定出绝对经纬度坐标,仅需加入少量锚节点即可。  论文代写 http://

　　超声波传播距离有限,在空气中一般只能传播十几米到几十米,在监测区域范围较大时,节点只能与距自己较近的邻居节点测距。因此,考虑采用分簇的方式,各簇首先在自己簇内建立坐标系,对簇内节点进行定位,建立簇内节点的相对位置关系。之后,若需要在整个网络建立统一的坐标系,可利用两个簇共有的边界节点来协调相互的位置关系,完成对整个网络的定位。另外,由于超声波传播方向性较强,每个节点将配置多组超声波探头进行测距和来波方位测量,使得节点能够在360度范围内进行测距。
　　节点随机部署于被监测区域后,经分簇算法(例如LEACH)选出簇头,簇头用射频信号向周围节点发送数据包宣布自己为簇头。其他节点持续侦听,在其通信范围内选择信号强度最强的一个或两个簇头加入该簇。可以收到两个簇头广播的普通节点称为边界节点。边界节点在定位过程中将分别存储自己在两个簇中的坐标信息,它们将在整个网络统一坐标系时发挥重要的作用。
　　?簇建立阶段完成后,簇头A通过测距在簇内挑选一个距其较远的节点B(太近的节点容易引起较大的定位误差),以A为坐标系原点,AB连线为坐标系的y轴正方向,y轴顺时针90度方向为x轴正方向建立坐标系。之后,簇头通过射频信号通知簇内节点坐标系已经建立,簇内各节点即可以A、B为锚节点,通过测量与A、B的距离进行定位。假设A(0,0),B(0,m),需要定位的节点C(x,y)到A、B距离分别为a、b。C点坐标可通过下面的方程组解出:  论文代写 http://
　　其中a、b和m通过超声波测距得到。可解出关于x、y的两组解。C在测量与A的距离过程中,A通过射频信号告知C是在与自己的哪个超声波探头通信,从而C点得知自己位于哪个象限。如下图所示,C与A节点的编号为2的超声波探头通信,可以得知C位于A、B确定坐标系的第一象限,即x、y为正。?
　　基于超声波测距的簇内节点定位
　　3 无线传感器信息提取算法实现
　　3.1 传感器模块
　　传感器种类很多,根据所监测物理量的不同,可分为温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。目前市场上有很多不同种类、参数各异的传感器。如美国Crossbow公司基于Mica节点开发的一系列传感器板,采用的传感器有光敏电阻 Clairex CL94L、温敏电阻ERT J1VR103J、加速度传感器ADXL202、磁传感器Honeywell HMC1002等。在设计传感器模块时,应该根据应用要求选择参数和性能合适的传感器,并设计相应的驱动电路及信号处理电路。
　　3.2 无线通信模块及其与处理器模块的接口
　　本平台的无线通信模块核心为Chipcon公司生产的CC2430无线射频芯片。CC2430是一款专门为2.4GHz IEEE802.15.4/Zigbee所设计的SoC,具有低能耗、体积小、输出功率和收发频率可编程的优点。其最大收发速率为250Kbps(2MChip/s)。CC2430其他特性还包括:硬件支持的CSMA/CA功能;较宽的电压支持范围(2.0V~3.6V);数字化的RSSI/LQI;支持强大的DMA功能;电池监测和温度感测功能;较少的外围电路以及强大灵活的开发工具。该芯片可用于家庭/楼宇自动化、工业控制以及低功耗无线传感器网络等应用场合。CC2430芯片采用0.18umCMOS工艺生产,工作时电流损耗约为27mA;在掉电模式下仅有0.5uA的电流损耗,外部中断或RTC能唤醒系统;在待机模式下电流损耗仅为0.3uA,外部中断能唤醒系统。CC2430的休眠模式和在超短时间内转换到工作模式的特性,特别适合于那些要求电池寿命非常长的应用。  论文代写 http://