一种基于无线传感器网络的rssi区域定位方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于无线传感器网络的RSSI区域定位方法，包括如下步骤：步骤一、初始化网络，建立系统区域定位图、拓扑约束图与非法路径表；步骤二、未知节点周期性地广播包含自身身份及时间戳的消息；步骤三、信标节点收到同一个未知节点的消息后，按照公式计算出RSSI值，并将其发送给中心节点，发送的消息中还包含自身ID及时间戳；步骤四、中心节点按照时间戳，通过时间阈值算法进行判定；步骤五、中心节点采用网络拓扑约束机制，对未知节点的区域进行判定与修正；步骤六输出未知节点的定位结果。本发明一种基于无线传感器网络的RSSI区域定位方法，设计了包含三种核心机制的定位算法，均有良好的改善，整体算法具有良好的定位效果。
【专利说明】一种基于无线传感器网络的RSSI区域定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线传感器网络定位【技术领域】，具体的说是基于WSN的RSSI区域定位 方法。
【背景技术】
[0002] 在无线传感器网络定位技术中，基于RSSI的定位算法一直是众多研究者关注的 热点。针对特定的WSN定位场景，继而通过研究典型定位算法与系统，基于RSSI的区域定 位算法，并通过实验对其进行分析和评价。
[0003] 对WSN定位算法的研究可知，在WSN中并不存在适用于所有应用的定位算法。不 同类型的应用对定位算法各项评价指标的要求有比较大的差别，脱离了应用场景的定位算 法往往是无意义的。
[0004] 涉及定位技术时，此类应用场景的特点通常有如下几点：
[0005] 1、环境复杂
[0006] 此类应用的定位环境一般包括室内环境和室外环境。室内环境具有定位面积小、 多径传播严重、定位环境易受影响等特点，很难兼顾定位精度和稳健度。在室内环境中进行 定位时，最大的挑战是无线信号容易因反射、衍射、折射引起多径效应，多径效应将导致无 线信号具有不稳定性和时变性[i，ii，iii]。室外环境中通常还包含一些特殊区域，如活动 场所、娱乐场所、停车场等，这些区域有时会对定位技术有特殊的要求。
[0007] 2、应用规模较小
[0008] 在WSN的各种应用中，此类应用的规模相对较小。规模较小在此有两层含义，一是 区域面积小，即整个网络覆盖的区域较小，这对定位精度和网络效率都提出了较高要求；二 是网络规模较小，即网络节点较少，这又使得网络部署与拓扑控制具有足够的灵活性。
[0009] 3、定位对象移动性强
[0010] 在该类型的应用中，主要的定位工作是对人员的实时定位，在此基础上提供基于 位置的服务或监管。由于人员的移动性较强，且需要移动轨迹跟踪，因此整个网络的拓扑结 构几乎是实时变化的。这就要求定位网络对拓扑结构的变化有较高的适应性，且在拥塞控 制、信息分发等方面有较高的效率。
[0011] SN定位场景中，部署的定位算法和定位系统的要求应该具有如下特点：
[0012] 1.定位精度
[0013] 即使在同一个应用场景中，不同的区域对定位精度也可能有不同的要求。在养老 机构中，室外环境的定位精度一般在十米甚至数十米即可，而室内环境的定位精度则需要 分辨定位对象所处的房间，一般需要5米或以下的精度。整体而言，这类应用对定位精度的 要求应该在数米到数十米不等。
[0014] 与精确的位置坐标相比，此类应用更关心定位对象所处的能够人为分辨的区域。 例如：在室内环境中，定位系统的首要目标是确定定位对象在哪个房间，而不是具体位于房 间中的哪个位置。定位所采用的定位算法必须更关注区域的边界，"区域判断错误"往往比 "定位误差大"更差，这是此类应用在定位精度要求方面的一个重要特征。
[0015] 2.信标节点密度
[0016] 由于此类应用的定位对象具有移动性，因此其场景应该由信标节点全覆盖，否则 就会形成定位盲区。一般而言，这类应用所部署的网络中信标节点位置固定且密度较大。除 了定位之外，信标节点还承担着数据传输的功能，可以说信标节点是整个网络的核心硬件， 其密度的大小直接关系到网络的成本等问题。
[0017] 3.网络特征
[0018] 在网络拓扑方面，必须合理地部署信标节点。当定位环境涉及到固定的区域划分 时，信标节点的拓扑结构必须结合实际环境，充分考虑区域边界的定位和判定问题。此外， 室内环境下无线信号衰减及多径传播现象比较严重，网络拓扑结构需要充分考虑室内环境 的信号衰减模型，设计最优的拓扑结构来保证定位效果及网络覆盖度。
[0019] 网络部署完成之后，应用过程中随时可能新增或删除非信标节点，因此这种网络 应该具有良好的扩展性，且对网络拓扑变化具有较高的自适应性。当然，出于网络效率和硬 件方面考虑，可以为网络的非信标节点个数设置上限值。
[0020] 4.节点功耗
[0021] 对固定位置的信标节点而言，若使用建筑物内的电网持续供电，便可以不考虑功 耗的问题。但对移动性较强的未知节点而言，持续供电的方式是不可能的，只能通过能量有 限的电池来供电，因此功耗是必须考虑的重要问题，如果定位算法功耗过大，那么可能会严 重影响定位系统的实用性。
[0022] 5.系统成本
[0023] 此类应用的规模比较小，一般而言投入比较有限，因此在定位系统的研发和应用 过程中需要控制定位系统的成本。一方面，定位系统应尽量采用较简单的硬件设备，这对定 位算法的选取、设计和实现提出了挑战。另一方面，系统的部署周期应足够短，且应具有较 好的可扩展性。
[0024] 6·其他
[0025] 除了上述特点外，许多应用还有其他特定的需求。例如：在养老机构内，护理对象 佩戴的定位设备应该有良好的便携性，这就要求未知节点的尺寸不能过大；在监狱监管中， 监管对象佩戴的定位设备应该具备防拆卸的功能，这就要求未知节点硬件设计上具有拆卸 报警的功能，等等。诸如此类的特点需要结合实际的应用场景来综合考虑。
[0026] 根据此类应用的环境特征和定位需求，其定位系统选取基于RSSI的定位算法较 为合适，因为该类型的算法同时具有以下几个方面的优点：
[0027] 不论在室内还是室外环境，均可以满足此类应用对定位精度的要求。区域定位算 法更符合此类应用"对区域边界敏感"的需求。
[0028] 实现简单，不需要为定位节点额外增加硬件。
[0029] 定位过程中节点开销小，未知节点的功耗较小。
[0030] 网络部署简单，对信标节点的测试和部署调整
[0031] 对硬件设备要求低，能够有效控制成本。
[0032] 综上所述，基于RSSI的定位算法比较适合此类应用场景。当然，若要达到定位准 确、功耗适中且成本较低的效果，仍需要结合具体情况来设计合适的定位机制，依照定位算 法在实际应用环境中的各项性能指标来进行折中和改进。
[0033] 在无线传感器网络中，基于RSSI的定位系统无需为节点增加额外硬件，具有低功 耗、可扩展性强、廉价等特性，被广泛应用于许多领域。现有的基于RSSI的定位系统具有多 种实现定位的方法，这些方法主要包括利用信号传播理论模型，利用信号传播经验模型或 结合其它定位算法等。
[0034] 1.利用信号传播的理论模型[iv]
[0035] 在合适的应用中，如果可以建立信号传播的理论模型，就可以直接根据RSSI值计 算出节点的位置。因此利用信号传播的理论模型进行定位是最直观的RSSI定位方式。当 然，定位的效果取决于合理的建模。在无线传感器网络中，常用的信号传播模型有自由空间 模型，Two-rayGroundReflection模型、Shadowing模型等。涉及到复杂的室内环境时，还有 对数正态模型和考虑墙面衰减因素的模型等。下面仅选取Shadowing模型加以说明。
[0036] Shadowing模型是一个统计学的模型，其理论基础是信号在现实环境中的传播往 往是多径的，节点在一定距离接收到的信号能量是个随机量。Shadowing模型分为两个部 分，第一部分为pass loss模型，用以预测距离为d时节点接收到的平均能量己(d)，其计算 公式如下：
[0037]
【权利要求】
1. 一种基于无线传感器网络的RSSI区域定位方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤一、初始化网络，建立系统区域定位图、拓扑约束图与非法路径表； 步骤二、未知节点周期性地广播包含自身身份及时间戳的消息； 步骤三、信标节点收到同一个未知节点的消息后，按照公式：
计算出RSSI值，并将其发送给中心节点，发送的消息中还包含自身ID及时间戳； 步骤四、中心节点按照时间戳，通过时间阈值算法进行判定； 步骤五、中心节点采用网络拓扑约束机制，对未知节点的区域进行判定与修正； 步骤六、输出未知节点的定位结果。
2. 根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的RSSI区域定位方法，其特征在 于：所述步骤三中N的计算公式为： N = {RSSlJO. 6 彡 F(x)彡 1}。
3. 根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的RSSI区域定位方法，其特征在 于：所述步骤三中的RSSI值需进行采集与预处理，预处理方式是均值法，即接收端在采集 同一节点RSSI值后，根据计算公式：
取这些数据的平均值作为最终的RSSI值内。
4. 根据权利要求3所述的一种基于无线传感器网络的RSSI区域定位方法，其特征在 于：所述接收端接受到的信号强度符合高斯分布，即Pr(d)?N(m，δ )，其密度函数公式如 下：
5. 根据权利要求3所述的一种基于无线传感器网络的RSSI区域定位方法，其特征在 于：所述均值m为：
6. 根据权利要求3所述的一种基于无线传感器网络的RSSI区域定位方法，其特征在 于：所述方差δ为：
【文档编号】H04W64/00GK104093204SQ201410321766
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月7日 优先权日:2014年7月7日
【发明者】王萌, 唐新余, 曾文潇, 张荣辉 申请人:无锡中科西北星科技有限公司