一种无线传感网天线特性测试系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种无线传感网天线特性测试系统及方法，更具体的说，尤其涉及一 种通过获取的天线辐射特性来实现精准定位的无线传感网天线特性测试系统及方法。
【背景技术】
[0002] 无线传感网（WSN)中的节点定位是WSN众多研究和应用的基础，也是一个研究热 点。而基于信号强度的定位方式（RSSI)由于系统简单、成本低成为无线传感网定位最主要 的方法，但是目前RSSI方法精度较差，远不能满足高精度定位的需求，其中主要的原因是 低成本陶瓷天线和PCB天线的广泛使用，这些天线普遍存在方向性不规则、增益一致性差 的问题，即使对于同一型号的两个不同的天线来说其辐射特性也存在不同。通过测量每条 天线的辐射特性并为每条天线建立数学模型可以较好的解决定位精度不足的问题，但是目 前没有简单有效、准确的测试系统和测试方法。
【发明内容】
[0003] 本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种无线传感网天线特性测试系统 及方法。
[0004] 本发明的无线传感网天线特性测试系统，包括中心测试节点和若干终端测试节 点，若干终端测试节点均匀分布于以中心测试节点为中心的圆上，相邻两终端测试节点与 中心测试节点连线之间的夹角为α ;其特别之处在于：所述中心测试节点由底座、固定于 底座上的铝杆、设置于铝杆顶端的天线、驱使铝杆转动的步进电机以及第一电路部分组成， 中心测试节点上的天线包括至少一个全向天线和多个定向天线，中心测试节点上的定向天 线按照主瓣方向均匀分布；所述终端测试节点由底座、固定于底座上的铝杆、设置于铝杆顶 端的天线以及第二电路部分组成，第一电路部分和第二电路部分用于接收无线数据并计算 信号强度值，以获取天线的辐射特性。
[0005] 本发明的无线传感网天线特性测试系统，所述第一电路部分由无线收发模块、微 处理器、主控微处理器和电极驱动器组成，无线收发模块的射频端口、数据端口分别与天 线、微处理器相连接，微处理器与主控微处理器相通信，用于将获取的无线数据和信号强度 值发送至主控微处理器，电机驱动器在主控微处理器的控制下驱使步进电机运行；
[0006] 所述第二电路部分由无线收发模块、微处理器、电源管理模块和电池组组成，无线 收发模块的射频端口、数据端口分别与天线、微处理器相连接，微处理器通过无线收发模块 获取无线数据和信号强度值。
[0007] 本发明的无线传感网天线特性测试系统，所述第一电路部分还包括锂电池、电池 组、电源管理模块、TF卡槽和液晶显示屏，液晶显示屏、TF卡槽和电源管理模块均与主控微 处理器相连接，锂电池组用于对步进电机进行供电，电池组由碱性电池串联形成。
[0008] 本发明的无线传感网天线特性测试系统的测试和定位方法，其特征在于，包括天 线特性测试阶段和节点定位阶段；
[0009] 所述天线特性测试阶段包括：
[0010] a).节点的部署，以中心测试节点为中心，终端测试节点与中心测试节点之间的距 离为最小值D，以及所有天线处于同一高度，将终端测试节点均匀部署于中心测试节点的外 围，并对每一个天线进行编号，天线的编号作为其身份的唯一标示；
[0011] b).记录位置和距离信息，然后记录下所有节点的位置、天线编号以及终端测试节 点与中心测试节点之间的距离；
[0012] c).发送数据请求指令，中心测试节点通过PffM控制步进电机按步进角度δ勾速 转动，δ <1°，转动每一个步进角度后，中心测试节点利用与全向天线相连接的无线收发 模块向周围发送数据请求指令，数据请求指令的格式如表1所示：
[0016] 其中有效载荷Nl字节多32字节，以保证测量信号强度的准确性；
[0017] d).接收指令并应答，终端测试节点在接收到中心节点的请求指令数据包后，记 录所接收的无线数据包的信号强度，并调整自身的时钟与中心测试节点的时钟相一致；然 后终端测试节点根据自身的序号在相应的时隙进入发送状态，发送应答指令到中心测试节 点，应答指令的数据格式如表2所示：
[0020] 其中有效载荷N2字节多32字节，以保证测量信号强度的准确性；
[0021] e).数据的取出和存储，中心测试节点上的微控制器依次取出其上所有无线收发 模块的无线数据、接收信号强度和天线编号，并将数据发送至主控微处理器；主控微处理器 按照如表3所示的数据格式对天线数据进行存储：
[0023] 其中，两节点之间距离的单位为米，首字节为整数部分，第二个字节为小数部分；
[0024] f).完成一个测量周期，中心节点控制步进电机转动1周后再反向转动1周，步进 电机每转动一步均执行C)至e)的测量步骤，完成一个测量周期；
[0025] g).后续数据的测量，将所有的终端测试节点向远离中心测试节点的方向平移 dl，待所有终端测试节点移动完毕后，重复执行步骤b)至步骤f)，完成第2组数据的测量； 类似的，终端测试节点再次向外移动d2、d3、···、(!;[、"·(1(η-1)后，依次完成第3、4、…、 (i+1)…、η组数据测测量，其中η为设定的测量组数；
[0026] 所述的节点定位包括全向天线定位和定向天线定位，全向天线定位通过以下步骤 来实现：
[0027] 1).提取相应的天线数据，设系统中锚节点的数量为i个，i多3,其编号分别为 Nl、N2、…、Ni，a为待定位节点，其天线编号为al ;从中心测试节点存储的天线数据中，提 取同时包含Nl、al两条天线编号的数据；
[0028] 2).计算信号强度，对于全向天线来说，为了降低误差，将步骤1)中获取的每一组 天线数据按照公式（1)求取信号强度的平均值，作为该距离下的信号强度值：
[0030] 其中p(i*45° )为步进电机的旋转角度为i*45°时，编号为NUal两条天线时所 对应的信号强度；
[0031] 3).建立信号强度索引，根据步骤2)中不同距离下所对应的信号强度平均值 P，建立信号强度索引RSSI-Index[i]，i为正整数，0彡i彡η，η为步骤g)中的测量组 数；RSSI-Index [i] · p 与 RSSI-Index [i] · d 相对应，RSSI-Index [i] · p 为两节点距离为 RSSI-Index[i]· d 时所对应的信号强度，其中 RSSI-Index[i]· d < RSSI-Index[i+1]· d ;
[0032] 4).计算锚节点与待定位节点之间的距离，锚节点接收到待定位节点发送的无线 数据包后，得到信号强度rs，将rs与步骤3)中所建立的信号强度索引进行比对：
[0033] 4-1).如果rs彡RSSI-Index [0]. p，则得出锚节点与待定位节点之间的距离dm = RSSI-Index[0]. d = D ；
[0034] 4-2).如果rs < RSSI-Index[n]. p，得出锚节点与待定位节点之间的距离dm = RSSI-Index[n]. d = D+d2+d3+…+d(n_l);
[0035] 4-3).如果rs = RSSI_Index[i]. p，得出锚节点与待定位节点之间的距离dm = RSSI-Index[i]. d ；
[0036] 4-4).如果 RSSI-Index [i+1]· p < rs < RSSI-Index [i]· p，锚节点与待定位节点 之间的距离dm通过公式（2)进行求取：
[0038] 5).节点的定位，i个锚节点均通过步骤1)至4)获取与带定位节点的距离，设其 距离分别为dml、dm2、"·、(1π?，每个锚节点以各自与待定位节点的距离为半径画圆；所画出 的多个圆，如有一个交点则定位完成，交点位置即是锚节点坐标；如有两个交点则取两个交 点的中心为定位点，如有三个或多个交点取各交点的所形成图形的中心为定位点；如无交 点，则取所有锚节点所形成图形的中心为定位点。
[0039] 本发明的无线传感网天线特性测试系统的测试和定位方法，定向天线定位通过以 下步骤来实现：
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