一種實用的人工布置無線傳感器網絡位置估計方案

王鵬

引言：本文提出了一種實用的人工布置無線傳感器網絡的位置估計方案，它僅僅使用少量的包含全球定位系統模塊的IRIS傳感器節點和一個非常簡單的可視化圖形用戶界面就可以給出位置的詳細的緯度和經度信息。在實際的戶外環境中對該系統進行測試，結果表明，它可以提供一個可視化的定位信息。

一、介紹

無線傳感器網絡（Wireless sensor networks，WSN）是無線通信技術、網絡技術、低功耗嵌入式技術、微機電系統、分布式信息處理技術和片上系統等多種新興交叉學科飛速發展的結果，被認為是21世紀最有影響力的技術之一[1，2]。WSN除了在軍事上的大量應用以外，也被廣泛應用于民用領域，如生態環境監測、現代精確農業、衛生健康監護、家庭自動化等多個領域[3]。盡管有關無線傳感器網絡的研究正在廣泛的進行，但是仍然存在很多開放的問題，比如信號處理、節點功耗、節點布置、節點定位和位置估計等等。由于傳感器網絡在不同領域的潛力已經被意識到，因此各種各樣的能夠使得部署配置、維護和可用性方面相對簡單的軟件框架正在被開發。

本文中，我們提出一種對人工布置WSN中的傳感器節點進行位置估計的方案，方案中使用MoteView 2.0.1F軟件，該軟件提供了一個可靠的IRIS傳感器平臺，可以監測人工布置節點的緯度和經度值。軟件為用戶和傳感器網絡之間的通訊提供了一個強大的接口，配備了Google Earth應用程序，是一款基于客戶端層的可視化工具。

IRIS節點配備有GPS裝置，因此適合于戶外無遮擋的開放環境，如建筑物的屋頂，可以獲得建筑物的相對緯度和經度信息。本文的重點在于提出一個簡單的對人工布置WSN系統中的節點進行定位的解決方案。

二、相關工作和研究背景

近年來，WSN的研究很大一部分側重于傳感網絡的實際應用，目前人工布置WSN被用于很多實際的系統中[4]。本文中，我們應用過去幾年廣泛應用的WSN網絡軟件環境，提出一種適用于不同網絡的解決方案。盡管目前已經有很多相關的研究，但是大多數的現有的軟件僅處理各自的應用場景和目標域。他們選擇不同的體系結構解決類似于故障檢測和實時配置的問題[5]。

位置識別反映了傳感器網絡和物理世界之間的內在聯系，是諸如基于位置的目錄服務和實體跟蹤等新興應用的基本服務項目之一。在實際的人工布置WSN中常使用Walking GPS[6]方案來評估定位性能，但設計要求誤差必須在幾米的范圍內。針對當前定位技術所表現出的局限性，我們提出了一個實用的解決方案，它可以降低成本和復雜度，僅使用少量的傳感器就能得到很好的定位精度。

三、系統描述和概述

WSN的體系結構如圖1所示，包括分散在應用領域的微型傳感器節點，它們通過多跳自組織的方式形成的一個無線網絡系統，能夠監測目標區域中的感興趣的參數，并將檢測到的信息通過多跳轉發的形式傳遞到匯聚節點（sink節點）或基站，匯聚節點（sink節點）或基站也可以以同樣的方式將信息發送給各節點。MoteView2.0.1F具有一套網絡控制工具并且能夠提供與經度和緯度有關的數據。如前文所述，IRIS傳感器節點組成的網絡被人工部署在特定區域。一個監控或匯聚節點負責收集單個傳感器節點發送來的數據并將信息傳遞給個人電腦。

本網絡中不假設任何特定的路由或MAC協議，網絡中的任意節點都具有唯一的ID，且確切知道自身在網絡中的位置。為保證節點失效或禁用時數據流不會中斷，節點可以選擇任何能夠到達sink節點的路徑。MoteView2.0.1F由Crossbow[7]開發，它是一個在線軟件工具，利用Google Earth應用程序使用實時數據來顯示節點的估計位置。

四、性能評估和部署

自供電的IRIS傳感器節點由mote （處理器和無線收發裝置）和傳感器板組成，使用唯一的節點ID編程。一臺筆記本或個人電腦用于和網關（MIB520）連接，它通過一個端口連接到服務器。IRIS傳感器平臺提供了更廣泛的覆蓋范圍和較低的功耗。

只要網絡連接可用，用戶可以在任何位置遠程控制WSN系統。通過無線連接，服務器上運行相應的程序并且收集和顯示用戶感興趣的信息。為了從傳感器節點獲得實時數據，基站內置有GPS天線來發送放置在建筑屋頂的傳感器節點的實時的緯度和經度信息。網關還允許雙向通信來處理當前的位置信息。

五、實驗結果

MoteView平臺[8]能夠以特定的緯度和經度值處理節點。IRIS傳感器監控建筑物的具體的地理位置，如緯度為28°29'2217" N和經度為79°49'4267" E。通過Google Earth應用程序提供的包含實時數據的衛星圖像，可以使特定位置的瞬時時間跨度和空間位置可視化。測試WSN網絡中某一位置的衛星圖像如圖2所示。從中可以觀察到部署位置和相對地理位置之間的完美匹配，然而由于部署的不規則性和設備的局限性無法確定定位誤差。

六、結論及展望

目前，人工部署傳感器節點這項技術已經被廣泛應用，結果表明，節點部署可以借助參考點估計自身的相對經度和緯度位置。因為節點依賴于全球定位系統獲得位置信息，借助參考點來對自身進行定位，因此，平均定位誤差主要來自于所使用設備的局限性。下一步，我們將通過進一步的模擬試驗來進行性能評估，使用我們的解決方案，在初始部署的時候考慮傳感器節點實際位置的速度、高度和軌跡，應該可以得到一個更好、更精確的定位方案。

參考文獻

[1]孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網絡[M].北京：清華大學出版社，2005.

[2]李建中，高宏.無線傳感器網絡的研究進展[J].計算機研究與發展，2008，45（1）：1 -15.

[3]潘巨龍.無線傳感器網絡安全機制中若干問題研究[D].浙江：浙江大學，2011.

[4]I.Chatzigiannakis，G.Mylonas and S.Nikoletseas.50 Ways to Build your Application：A Survey of Middle-Ware and Systems for Wireless Sensor Networks [C].IEEE Conference on Emerging Technologies and Factory Automation，Greece，25-28 September 2007，466-473.

[5]D.Georgoulas and K. Blow. In Motes Bins： A Real Time Application for Environmental Monitoring in Wireless Sensor Networks[C]. Proceedings of the 9th IEEE/IFIP International Conference on Mobile and Wireless Communications Networks，Cork，19-21 September 2007，21-26.

[6]S.L.Wu，Y. C.Tseng，C.Y.Lin et al. A Multi-Channel MAC Protocol with Power Control for Multi- Hop Mobile Ad Hoc Networks[C].The Computer Journal，2002，45（1）：101-110.

[7]Crossbow Technology.Inc.MPR/MIB Mote Hardware Users Manual， 2006.The user manual is retrieved from http：//www.xbow.com/Support/Support_pdf_files/MPRM IB_Series_Users_Manual.pdf.

[8]Crossbow Technology，Inc.Mica2 datasheet，2006.The datasheet of Mica2 mote platform is retrieved from http：//www.xbow.com/Products/Product_pdf_files/.

（作者單位：山西焦煤霍州煤電呂梁山公司店坪煤礦調度室）