基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的災(zāi)區(qū)傷員定位算法

陳宇石

摘 要：自然災(zāi)害發(fā)生后，需要對(duì)災(zāi)區(qū)傷員快速定位搶救，這就對(duì)定位技術(shù)的精確度提出了很高的要求。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)是重要技術(shù)之一，在多種定位技術(shù)中RSSI測(cè)距的定位技術(shù)便捷、精確度高，因此廣泛使用。傳統(tǒng)的三邊定位算法受外界因素干擾大，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。因此文章將RSSI測(cè)距技術(shù)和質(zhì)心定位算法相結(jié)合設(shè)計(jì)了一個(gè)災(zāi)后傷員定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行定位請(qǐng)求，RSSI測(cè)距技術(shù)對(duì)未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)距，最后基于質(zhì)心定位技術(shù)編寫(xiě)算法。該算法經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)精度完全符合要求。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；質(zhì)心定位；RSSI測(cè)距

近年來(lái)，泥石流、地震等自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，對(duì)廣大百姓的生命安全造成威脅。許多悲劇往往是由于無(wú)法確定傷員位置，使救援人員無(wú)法及時(shí)搜救造成的。自然災(zāi)害后，往往會(huì)造成當(dāng)?shù)赝ㄐ旁O(shè)施損壞，因此對(duì)通信和傷員位置確定形成很大的困難。在這種情況下，我們常使用播撒無(wú)線節(jié)點(diǎn)的方法來(lái)為災(zāi)區(qū)構(gòu)成應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）主要由分布在所測(cè)區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，WSN應(yīng)用是以節(jié)點(diǎn)的定位為基礎(chǔ)的，通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)獲得節(jié)點(diǎn)的位置，進(jìn)而確定在該位置上所發(fā)生的具體事件。

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的許多應(yīng)用中，主要是以監(jiān)測(cè)到事件的位置信息為目的的，因此定位技術(shù)是WSN關(guān)鍵的技術(shù)之一。以無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)定位機(jī)制作為標(biāo)準(zhǔn)劃分，節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)分為基于測(cè)距的定位算法和距離無(wú)關(guān)的定位算法。基于測(cè)距的定位中，主要的方法有基于到達(dá)時(shí)間差TDOA的定位、基于到達(dá)時(shí)間TOA的定位、基于接受信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI[2，3]的定位和基于到達(dá)角度測(cè)量AOA的定位等。與距離無(wú)關(guān)的定位算法主要有Amorphous算法、D V-Hop算法、質(zhì)心算法、APIT算法等。其中最常用的是利用信標(biāo)節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)的RSSI值來(lái)估算未知節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離，通過(guò)設(shè)備讀取信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)值再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理和算法實(shí)現(xiàn)便可實(shí)現(xiàn)定位。

1 算法分析

1.1 技術(shù)介紹

1.1.1 RSSI測(cè)距模型

接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）代表當(dāng)前介質(zhì)中電磁波能量。RSSI測(cè)距原理根據(jù)收發(fā)節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)衰減計(jì)算求解得到信號(hào)傳播距離，進(jìn)而確定節(jié)點(diǎn)位置。RSSI傳播模型以不同的環(huán)境為根據(jù)可以分為對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型、自由空間傳播模型、對(duì)數(shù)—常態(tài)模型等。基于RSSI的定位技術(shù)，一般選擇對(duì)數(shù)—常態(tài)分布模型來(lái)進(jìn)行運(yùn)算，其路徑損耗的計(jì)算公式為：

式中d為距離信源的距離，單位為km；k為路徑衰減因子，取值范圍為2～5；f為頻率，單位為MHZ；Xσ是平均值為0的高斯分布隨機(jī)變數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)差范圍為4～10；PL（d）表示距離為d處的信號(hào)損耗值；PL（d0）為距離d0處的信號(hào)損耗值，可以利用空間無(wú)線電傳播路徑損耗模型當(dāng)d=1時(shí)計(jì)算出PL（d0）。空間傳播損耗模型為：

此時(shí)路由節(jié)點(diǎn)接收傷員發(fā)出信號(hào)時(shí)的強(qiáng)度（RSSI）為

式中：F為天線增益；P為發(fā)射功率；PL（d）表示距離為d 處的信號(hào)損耗值。利用（1）（2）（3）三式可以算出路由節(jié)點(diǎn)與傷員間的距離d。

1.1.2 三邊定位技術(shù)

已知三個(gè)節(jié)點(diǎn)A，B，C的坐標(biāo)為（Xa，Yb）、（Xb，Yb）和（Xc，Yc）節(jié)點(diǎn)。O到它們的距離通過(guò)RSSI方程求得分別為ra、rb和rc。假設(shè)節(jié)點(diǎn)O的坐標(biāo)（X0，Y0），則可通過(guò)解方程得出（X0，Y0），即分別以A，B和C三點(diǎn)為圓心，以ra、rb和rc。為半徑作圓，則三圓將相交，交點(diǎn)即為點(diǎn)O，如圖1所示。

由于RSSI測(cè)距有誤差，導(dǎo)致實(shí)際的路徑損耗比理論計(jì)算的數(shù)值大，因此實(shí)際測(cè)量出來(lái)的未知點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)的距離d總比實(shí)際距離r大。即以A，B和C三點(diǎn)為圓心作圓，三圓將不再相交于點(diǎn)O，而是相互重疊形成一個(gè)交叉區(qū)域，如圖2所示。這時(shí)根據(jù)三邊定位算法對(duì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位就會(huì)產(chǎn)生較大偏差，為了提高坐標(biāo)值的精確度，利用質(zhì)心定位算法計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。

1.2 質(zhì)心定位算法分析

傳統(tǒng)質(zhì)心算法[4，5]的中心思想是：未知節(jié)點(diǎn)接收其通信范圍內(nèi)所有信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)，當(dāng)偵聽(tīng)到的信號(hào)數(shù)量超過(guò)設(shè)定域值時(shí)，未知節(jié)點(diǎn)將其通信范圍內(nèi)所有信標(biāo)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的閉合區(qū)域的幾何質(zhì)心坐標(biāo)作為未知點(diǎn)的估計(jì)坐標(biāo)。

假設(shè)未知節(jié)點(diǎn)的鄰近信標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)分別為 。則該未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo) n為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。傳統(tǒng)質(zhì)心算法，如圖3所示。

當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)獲得3個(gè)或3個(gè)以上信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)時(shí)，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的區(qū)域逐漸縮小，于是獲得的坐標(biāo)的精確度大大提高。

2 算法步驟

⑴飛機(jī)向?yàn)?zāi)區(qū)播撒錨節(jié)點(diǎn)構(gòu)成無(wú)線傳感網(wǎng)。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，錨節(jié)點(diǎn)按一定周期通過(guò)發(fā)送信息的形式將錨節(jié)點(diǎn)自身位置信息和ID兩部分信息發(fā)送給周圍傷員，傷員通過(guò)手機(jī)獲取。

⑵傷員利用手機(jī)記錄錨節(jié)點(diǎn)的RSSI值，僅記錄同一錨節(jié)點(diǎn)的信息。手機(jī)接收到同一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)多個(gè)RSSI值后，計(jì)算其平均值，計(jì)算得到的平均值即為所求RSSI值。

⑶利用公式算出錨節(jié)點(diǎn)和傷員的距離d，設(shè)定一個(gè)域值k。當(dāng)d≤k時(shí)，記錄錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)（Xi，Yi）；當(dāng)d>k時(shí)，舍棄該錨節(jié)點(diǎn)。

⑷利用公式 算出傷員的大致位置，便于后續(xù)救援人員趕到。

⑸利用公式 計(jì)算定位誤差，其中（X，Y）為傷員的真實(shí)坐標(biāo)位置。

3 仿真結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)選用MATLAB2012進(jìn)行算法仿真。以100m×100m的區(qū)域作為實(shí)驗(yàn)的仿真區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生的未知節(jié)點(diǎn)數(shù)為30個(gè)。如圖4所示，說(shuō)明了傷員實(shí)際位置與設(shè)計(jì)算法測(cè)算得到的位置的關(guān)系，兩種位置的圖例間的連線表示測(cè)算的誤差。如圖5所示，給出了實(shí)驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)與實(shí)際位置的坐標(biāo)誤差。根據(jù)仿真結(jié)果，文章設(shè)計(jì)的基于RSSI的質(zhì)心定位算法所獲得的坐標(biāo)精確度高，滿足各項(xiàng)指標(biāo)，達(dá)到了預(yù)期的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

文章基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中RSSI的測(cè)距技術(shù)和質(zhì)心定位方法對(duì)未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，使自然災(zāi)害后傷員搜救效率大大提高，挽救了大量生命。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真，該方法完全能夠較為精確對(duì)傷員進(jìn)行定位，避免了三邊定位算法受環(huán)境影響大的缺點(diǎn)，具有現(xiàn)實(shí)意義。

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