基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)區(qū)動(dòng)物定位節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

齊晉維++李暉

摘要：為了使科學(xué)工作者可以更便捷地掌握野生動(dòng)物的活動(dòng)布局情況，設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)物定位系統(tǒng)。該方案以Arduino LilyPad單片機(jī)為基礎(chǔ)，結(jié)合使用Zigbee技術(shù)的XBee模塊以及無(wú)源RFID標(biāo)簽，利用RSSI模型和三邊測(cè)量定位法，進(jìn)行模塊數(shù)據(jù)處理，分析出野生動(dòng)物的位置情況。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；定位；Arduino

中圖分類號(hào)：TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）02-0190-01

動(dòng)物保護(hù)一直是維護(hù)全球生態(tài)平衡中非常重要的部分，然而由于生態(tài)環(huán)境的惡化，野生動(dòng)物的數(shù)量不容樂(lè)觀。在動(dòng)物研究領(lǐng)域，要根據(jù)實(shí)際情況開(kāi)展相關(guān)的實(shí)地考察監(jiān)測(cè)。當(dāng)前人工觀測(cè)研究的方式數(shù)據(jù)可靠性差，并且數(shù)據(jù)采集的時(shí)間間隔較長(zhǎng)，不僅影響工作效率并且阻礙了研究進(jìn)展[1]。為了突破人工監(jiān)測(cè)方式的缺點(diǎn)，本文利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)使用Zigbee和RFID技術(shù)，應(yīng)用RSSI模型和三邊測(cè)量法，進(jìn)行野生動(dòng)物的定位。本方案可以在不打擾動(dòng)物的生存活動(dòng)情況下，獲取動(dòng)物的位置信息，從而直觀獲得保護(hù)區(qū)內(nèi)動(dòng)物的分布情況。

1 定位原理

1.1 RSSI技術(shù)與定位算法

RSSI（Received Signal Strength Indication）又稱接收信號(hào)強(qiáng)度指示，是在已知發(fā)射功率的前提下，接收節(jié)點(diǎn)測(cè)量接收功率，計(jì)算傳播損耗，并根據(jù)信號(hào)傳播模型將信號(hào)功率損耗轉(zhuǎn)化為近似距離的技術(shù)。獲取RSSI信息比較容易。由無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度與距離的關(guān)系曲線模型，可以測(cè)得信號(hào)傳播距離，信號(hào)功率衰減與信號(hào)傳播距離的函數(shù)為：Pr=f（Pt，d），其中Pr是可測(cè)的接收信號(hào)強(qiáng)度，Pt是信號(hào)發(fā)射強(qiáng)度，d是信號(hào)傳播距離，f是信號(hào)強(qiáng)度與衰減距離的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。可?jiàn)，假設(shè)已知發(fā)射功率和信號(hào)傳播經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停跍y(cè)得了某處的Pr信號(hào)強(qiáng)度值后，即可根據(jù)以上模型對(duì)距離進(jìn)行求解[3]。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)配備通信模塊，不需要額外的硬件[2]，計(jì)算量相對(duì)較小，比較適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力，不需要定制更快的計(jì)算核心模塊。

1.2 三邊測(cè)量法

三邊測(cè)量法是一種利用三角形幾何運(yùn)算的定位方法。二維平面中，假設(shè)已知了三個(gè)節(jié)點(diǎn)A、B、C的坐標(biāo)，并利用RSSI技術(shù)得到了這三點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)D的距離，建立A、B、C三點(diǎn)的距離方程，聯(lián)立方程組解出D點(diǎn)的坐標(biāo)。

2 定位節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

2.1 節(jié)點(diǎn)供電選擇

以前節(jié)點(diǎn)供電普遍使用干電池，若以半小時(shí)的采樣頻率來(lái)計(jì)算，節(jié)點(diǎn)壽命一般僅能持續(xù)幾個(gè)月。但實(shí)際研究中，往往需要獲取動(dòng)物活動(dòng)范圍一年甚至幾年時(shí)間的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并且在人跡罕至的保護(hù)區(qū)內(nèi)，手動(dòng)更換電池不可行。本方案中，節(jié)點(diǎn)的供電采用鋰聚合物電池，可在有限的體積內(nèi)具有較大的容量，并且配備太陽(yáng)能供電模塊，大大延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的生存周期。

2.2 節(jié)點(diǎn)硬件選擇

本方案采用了Arduino Lilypad系列單片機(jī)和XBee模塊的結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)定位節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。LilyPad是Arduino一個(gè)特殊版本，主要是為可穿戴設(shè)備和電子紡織品開(kāi)發(fā)。LilyPad處理器核心是ATmega168或者ATmega328，同時(shí)具有14路數(shù)字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出，一路可以用來(lái)做藍(lán)牙模塊的復(fù)位信號(hào)），6路模擬輸入，一個(gè)16MHz晶體振蕩器，一個(gè)ICSP header和一個(gè)復(fù)位按鈕，芯片高度集成，尺寸僅為一枚普通硬幣大小，在保護(hù)區(qū)也可以良好地隱藏，不受動(dòng)物的影響。XBee模塊，由美國(guó)DIGI公司出品，其運(yùn)用了Zigbee技術(shù)，主要特點(diǎn)是高性能、低成本和低功耗，最突出的特點(diǎn)是遠(yuǎn)距離。與其他運(yùn)用Zigbee的模塊進(jìn)行對(duì)比，它在室內(nèi)條件下可傳輸距離40-100米，在室外視距條件下的傳輸距離可達(dá)300米，有阻擋的情況下可以保證至少100米的信號(hào)覆蓋，非常適合在保護(hù)區(qū)內(nèi)使用。模塊的尺寸與LilyPad一樣小巧，并能使用針腳式連接。Zigbee技術(shù)組網(wǎng)快，模塊內(nèi)含有RSSI值寄存器，可用來(lái)存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算動(dòng)物的距離。除此之外，為了實(shí)現(xiàn)完整的定位過(guò)程，在野生動(dòng)物身上需要進(jìn)行RFID標(biāo)簽的固定。本設(shè)計(jì)選擇使用無(wú)源標(biāo)簽，既可以省去使用電源的成本，又不至于攜帶電源對(duì)于動(dòng)物身體造成傷害。基于RSSI的距離估計(jì)技術(shù)，定位數(shù)據(jù)可由傳感器節(jié)點(diǎn)的XBee模塊測(cè)量獲取。通過(guò)這種無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)測(cè)距方法，采用RFID和Zigbee技術(shù)相融合的設(shè)計(jì)，能夠有效完成動(dòng)物的跟蹤定位。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的野生動(dòng)物定位方案，為了保證節(jié)點(diǎn)使用的壽命，延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)周期，本設(shè)計(jì)采用了鋰聚合物電池以及太陽(yáng)能電池板供電，通過(guò)長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)收集，進(jìn)行動(dòng)物分布情況的分析，并對(duì)于特定的動(dòng)物進(jìn)行有效的識(shí)別與跟蹤。而且本方案使用的硬件體積小巧，適合在保護(hù)區(qū)作偽裝，不易被動(dòng)物所破壞。定位方法使用RSSI來(lái)測(cè)定，使用起來(lái)也更加方便簡(jiǎn)潔。

參考文獻(xiàn)

[1]劉晨，陳昊，陳鋒，王曄竹，趙菁菁.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的金絲猴監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015（02）：13-16.

[2]彭宇，王丹.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)綜述[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2011（05）：389-399.

[3]錢(qián)志鴻，孫大洋，LEUNG Victor.無(wú)線網(wǎng)絡(luò)定位綜述[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2016（06）：1237-1256.