[摘 要]无线传感器网络是能够改变人类未来生活的新兴技术之一。在很多情况下,传感器采集的数据要结合其位置信息才有意义。文章首先提出了一种利用超声波测距的改进型ta无锚定位算法。
[关键词]无线传感器网络;定位算法;超声波测距;硬件平台
1 引 言
随着微电子技术、分布式信息处理技术、低功耗技术和无线通信等技术的飞速发展,设计低功耗多功能的无线传感器节点成为可能。传感器节点作为无线传感器网络的基本单元,其设计的优劣直接影响到整个网络的性能。本文提出了一种利用超声波测距的改进型无锚定位算法,并针对该算法,设计了一款以8051f020和2430为核心器件的无线传感器节点硬件平台。
2 利用超声波测距的改进型ta无锚定位算法
现有基于距离的定位算法主要有ta、tda、aa和rssi等。ta算法精度较高,但其要求整个网络的节点间保持精确的时间同步,对传感器节点的硬件和功耗提出了较高的要求。并且ta需要相当数量的锚节点来辅助未知节点进行定位。为解决这两个问题,本文借鉴超声波测距和aa定位的思想,提出了一种利用超声波测距结合来波方向进行定位的无锚定位算法。算法利用超声波自发自收的方式解决了传统ta需要收发节点间时间同步的问题,用测得的距离结合来波方向进行定位,可以确定全网节点的相对位置关系,若需定出绝对经纬度坐标,仅需加入少量锚节点即可。
超声波传播距离有限,在空气中一般只能传播十几米到几十米,在监测区域范围较大时,节点只能与距自己较近的邻居节点测距。因此,考虑采用分簇的方式,各簇首先在自己簇内建立坐标系,对簇内节点进行定位,建立簇内节点的相对位置关系。之后,若需要在整个网络建立统一的坐标系,可利用两个簇共有的边界节点来协调相互的位置关系,完成对整个网络的定位。另外,由于超声波传播方向性较强,每个节点将配置多组超声波探头进行测距和来波方位测量,使得节点能够在360度范围内进行测距。
节点随机部署于被监测区域后,经分簇算法(例如leah)选出簇头,簇头用射频信号向周围节点发送数据包宣布自己为簇头。其他节点持续侦听,在其通信范围内选择信号强度最强的一个或两个簇头加入该簇。可以收到两个簇头广播的普通节点称为边界节点。边界节点在定位过程中将分别存储自己在两个簇中的坐标信息,它们将在整个网络统一坐标系时发挥重要的作用。
簇建立阶段完成后,簇头a通过测距在簇内挑选一个距其较远的节点b(太近的节点容易引起较大的定位误差),以a为坐标系原点,ab连线为坐标系的y轴正方向,y轴顺时针90度方向为x轴正方向建立坐标系。之后,簇头通过射频信号通知簇内节点坐标系已经建立,簇内各节点即可以a、b为锚节点,通过测量与a、b的距离进行定位。假设a(0,0),b(0,),需要定位的节点(x,y)到a、b距离分别为a、b。点坐标可通过下面的方程组解出:
其中a、b和通过超声波测距得到。可解出关于x、y的两组解。在测量与a的距离过程中,a通过射频信号告知是在与自己的哪个超声波探头通信,从而点得知自己位于哪个象限。如下图所示,与a节点的编号为2的超声波探头通信,可以得知位于a、b确定坐标系的第一象限,即x、y为正。
基于超声波测距的簇内节点定位
3 无线传感器信息提取算法实现
3.1 传感器模块
传感器种类很多,根据所监测物理量的不同,可分为温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。目前市场上有很多不同种类、参数各异的传感器。如美国rssb公司基于ia节点开发的一系列传感器板,采用的传感器有光敏电阻 lairex l94l、温敏电阻ert j1vr103j、加速度传感器adxl202、磁传感器hneyell h1002等。在设计传感器模块时,应该根据应用要求选择参数和性能合适的传感器,并设计相应的驱动电路及信号处理电路。
3.2 无线通信模块及其与处理器模块的接口
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