段翠翠

(濰坊科技學(xué)院，濰坊 262700)

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用線性調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)測距的室內(nèi)質(zhì)心定位方法

段翠翠

(濰坊科技學(xué)院，濰坊 262700)

提出一種利用線性調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)進(jìn)行通信并實(shí)現(xiàn)測距的方法，該測距方法能夠適用于復(fù)雜室內(nèi)通信環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的測距。在三邊測距定位的基礎(chǔ)上,提出了四邊測距定位算法，突破了三邊測距定位的局限性。為了進(jìn)一步提高精度，采用了求質(zhì)心和加權(quán)質(zhì)心的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加權(quán)質(zhì)心算法具有較高的精度，整個定位過程中，節(jié)點(diǎn)間無需額外的通信開銷，具有廣泛的實(shí)用性。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；定位；CSS；質(zhì)心算法

引 言

隨著計算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和無線通信等技術(shù)的進(jìn)步，低功耗、多功能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network, WSN)得到了快速發(fā)展[1]。WSN是一種強(qiáng)大的信息獲取平臺，能完成多種監(jiān)測和追蹤任務(wù)，而位置信息則成為重要的信息之一，節(jié)點(diǎn)的自身定位對WSN應(yīng)用的有效性起著關(guān)鍵的作用[2]。目前，比較典型的定位方法有兩種：基于測距技術(shù)的定位方法和無需測距技術(shù)的定位方法[3]。其中，基于測距技術(shù)的測距方法主要有：①通過測量無線信號的場強(qiáng)特征值來實(shí)現(xiàn)定位，如基于RSSI[4]的定位技術(shù)；②利用無線信號在節(jié)點(diǎn)間的傳播時間等特征值進(jìn)行定位，如TOA、TDOA定位技術(shù)；③通過測量無線信號的方向特征值進(jìn)行定位，如AOA定位技術(shù)。無需測距技術(shù)的定位方法僅依靠網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的通信連通性即可實(shí)現(xiàn)，典型的算法主要有DVHOP[5]、凸規(guī)劃[6]和MDS-MAP[7]等。本文在充分研究三邊測距定位技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于CSS技術(shù)的四邊測距定位算法，并引入質(zhì)心定位的思想[8]，進(jìn)一步提高了定位精度。

1 基于線性調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)測距

Chirp信號[9]是瞬時頻率隨時間線性變化的正弦波信號，通過對載波頻率進(jìn)行調(diào)制以增加信號的發(fā)射帶寬,并在接收時實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮，頻譜帶寬較大，具有良好的自相關(guān)性。用Chirp信號進(jìn)行擴(kuò)頻的通信方式被稱為線性調(diào)頻擴(kuò)頻。基于線性調(diào)頻擴(kuò)頻的測距過程如圖1所示[10]。

圖1 基于線性調(diào)頻擴(kuò)頻的測距過程

標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)向錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送測距數(shù)據(jù)包，當(dāng)錨節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包后，自動回復(fù)應(yīng)答信號，計算處理延遲，錨節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的應(yīng)答信號計算出信號傳播延遲，如果標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)沒有收到應(yīng)答信號或者接收超時，就會重新初始化下一次測距過程。錨節(jié)點(diǎn)向標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)發(fā)送包含上一次處理延遲的數(shù)據(jù)包，根據(jù)接收到的標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答信號計算出此次信號的傳播延遲，標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)計算此次處理延遲。錨節(jié)點(diǎn)再將包含傳播延遲的數(shù)據(jù)包發(fā)送給標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)。標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)利用4個時間值，調(diào)用距離計算公式d=c(T1-T2+T3-T4)/1，計算出兩節(jié)點(diǎn)間距離。標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)測得其與各錨節(jié)點(diǎn)之間的距離后，通過基站節(jié)點(diǎn)傳回給上位機(jī),用于計算自身位置坐標(biāo)。

2 算法數(shù)學(xué)模型

首先，介紹三邊測距定位法。如圖2所示，A、B、C三點(diǎn)為已知錨節(jié)點(diǎn), 坐標(biāo)分別為(xA, yA) , (xB, yB),(xC, yC);D為待測節(jié)點(diǎn)，坐標(biāo)為(xD, yD)。若測得待測節(jié)點(diǎn)D到三個錨節(jié)點(diǎn)A、B、C的距離值分別為rA、rB、rC，由幾何關(guān)系可得：

(1)

(2)

(3)

由式(1)～(3)便可求得待測節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。由于在實(shí)際環(huán)境中，無線通信信號傳播會發(fā)生反射、繞射和散射，引起測得信號到達(dá)時間偏大，因此測距會產(chǎn)生誤差，以致圖2中三個圓不會交于一點(diǎn)，實(shí)際情形如圖3所示。

圖2 三邊測距定位示意圖

圖3 三邊測距定位實(shí)際情形

為了提高定位精度并避免以上問題，首先，采用對距離做平方差的方法，這樣可以減少測距誤差，測距誤差越小，越能提高定位精度。具體做法為式(1)～(3)兩兩相減，即可得圖3 中直線L1、L2、L3 ：

三直線的交點(diǎn)即可以作為待測節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)估計。為了進(jìn)一步提高定位精度，提出四邊測距定位算法， 即在三邊測距的基礎(chǔ)上，再添加一個錨節(jié)點(diǎn)參與定位，如圖4所示。根據(jù)圖4的情形，每次取三個錨節(jié)點(diǎn)(即三個圓)便可對待測節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一次坐標(biāo)估計，每組取2條直線估算待測節(jié)點(diǎn)位置，這樣，圖4中便可以取4組圓產(chǎn)生待測節(jié)點(diǎn)D(xD,yD)的四次坐標(biāo)估計為D1(xD1,yD1)、D2(xD2,yD2)、D3(xD3,yD3)、D4(xD4,yD4)，對其求質(zhì)心, 即可得節(jié)點(diǎn)D 的坐標(biāo)為：

2(xB-xA)x+2(yB-yA)y=

(4)

2(xC-xA)x+2(yC-yA)y=

(5)

2(xC-xB)x+2(yC-yB)y=

(6)

(7)

圖4 四邊測距定位示意圖

為了進(jìn)一步提高定位精度，本文采用加權(quán)的思想，即在每組定位坐標(biāo)中引入加權(quán)因子。加權(quán)因子為參與每次定位三個圓的半徑(待測節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)的距離)和的倒數(shù)，若參與定位的錨節(jié)點(diǎn)為A(xA,yA)、B(xB,yB)、C(xC,yC)、E(xE,yE)，待測節(jié)點(diǎn)D(xD,yD)到各錨節(jié)點(diǎn)的距離分別為rA、rB、rC、rE，通過點(diǎn)B、C、E得到D點(diǎn)的坐標(biāo)估計D1(xD1,yD1), 通過點(diǎn)A、B、C得到D點(diǎn)的坐標(biāo)估計D2(xD2,yD2)，通過點(diǎn)A、B、E得到D點(diǎn)的坐標(biāo)估計D3(xD3,yD3)，通過點(diǎn)A、C、E得到D點(diǎn)的坐標(biāo)估計D4(xD4,yD4)，則通過加權(quán)質(zhì)心算法可得到D點(diǎn)的坐標(biāo)為：

算法過程如下：

① 錨節(jié)點(diǎn)周期的發(fā)送信標(biāo)信息，包括ID和自身位置信息；

② 標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)在接收到各個錨節(jié)點(diǎn)信息后，基于線性調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)分別測得自身與各個錨節(jié)點(diǎn)之間的距離；

③ 將測得的距離值從小到大排序，取前4個錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，若出現(xiàn)兩圓不相交的情形，則用后面的節(jié)點(diǎn)替換前一個節(jié)點(diǎn)，直到滿足定位要求(圖4所示)為止；

④ 取步驟③中前3個錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，得到圖2中待測節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)估計；

⑤ 取步驟③中錨節(jié)點(diǎn)的其他3種組合，得到另外3種待測節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)估計；

⑥ 對步驟④、⑤所得到的坐標(biāo)估計通過質(zhì)心算法，利用式(7)求得待測節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)；

⑦ 對步驟④、⑤所得到的坐標(biāo)估計通過加權(quán)質(zhì)心算法，利用式(8)求得待測節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。

3 實(shí)驗(yàn)分析

標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)采用德國Nanotron公司的NanoLoc無線測距模塊，該模塊的核心部件包括NA5TR1(NanoLOC TRX Transceiver)芯片、Atmel 8位單片機(jī)ATmega128L、帶通濾波器、阻抗匹配單元。

NA5TR1是一款低功耗、高度集成化的無線通信和測距芯片，采用了Nanotron的寬帶線性擴(kuò)頻調(diào)頻(CSS)全球?qū)＠夹g(shù)，類似于國內(nèi)先進(jìn)的軍用線性調(diào)頻雷達(dá)。實(shí)驗(yàn)中使用了4個錨節(jié)點(diǎn)，以錨節(jié)點(diǎn)A為坐標(biāo)原點(diǎn)，以cm為單位，各錨節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)分別為A(0，0)，B(0，700)，C(500，700)，D(500，0)。

定位結(jié)果如表1所列，其中每組定位結(jié)果均為10次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與誤差

通過實(shí)驗(yàn)可以看出，系統(tǒng)在該布置方案下的平均定位誤差僅為0.61 m，各樣本位置中結(jié)果最理想的點(diǎn)的定位誤差小于0.4 m，結(jié)果最差點(diǎn)的誤差未超過1 m，其他位置的誤差都穩(wěn)定分布在該區(qū)間內(nèi)。

結(jié) 語

本文提出一種利用線性調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)進(jìn)行通信并實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間測距的方法。該方法適用于復(fù)雜室內(nèi)通信環(huán)境。同時，在三邊測距的基礎(chǔ)上，提出了四邊測距定位算法，整個算法完全采用幾何運(yùn)算，具有非常好的快速性，對移動節(jié)點(diǎn)定位具有明顯優(yōu)勢。

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段翠翠(碩士)，主要研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

Indoor Centroid Algorithm Based on Ranging with Chirp Spread Spectrum Technique

Duan Cuicui

(Weifang University of Science and Technology,Weifang 262700,China)

In the paper,an approach which uses chirp spread spectrum technique to communicate and range is proposed.It can be used for ranging between wireless sensor nodes in the complex indoor communication environment.Based on the limitation of trilateration localization algorithm,the quadrilateral localization algorithm is proposed.In order to improve the location accuracy,the methods of computing centroid and weight centroid are used.The experiment results show that the weight centroid algorithm has a better accuracy.Since the algorithm is simple and no extra spending of communication is needed during locating,it can be used in many areas.

wireless sensor networks;location;CSS;centroid algorithm

TN401

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2016-06-29)