定位项目设计文档

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1、基于WSN定位算法及实现概要设计一、引言21.1 编写目的21.2 项目背景21.3 术语2二、定位算法概述32.1 定位算法的研究现状及分类32.2 几种定位算法的比较42.2.1 测距技术和无测距技术比较42.2.2 主要测距技术概述42.2.3 节点坐标计算方法42.3.4 定位算法总结8三、系统概述93.1 定位算法实现设计93.1.1 RSSI的获取以及计算93.1.2 定位算法多种情况的数学分析93.3.3 定位算法的程序实现分析123.2 定位系统的实现设计133.2.1 监控端设计133.2.2 以太网服务器设计133.3 模拟实现方案153.3.1 监控中心模拟实现方案153

2、.3.2 服务器模拟实现方案16四、 总结18一、引言1.1 编写目的本概要设计本概要设计书将说明WSN定位监控系统各组成模块、模块的层次 结构、模块的划分和调用关系、每个模块的功能等。1.2 项目背景作为一种全新的信息获取和处理技术，无线传感器网络 WSN 可以在广泛的应 用领域内现复杂的大规模监测和追踪任务，而节点定位是大多数无线传感器网络应 用的基础。本课题来源于55 所技术开发有限公司在研的物联网系统研发项目中基 于无线传感网的节点定位模块。1.3 术语WSN：无线传感器网络 Wireless Sensor Network, WSN就是由部署在监测区 域内大量的廉价微型传感器节点组成，

3、通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织 的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息， 并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素物联网：The Internet of Thing简称：IOT。物联网通过传感器、射频 识别技术、全球定位系统等技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物 体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要 的信息，通过各类可能的网络接入，实现物与物、物与人的泛在链接，实 现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。无线传感网节点定位：在无线传感器网络节点定位技术中，根据节点是否已知自身位置，把传感器

4、节点分为锚节点anchor node或称信标节点（beacon node和未知 节点（unknown node锚节点在网络节点中所占的比例可根据定位需求来具体设定, 其定位方法：通过携带GPS定位设备等手段获得自身位置或在某些情况下人为预 先设置于相应的位置。二、定位算法概述2.1 定位算法的研究现状及分类目前基于无线传感网的节点定位算法国内外还处于研究阶段，国外从事无线传 感器网络技术研究和相关产品研制较领先的主要有美国斯坦福大学、加州大学、 公司、CrossBow公司、德国Freescale公司，国内主要是一些高校及科研院所开展 以应用开发为主的研究，产品的开发一般基于rossBow公司、

5、Freescale公司的射 频芯片，主要是无线传感器网络教学和实验用产品。部分厂商已有试用，WSN节 点产品。大多数的研究都还只停留在物理层、数据链路层和网络层。研究主要受限 于定位精度、节点成本、节点的耐用性。本公司在该模块的研发中目前也是处于实 验阶段，主要研究成果需要适用于园区定位。节点定位的实现主要通过两种手段去实现，第一种是无需测距的节点定位实现，第二种是基于测距的定位实现，无需定位技术的主流算法有质心算法DV-HOP 算法、APIT算法；基于测距技术的定位实现有主要分为两部分，测距技术和节点 相对位置计算方法,目前通过硬件可以实现的测距技术主要有TOA、TDOA、RSSI、 AOA

6、,而计算坐标的方法主要有三角测量法、三边测量法三角质心算法、加权质图 2-1 定位算法2.2 几种定位算法的比较2.2.1 测距技术和无测距技术比较无需测距技术的特点是对硬件要求低，可是其缺点是定位精度受到限制适合大 范围低精度定位，不适用于园区定位。基于测距技术的定位的特点是测距相对精度 相对高，不过其涉及的测距技术需要硬件成本相对较高，后期的数据处理算法相对 复杂。可是目前的GPS定位技术已经实现了精度10m，所以本研究的主要目的是在 保证精度的基础上降低硬件成本。通过比较我们将采取基于测距技术的目标监控 2.2.2 主要测距技术概述在无线传感器网络中常用的测量节点间距离或角度的技术有RS

7、SI、TDOA、AOA 及 TOA。RSSI。已知发射功率在接收节点测量接收功率计算传播损耗使用理论或经验 的信号传播型将传播损耗转化为距离亥技术主要使用RF信号。该方法功耗低、价 廉。但由于环境的影响，其建模比较麻烦。通常有可能产生50%的测距误差。TDOA。在节点上安装超声波收发器禾RF收发器。测距时在发射端两种收发 器同时发射信号，利用声波与电磁波在空气中传播速度的差异，把时间转化为距离。 该技术的测距精度比RSSI高，但也会受非视距（发送端与接受端之间的无线电波直 射路径受地面阻挡的情况）问题对超声波信号的传播影响。AOA。以两个或更多基站发射信号的到达角度来估计节点的位置该测量技术

8、将距离的测量转化为角度的测量oAOA技术也受外界环境影响而且需要额外硬件 可能无法满足传感器对硬件尺寸和功耗的要求。TOA。通过测量信号传播时间来测量距离需要节点间时间同步，对硬件性能要 求高。因WSN节点的硬件尺寸、价格和功耗限制其实际场合使用的较少。2.2.3 节点坐标计算方法1、三角测量法三角测量定位方法也称为信号到达角度AOA）定位法或方位测量定位法，如图 1所示。假设未知节点A （坐标为（x0 , y0 ）分别测得锚节点B、C （坐标分别为（xl , y1 ） , （ x2 , y2 ）发出信号的到达角度分别为）1和8 2，则tan (Oi ) =x0 xi/yO yi ( i =

9、1, 2) (1)通过求解上述非线性方程, 可以得到未知节点的位置( x0 , y0 )图2-2三角测量法2、三边测量法 在无线传感器网络中,坐标系大多是二维空间,因此,只要知道一个未知节点到3 个或3 个以上锚节点的距离就可以确定该未知节点的坐标。在基于测距的定位算法 中,三边测量法是计算坐标的基本途径。如图2 所示,三边测量定位法的基本原理就 是求3个已知半径和坐标圆心的圆的交点。假设已知个锚节点A、B、C的坐标, 未知节点D的距离分别为dl , d2 , d3，根据二维空间距离计算公式联立解方程组就 可得到未知节点D的坐标。三边测量法的缺点是若在测距过程中存在误差上述3 个圆无法交于一点

10、以存在误差的dl , d2 , d3去解方程时便无法得到正确解因此, 在实际计算坐标时,一般不采用上述解方程的方法,而采用极大似然估计或其他方 法。图 2-3 三边测量法因为会有误差使得三圆无法相交于一点，因为实际环境的复杂性，换算出的锚节点到未知节点的距离d总是大于实际两节点间的距离。如图1所示，锚节点A，B，C,未知节点D,根据RSSI模型计算出的节点A和D的距离为rA；节点B和D的距离为rB；节点C和D的距离为rC。分别以A，B，C为圆心；rA，rB，rC 为半径画圆，可得交叠区域。这里的三角形质心定位算法的基本思想是：计算三圆 交叠区域的3个特征点的坐标，以这三个点为三角形的顶点，未知

11、点即为三角形质心，如图2所示，特征点为E, F, G,特征点E点的计算方法为:-xa)2 + (乂 yaY W ra J (九-jcb)2 + Cye 力严=rh(3)J（九一乙严+（M %）=旷c严+ 可 + 兀，M + 刃 + %、同理，可计算出F, G,此时未知点的坐标为（=；由仿真得，在下图中，实际点为D；三角形质心算法出的估计点为M；三边测量法算出的 估计点为N。可知，三角形质心算法的准确度更高。a图2-4三角质心算法3、三角质心算法的过程锚节点周期性向周围广播信息，信息中包括自身节点D及坐标。普通节点收 到该信息后，对同一锚节点的RSSI取均值。当普通节点收集到一定数量的锚节点信息

12、时，不再接收新信息。普通节点根据RSSI从强到弱对锚节点排序，并建PRSSI值与节点到锚节点距离的映射。建立3 个集合。锚节点集合:B_set = a】，22,，a”未知节点到锚节点距离集合：D_set = di tl2 , ,dn ,（Ji d2 V d”锚节点位置集合：P_set = （Xi，X）,（X2 ,匕几，（X”，Y”）选取RSSI值大的前几个锚节点进行自身定位计算。在B_set：中优先选择RSSI值大的信标节点组合成下面的锚节点集合这是提 高定位精度的关键。Tset (a】心，如),(a】，如 5 八，(Q1 ,如，)，(Q心心)对锚节点集合，依次根据(3)式算出3 个交点的坐标

13、，最后由质心算法，得出未 知节点坐标。对求出的未知节点坐标集合取平均，得未知节点坐标。4、极大似然估算法图 2-5 极大似然算法极大似然估计法的原理如图所示已知1、2、等n个锚节点的坐标分别为x1 , y1 ) , ( x2 , y2 ) ,( x3 , y3 )，,(xn , yn )它们到与未知节点D的距离分别为dl ,d2 , d3，,dn，假设D的坐标为(x, y),则:(h -工厂 + (y - y)2 =孟 :i - 2 f X1 -无丿一血-L -(y.-丁 =禹-临 :佥1 -原-兀+盒1 - Y -用线性方程组表示为Ax = b其中：L (石一-y.j f、一 i -,】；-

14、71勺牛争j -心+ J-耳一吒-応b =:o-1 -菽 一 L - Jn + / - Jn-由于存在测距误差合理的线性模型应该是AX +N = b,其中,N为n - 1维随机 误差向量。可以求解未知节点的极大似然估计及非线性最小二乘估计节点的位置： XA = (ATA) - 1AT b。此方法的缺点在于需要进行较多的浮点运算其计算开销带来 的能量消耗仍不容忽视。2.3.4 定位算法总结综上所述通过项目组研究觉定我们将采取基于测距的定位算法去实现园区定 位。其方法是首先根据所取得的RSSI值计算距离，再通过所测得固定节点和移动 节点的距离关系计算所测点的具体位置。可行性：RSSI值可以取得，同

15、时三角质心算法做为算法基础有着数学理论支 持；精确性： 虽然其准确性易受环境的影响，可是在园区的范围内，可以根据具 体的位置情况制定参数，这样可以做到相对精确，实际工程应用中，也可以将测得 RSSI 值转化为距离长度后于实测长度做比对以校正算法参数提高精确度。在各种 误差情况下以三角质心为算法基础进行算法改进可提高精度。和其他算法相比优势： 综合考虑基于 RSSI 的测距方案对节点硬件要求相对 低，可以降低硬件成本。三角质心算法有一点的数学理论支持，并且在程序的实现 复杂度上择中，不需要大量的数学建模。三、系统概述3.1 定位算法实现设计3.1.1 RSSI 的获取以及计算使用的定位算法基于收

16、到的接收信号强度指示( Received Signal StrengthIndicator)。RSSI值将随着距离的增加而减小。利用静止参考节点方法可以定位，保证在空间内移动节点可同时与4 个不再同 一平面上的点进行通信，可以算出该点分别于4 个固定节点之间的距离。根据信号传播理论接收信号强度是传输功率和传输距离(收发者之间的距离) 的函数。接受信号强度会随距离的增加按如下等式递减：= log |0 d + .J式中：n：信号传播常数，也叫传播系数。d：与发送者的距离。A：距发送者一米时的信号强度该值为实测值，根据现场实际情况测量可调整在将 RSSI 值换算为距离的过程中，存在着误差，也就是三

17、个圆生成时，可能 会发生三圆互相相交、三圆互不相交、非两两相交、两圆相交、甚至出现相切，等 等特殊情况，也为算法的实现增加了复杂性。所以针对各种情况，项目组做了具体 的分析和设计。3.1.2 定位算法多种情况的数学分析此种情况是一种理想状态，出现此种状况几乎不可能，此情况数学上分析就是 建立平面直角坐标系，求三圆交点。有一个圆的半径小于允许偏差值设定一个最大误差值，例如误差3M,当待测节点和已知节点在3M以内的时 候此时待测节点与其他节点的距离会很大,RISS转换成距离的误差也会变大，三 个圆很难相交，使用三角质心定位也失去意义，所以此种情况可以判断为待测节点 和距离最近的固定节点位置重合。判

18、断方法d v=误差三圆共有区域1三圆共有区域2通过上图分析误差原因，第一种情况是测得距离都偏大导致；第二种情况是测 得距离都偏小导致，所以通过数学分析我们可以得出实际点在P1.P2.P3组成的三角 形范围内。首先写出圆的圆心轨迹方程两两求解，得出组（x.y）坐标值，这6组坐 标值即是三个圆的6个交点，我们所需要的交点如图P1、p2、p3为内三角，我 们需要求内三角质心需要删除外三角，所以我们要分别取出组x、y，进行大小比 较删除（x.y）的极（大小）质点。最后对pl. p2.p3求质心。轨迹1轨迹2有解、 轨迹1轨迹3有解、轨迹2轨迹3有解连环型相交此种情况出现的原因是因为有两个测得距离偏大一

19、个偏小或，两个偏小一个偏 大，通过数学分析如图实际点接近线段1P2。同样的方法轨迹圆两两求解（以下 轨迹123简称123）如果有一组无解即上图情况。此种情况出现的解决方法是求出 点P1 ,P2然后选择其中点即为待测节点坐标只有两圆相交 次情况出现原因是两组测得数据偏小一组偏大，所以如图通过数学分析真实点 最可能的位置在P1P2之间，所以轨迹两两求解出现有两组无解，计算出P1P2求得 中点位置为待测点坐标。三组轨迹都无解如上图，此种情况出现原因是三组测量数据都偏小，这里通过 数学分析我们假定P（x,y）为待测节点坐标，那么P点应该满足PA+PB+PC为最 小值时算出（x,y）为待测节点坐标。3.

20、3.3 定位算法的程序实现分析获取个最大ss再离换算二判断轨迹交点用算法郴据轨迹交点情况选择算法算法实现流程在算法的选择上，可以根据轨迹的交点数来判断各种情况，将计算方法写入类 库，判断交点情况后调用类库的方法。3.2 定位系统的实现设计3.2.1 监控端设计图 3-1 监控中心监控中心的任务主要就是负责将服务器传过来的坐标数据转化成图元的形式显示在电子地图上去，我们采用的开发环境是VS2008.,语言C#,通过加载MapX组件实现。通过模拟数据的测试，功能上基本可实现，现在需要的是一个用户登录界面。3.2.2 以太网服务器设计网关网络通信模块数据库图 3-2 公网服务器设计流程图以太网服务器

21、由网络通信模块、数据库、数据库访问模块三部分组成。网关传 过来节点位置数据信息（字符串），网络通信模块获取信息，解析信息实现定位算 法，最终传出的数据有，x , y未知节点的坐标以及其其他属性,RISS值通过这一步被转换成坐标值，写进数据库；数据库主要有实时数据表（临时）和历史数据表（可设置保存时间） 进行实时监控的时候，监控端通过数据库访问模块读取数据 库中的实时数据表，以显示节点的信息。图3-3 数据库通信模块设计流程图网络通信模块负责服务器对网关的通信，服务器获取数据包经过判断解析最终 写进数据库的过程由网络通信模块来实现，定位算法是在此模块被执行，解析出来 的RISS值存在内存中经过定

22、位算法的运算，运算结果为,y值写进数据库中，同 时x,y值发送至监控中心在电子地图上显示。图 3-4 定位算法的实现过程通过上图实现定位算法。3.3 模拟实现方案3.3.1 监控中心模拟实现方案程序实现大体分为三个阶段，即模块模拟实现阶段，联网模拟实现阶段，和实 际应用阶段。目前监控端通过模拟数据的测试，所需功能基本实现。现在正开发模 拟发包工具进行服务端客户端联网测试。监控中心模拟界面如下图,实现过程定义3个目标的坐标x,y,让x,y实现循环 变化，在地图上通过不停的刷新目标对象动态显示地图位置，同时在stView上显 示所监控目标的动态信息。启用回放功能时,程序逐个在地图上打印点然后连线显

23、 示历史信息回放轨迹。图3-5 模拟监控中心前台界面设计图 3-6 模拟监控中心程序设计3.3.2 服务器模拟实现方案服务器和监控端联合模拟测试及回放功能测试：在服务器应用程序中加载Timer组件模拟x,y值向客户端发送数据，客户端的 客户端的Soelect接收传过来的x,y值显示在电子地图上，同时服务器应用程序新线 程将坐标信息写入数据库，为回放测试提供数据。客户端的Soelect接 收传过来timer.组件控制/x,y变化/传递给客户端的x,y值实时监控写入数据库1远程读取数据库中一段时间【 ；内的目标运行信息进行回放!轨迹回放服务器监控端图3-7 以太网服务器模拟数据联合监控端测试设计

24、公网服务器数据库创建：测试阶段设计数据库中只有一张历史轨迹回放表，连接网关后如需增加再酌情 修改。创建 DatabaseSize=5MBMaxsize = 25 MBFilegrowth= 5 MB历史信息回放表的创建IDINNot null编号Int (primary key)node_idintxdoubleydoubleTimedatetime四、总结基于WSN定位项目是研发部物联网项目的重要组成部分，利用无线传感定位 的优点是无线传感节点的制作成本ttGPS模块低，用GPS做网关定位，依据网关 的一次定位，再利用节点进行小范围二次定位也是当今物联网定位模块中合理的开 发模式。我们组在项目中经过了前期的资料收集技术积累，现在已经模拟实现了系 统的一些应用功能，现在正在进行模拟联网测试。