基于xml和lssvr的移動節(jié)點三維定位系統(tǒng)設計

基于xml和lssvr的移動節(jié)點三維定位系統(tǒng)設計

0基于分布式傳感器網(wǎng)絡的wsn節(jié)點定位無線傳感器網(wǎng)絡（wsd）是一個分布傳感器網(wǎng)絡。它由大量廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信形成一個完整的自動組織網(wǎng)絡系統(tǒng)。在WSN節(jié)點定位系統(tǒng)設計方面，WoojinKim等人設計并初步實現(xiàn)了一個基于LSSVR和MIB600的聲學WSN節(jié)點定位系統(tǒng)1遠征跟蹤和lssr定位原理1.1射頻因子法在無線通信過程中，發(fā)送設備發(fā)射時的信號功率和接收設備接收信號時的信號功率存在如式（1）所示的關系。式中：P將式（1）等號兩邊進行取對數(shù)運算可得：由于節(jié)點的發(fā)射功率是已知的，將發(fā)射功率代入式（2），可得：式（3）等號左邊10lgP式中，A為射頻因子，通常取發(fā)送設備和接收設備相距1m時的無線信號的強度值作為其值。由式（4）可以看出，只要能夠確定公式中的射頻因子A和傳播因子n，便可以確定P1.2lssvr移動節(jié)點定位原理在如圖1所示的三維空間內(nèi)，輸入空間R基于移動未知節(jié)點的三維空間映射關系，可以構建移動未知節(jié)點的移動模型。假設三維空間探測區(qū)域Q=[0,D]×[0,D]×[0,D]內(nèi)隨機分布著M個具有相同無線射程的傳感器節(jié)點{S假設未知節(jié)點T由于未知節(jié)點的運動方向是隨機的，因此，未知節(jié)點的移動模型為：基于LSSVR的移動節(jié)點定位過程如下1）根據(jù)LSSVR的移動節(jié)點建模原理，在t2）在時刻t3）若滿足LSSVR移動節(jié)點模型中的包含條件，那么可以采用t2移動節(jié)點三維網(wǎng)絡系統(tǒng)的設計2.1實驗環(huán)境設置本文搭建的移動節(jié)點三維定位實驗平臺的硬件組成如下：1）一臺用于數(shù)據(jù)處理的計算機。計算機的處理器為IntelCore2)6個TI公司生產(chǎn)的CC2530無線傳感器模塊，其中包括協(xié)調器節(jié)點1個，錨節(jié)點4個，未知節(jié)點1個；3）一輛可以變速運動的遙控履帶車。移動小車可以通過PS2遙控手柄進行遙控，通過遙控按鍵調節(jié)PWM占空比來實現(xiàn)小車速度控制。要定位的未知節(jié)點安裝在該移動小車上，以模擬未知節(jié)點的移動。本文的移動節(jié)點三維定位實驗環(huán)境選擇室外大于10m×10m×10m的三維空曠環(huán)境，搭建的實驗測試環(huán)境如圖2所示。在定位過程中，移動小車上的未知節(jié)點在移動過程中以極短周期間隔向WSN網(wǎng)絡廣播帶有信道時序序號和發(fā)射功率的數(shù)據(jù)包。錨節(jié)點接收網(wǎng)絡中廣播的數(shù)據(jù)包，將自身的坐標與RSSI的值分時發(fā)送給協(xié)調器節(jié)點。協(xié)調器節(jié)點接收到數(shù)據(jù)信息后通過串口通信上傳給數(shù)據(jù)處理終端，終端根據(jù)錨節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)進行LSSVR快速建模定位。2.2維定位軟件c#.企業(yè)網(wǎng)絡定位WSN移動節(jié)點三維定位系統(tǒng)采用Z-Stack-CC2530-2.5.1a協(xié)議棧進行組網(wǎng)，開發(fā)環(huán)境為IAR8.10。移動節(jié)點三維定位軟件采用C#.NET與Matlab聯(lián)合開發(fā)，在VisualStudio2017和MatlabR2017b的編程環(huán)境下實現(xiàn)，將RSSI測距算法和LSSVR節(jié)點定位算法編譯成C#語言可調用的算法動態(tài)鏈接庫，即dll文件。同時，基于Javascript的商業(yè)級圖表庫Echarts，建立10m×10m×10m的三維笛卡爾坐標系，用于移動節(jié)點定位的坐標實時顯示。2.2.1節(jié)點監(jiān)測終端節(jié)點的功能主要負責向網(wǎng)絡中廣播自身數(shù)據(jù)包，與自己通信范圍一跳以內(nèi)的路由器節(jié)點通信，使路由器節(jié)點接收終端節(jié)點發(fā)射的無線數(shù)據(jù)，并獲取兩節(jié)點間的RSSI值。終端節(jié)點功能的軟件實現(xiàn)流程如圖3所示。2.2.2依據(jù)二通道的網(wǎng)絡互通，確定并實現(xiàn)了以大范圍節(jié)點為目標的功能路由器節(jié)點的功能主要是負責接收終端節(jié)點的廣播信息，并將自身坐標與RSSI值打包發(fā)送給協(xié)調器節(jié)點。路由器節(jié)點加入到網(wǎng)絡后，可以利用路由器節(jié)點以多跳的方式發(fā)送數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。在大范圍節(jié)點定位中也有負責建立網(wǎng)絡拓撲結構的功能。路由器節(jié)點功能的軟件實現(xiàn)流程如圖4所示。首先，進行設備初始化，然后申請加入網(wǎng)絡。加入成功后，協(xié)調器為其分配一個網(wǎng)絡地址，然后等待接收數(shù)據(jù)。當接收到定位請求時，向未知節(jié)點發(fā)送RSSI和自身位置，發(fā)送完成后繼續(xù)等待接收數(shù)據(jù)。當接收到傳感器數(shù)據(jù)時，則轉發(fā)給協(xié)調器節(jié)點，然后繼續(xù)等待接收數(shù)據(jù)。2.2.3節(jié)點功能軟件設計協(xié)調器節(jié)點是WSN自組網(wǎng)定位的重要組成部分，負責組建WSN、管理網(wǎng)路中的各個節(jié)點、接收路由器節(jié)點的數(shù)據(jù)并通過串口傳送數(shù)據(jù)到三維定位系統(tǒng)軟件平臺。協(xié)調器節(jié)點功能軟件的實現(xiàn)流程如圖5所示。協(xié)調器首先進行設備的初始化，期間包括通過信道掃描選擇合適的信道，設定PANID，選擇網(wǎng)絡地址和設定網(wǎng)絡參數(shù)。網(wǎng)絡建立后，各節(jié)點向協(xié)調器節(jié)點發(fā)送請求入網(wǎng)的信號。如果協(xié)調器節(jié)點所監(jiān)測的信息完全符合入網(wǎng)的要求，則由協(xié)調器節(jié)點為各節(jié)點發(fā)送網(wǎng)絡地址，完成協(xié)調器節(jié)點和各節(jié)點的通信功能。3移動節(jié)點的三維定位實驗和結果分析3.1移動節(jié)點定位實驗WSN移動節(jié)點三維定位的實驗步驟如下：1）按照節(jié)點類別分別將編譯好的程序下載到各個WSN節(jié)點中；2）將4個錨節(jié)點依次按照坐標（0,0,0),(10,0,0),(0,10,0),(0,0,10）位置放置，坐標單位為m;3）打開路由器節(jié)點、協(xié)調器節(jié)點、未知節(jié)點和錨節(jié)點電源，進行WSN自組網(wǎng)；4）將移動未知節(jié)點放置于定位監(jiān)測環(huán)境中，起始坐標為（5,0,0）點，實驗員通過控制移動小車，使未知節(jié)點分別以20cm/s和40cm/s的速度做勻速直線運動，移動小車的終點坐標為（5,10,0）點；5）打開定位系統(tǒng)軟件，設置相應的參數(shù)，系統(tǒng)的定位時間間隔為1000ms，通過串口接收數(shù)據(jù)并進行未知節(jié)點的定位，依次獲取移動未知節(jié)點的位置坐標。定位實驗流程如圖6所示。在對移動節(jié)點定位實驗過程中，主要包括以下三個過程：1）網(wǎng)絡初始化階段。進行網(wǎng)絡組建和網(wǎng)絡地址分配，對網(wǎng)絡中的每個節(jié)點進行初始化；2）定位階段。錨節(jié)點接收網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，通過分時通信機制將RSSI值和錨節(jié)點自身位置發(fā)送給協(xié)調器節(jié)點并上傳給定位軟件，定位軟件確定接收到4個錨節(jié)點的數(shù)據(jù)后進行建模定位；3）顯示階段。將定位坐標結果進行顯示。3.2節(jié)點以40cm/s的速度移動時的定位誤差通過WSN移動節(jié)點三維定位系統(tǒng)對不同速度下的移動未知節(jié)點定位，得到的定位結果如圖7和圖8所示。其中，圖7a）為移動未知節(jié)點以20cm/s的速度移動時的定位效果，圖7b）為相應的移動節(jié)點定位誤差，圖8a）為移動未知節(jié)點以40cm/s的速度移動時的定位效果，圖8b）為相應的移動節(jié)點定位誤差。由圖7a）和8a）也可以看出，研制的定位顯示界面能夠準確實時地顯示節(jié)點的實際坐標和位置。同時，由圖7b）可知，采用研制的WSN節(jié)點三維定位系統(tǒng)對20cm/s速度的移動未知節(jié)點進行定位的最小定位誤差為10.09%，最大定位誤差為18.51%，平均定位誤差為14.62%。而由圖8b）可知，采用研制的WSN移動節(jié)點三維定位系統(tǒng)對40cm/s速度的移動未知節(jié)點進行定位的最小定位誤差為10.97%，最大定位誤差為19.64%，平均定位誤差為15.55%。實驗結果表明，研制的WSN移動節(jié)點三維定位系統(tǒng)可在真實環(huán)境下對勻速直線運動的節(jié)點進行定位，定位實時性較好，定位精度較高。4室外空間場本文對真實環(huán)境下WSN