基于RSSI參數(shù)糾正的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急救災(zāi)系統(tǒng)

凡高娟， 侯彥娥， 王汝傳

(1.河南大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院，河南開封475004;2.江蘇省無線傳感網(wǎng)高技術(shù)研究重點實驗室，江蘇南京210003)

0 引言

2008年的冰雪災(zāi)害和汶川大地震兩件突發(fā)事件給我國的經(jīng)濟、交通、人民的生產(chǎn)、生活等方面造成了重大不利影響.突發(fā)事件造成基于有線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)通信設(shè)施中斷，形成“信息孤島”，對救援和基礎(chǔ)通信設(shè)施恢復(fù)造成很多不便.如何在突發(fā)事件區(qū)域內(nèi)靈活部署小型網(wǎng)絡(luò)，通過早期的預(yù)警系統(tǒng)以及突發(fā)事件后的救援工作是當(dāng)前應(yīng)急通信面臨的突出問題.

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量感知節(jié)點組成，這些節(jié)點自組織成網(wǎng)絡(luò)，形成以數(shù)據(jù)為中心的采集平臺，可廣泛用于環(huán)境監(jiān)測、應(yīng)急救災(zāi)、健康護理、安全監(jiān)控等應(yīng)用領(lǐng)域［1］.筆者在此需求下提出一種基于RSSI參數(shù)糾正的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急救災(zāi)系統(tǒng)，在應(yīng)急事件發(fā)生后，在事件區(qū)域內(nèi)部署傳感器節(jié)點，利用節(jié)點自組織組網(wǎng)、實現(xiàn)對事件區(qū)域內(nèi)被困人員的定位與信息的采集，以便采取更快速的搶救措施.

1 基于RSSI參數(shù)糾正的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急救災(zāi)系統(tǒng)設(shè)計

在應(yīng)急救災(zāi)應(yīng)用中，假設(shè)被困人員身上帶有腕式傳感器等可穿戴設(shè)備，如何通過傳感器節(jié)點的感知獲取信息，快速、準確地找到事故中的被困人員及相應(yīng)的信息，以展開相應(yīng)的急救措施，是應(yīng)急救災(zāi)系統(tǒng)設(shè)計的目標.快速獲取事件發(fā)生的位置是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的基礎(chǔ)，如何獲得發(fā)生事件的位置是應(yīng)急救災(zāi)系統(tǒng)設(shè)計中的首要問題之一.

1.1 RSSI參數(shù)糾正方法

目前，獲得位置信息常用的測量距離的方法，有 GPS［2］、紅外線［3］、超聲波［4］和 RSSI［5-6］等.由于應(yīng)急事情發(fā)生的急速性及相關(guān)基礎(chǔ)通信設(shè)施破壞，造成GPS方案難以實施，而基于紅外線、超聲波都需要額外的硬件設(shè)備支持，增加系統(tǒng)實施的難度.在本系統(tǒng)中，采用基于RSSI的距離測量方法，考慮RSSI受環(huán)境影響的參數(shù)分析，對RSSI參數(shù)進行糾正，實現(xiàn)室內(nèi)精確定位的功能.

基于RSSI的測距方法是利用電磁波在傳輸過程中，接收信號功率與傳輸距離存在著某種變化關(guān)系，從而根據(jù)特定環(huán)境推導(dǎo)出這一特定關(guān)系，實現(xiàn)實時系統(tǒng)定位［7］.在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，通常采用的無線傳播模型有三種［8-9］：Free-Space模型、Two-Ray Ground Reflection模型和Shadowing模型.其中Shadowing模型充分考慮了其環(huán)境因素的變化情況.

在現(xiàn)實應(yīng)用中，在一定的距離下接收到的信號強度是一個隨機量，信號通過多徑傳播，產(chǎn)生路徑損失，其路徑損失表達為：

式中，d為發(fā)射節(jié)點與接收節(jié)點之間的距離;d0表示發(fā)射節(jié)點和參考節(jié)點之間的距離，一般取1 m;η為路徑衰減因子，一般取值為為距離d0處信號強度的測量值;PL(d)為經(jīng)過距離d后的路徑損耗;Xσ為平均值為0的高斯隨機變量，其標準差一般為4～10.

在此情況下，距離d后的接收功率為：

在應(yīng)急救災(zāi)應(yīng)用中，需要根據(jù)上式估算無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在運行過程中，周圍環(huán)境帶來的路徑衰減因子η和陰影Xσ.

在文獻［10］中，采用MantisOS系統(tǒng)，通過自行研發(fā)的Ubicell［11］節(jié)點為實驗平臺，利用室內(nèi)和室外數(shù)據(jù)的多次測量，得到基于RSSI參數(shù)糾正的路徑衰減因子η和陰影Xσ.

式中：N表示采集的距離個數(shù).

通過這兩個參數(shù)修正，就可以根據(jù)RSSI估算出節(jié)點之間的距離.

1.2 定位方法實現(xiàn)

通過節(jié)點間的RSSI值及參數(shù)修正，可以估算出節(jié)點之間的距離信息.通過在突發(fā)事件發(fā)生的區(qū)域內(nèi)部署多個傳感器節(jié)點作為信標節(jié)點，來實現(xiàn)被困人員的定位.定位方法采用三邊測距定位法，如圖1所示.

在圖1中，A、B、C三點為信標節(jié)點，坐標分別為 (xA，yA)、(xB，yB)和 (xC，yC)，D 為應(yīng)急救災(zāi)中需要定位的節(jié)點，坐標為(xD，yD).通過RSSI參數(shù)糾正方法得到D到A、B、C點的距離分別為的d1、d2和d3，則由幾何關(guān)系可得：

圖1 三邊測距定位法Fig.1 Trilateral ranging positioning

利用該方法，可以求出應(yīng)急救災(zāi)環(huán)境中需要定位的被困人員.通過采用基于RSSI的參數(shù)糾正方法，可以消除外界的各種因素干擾及累積誤差，從而提高了定位精度.

1.3 應(yīng)急救災(zāi)系統(tǒng)架構(gòu)

本應(yīng)急救災(zāi)系統(tǒng)主要有三部分組成：傳感器節(jié)點、基站節(jié)點、應(yīng)急措施實施服務(wù)器.傳感器節(jié)點是部署在事件發(fā)生區(qū)域內(nèi)部，通過節(jié)點的自組織組網(wǎng)，作為信標節(jié)點來實現(xiàn)對事件區(qū)域內(nèi)部被困人員的定位.基站節(jié)點負責(zé)收集信標節(jié)點傳遞過來的有關(guān)被困人員的相關(guān)信息，便于實施救治策略.服務(wù)器主要用于急事件指揮人員從全局的角度來調(diào)度應(yīng)急策略.應(yīng)急救災(zāi)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示.

圖2 應(yīng)急救災(zāi)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Architecture of emergency disaster response system

2 系統(tǒng)測試與實現(xiàn)

基于RSSI參數(shù)糾正的應(yīng)急救災(zāi)系統(tǒng)中，信標節(jié)點的操作程序基于MantisOS系統(tǒng)，采用AT-mega128處理器和CC1000通信模塊組成.節(jié)點程序的燒寫用MIB510型號的編程板來完成.通過MantisOS對Ubicell節(jié)點燒寫定位信息的收/發(fā)程序，主要從參數(shù)驗證和系統(tǒng)實現(xiàn)兩個方面的真實位置和定位位置來分析.其信息獲取數(shù)據(jù)包的格式如圖3所示.

圖3 數(shù)據(jù)包格式Fig.3 Packet format

2.1 基于RSSI參數(shù)糾定的定位誤差分析

為了驗證本修正模型的有效性，采用圖3數(shù)據(jù)包格式，考慮到未知節(jié)點單個數(shù)據(jù)包得到的位置信息不精確，設(shè)置未知節(jié)點發(fā)送信息的次數(shù)，當(dāng)基站接收未知節(jié)點的信號達到某一設(shè)定的值時，對接收到的數(shù)據(jù)進行平均處理，得到相對穩(wěn)定的距離信息.圖4是基站收到單個信息和多個信息平均后，得到的真實距離與實測距離的比較圖.

圖4 真實距離與實測距離比較Fig.4 Comparison of true distance and the measured distance

圖4描述了真實距離與實測距離之間的關(guān)系.從圖中可以看出，采用平均值的方法，得到的距離值更接近于真實距離.

2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

基于上述思想，在VS2008環(huán)境下，實現(xiàn)基于RSSI參數(shù)糾正的環(huán)境定位系統(tǒng)，本次實驗根據(jù)室內(nèi)環(huán)境設(shè)置.如圖5所示，走廊左右的距離為1 m，走廊的兩邊標記為放置信標節(jié)點和被定位節(jié)點的位置，3、4和6位置放置的是信標節(jié)點，5號放置的為被定位節(jié)點.本次實驗共采用了5個節(jié)點，基站與PC機相連，接收3、4和6號節(jié)點的測距信息，5號節(jié)點每隔3 s向信標節(jié)點發(fā)出通信.基站收到3個信標節(jié)點的信息后，得到相應(yīng)的RSSI值，并根據(jù)前面介紹的糾正方法，得到3、4和6號節(jié)點到5號節(jié)點的距離信息，進而計算5號節(jié)點的位置.5號節(jié)點附近的點為定位的位置，從中可以看出，該定位方法可以在允許的范圍內(nèi)得到未知節(jié)點的范圍，定位精度在可接受的范圍內(nèi).

圖5 系統(tǒng)實現(xiàn)Fig.5 System implementation

3 結(jié)論

設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于RSSI參數(shù)糾正的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急救災(zāi)系統(tǒng)，首先對當(dāng)前RSSI測距存在問題提出參數(shù)修正方案，以提高RSSI測距的精度，為高精確定位打下基礎(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上在室內(nèi)環(huán)境下實現(xiàn)應(yīng)急救災(zāi)情況下對被困人員的定位.實驗結(jié)果表明，其修正后的方案明顯提高了節(jié)點距離估計的精度，在實際的應(yīng)急救災(zāi)環(huán)境中可以達到應(yīng)用要求，其定位精度在一定允許的范圍內(nèi).

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