基于Arduino的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位方法的研究畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、摘 要 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN，Wireless Sensor Network）是近年來迅速發(fā)展并受 到普遍重視的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它的出現(xiàn)和發(fā)展給人類的生活和生產(chǎn)的各個領(lǐng)域 帶來了深遠(yuǎn)的影響。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究 的基礎(chǔ)。目前，已有多種定位技術(shù)被應(yīng)用于室內(nèi)定位中，尤其是基于接收信號 強(qiáng)度（RSSI，Received Signal Strength Indication）的定位技術(shù)以其低功耗、低成 本、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，得到了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究學(xué)者們的青睞。 本文重點(diǎn)研究了基于 RSSI 的室內(nèi)定位的關(guān)鍵技術(shù)，主要包括定位模型分 析和定位算法設(shè)計(jì)。首先，為了獲得較為精確

2、的定位，根據(jù) RSSI 測距原理和 無線信號傳播衰減模型在設(shè)定的室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，通過計(jì)算及均值處理 等方法反復(fù)調(diào)整以獲得標(biāo)準(zhǔn)的定位模型參數(shù)，得到高精度的等效距離。接著， 根據(jù)三邊定位算法原理簡化定位算法，建立更為簡單的定位模型，采用雙邊定 位得到兩個可能的定位點(diǎn)，再利用 RSSI 測距原理對兩個定位點(diǎn)進(jìn)行擇優(yōu)選擇 確定定位點(diǎn)。最后，在 Arduino 開發(fā)平臺上對參考節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)這兩類 iDuino 節(jié)點(diǎn)的室內(nèi)定位模型進(jìn)行了軟件開發(fā)設(shè)計(jì)和程序開發(fā)。在設(shè)定的室內(nèi)環(huán) 境部署 iDuino 節(jié)點(diǎn)，搭建實(shí)驗(yàn)定位模型，并實(shí)現(xiàn)了定位。 關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)，室內(nèi)定位，RSSI，Arduin

3、o ABSTRACT Wireless sensor network (WSN) is developed rapidly and universally emphasized as a new network technology in recent years, the advent and development of WSN have had a profound and lasting impact on the life and all areas of production of human beings. Wireless nodes localization technolo

4、gy is the basis in the application and studies of wireless sensor network. There are a variety of positioning technology have been used in indoor location at present, especially the based on RSSI (received signal strength) positioning technology gets a great preference from many scholars of studies

5、of wireless sensor network with the advantages of low power consumption, low cost and easy to realize. This paper mainly studies the key technology of indoor positioning based on RSSI, which mainly includes the positioning model analysis and positioning algorithm design. First, in order to obtain mo

6、re accurate positioning, we perform several experiments according to the RSSI ranging principle and wireless signal propagation attenuation model in the setting of indoor environment, and get accurate positioning model parameters and equivalent distance by the methods of calculation and mean process

7、ing. Then, we simplify Trilateral Localization Algorithm to Bilateral Location Algorithm and establish a simpler positioning model, with which we can get two nodes of possible location, and determine the better node according to the RSSI ranging principle. At last, we make software designing and pro

8、gramming of these nodes that are anchor nodes and nodes of unknown on the Arduino development platform. Combined with the indoor environment we selected, we deploy the iDuino nodes and then build location model, with which we implement the location. KEY WORDS：Wireless Sensor Network，Nodes，Indoor Loc

9、ation，RSSI，Arduino 目 錄 第一章第一章 緒論緒論.1 1.1 選題目的與意義.1 1.2 研究背景.2 1.2.1 國內(nèi)外研究狀況.2 1.2.2 室內(nèi)定位技術(shù).3 1.2.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng).6 1.3 論文章節(jié)安排.7 第第二二章章 無無線線傳傳感感器器網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)定定位位技技術(shù)術(shù).8 2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).8 2.1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu).8 2.1.2 無線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu).9 2.1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧.10 2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位機(jī)制.11 2.2.1 基于測距的定位技術(shù).11 2.2.2 與距離無關(guān)的定位技術(shù).13 2.3 常用的室

10、內(nèi)節(jié)點(diǎn)定位算法.13 2.3.1 三邊測量法.13 2.3.2 三角測量法.14 2.3.3 極大似然估計(jì)算法.15 2.3.4 DV-Hop 定位算法.16 2.3.5 APIT 定位算法.16 2.3.6 加權(quán)質(zhì)心算法.17 2.4 定位系統(tǒng)和算法的性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn).18 第三章第三章 基于基于 RSSI 的室內(nèi)定位模型分析及算法設(shè)計(jì)的室內(nèi)定位模型分析及算法設(shè)計(jì) .18 3.1 RSSI 測距原理.18 3.1.1 無線信號傳播損耗模型.19 3.1.2 RSSI 測距模型18.20 3.2 RSSI 測距實(shí)驗(yàn).21 3.3 基于 RSSI 的三邊定位簡化算法.25 第四章第四章 基于基于 I

11、DUINO 節(jié)點(diǎn)的室內(nèi)定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的室內(nèi)定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) .29 4.1 IDUINO節(jié)點(diǎn)簡介19.29 4.2 節(jié)點(diǎn)部署模型設(shè)計(jì).32 4.3 程序設(shè)計(jì).33 4.3.1 節(jié)點(diǎn)邏輯設(shè)計(jì)2,19.33 4.3.2 Arduino 程序體系結(jié)構(gòu)及程序語言基礎(chǔ)2,20.34 4.3.3 節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì).37 4.4 定位實(shí)驗(yàn).43 第五章第五章 總結(jié)與展望總結(jié)與展望.46 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).48 致致 謝謝.50 畢業(yè)設(shè)計(jì)小結(jié)畢業(yè)設(shè)計(jì)小結(jié).51 附附 錄錄.52 第一章 緒論 1.1 選題目的與意義 從 21 世紀(jì)初開始，物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）的概念和技術(shù)在全球得到 高度

12、重視。物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用拓展，它通過智能感知、識別技術(shù)與普適計(jì) 算等通信感知技術(shù)，把傳感器、控制器、機(jī)器、人和物等通過新的方式聯(lián)系在 一起，形成物與物、人與物聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)信息化、遠(yuǎn)程管理控制和智能化網(wǎng)絡(luò)， 也因此被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮1。國內(nèi) 外各大企業(yè)和高效開始將目光由傳統(tǒng)的通信行業(yè)轉(zhuǎn)向了物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)2，而與物 聯(lián)網(wǎng)密切關(guān)聯(lián)，基于大量具有通信功能的微型傳感器構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也 成為了國內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)。 WSN 是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通 信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處 理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域被感

13、知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。隨著微電子和微系統(tǒng) (Micro-Electro-Mechanism System，MEMS) 、片上系統(tǒng)（System on Chip，SOC）、無線通信以及低功耗嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò) （WSN）在軍事應(yīng)用、目標(biāo)追蹤、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療保健、空間探索等領(lǐng)域都得 到廣泛的應(yīng)用，為信息感知帶來了一場新變革，使得物與物、人與物、人與人 之間，甚至人身的交互感知更方便2。 傳感器節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的基本單位，節(jié)點(diǎn)的位置信息是 WSN 應(yīng)用的基礎(chǔ)，不能確定位置信息的節(jié)點(diǎn)所得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)是沒有任何意義 的，因而節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)在 WSN 中具有舉足輕重的

14、地位。 由美國國防部領(lǐng)導(dǎo)下的衛(wèi)星導(dǎo)航聯(lián)合計(jì)劃局（JPO）主導(dǎo)研究的全球定位 系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）是目前應(yīng)用最廣泛和成功的定位技術(shù)。 GPS 在許多嵌入式系統(tǒng)中被用于定位服務(wù)，如手機(jī)、導(dǎo)航系統(tǒng)或筆記本電腦等。 雖然 GPS 能提供高精度的位置信息，但對于大多數(shù)的 WSN 應(yīng)用并不適用。首 先，現(xiàn)有的 GPS 部件非常昂貴。其次，GPS 耗能高，將有可能對 WSN 生存期 產(chǎn)生額外的約束。另外，WSN 通常是靜止的，定位協(xié)議可能只需要在網(wǎng)絡(luò)初始 化周期執(zhí)行。因此，GPS 可能不能實(shí)現(xiàn)有效的成本效益3。GPS 主要應(yīng)用于船 舶、汽車、飛機(jī)等運(yùn)動物體進(jìn)行定

15、位導(dǎo)航，只適合于在戶外使用。在室內(nèi)場合， 由于建筑布局復(fù)雜、場景特定、再加上人員活動等不確定隨機(jī)因素，存在著多 徑效應(yīng)和非視距傳輸?shù)挠绊懀沟檬覂?nèi)信道環(huán)境復(fù)雜，微波信號衰減厲害、測 量誤差大，GPS 并不適用。而基于 IEEE 802.11 協(xié)議的無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network，WLAN）的定位技術(shù)已經(jīng)取得了巨大的研究成果，尤其是 近年來基于多種簡單定位機(jī)制和算法，技術(shù)相對簡單，低成本、低功耗、自組 織的 WSN 定位技術(shù)得到了科研人員的重視和大量研究，具有很好的應(yīng)用前景。 圖 1-1 列舉了 WSN 的主要應(yīng)用3。 無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 軍事 智能微粒 螺

16、旋偵察 狙擊手偵 測系統(tǒng) 環(huán)境 洪水、火 山、森林 火災(zāi)等監(jiān) 控 自然棲息 地監(jiān)控 醫(yī)療 人工視網(wǎng)膜 病人監(jiān)護(hù) 應(yīng)急響應(yīng) 人體檢查 藥品管理 家庭 用水監(jiān)控 火災(zāi)監(jiān)控 安防 智能家居 工業(yè) 定期檢修 結(jié)構(gòu)健康 偵測 圖 1-1 WSN 的應(yīng)用類別和舉例 現(xiàn)代社會人們對生產(chǎn)生活中的安防和智能化的需求越來越高，精確的定位 技術(shù)在許多室內(nèi)場景的實(shí)用性和必要性已經(jīng)日趨顯著4。在一些公共場所，例 如購物超市、展覽廳、辦公室、圖書館、地下停車場、監(jiān)獄等，人們都需要精 確的定位信息2。精確的室內(nèi)定位信息能夠?qū)崿F(xiàn)高效的空間利用，為人們的生 活帶來了諸多便利。例如在醫(yī)院進(jìn)行醫(yī)護(hù)人員與患者監(jiān)控管理，藥品和醫(yī)療設(shè)

17、備管理。如果有病人發(fā)生意外，定位系統(tǒng)就可以確定患者位置并通知最近的醫(yī) 護(hù)人員，進(jìn)行緊急處理；在圖書館布置帶有溫度和煙霧濃度的感知系統(tǒng)，如果 發(fā)生火災(zāi)系統(tǒng)能夠及時向監(jiān)控中心報(bào)告火災(zāi)的具體位置；在超市，可以通過對 消費(fèi)情況的監(jiān)控來對商品優(yōu)化擺放，減少消費(fèi)者尋找時間以及減輕擁堵情況4 等等。因此，室內(nèi)定位技術(shù)應(yīng)用前景廣闊，具有極大的研究價(jià)值和市場需求。 1.2 研究背景 1.2.1 國內(nèi)外研究狀況 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究最初起源于美國軍方，其研究的項(xiàng)目包括 CEC、REMBASS、TRSS、Sensor IT、WINS、Smart Dust、SeaWeb、AMPS、NEST 等5。美國國防部遠(yuǎn)景計(jì)劃研

18、究局已經(jīng)投資幾千萬美元，幫助無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 技術(shù)的研發(fā)。美國國家自然基金委員會（NSF）也開設(shè)了大量與其相關(guān)的項(xiàng)目， 如：2003 年制定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究計(jì)劃，每年撥款 3400 萬美元支持相關(guān) 研究項(xiàng)目，并在加州大學(xué)洛杉磯分校成立了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中心；2005 年對網(wǎng) 絡(luò)技術(shù)和系統(tǒng)的研究計(jì)劃中，主要研究下一代高可靠、安全的可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)、 可編程的無線及傳感器系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)特性，資助金額達(dá) 4000 萬美元。此外，美國 交通部、能源部、美國國家航空航天局也相繼啟動了相關(guān)的研究項(xiàng)目。 美國所有著名的院校幾乎都從事傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)的研究，如加州大學(xué) 洛杉磯分校、康奈爾大學(xué)、麻省理工學(xué)院和加州伯克

19、利分校等都先后開展了傳 感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究工作。加拿大、英國、德國、芬蘭、日本和意大利等國家 的研究機(jī)構(gòu)都先后開始了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。歐盟第 6 個框架計(jì)劃將“信息 社會技術(shù)”作為優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域之一，其中多處涉及對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。 日本總務(wù)省在 2004 年 3 月成立了“泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)”調(diào)查研究會。韓國信息通信 部制定了信息科技 839 戰(zhàn)略，其中“3”是指 IT 產(chǎn)業(yè)的 3 大基礎(chǔ)設(shè)施，即寬帶融 合網(wǎng)絡(luò)、泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)、下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。企業(yè)界中歐盟的 Philips、Siemens、Ericsson、ZMD、France、Chipcon 等公司，日本的 NEC、OKI、Skyl

20、eynetworks、世康、歐姆龍等公司都開展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 研究。 我國對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究起步較晚6，首次正式啟動出現(xiàn)于 1999 年中 國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程點(diǎn)領(lǐng)域方向研究的“信息與自動化領(lǐng)域研究報(bào)告”中， 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是該領(lǐng)域的五大重點(diǎn)項(xiàng)目之一。2001 年，中國科學(xué)院依托上海 微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所成立微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心，旨在引領(lǐng)中國科學(xué)院無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)工作。 在一份我國未來 20 年預(yù)見技術(shù)的調(diào)查報(bào)告中，信息領(lǐng)域 157 項(xiàng)技術(shù)課題中 有 7 項(xiàng)與傳感器網(wǎng)絡(luò)直接相關(guān)6。2006 年初發(fā)布的國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā) 展規(guī)劃綱要為信息技術(shù)定義了三個前沿方向，其中兩個與無線

21、傳感器網(wǎng)絡(luò)的 研究直接相關(guān)，即智能感知技術(shù)和自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。我國 2010 年遠(yuǎn)景規(guī)劃和 “十五”計(jì)劃中，就已經(jīng)將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)業(yè)之一2,7。2012 年教 育部也將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)納入科研重點(diǎn)項(xiàng)目7。近年來，國家自然科學(xué)基金委 員會對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的研究課題給予了大力資助，大量關(guān)于無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)的國家自然科學(xué)基金研究項(xiàng)目赫然在列。國家 863 高技術(shù)發(fā)展也設(shè)立了專 項(xiàng)基金，以資助無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究工作。 從 20 世紀(jì) 90 年代起，國內(nèi)外許多高校和研究機(jī)構(gòu)開始了室內(nèi)定位技術(shù)的 研究，也出現(xiàn)了一些成熟的室內(nèi)定位系統(tǒng)。例如 Active Badges11、Active

22、Bats、Cricket12、RADAR13等。Active Badges 與 Active Bats 定位系統(tǒng)都是由 AT #if defined(USBCON) USBDevice.attach(); #endif setup(); for (;) loop(); if (serialEventRun) serialEventRun(); return 0; Arduino程序采用C+進(jìn)行編寫，并在此基礎(chǔ)上添加了一些自定義的函數(shù)和 常量。只要沒有超過內(nèi)存限制，Arduino可以按照C+語法自由定義變量,它還繼 承了C+的運(yùn)算符，包括數(shù)學(xué)運(yùn)算法、邏輯運(yùn)算符和二進(jìn)制運(yùn)算符三部分內(nèi)容。 Ardu

23、ino程序可以使用所有的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)函數(shù)。 對于本論文采用的iDuino節(jié)點(diǎn)，因?yàn)樗鼪]有任何顯示設(shè)備，需要通過單片 機(jī)的串口來實(shí)現(xiàn)。Arduino提供了大量的串口函數(shù)，它使用靜態(tài)對象SerialX來代 表串口，但AVR很多單片機(jī)都有多于一個以上的串口，在本文中使用的Serial代 表UART0。本文主要用到以下幾個串口函數(shù)： void begin(unsigned long baud) ：初始化串口，并工作在數(shù)值為baud的 波 特率下，如本文使用的代碼 Serial.begin(38400); 則是啟動了UART0，并工作在38400的波特率下； void end()：關(guān)閉串口，如本文使用的代碼

24、 Serial.end(); 關(guān)閉了UART0，一旦串口被關(guān)閉，串口的其它函數(shù)將不會發(fā)生作用； print(data)：往串口寫入數(shù)據(jù)，可以是數(shù)字型的也可以是字符串； println(data)：和print(data)基本相同，不過在最后加上了回車換行； write(date)：往串口寫入一個字節(jié)。 iDuino自帶了一個名為MxRadio的無線通信庫，它是Smeshlink公司基于 uracoli和zigduinoRadio這兩個開源射頻庫改造的，能同時支持2.4G的802.15.4標(biāo) 準(zhǔn)和780M的802.15.4C標(biāo)準(zhǔn)，并具備跨平臺能力，用戶只需少許改動就可以很方 便地應(yīng)用到其它使用A

25、T86RF2XX射頻芯片的平臺上。 如圖4-6所示，即為Smeshlink公司集成Eclipse的SmeshStudio開發(fā)平臺上的 MxRadio無線通信庫。在程序編寫中必須勾選SmeshStudio Arduino擴(kuò)展庫中的 Arduino-MxRadio這一項(xiàng)，這樣經(jīng)燒入程序的iDuino節(jié)點(diǎn)才能實(shí)現(xiàn)無線收發(fā)數(shù)據(jù)。 這是在基于iDuino節(jié)點(diǎn)的室內(nèi)定位的軟件開發(fā)和程序編寫的關(guān)鍵步驟 圖4-6 Arduino-MxRadio無線通信庫 在節(jié)點(diǎn)程序中，調(diào)用MxRadio庫中的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)對Atmega128RFA1射頻芯 片的控制。本文中主要調(diào)用的庫函數(shù)如下： 初始化MxRadio庫 void

26、 begin(channel_t chan,uint16_t panid,uint16_t localaddress,bool needack,bool autotxval,bool autorxval); chan 表示通訊頻段，iDuinoRf212取值范圍是0-3，iDuinoRfa1取值范圍是 11-26；panid 表示個人區(qū)域網(wǎng)編號，如果是廣播發(fā)送，可以設(shè)定為 0 xFFFF；localaddress 表示本地地址編號；needack 表示是否要求接收方應(yīng)答， 如果要求應(yīng)答但卻沒有受到應(yīng)答包，則發(fā)送方會再次發(fā)送4次；autorxval 表示 是否為自動發(fā)送模式，如果是，則會自動進(jìn)行

27、沖突檢測并重發(fā)；autorxval 表示 是否為自動接收模式，如果是，則會自動過濾掉不屬于自己得數(shù)據(jù)包。 設(shè)置回調(diào)函數(shù) void attachReceiveFrame(uint8_t* (*funct)(uint8_t, uint8_t*, uint8_t,int8_t, uint8_t); attachReceiveFrame 用于設(shè)定接收數(shù)據(jù)的處理，其參數(shù)分別是數(shù)據(jù)包程度， 數(shù)據(jù)包內(nèi)容，數(shù)據(jù)鏈路質(zhì)量指示LQI值,接收時的能量值ED，RSSI，CRC判錯。 發(fā)送數(shù)據(jù)包 發(fā)送數(shù)據(jù)有一般模式和精簡模式兩種，本文采用一般模式。不管在何種模 式下，都是以數(shù)據(jù)包為最小傳輸單位。在一般模式下，發(fā)送數(shù)據(jù)需

28、要三步： （1）開始發(fā)送 void beginTransmission(uint16_t destaddress); 寫入數(shù)據(jù)前，用戶必須調(diào)用 beginTransmission 方法，傳入?yún)?shù)表示目標(biāo) 地址，如果沒有參數(shù)，則表示發(fā)送廣播數(shù)據(jù)。 （2）寫入要發(fā)送的數(shù)據(jù) void write(uint8_t* arr, uint8_t len); 在一個數(shù)據(jù)包內(nèi)，用戶可以寫入多種數(shù)據(jù)，但 802.15.4/c 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定一個數(shù) 據(jù)包的最大長度為128，再加上包頭9個字節(jié)和包尾2個字節(jié)的數(shù)據(jù)，實(shí)際的有效 數(shù)據(jù)最大為116個字節(jié)。 （3）結(jié)束發(fā)送 void endTransmission(); 用戶可

29、以調(diào)用 endTransmission 真正結(jié)束發(fā)送數(shù)據(jù)。 接收數(shù)據(jù)包 iDuino 采用非緩沖方式數(shù)據(jù)接收，關(guān)鍵步驟如下： （1）定義數(shù)據(jù)接收處理函數(shù)： onReceiveFrame(uint8_t len,uint8_t* frm,uint8_t lqi,int8_t ed,uint_t crc_fail) （2）設(shè)置數(shù)據(jù)接收處理函數(shù)指針到自己定位的函數(shù)： MxRadio.attachReceiveFrame(receivehandler) 獲取接收狀態(tài) 用戶在某些情況下還需要了解收發(fā)器在接收數(shù)據(jù)時的某些狀態(tài)信息，如信 號強(qiáng)度（RSSI） ，鏈路質(zhì)量指示（LQI） ，能量檢測（ED）等信息

30、，MxRadio提 供的函數(shù)如下： int8_t getRssiNow(); 獲取當(dāng)前信號強(qiáng)度。 int8_t getLastRssi(); 獲取接收最近一個數(shù)據(jù)包時的信號強(qiáng)度。 uint8_t getLqi(); 獲取接收最近一個數(shù)據(jù)包時的鏈路質(zhì)量信息。 int8_t getLastEd(); 獲取接收最近一個數(shù)據(jù)包時的能量檢測信息。 int8_t getEdNow(); 獲取當(dāng)前的能量檢測信息。 4.3.3 節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì) 下面將分別簡要介紹參考節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)用程序。 參考節(jié)點(diǎn) 參考節(jié)點(diǎn)只需以廣播方式發(fā)送數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包里包含自身的位置信息，并 在程序中顯示數(shù)據(jù)包來源地址。不同的參考節(jié)點(diǎn)

31、的程序設(shè)計(jì)只需設(shè)置不同的地 址，其他的部分完全相同。 關(guān)鍵代碼如下： #include MxRadio.h uint16_t localaddress=1;/設(shè)定節(jié)點(diǎn)地址 uint16_t destaddress=0 xffff;/節(jié)點(diǎn)以廣播方式發(fā)送數(shù)據(jù)包 channel_t curchannel=11;/節(jié)點(diǎn)通信頻段 void setup() MxRadio.begin(curchannel,0 xffff,localaddress,false,false,true); /初始化MxRadio庫 void loop() MxRadio.beginTransmission(destaddres

32、s);/開始廣播發(fā)送數(shù)據(jù)包 MxRadio.write(hello world from);/在節(jié)點(diǎn)上顯示數(shù)據(jù)包來源 MxRadio.write(localaddress+0); MxRadio.write(!); MxRadio.endTransmission();/結(jié)束數(shù)據(jù)包發(fā)送 delay(2000); 未知節(jié)點(diǎn) 未知節(jié)點(diǎn)接收不同參考節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包及RSSI，接著進(jìn)行濾波、排序、距離映 射處理，然后利用基于RSSI三邊定位算法的簡化算法（雙邊定位算法）對自身 進(jìn)行定位計(jì)算，最后將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為字符串通過USB接口傳送到終端電腦上， 并利用串口進(jìn)行監(jiān)控觀察。程序流程圖如下： 接收參考節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)

33、包及 RSSI 基于 RSSI 三邊定位算法的簡化算法 （雙邊定位算法） RSSI 從大到小排序 RSSI 到距離 d 映射 RSSI 均值濾波處理 發(fā)送到終端電腦 數(shù)值到字符串轉(zhuǎn)換 開始 結(jié)束 圖4-7 未知節(jié)點(diǎn)程序流程圖 由于未知節(jié)點(diǎn)的程序較為復(fù)雜，下面分別從接收不同參考節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包及 RSSI、RSSI 到距離 d 映射和基于 RSSI 三邊定位算法的簡化算法（雙邊定位算 法）這三部分關(guān)鍵程序進(jìn)行說明。 接收不同參考節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包及 RSSI #include MxRadio.h uint16_t localaddress=0; channel_t curchannel=11; void se

34、tup() MxRadio.begin(curchannel,0 xffff,localaddress,false,false,true); Serial.begin(38400); void loop() if (MxRadio.available() Serial.println(); Serial.print(Rx: );/顯示發(fā)送數(shù)據(jù)包的源地址 while(MxRadio.available() Serial.write(MxRadio.read(); Serial.println(); Serial.print(LQI: );/顯示接收數(shù)據(jù)包內(nèi)容 Serial.print(MxRad

35、io.getLqi(), 10); Serial.print(, RSSI: );/顯示該接收節(jié)點(diǎn)的源地址節(jié)點(diǎn)的接收信號強(qiáng)度RSSI Serial.print(MxRadio.getLastRssi(), 10); Serial.print( dBm, ED: );/顯示能量ED Serial.print(MxRadio.getLastEd(), 10); Serial.println(dBm); 未知節(jié)點(diǎn)接收來自不同參考節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包及RSSI的監(jiān)控結(jié)果如圖4-8所示： 圖4-8 未知節(jié)點(diǎn)串口監(jiān)控結(jié)果接收不同節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包及RSSI 上圖中，“Rx: hello world from1!”表示接收

36、到地址為1的參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù) 據(jù)包；“LQI: 255, RSSI: -82 dBm, ED: -76dBm”表示參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包內(nèi)容， 包括數(shù)據(jù)鏈路指數(shù)LQI，接收信號強(qiáng)度RSSI和能量ED。 RSSI到距離d的映射 關(guān)鍵代碼如下所示： #include MxRadio.h uint16_t localaddress=0; channel_t curchannel=11; beacon rssival10; beacon rssival3TRI_BEACON; int i; int sflag=0; int rssivalindex=0; uint8_t* receivehandler(

37、uint8_t len,uint8_t* frm,uint8_t lqi,int8_t ed,uint8_t crc_fail) uint16_t srcaddress=(uint16_t)frm8*256+frm7; Serial.print(Src:); Serial.print(srcaddress); Serial.println(); Serial.print(RSSI:); int lastrssi=MxRadio.getLastRssi(); Serial.print(lastrssi); Serial.print(dBm); Serial.println(); rssivalr

38、ssivalindex.nodeid=srcaddress; rssivalrssivalindex.RSSI=lastrssi; rssivalrssivalindex.d=RSSI_to_distance(rssivalrssivalindex.RSSI); Serial.println(d=); Serial.print(rssivalrssivalindex.d,DEC); Serial.println(); Serial.println(RSSI_to_distance has been executed!); float RSSI_to_distance(float RSSI) f

39、loat d=0.0; float n=3.77;/信號衰減因子，需要調(diào)整 float A=82;/距離1m時的接收信號強(qiáng)度，需要實(shí)驗(yàn)測知 d=pow(10,-(RSSI+A)/(10*n); return(d); 未知節(jié)點(diǎn)與不同參考節(jié)點(diǎn)之間RSSI到距離之間的映射監(jiān)控結(jié)果如圖4-9所示： 圖4-9 未知節(jié)點(diǎn)串口監(jiān)控結(jié)果RSSI到距離d的映射 上圖中，“Src:1”表示接收到地址為1的參考節(jié)點(diǎn)；“RSSI:-58dBm”表示接收 信號強(qiáng)度；“d=0.”表示該參考節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間RSSI到距離d的映射結(jié)果； “RSSI_to_distance has been executed!”表示此映射結(jié)

40、果的完成。 基于RSSI三邊定位算法的簡化算法（雙邊定位算法） 關(guān)鍵代碼如下： void calculate(beacon bc3TRI_BEACON,float *eX,float *eY) float a=0,c=0,xi,yi,xj,yj,x,y,d,di,dj,sx1,sx2,sy1,sy2,t1,t2,fx,fy; xi=bc30.x; xj=bc31.x; yi=bc30.y; yj=bc31.y; di=bc30.d; dj=bc31.d; t1=0; t2=0; x=bc32.x; y=bc32.y; d=bc32.d; if(yi=yj) sx1=(pow(di,2)-pow

41、(dj,2)-(pow(xi,2)-pow(xj,2)/(2*(xj-xi); sx2=sx1; sy1=yi-sqrt(pow(di,2)-pow(xi-sx1),2); sy2=yi+sqrt(pow(di,2)-pow(xi-sx1),2); else a=0.5*(pow(xi,2)-pow(xj,2)+pow(yi,2)-pow(yj,2)-pow(di,2)+pow(dj,2)/(yi-yj); c=-1*(xi-xj)/(yi-yj); sx1=(c*yi+xi-a*c+sqrt(2*(c*xi+a)*yi-pow(yi,2)-pow(c,2)*pow(xi,2)-2*a*c*x

42、i- pow(a,2)+(1+pow(c,2)*pow(di,2)/(1+pow(c,2); sy1=a+c*sx1; sx2=(c*yi+xi-a*c-sqrt(2*(c*xi+a)*yi-pow(yi,2)-pow(c,2)*pow(xi,2)-2*a*c*xi- pow(a,2)+(1+pow(c,2)*pow(di,2)/(1+pow(c,2); sy2= a+c*sx2; t1=sqrt(pow(sx1-x),2)+pow(sy1-y),2); t2=sqrt(pow(sx2-x),2)+pow(sy1-y),2); if(abs(t1-d)abs(t2-d) fx=sx1; fy=

43、sy1; else fx=sx2; fy=sy2; *eX=fx; *eY=fy; Serial.println(Calculate has been executed !); return; 4.4 定位實(shí)驗(yàn) 定位實(shí)驗(yàn)的基本過程是：首先將編號的程序分別上載入?yún)⒖脊?jié)點(diǎn)和未知節(jié) 點(diǎn)；然后按照圖4-4節(jié)點(diǎn)部署模型在所選的室內(nèi)環(huán)境部署參考節(jié)點(diǎn)，并接入移動 電源為其功能，未知節(jié)點(diǎn)（連接電腦）隨機(jī)擺放在監(jiān)測區(qū)域；最后在電腦上通 過串口監(jiān)控軟件對未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控。 所監(jiān)測的實(shí)際室內(nèi)環(huán)境圖如下所示： 圖 4-10 星天苑 E 座單號區(qū) 501 宿舍 監(jiān)控結(jié)果如圖4-11所示： 圖4-11 未知節(jié)點(diǎn)串口監(jiān)控結(jié)

44、果顯示 上圖中，“Src:1”表示接收到地址為1的參考節(jié)點(diǎn)；“RSSI:-58dBm”表示接收 信號強(qiáng)度；“d=0.”表示該參考節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間RSSI到距離d的映射結(jié)果；接 下來是各個函數(shù)被一次執(zhí)行：RSSI_to_distance（RSSI等效距離），Rsort（排序） ，Caculate（定位算法），F(xiàn)loattostring（浮點(diǎn)型轉(zhuǎn)化為字符串）。最后，“The Estimate Location：x=500 y=650”表示通過算法計(jì)算得到的位置（500,650），單 位為mm。 將未知節(jié)點(diǎn)依次隨機(jī)布置在整個監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，將定位結(jié)果與實(shí)地測量未知 節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行比較，得到10組定位較為

45、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。定位結(jié)果對比模擬圖如下 所示： 2 4 1 3 走廊 樓 梯 樓 梯 陽 臺 x 0 y 1.02.0 3.0 4.0 1.02.0 參考節(jié)點(diǎn)位置 未知節(jié)點(diǎn)實(shí)際位置 未知節(jié)點(diǎn)定位估計(jì)位置 圖4-12 未知節(jié)點(diǎn)定位對比圖 通過以上定位對比圖得知，定位誤差約在在0.1m0.6m之間波動。導(dǎo)致誤差 波動的原因可能是：（1）不同的參考節(jié)點(diǎn)周圍的環(huán)境有所不同，使得即使等距 離的RSSI值不一定相同；（2）未知節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)之間的角度也可能對RSSI 值有所影響；（3）不同的參考節(jié)點(diǎn)之間本身物理特性存在著一些差異，使得同 一位置下測得的RSSI不同?？傮w來說，定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果還算理想，定位精度較高

46、。 第五章 總結(jié)與展望 本論文的研究課題是基于 Arduino 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位技術(shù)，主要 完成的工作如下： （1）根據(jù)無線信號傳播損耗模型建立 RSSI 測距模型，通過實(shí)驗(yàn)，利用均 值處理及最小二乘法原理計(jì)算出了測距模型中的重要參數(shù)值。 （2）簡化了基于 RSSI 的三邊定位算法雙邊定位算法。該算法簡單易 于理解，占用內(nèi)存小。實(shí)驗(yàn)證明，在短距離的定位中精度較為理想。 （3）實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用了基于 Arduino 開發(fā)平臺的 iDuino 傳感器節(jié)點(diǎn)，完成了 參考節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)的程序編寫；并在監(jiān)測區(qū)域部署節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了定位。節(jié)點(diǎn) 通信良好，定位較為準(zhǔn)確。 雖然基本完成定位的目的，并在實(shí)際中得到

47、了一定的成效，但由于時間倉 促，對于該課題的研究還不夠全面。下面提出 4 點(diǎn)改進(jìn)方案： （1）所選的室內(nèi)環(huán)境區(qū)域狹小，節(jié)點(diǎn)部署方案不夠全面，當(dāng)節(jié)點(diǎn)靠近墻體 時接收信號強(qiáng)度會被墻體吸收而衰減增大，從而導(dǎo)致誤差增大，定位精度降低。 （2）單一的定位算法并不適用于不同的環(huán)境特性。針對不同的環(huán)境條件， 可以選擇不同的定位算法來實(shí)現(xiàn)定位。 （3）為了實(shí)現(xiàn)較為精確的定位，iDuino 節(jié)點(diǎn)之間間距偏小，使得監(jiān)測區(qū)域 節(jié)點(diǎn)部署密度偏大，這樣會增加成本。同時，也可能造成節(jié)點(diǎn)之間信號傳播混 亂，影響接收信號強(qiáng)度，降低定位精度。后期研究應(yīng)當(dāng)選擇更加監(jiān)測距離的節(jié) 點(diǎn)。 （4）二維的定位系統(tǒng)在實(shí)際生活中對于實(shí)際室內(nèi)的

48、智能應(yīng)用并無多大用途， 研究應(yīng)當(dāng)擴(kuò)展到三維層面上來。這對于定位的要求更高，難度更大，是一個值 得研究的方向。 參考文獻(xiàn) 1 物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論M. 科學(xué)出版社，科學(xué)出版社，2010. 2 張婧張婧. 基于基于Arduino的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)室內(nèi)定位技術(shù)研究的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)室內(nèi)定位技術(shù)研究D. 西北工西北工 業(yè)大學(xué)，業(yè)大學(xué)，2015. 3 徐平平徐平平. 劉昊，褚宏云等譯劉昊，褚宏云等譯. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)M. 電子工業(yè)出版社，電子工業(yè)出版社，2013. 4 王琦王琦. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)D. 西安電子科西

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59、ia Engineering, 2010, 5: 220-223 33 聶玉峰，王振海聶玉峰，王振海. 數(shù)值方法簡明教程數(shù)值方法簡明教程M. 高等教育出版社，高等教育出版社，2011. 致 謝 時間荏苒，四年的大學(xué)本科生活即將結(jié)束，也代表著我的研究生學(xué)習(xí)生活 即將開始。在這個重要的轉(zhuǎn)折點(diǎn)上，畢業(yè)設(shè)計(jì)，作為大學(xué)本科階段的最后一次 綜合性大作業(yè)，它培養(yǎng)和提高了我獨(dú)立分析和解決問題的能力，并進(jìn)一步培養(yǎng) 了我的科研能力，為研究生學(xué)習(xí)階段做了個很好的鋪墊。 在畢業(yè)設(shè)計(jì)的整個過程中，我的指導(dǎo)老師程偉老師給了我莫大的幫助。 大學(xué)期間，我不太專注于學(xué)習(xí)，在不相干的事上浪費(fèi)了很多的課余時間。久而 久之養(yǎng)成了懶散

60、與拖延的壞毛病。在畢業(yè)設(shè)計(jì)前期，自認(rèn)為時間還很富裕，所 以研究成效甚微。幸好有程偉老師的監(jiān)督與督促，才使得我在緩慢的研究過程 中至少沒有止步不前。其實(shí)，在畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，我最擔(dān)心害怕的是程序部 分。因?yàn)樵诒究茖W(xué)習(xí)階段，對于程序相關(guān)學(xué)科的學(xué)習(xí)比較吃力，自己的編程能 力也很弱。所幸的是，程偉老師手里已經(jīng)有了完整的源代碼，在編程過程中只 需要按程序框圖正確地拼湊起來即可。并且他還幫我檢查了關(guān)鍵代碼部分，這 加快了我的畢業(yè)設(shè)計(jì)的進(jìn)度，得以為其他工作騰出了充足的時間。 感謝程偉老師的嚴(yán)格的監(jiān)督和悉心的指導(dǎo)，他溫和而平易近人的性格讓我 倍感親切。 感謝我的室友齊藝超，祁之星，王博睿，是他們讓我的大學(xué)本科