基于xml和lssvr的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)三維定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于xml和lssvr的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)三維定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0基于分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)的wsn節(jié)點(diǎn)定位無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wsd）是一個(gè)分布傳感器網(wǎng)絡(luò)。它由大量廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無(wú)線通信形成一個(gè)完整的自動(dòng)組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在WSN節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，WoojinKim等人設(shè)計(jì)并初步實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于LSSVR和MIB600的聲學(xué)WSN節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)1遠(yuǎn)征跟蹤和lssr定位原理1.1射頻因子法在無(wú)線通信過程中，發(fā)送設(shè)備發(fā)射時(shí)的信號(hào)功率和接收設(shè)備接收信號(hào)時(shí)的信號(hào)功率存在如式（1）所示的關(guān)系。式中：P將式（1）等號(hào)兩邊進(jìn)行取對(duì)數(shù)運(yùn)算可得：由于節(jié)點(diǎn)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(hào)左邊10lgP式中，A為射頻因子，通常取發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備相距1m時(shí)的無(wú)線信號(hào)的強(qiáng)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(dòng)節(jié)點(diǎn)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(dòng)未知節(jié)點(diǎn)的三維空間映射關(guān)系，可以構(gòu)建移動(dòng)未知節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)模型。假設(shè)三維空間探測(cè)區(qū)域Q=[0,D]×[0,D]×[0,D]內(nèi)隨機(jī)分布著M個(gè)具有相同無(wú)線射程的傳感器節(jié)點(diǎn){S假設(shè)未知節(jié)點(diǎn)T由于未知節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向是隨機(jī)的，因此，未知節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)模型為：基于LSSVR的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位過程如下1）根據(jù)LSSVR的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)建模原理，在t2）在時(shí)刻t3）若滿足LSSVR移動(dòng)節(jié)點(diǎn)模型中的包含條件，那么可以采用t2移動(dòng)節(jié)點(diǎn)三維網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.1實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置本文搭建的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)三維定位實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件組成如下：1）一臺(tái)用于數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)的處理器為IntelCore2)6個(gè)TI公司生產(chǎn)的CC2530無(wú)線傳感器模塊，其中包括協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)1個(gè)，錨節(jié)點(diǎn)4個(gè)，未知節(jié)點(diǎn)1個(gè)；3）一輛可以變速運(yùn)動(dòng)的遙控履帶車。移動(dòng)小車可以通過PS2遙控手柄進(jìn)行遙控，通過遙控按鍵調(diào)節(jié)PWM占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)小車速度控制。要定位的未知節(jié)點(diǎn)安裝在該移動(dòng)小車上，以模擬未知節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)。本文的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)三維定位實(shí)驗(yàn)環(huán)境選擇室外大于10m×10m×10m的三維空曠環(huán)境，搭建的實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境如圖2所示。在定位過程中，移動(dòng)小車上的未知節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)過程中以極短周期間隔向WSN網(wǎng)絡(luò)廣播帶有信道時(shí)序序號(hào)和發(fā)射功率的數(shù)據(jù)包。錨節(jié)點(diǎn)接收網(wǎng)絡(luò)中廣播的數(shù)據(jù)包，將自身的坐標(biāo)與RSSI的值分時(shí)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行LSSVR快速建模定位。2.2維定位軟件c#.企業(yè)網(wǎng)絡(luò)定位WSN移動(dòng)節(jié)點(diǎn)三維定位系統(tǒng)采用Z-Stack-CC2530-2.5.1a協(xié)議棧進(jìn)行組網(wǎng)，開發(fā)環(huán)境為IAR8.10。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)，將RSSI測(cè)距算法和LSSVR節(jié)點(diǎn)定位算法編譯成C#語(yǔ)言可調(diào)用的算法動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，即dll文件。同時(shí)，基于Javascript的商業(yè)級(jí)圖表庫(kù)Echarts，建立10m×10m×10m的三維笛卡爾坐標(biāo)系，用于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位的坐標(biāo)實(shí)時(shí)顯示。2.2.1節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)的功能主要負(fù)責(zé)向網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)通信，使路由器節(jié)點(diǎn)接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)射的無(wú)線數(shù)據(jù)，并獲取兩節(jié)點(diǎn)間的RSSI值。終端節(jié)點(diǎn)功能的軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。2.2.2依據(jù)二通道的網(wǎng)絡(luò)互通，確定并實(shí)現(xiàn)了以大范圍節(jié)點(diǎn)為目標(biāo)的功能路由器節(jié)點(diǎn)的功能主要是負(fù)責(zé)接收終端節(jié)點(diǎn)的廣播信息，并將自身坐標(biāo)與RSSI值打包發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。路由器節(jié)點(diǎn)加入到網(wǎng)絡(luò)后，可以利用路由器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)定位中也有負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功能。路由器節(jié)點(diǎn)功能的軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。首先，進(jìn)行設(shè)備初始化，然后申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)。加入成功后，協(xié)調(diào)器為其分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址，然后等待接收數(shù)據(jù)。當(dāng)接收到定位請(qǐng)求時(shí)，向未知節(jié)點(diǎn)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(dāng)接收到傳感器數(shù)據(jù)時(shí)，則轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，然后繼續(xù)等待接收數(shù)據(jù)。2.2.3節(jié)點(diǎn)功能軟件設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是WSN自組網(wǎng)定位的重要組成部分，負(fù)責(zé)組建WSN、管理網(wǎng)路中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)、接收路由器節(jié)點(diǎn)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(tái)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)功能軟件的實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。協(xié)調(diào)器首先進(jìn)行設(shè)備的初始化，期間包括通過信道掃描選擇合適的信道，設(shè)定PANID，選擇網(wǎng)絡(luò)地址和設(shè)定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。網(wǎng)絡(luò)建立后，各節(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求入網(wǎng)的信號(hào)。如果協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)所監(jiān)測(cè)的信息完全符合入網(wǎng)的要求，則由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)為各節(jié)點(diǎn)發(fā)送網(wǎng)絡(luò)地址，完成協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和各節(jié)點(diǎn)的通信功能。3移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的三維定位實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析3.1移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位實(shí)驗(yàn)WSN移動(dòng)節(jié)點(diǎn)三維定位的實(shí)驗(yàn)步驟如下：1）按照節(jié)點(diǎn)類別分別將編譯好的程序下載到各個(gè)WSN節(jié)點(diǎn)中；2）將4個(gè)錨節(jié)點(diǎn)依次按照坐標(biāo)（0,0,0),(10,0,0),(0,10,0),(0,0,10）位置放置，坐標(biāo)單位為m;3）打開路由器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、未知節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)電源，進(jìn)行WSN自組網(wǎng)；4）將移動(dòng)未知節(jié)點(diǎn)放置于定位監(jiān)測(cè)環(huán)境中，起始坐標(biāo)為（5,0,0）點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)員通過控制移動(dòng)小車，使未知節(jié)點(diǎn)分別以20cm/s和40cm/s的速度做勻速直線運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)小車的終點(diǎn)坐標(biāo)為（5,10,0）點(diǎn)；5）打開定位系統(tǒng)軟件，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，系統(tǒng)的定位時(shí)間間隔為1000ms，通過串口接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行未知節(jié)點(diǎn)的定位，依次獲取移動(dòng)未知節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)。定位實(shí)驗(yàn)流程如圖6所示。在對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位實(shí)驗(yàn)過程中，主要包括以下三個(gè)過程：1）網(wǎng)絡(luò)初始化階段。進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組建和網(wǎng)絡(luò)地址分配，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化；2）定位階段。錨節(jié)點(diǎn)接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，通過分時(shí)通信機(jī)制將RSSI值和錨節(jié)點(diǎn)自身位置發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)并上傳給定位軟件，定位軟件確定接收到4個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后進(jìn)行建模定位；3）顯示階段。將定位坐標(biāo)結(jié)果進(jìn)行顯示。3.2節(jié)點(diǎn)以40cm/s的速度移動(dòng)時(shí)的定位誤差通過WSN移動(dòng)節(jié)點(diǎn)三維定位系統(tǒng)對(duì)不同速度下的移動(dòng)未知節(jié)點(diǎn)定位，得到的定位結(jié)果如圖7和圖8所示。其中，圖7a）為移動(dòng)未知節(jié)點(diǎn)以20cm/s的速度移動(dòng)時(shí)的定位效果，圖7b）為相應(yīng)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位誤差，圖8a）為移動(dòng)未知節(jié)點(diǎn)以40cm/s的速度移動(dòng)時(shí)的定位效果，圖8b）為相應(yīng)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)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(zhǔn)確實(shí)時(shí)地顯示節(jié)點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)和位置。同時(shí)，由圖7b）可知，采用研制的WSN節(jié)點(diǎn)三維定位系統(tǒng)對(duì)20cm/s速度的移動(dòng)未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(dòng)節(jié)點(diǎn)三維定位系統(tǒng)對(duì)40cm/s速度的移動(dòng)未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研制的WSN移動(dòng)節(jié)點(diǎn)三維定位系統(tǒng)可在真實(shí)環(huán)境下對(duì)勻速直線運(yùn)動(dòng)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，定位實(shí)時(shí)性較好，定位精度較高。4室外空間場(chǎng)本文對(duì)真實(shí)環(huán)境下WSN