无线传感器网络中基于RSSI的节点距离预测

 

　　随着无线传感器网络研究的不断深入，应用已经逐渐成为人们关注的焦点。各种在特定应用背景下的研究层出不穷，如环境监测、目标跟踪、安全监控等领域。位置信息对传感器网络的监测活动至关重要，事件发生的位置或获取信息的节点位置是传感器网络节点监测消息中包含的重要信息，了解传感器节点位置信息不仅可以获取路由信息，而且可以进行节点定位等。测距的误差在很大程度上决定了目标定位及跟踪的误差。常用的定位方法必须测量节点间的距离，一般测距方式有红外线、GPS、超声波和接收信号强度指示器(RSSI)等。

　　红外线、GPS和超声测距都需要额外的硬件，增加了节点的硬件成本和尺寸。GPS和红外线测距误差较大，而利用超声方法测距很精确，测距误差只有10 cm，但是受气温、湿度等的影响较大，不适合在室外使用。基于RSSI的定位无需额外硬件，利用对接收无线信号的强度判断，推导收发节点间的距离，计算接收无线信号强度是商用无线收发芯片具备的功能。基于RSSI的测距提供了最廉价的定位方法，而且节点没有添加任何部件。基于超声的测距虽然定位精度较高，但是需要添加硬件、增加节点成本和尺寸。所以，基于RSSI的测距是无线传感器网络定位较常采用的方法。首先对RSSI进行预处理，再通过预测模型预测距离的值，不但提高了基于RSSI的测距精度，而且实现了低成本的测距。

　　1 BP网络的模型结构与算法

　　BP网络是神经网络中采用误差反传算法作为其学习算法的前馈网络，通常由输入层、输出层和隐含层(一层或多层)构成。层与层之间的神经元采用全互连的连接方式，通过相应的网络权系数w相互联系，每层内的神经元之间没有连接。图1所示为具有一个隐含层的BP网络模型。其中：LA为BP神经网络的输入层，LB为隐层，LC为输出层，Wir为隐层与输入层的权值，Vrj为输出层与隐层的权值。

　　

 

　　2 实验平台及数据的预处理

　　2.1 RSSI值获取

　　实验在空旷的无障碍物的广场进行。基于Tiny()S系统，以克尔斯博的Iris节点为实验平台，0号节点为固定节点，用于接收数据。发送和接收节点均使用短杆状天线，节点放置高度为2 m左右。固定0号节点，移动发射节点。经过大量的实验分析得出，RSSI在10 m的范围内随着距离的增加变化比较明显，而10 m以后，RSSI值随距离变化不明显。如果测量距离超过10 m，则测距的精度得不到保证，所以此实验的测试范围限定在0～10 m。实验人员拿着移动节点，从固定节点处沿着直线均匀走动，当走到10 m处停止接收数据，记录整个连续移动过程的实验数据。

　　3个工作人员分别拿着移动终端在0～10 m的范围内匀速前进，得到的RSSI值与距离的关系如图2所示。

　　

 

　　由图2可以看出，不同的人员拿着移动终端前进，RSSI与距离的关系曲线基本一致，说明RSSI值与距离的关系符合一定的衰减规律。

　　在相同的实验平台下，在0～10 m的范围内，每间隔0.2 m或者0.3 m记录RSSI值，每个距离均接收100个左右的数据包，对RSSI先进行均值处理，然后得出RSSI值与距离的关系曲线如图3所示。

　　

 

　　对比图2和图3得出，停顿走比连续走时的RSSI值与距离的关系曲线更平滑，衰减更慢。因为连续走的时候，信号会受到人身体走动或者旁边干扰物的影响，出现不同程度的突变。为了确保距离预测值的精度，因此以停顿测量的数据作为测试样本。