無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于RSSI的節(jié)點(diǎn)距離預(yù)測(cè)

摘要：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)大量應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測(cè)、目標(biāo)跟蹤、安全監(jiān)控等領(lǐng)域，因此網(wǎng)絡(luò)的自身定位是大多數(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。常用的定位方法必須測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離。為了預(yù)測(cè)距離值，根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲取的RSSI值與對(duì)應(yīng)的距離值，先對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，建立面向Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特性和Matlab工具箱的強(qiáng)大功能，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。預(yù)測(cè)結(jié)果表明，距離精度達(dá)到1 m之內(nèi)。
關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；距離預(yù)測(cè)；濾波處理；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

引言
隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的不斷深入，應(yīng)用已經(jīng)逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。各種在特定應(yīng)用背景下的研究層出不窮，如環(huán)境監(jiān)測(cè)、目標(biāo)跟蹤、安全監(jiān)控等領(lǐng)域。位置信息對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)活動(dòng)至關(guān)重要，事件發(fā)生的位置或獲取信息的節(jié)點(diǎn)位置是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)消息中包含的重要信息，了解傳感器節(jié)點(diǎn)位置信息不僅可以獲取路由信息，而且可以進(jìn)行節(jié)點(diǎn)定位等。測(cè)距的誤差在很大程度上決定了目標(biāo)定位及跟蹤的誤差。常用的定位方法必須測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離，一般測(cè)距方式有紅外線、GPS、超聲波和接收信號(hào)強(qiáng)度指示器(RSSI)等。
紅外線、GPS和超聲測(cè)距都需要額外的硬件，增加了節(jié)點(diǎn)的硬件成本和尺寸。GPS和紅外線測(cè)距誤差較大，而利用超聲方法測(cè)距很精確，測(cè)距誤差只有10 cm，但是受氣溫、濕度等的影響較大，不適合在室外使用。基于RSSI的定位無(wú)需額外硬件，利用對(duì)接收無(wú)線信號(hào)的強(qiáng)度判斷，推導(dǎo)收發(fā)節(jié)點(diǎn)間的距離，計(jì)算接收無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度是商用無(wú)線收發(fā)芯片具備的功能。基于RSSI的測(cè)距提供了最廉價(jià)的定位方法，而且節(jié)點(diǎn)沒(méi)有添加任何部件。基于超聲的測(cè)距雖然定位精度較高，但是需要添加硬件、增加節(jié)點(diǎn)成本和尺寸。所以，基于RSSI的測(cè)距是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位較常采用的方法。首先對(duì)RSSI進(jìn)行預(yù)處理，再通過(guò)預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)距離的值，不但提高了基于RSSI的測(cè)距精度，而且實(shí)現(xiàn)了低成本的測(cè)距。

1 BP網(wǎng)絡(luò)的模型結(jié)構(gòu)與算法
BP網(wǎng)絡(luò)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中采用誤差反傳算法作為其學(xué)習(xí)算法的前饋網(wǎng)絡(luò)，通常由輸入層、輸出層和隱含層(一層或多層)構(gòu)成。層與層之間的神經(jīng)元采用全互連的連接方式，通過(guò)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)權(quán)系數(shù)w相互聯(lián)系，每層內(nèi)的神經(jīng)元之間沒(méi)有連接。圖1所示為具有一個(gè)隱含層的BP網(wǎng)絡(luò)模型。其中：LA為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層，LB為隱層，LC為輸出層，Wir為隱層與輸入層的權(quán)值，Vrj為輸出層與隱層的權(quán)值。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及數(shù)據(jù)的預(yù)處理
2．1 RSSI值獲取
實(shí)驗(yàn)在空曠的無(wú)障礙物的廣場(chǎng)進(jìn)行。基于Tiny()S系統(tǒng)，以克爾斯博的Iris節(jié)點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，0號(hào)節(jié)點(diǎn)為固定節(jié)點(diǎn)，用于接收數(shù)據(jù)。發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)均使用短桿狀天線，節(jié)點(diǎn)放置高度為2 m左右。固定0號(hào)節(jié)點(diǎn)，移動(dòng)發(fā)射節(jié)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)分析得出，RSSI在10 m的范圍內(nèi)隨著距離的增加變化比較明顯，而10 m以后，RSSI值隨距離變化不明顯。如果測(cè)量距離超過(guò)10 m，則測(cè)距的精度得不到保證，所以此實(shí)驗(yàn)的測(cè)試范圍限定在0～10 m。實(shí)驗(yàn)人員拿著移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，從固定節(jié)點(diǎn)處沿著直線均勻走動(dòng)，當(dāng)走到10 m處停止接收數(shù)據(jù)，記錄整個(gè)連續(xù)移動(dòng)過(guò)程的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。