本發(fā)明涉及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)RSSI衰減模型實(shí)地校準(zhǔn)裝置及方法。

背景技術(shù)：

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN)由大量成本低廉的傳感器節(jié)點(diǎn)以無(wú)線通訊的方式組建而成，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可獨(dú)立進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸?；赗SSI的WSN定位技術(shù)依靠信號(hào)衰減模型，把采集得到的RSSI信息轉(zhuǎn)化為距離數(shù)據(jù)，并通過位置解算實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位。

然而在非視距傳輸環(huán)境中，由于高頻無(wú)線信號(hào)易受地形、障礙物的影響，存在明顯的多徑傳播和小尺度衰落現(xiàn)象，單一的理論模型不能有效描述不同網(wǎng)絡(luò)架設(shè)環(huán)境中的衰減特性。因此，傳播模型的估算偏差是定位過程中最主要的誤差來(lái)源。為了減小環(huán)境因素對(duì)距離估算的影響，提高系統(tǒng)測(cè)距精度和定位性能，需對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行實(shí)地校準(zhǔn)和現(xiàn)場(chǎng)修正，使模型能準(zhǔn)確反映實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的信號(hào)傳輸特性，從而確保定位系統(tǒng)能在各類環(huán)境中獲得較高的測(cè)算精度。

在現(xiàn)有技術(shù)中，采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和RSSI測(cè)距結(jié)合的定位系統(tǒng)通常依靠傳統(tǒng)的對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型，尚未發(fā)現(xiàn)采用硬件裝置實(shí)現(xiàn)模型參數(shù)校準(zhǔn)的電路設(shè)計(jì)或同類研究。特別是對(duì)于RSSI衰減模型的測(cè)距算法，多數(shù)專利的距離估算模型參數(shù)采用經(jīng)驗(yàn)值代替，而較少通過實(shí)地校準(zhǔn)的方式予以精確修正。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明的目的在于提供一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)RSSI衰減模型實(shí)地校準(zhǔn)裝置，減小RSSI測(cè)距誤差，進(jìn)而提高定位系統(tǒng)的性能。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)RSSI衰減模型實(shí)地校準(zhǔn)方法。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)RSSI衰減模型實(shí)地校準(zhǔn)裝置，包括超聲波測(cè)距模塊、人機(jī)交互模塊、射頻收發(fā)模塊和微處理器；所述超聲波測(cè)距模塊、人機(jī)交互模塊、射頻收發(fā)模塊分別與微處理器連接；

所述超聲波測(cè)距模塊用于測(cè)量無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)RSSI衰減模型實(shí)地校準(zhǔn)裝置與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的距離；

所述微處理器用于控制校準(zhǔn)流程并進(jìn)行測(cè)距數(shù)據(jù)運(yùn)算；

所述人機(jī)交互模塊用于根據(jù)測(cè)距數(shù)據(jù)與用戶進(jìn)行交互；

所述射頻收發(fā)模塊用于測(cè)量RSSI值，并將校準(zhǔn)結(jié)果發(fā)送到WSN定位網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)RSSI衰減模型實(shí)地校準(zhǔn)裝置，還包括電源管理模塊，所述電源管理模塊與微處理器連接。

所述超聲波測(cè)距模塊為RBURF02型超聲波測(cè)距模塊。

所述微處理器為MSP430F4132型單片機(jī)。

所述射頻收發(fā)模塊采用附帶Zigbee射頻通信模塊的CC2530型芯片。

所述人機(jī)交互模塊包括LCD1602和有源蜂鳴器；所述LCD1602和有源蜂鳴器分別與微處理器相連。

基于所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)RSSI衰減模型實(shí)地校準(zhǔn)裝置的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)RSSI衰減模型實(shí)地校準(zhǔn)方法，對(duì)每個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的循環(huán)監(jiān)測(cè)過程包括以下步驟：

(1)微處理器控制超聲波測(cè)距模塊測(cè)量目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)RSSI衰減模型實(shí)地校準(zhǔn)裝置之間的實(shí)際距離，測(cè)量結(jié)果記為d_US；

(2)微處理器控制射頻收發(fā)模塊，利用當(dāng)前定位網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的衰減模型參數(shù)，通過RSSI測(cè)量本裝置與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的距離，測(cè)量結(jié)果記為d_RSSI；

(3)微處理器計(jì)算d_US-d_RSSI，若|d_US-d_RSSI|≥1.5m，進(jìn)行步驟(4)；否則，跳過本輪校準(zhǔn)過程；

(4)校準(zhǔn)主流程：

(4-1)超聲波測(cè)距模塊與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)綁定，確定其MAC地址，并組建網(wǎng)絡(luò)；

(4-2)從預(yù)先存放于微處理器內(nèi)的校準(zhǔn)距離序列中取出第i輪循環(huán)的校準(zhǔn)距離值D(i),i為正整數(shù)；

(4-3)用戶手持無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)RSSI衰減模型實(shí)地校準(zhǔn)裝置，調(diào)整無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)RSSI衰減模型實(shí)地校準(zhǔn)裝置和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的間距；期間超聲波測(cè)距模塊持續(xù)開啟，不斷測(cè)量目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)RSSI衰減模型實(shí)地校準(zhǔn)裝置之間的實(shí)際距離d‘_US；

(4-4)微處理器判斷超聲波測(cè)得的實(shí)際距離d′_US與預(yù)設(shè)的測(cè)距距離偏差：

若|d′_US-D(i)|>0.1m，則進(jìn)一步判斷其偏差類型：若d′_US<D(i)，則提醒用戶增大兩節(jié)點(diǎn)間距離；否則提示用戶減小兩節(jié)點(diǎn)間距離；返回步驟(4-3)；

若|d′_US-D(i)|≤0.1m；則進(jìn)行步驟(4-5)；

(4-5)微處理器控制射頻收發(fā)模塊多次當(dāng)前位置的RSSI值，取其平均值，保存測(cè)量結(jié)果；

(4-6)如果校準(zhǔn)序列中尚有未測(cè)量RSSI值的位置點(diǎn)，返回步驟(4-2)；

(4-7)微處理器將各次測(cè)量所得的RSSI值，上傳至上位機(jī)或網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模型參數(shù)解算，并由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在定位網(wǎng)絡(luò)中分發(fā)，校準(zhǔn)過程結(jié)束。

校準(zhǔn)距離區(qū)段為距離信號(hào)源2.5米到5.0米范圍。

所述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)RSSI衰減模型實(shí)地校準(zhǔn)裝置在對(duì)某一目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)之前，通過微處理器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)定時(shí)，延時(shí)結(jié)束后，微處理器由RTC時(shí)鐘中斷喚醒，打開超聲波測(cè)距模塊、人機(jī)交互模塊，開始對(duì)該目標(biāo)節(jié)點(diǎn)按步驟(1)～(4)的進(jìn)行檢測(cè)；本輪檢測(cè)結(jié)束后，斷開超聲波測(cè)距模塊、人機(jī)交互模塊的電源供應(yīng)，重置定時(shí)器。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

(1)本發(fā)明將環(huán)境因素的影響納入對(duì)距離估算模型的修正，實(shí)時(shí)更新模型參數(shù)，確保模型能準(zhǔn)確反映實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的信號(hào)傳輸特性，提高測(cè)距精度和定位性能。

(2)本發(fā)明的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)RSSI衰減模型實(shí)地校準(zhǔn)裝置硬件電路采用低功耗器件，并在軟件流程設(shè)計(jì)中充分利用其節(jié)電模式，通過開斷閑置外設(shè)電源的方式，降低裝置整體運(yùn)行功耗，提高連續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)RSSI衰減模型實(shí)地校準(zhǔn)裝置的模塊框圖。

圖2為本發(fā)明的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)RSSI衰減模型實(shí)地校準(zhǔn)裝置的電路圖。

圖3為本發(fā)明的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)RSSI衰減模型實(shí)地校準(zhǔn)裝置的電源管理器的電路圖。

圖4為本發(fā)明的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)RSSI衰減模型實(shí)地校準(zhǔn)裝置的射頻收發(fā)模塊的電路圖。

圖5為本發(fā)明的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)RSSI衰減模型實(shí)地校準(zhǔn)方法的流程圖。

圖6為本發(fā)明的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)RSSI衰減模型實(shí)地校準(zhǔn)方法的校準(zhǔn)過程的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

實(shí)施例

如圖1所示，本實(shí)施例的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)RSSI衰減模型實(shí)地校準(zhǔn)裝置，包括微處理器1、超聲波測(cè)距模塊2、人機(jī)交互模塊3、電源管理器4和射頻收發(fā)模塊5；所述超聲波測(cè)距模塊、人機(jī)交互模塊、射頻收發(fā)模塊分別與微處理器連接；所述電源模塊與微處理器連接。

本實(shí)施例的微處理器為MSP430F4132型單片機(jī)。如圖2所示，裝置由電源管理模塊通過管腳“DVcc”、“AVcc”向MSP430F4132型單片機(jī)供電；管腳“DVss”、“AVss”接地。管腳“XIN”、“XOUT”接32.768kHz晶振，通電后產(chǎn)生外部時(shí)鐘信號(hào)；管腳“P6.5”作為UART的RXD接收端口，管腳“P6.6”作為UART的TXD發(fā)送端口，通過UART協(xié)議與射頻收發(fā)模塊進(jìn)行串行通信，用于傳輸控制信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)。管腳“P3.3”與三極管Q2的集電極相連，用于在定時(shí)休眠期間切斷人機(jī)交互模塊中LCD1602的驅(qū)動(dòng)電源和背光燈電源，降低裝置整體功耗，提高電池續(xù)航能力。

本實(shí)施例的超聲波測(cè)距模塊為高分辨率的RBURF02型超聲波測(cè)距模塊，通過測(cè)量超聲波遇障回傳的時(shí)間差間接測(cè)得距離，具有精度高、能耗小、成本低的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)視距范圍內(nèi)的精確測(cè)距，其測(cè)量結(jié)果將作為兩節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)際距離用作信號(hào)校準(zhǔn)參考。RBURF02型超聲波測(cè)距模塊通過管腳“VCC”向超聲波測(cè)距模塊提供+5V直流電源、管腳“GND”用于接地。管腳“OUTPUT”與微處理器的管腳“P4.7”相連；管腳“INPUT”與微處理器的管腳“P6.7”相連。其中管腳“OUTPUT”用于向微處理器輸出響應(yīng)信號(hào)，管腳“INPUT”用于從微處理器接收觸發(fā)控制信號(hào)。當(dāng)微處理器通過管腳“INPUT”輸入持續(xù)10μS的高電平信號(hào)后，超聲波測(cè)距模塊將發(fā)出8個(gè)周期的40KHz超聲波并檢測(cè)回波，檢測(cè)到聲波反射的回傳信號(hào)后，立即通過管腳“OUTPUT”向微處理器輸出響應(yīng)信號(hào)。微處理器利用其片內(nèi)定時(shí)器測(cè)量該響應(yīng)信號(hào)的高電平持續(xù)時(shí)間，經(jīng)過換算獲知兩節(jié)點(diǎn)間的距離。

如圖2所示，本實(shí)施例的人機(jī)交互模塊由LCD1602、3個(gè)獨(dú)立按鍵s1～s3、2盞LED(包括用于指示用戶遠(yuǎn)離的指示燈LED_FAR和用于指示用戶靠近的指示燈LED_NEAR)、1個(gè)有源蜂鳴器組成，用以指示電源狀態(tài)、顯示操作提示信息，系統(tǒng)將通過LCD屏幕實(shí)時(shí)展示裝置的運(yùn)行狀況，并向用戶提出下一步操作指示。同時(shí)用戶也可通過按鍵調(diào)整裝置的參數(shù)設(shè)置，保證人機(jī)交互的準(zhǔn)確性和高效性。LCD1602的管腳“D7”至管腳“D0”依次與微處理器的管腳“P2.7”至管腳“P2.0”相連，作為8位并行數(shù)據(jù)線，用于接收微處理器發(fā)送的字符數(shù)據(jù)和指令信號(hào)；管腳“RS”與微處理器的管腳“P3.5”相連，用于指定當(dāng)前傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型、管腳“RW”與微處理器的管腳“P3.6”相連，用于傳輸讀寫控制信號(hào)；管腳“E”與微處理器的管腳“P3.7”相連，用于傳輸使能控制信號(hào)。有源蜂鳴器經(jīng)三極管與+3.3V電源相連，三極管基極與微處理器的管腳“P3.2”相連。2盞LED采用共陽(yáng)極接法，分別由微處理器的管腳“P3.0”、“P5.4”控制亮滅，用于向提示用戶增大或減小節(jié)點(diǎn)間距離。此外，三組獨(dú)立按鍵分別與微處理器的管腳“P1.5”、管腳“P1.6”、管腳“P1.7”相連，便于用戶通過按鍵調(diào)整裝置的工作狀態(tài)和設(shè)置。

如圖3所示，本實(shí)施例的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)RSSI衰減模型實(shí)地校準(zhǔn)裝置依靠+5V直流穩(wěn)壓電源或3節(jié)1.5V干電池供電，電源管理器(4)采用AMS1117-3.3低壓差線性穩(wěn)壓芯片，通過電容C1、C2、C3、C4濾波減少紋波輸出，可為其余模塊提供穩(wěn)定的+3.3V直流穩(wěn)壓電源。發(fā)光二極管LED_Power用于指示+5V電源的供應(yīng)狀態(tài)。

如圖4所示，本實(shí)施例的射頻收發(fā)模塊利用CC2530芯片，利用片內(nèi)附帶Zigbee射頻通信模塊，與周圍節(jié)點(diǎn)建立低功耗、短距離無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。完成校準(zhǔn)工作流程后，裝置將通過射頻收發(fā)模塊向WSN定位網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送處理結(jié)果，使最新模型參數(shù)立即在定位網(wǎng)絡(luò)中得到應(yīng)用。裝置通過管腳“VCC”、“GND”向CC2530供電；管腳“P0_2”為片內(nèi)UART模塊的RX接收端口，與微處理器的管腳“P6.6”(TXD發(fā)送端口)相連，管腳“P0_3”為片內(nèi)UART模塊的TX發(fā)送端口，與微處理器的管腳“P6.5”(RXD接收端口)相連，通過UART協(xié)議建立串行異步通訊，用于傳輸數(shù)據(jù)和控制信號(hào)。管腳“RF_P”、管腳“RF_N”為CC2530內(nèi)部射頻通訊模塊的收發(fā)端口，經(jīng)電容、電感濾波后與外接天線相連。裝置利用射頻收發(fā)模塊(5)，通過射頻通訊與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)或上位機(jī)建立聯(lián)系，由后者將經(jīng)過校準(zhǔn)的模型參數(shù)向無(wú)線傳感器定位網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分發(fā)。

如圖5所示，本實(shí)施例的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)RSSI衰減模型實(shí)地校準(zhǔn)方法，對(duì)每個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的循環(huán)監(jiān)測(cè)過程包括以下步驟：

(1)微處理器控制超聲波測(cè)距模塊測(cè)量目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)RSSI衰減模型實(shí)地校準(zhǔn)裝置之間的實(shí)際距離，測(cè)量結(jié)果記為d_US。

(2)微處理器控制射頻收發(fā)模塊，利用當(dāng)前定位網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的衰減模型參數(shù)，通過RSSI測(cè)量本裝置與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的距離，測(cè)量結(jié)果記為d_RSSI。

(3)微處理器計(jì)算d_US-d_RSSI，若|d_US-d_RSSI|≥1.5m，進(jìn)行步驟(4)；否則，跳過本輪校準(zhǔn)過程。

(4)校準(zhǔn)主流程，如圖6所示：

(4-1)超聲波測(cè)距模塊與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)綁定，確定其MAC地址，并組建網(wǎng)絡(luò)；

(4-2)從預(yù)先存放于微處理器內(nèi)的校準(zhǔn)距離序列中取出第i輪循環(huán)的校準(zhǔn)距離值D(i),i為正整數(shù)；

根據(jù)理論分析，在自由空間中傳播的ISM頻段無(wú)線信號(hào)(2.4GHz)隨著距離增加，大致呈對(duì)數(shù)規(guī)律衰減。在信號(hào)源附近區(qū)域信號(hào)衰減迅速，信號(hào)強(qiáng)度因測(cè)量誤差或環(huán)境隨機(jī)干擾造成的偏差經(jīng)過測(cè)距換算后，將產(chǎn)生明顯誤差。在遠(yuǎn)離信號(hào)源區(qū)域信號(hào)衰減趨勢(shì)平緩，信號(hào)強(qiáng)度幾乎無(wú)法反映距離特征。因此校準(zhǔn)過程所用的距離區(qū)間不宜過大或過小。綜合考慮上述兩點(diǎn)因素，經(jīng)論證分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本實(shí)施例選定距離信號(hào)源2.5米到5.0米范圍作為校準(zhǔn)距離區(qū)段，以0.5m為間隔均勻取點(diǎn)，定義校準(zhǔn)距離序列為{2.5,3.0,3.5,4.5,5.0}(單位：米)。

(4-3)用戶手持無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)RSSI衰減模型實(shí)地校準(zhǔn)裝置，調(diào)整無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)RSSI衰減模型實(shí)地校準(zhǔn)裝置和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的間距；期間超聲波測(cè)距模塊持續(xù)開啟，不斷測(cè)量目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)RSSI衰減模型實(shí)地校準(zhǔn)裝置之間的實(shí)際距離d‘_US；

(4-4)微處理器判斷超聲波測(cè)得的實(shí)際距離d′_US與預(yù)設(shè)距離的偏差類型：

若|d′_US-D(i)|>0.1m，則進(jìn)一步判斷其偏差類型：若d′_US<D(i)，則亮起遠(yuǎn)離指示燈，蜂鳴器鳴響，提醒用戶增大兩節(jié)點(diǎn)間距離；否則亮起靠近指示燈，蜂鳴器鳴響，提示用戶減小兩節(jié)點(diǎn)間距離；返回步驟(4-3)；

若|d′_US-D(i)|≤0.1m；則進(jìn)行步驟(4-5)；

(4-5)微處理器控制射頻收發(fā)模塊多次當(dāng)前位置的RSSI值，取其平均值，保存測(cè)量結(jié)果；

(4-6)如果校準(zhǔn)序列中尚有未測(cè)量RSSI值的位置點(diǎn)，返回步驟(4-2)；

(4-7)微處理器將各次測(cè)量所得的RSSI值，上傳至上位機(jī)或網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模型參數(shù)解算，并由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在定位網(wǎng)絡(luò)中分發(fā)，校準(zhǔn)過程結(jié)束。

本實(shí)施例的所述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)RSSI衰減模型實(shí)地校準(zhǔn)裝置在對(duì)某一目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)之前，通過微處理器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)定時(shí)，等待時(shí)間達(dá)到30min時(shí)，微處理器由RTC時(shí)鐘中斷喚醒，打開超聲波測(cè)距模塊、人機(jī)交互模塊，開始對(duì)該目標(biāo)節(jié)點(diǎn)按步驟(1)～(4)的進(jìn)行檢測(cè)；本輪檢測(cè)結(jié)束后，斷開超聲波測(cè)距模塊、人機(jī)交互模塊的電源供應(yīng)，重置定時(shí)器。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受所述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。