無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于RSSI的節(jié)點距離預測

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大量應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測、目標跟蹤、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量節(jié)點間的距離。為了預測距離值，根據(jù)實驗獲取的RSSI值與對應(yīng)的距離值，先對實驗數(shù)據(jù)進行濾波處理，建立面向Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預測模型，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特性和Matlab工具箱的強大功能，通過實測數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)進行訓練。預測結(jié)果表明，距離精度達到1 m之內(nèi)。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；距離預測；濾波處理；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

引言
隨著無線傳感器網(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。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、目標跟蹤、安全監(jiān)控等領(lǐng)域。位置信息對傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測活動至關(guān)重要，事件發(fā)生的位置或獲取信息的節(jié)點位置是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點監(jiān)測消息中包含的重要信息，了解傳感器節(jié)點位置信息不僅可以獲取路由信息，而且可以進行節(jié)點定位等。測距的誤差在很大程度上決定了目標定位及跟蹤的誤差。常用的定位方法必須測量節(jié)點間的距離，一般測距方式有紅外線、GPS、超聲波和接收信號強度指示器(RSSI)等。
紅外線、GPS和超聲測距都需要額外的硬件，增加了節(jié)點的硬件成本和尺寸。GPS和紅外線測距誤差較大，而利用超聲方法測距很精確，測距誤差只有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的定位無需額外硬件，利用對接收無線信號的強度判斷，推導收發(fā)節(jié)點間的距離，計算接收無線信號強度是商用無線收發(fā)芯片具備的功能。基于RSSI的測距提供了最廉價的定位方法，而且節(jié)點沒有添加任何部件。基于超聲的測距雖然定位精度較高，但是需要添加硬件、增加節(jié)點成本和尺寸。所以，基于RSSI的測距是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位較常采用的方法。首先對RSSI進行預處理，再通過預測模型預測距離的值，不但提高了基于RSSI的測距精度，而且實現(xiàn)了低成本的測距。

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習算法的前饋網(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)元之間沒有連接。圖1所示為具有一個隱含層的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 實驗平臺及數(shù)據(jù)的預處理
2．1 RSSI值獲取
實驗在空曠的無障礙物的廣場進行?；赥iny()S系統(tǒng)，以克爾斯博的Iris節(jié)點為實驗平臺，0號節(jié)點為固定節(jié)點，用于接收數(shù)據(jù)。發(fā)送和接收節(jié)點均使用短桿狀天線，節(jié)點放置高度為2 m左右。固定0號節(jié)點，移動發(fā)射節(jié)點。經(jīng)過大量的實驗分析得出，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。如果測量距離超過10 m，則測距的精度得不到保證，所以此實驗的測試范圍限定在0～10 m。實驗人員拿著移動節(jié)點，從固定節(jié)點處沿著直線均勻走動，當走到10 m處停止接收數(shù)據(jù)，記錄整個連續(xù)移動過程的實驗數(shù)據(jù)。