基于无线传感网络的灾区伤员定位算法
陈宇石
摘 要：自然灾害发生后，需要对灾区伤员快速定位抢救，这就对定位技术的精确度提出了很高的要求。无线传感器网络中节点定位技术是重要技术之一，在多种定位技术中RSSI测距的定位技术便捷、精确度高，因此广泛使用。传统的三边定位算法受外界因素干扰大，导致测量结果不准确。因此文章将RSSI测距技术和质心定位算法相结合设计了一个灾后伤员定位系统。该系统利用无线传感器网络进行定位请求，RSSI测距技术对未知节点进行测距，最后基于质心定位技术编写算法。该算法经过仿真实验精度完全符合要求。
关键词：无线传感器网络；质心定位；RSSI测距
近年来，泥石流、地震等自然灾害频繁发生，对广大百姓的生命安全造成威胁。许多悲剧往往是由于无法确定伤员位置，使救援人员无法及时搜救造成的。自然灾害后，往往会造成当地通信设施损坏，因此对通信和伤员位置确定形成很大的困难。在这种情况下，我们常使用播撒无线节点的方法来为灾区构成应急通信网络，成为无线传感器网络[1]。
无线传感器网络（WSN）主要由分布在所测区域内的传感器节点组成，WSN应用是以节点的定位为基础的，通过无线传感网获得节点的位置，进而确定在该位置上所发生的具体事件。
在无线传感器网络（WSN）的许多应用中，主要是以监测到事件的位置信息为目的的，因此定位技术是WSN关键的技术之一。以无线传感器节点定位机制作为标准划分，节点定位技术分为基于测距的定位算法和距离无关的定位算法。基于测距的定位中，主要的方法有基于到达时间差TDOA的定位、基于到达时间TOA的定位、基于接受信号强度指示RSSI[2，3]的定位和基于到达角度测量AOA的定位等。与距离无关的定位算法主要有Amorphous算法、D V-Hop算法、质心算法、APIT算法等。其中最常用的是利用信标节点到未知节点的RSSI值来估算未知节点到信标节点的距离，通过设备读取信号的场强值再经过数据处理和算法实现便可实现定位。
1 算法分析
1.1 技术介绍
1.1.1 RSSI测距模型
接收信号强度指示（RSSI）代表当前介质中电磁波能量。RSSI测距原理根据收发节点之间的信号衰减计算求解得到信号传播距离，进而确定节点位置。RSSI传播模型以不同的环境为根据可以分为对数距离路径损耗模型、自由空间传播模型、对数—常态模型等。基于RSSI的定位技术，一般选择对数—常态分布模型来进行运算，其路径损耗的计算公式为：
式中d为距离信源的距离，单位为km；k为路径衰减因子，取值范围为2～5；f为频率，单位为MHZ；Xσ是平均值为0的高斯分布随机变数，标准差范围为4～10；PL（d）表示距离为d处的信号损耗值；PL（d0）为距离d0处的信号损耗值，可以利用空间无线电传播路径损耗模型当d=1时计算出PL（d0）。空间传播损耗模型为：
此时路由节点接收伤员发出信号时的强度（RSSI）为
式中：F为天线增益；P为发射功率；PL（d）表示距离为d 处的信号损耗值。利用（1）（2）（3）三式可以算出路由节点与伤员间的距离d。
1.1.2 三边定位技术
已知三个节点A，B，C的坐标为（Xa，Yb）、（Xb，Yb）和（Xc，Yc）节点。O到它们的距离通过RSSI方程求得分别为ra、rb和rc。假设节点O的坐标（X0，Y0），则可通过解方程得出（X0，Y0），即分别以A，B和C三点为圆心，以ra、rb和rc。为半径作圆，则三圆将相交，交点即为点O，如图1所示。
由于RSSI测距有误差，导致实际的路径损耗比理论计算的数值大，因此实际测量出来的未知点到锚节点的距离d总比实际距离r大。即以A，B和C三点为圆心作圆，三圆将不再相交于点O，而是相互重叠形成一个交叉区域，如图2所示。这时根据三边定位算法对目标节点进行定位就会产生较大偏差，为了提高坐标值的精确度，利用质心定位算法计算目标节点坐标。
1.2 质心定位算法分析
传统质心算法[4，5]的中心思想是：未知节点接收其通信范围内所有信标节点发送的信号，当侦听到的信号数量超过设定域值时，未知节点将其通信范围内所有信标节点构成的闭合区域的几何质心坐标作为未知点的估计坐标。
假设未知节点的邻近信标节点坐标分别为 。则该未知节点的坐标 n为信标节点的个数。传统质心算法，如图3所示。
当未知节点获得3个或3个以上信标节点的信号时，信标节点构成的区域逐渐缩小，于是获得的坐标的精确度大大提高。
2 算法步骤
⑴飞机向灾区播撒锚节点构成无线传感网。在无线传感器网络中，锚节点按一定周期通过发送信息的形式将锚节点自身位置信息和ID两部分信息发送给周围伤员，伤员通过手机获取。
⑵伤员利用手机记录锚节点的RSSI值，仅记录同一锚节点的信息。手机接收到同一个锚节点多个RSSI值后，计算其平均值，计算得到的平均值即为所求RSSI值。
⑶利用公式算出锚节点和伤员的距离d，设定一个域值k。当d≤k时，记录锚节点的坐标（Xi，Yi）；当d>k时，舍弃该锚节点。
⑷利用公式 算出伤员的大致位置，便于后续救援人员赶到。
⑸利用公式 计算定位误差，其中（X，Y）为伤员的真实坐标位置。
3 仿真结果分析
实验选用MATLAB2012进行算法仿真。以100m×100m的区域作为实验的仿真区域，在该区域内随机产生的未知节点数为30个。如图4所示，说明了伤员实际位置与设计算法测算得到的位置的关系，两种位置的图例间的连线表示测算的误差。如图5所示，给出了实验测量点与实际位置的坐标误差。根据仿真结果，文章设计的基于RSSI的质心定位算法所获得的坐标精确度高，满足各项指标，达到了预期的要求。
4 结语
文章基于无线传感网络中RSSI的测距技术和质心定位方法对未知节点进行定位，使自然灾害后伤员搜救效率大大提高，挽救了大量生命。经过实验仿真，该方法完全能够较为精确对伤员进行定位，避免了三边定位算法受环境影响大的缺点，具有现实意义。
[参考文献]
[1]刘峰，章登义.基于RSSI的无线传感器网络质心定位算法[J].计算机科学，2012，39（6A）：96-98.
[2]龙铁光，黄廷磊.无线传感器网络中基于RSSI算法的优化[J].计算机系统应用，2013，22（1）：107-110.
[3]吴彬，李俊娥.无线传感器网络在室内定位中的应用研究[J].计算机科学，2013，40（5）：115-117.
[4]陈昌祥，达维，周洁.基于RSSI的无线传感器网络距离修正定位算法[J].通信技术，2011，44（2）：65-66.
[5]朱玲玲，程学云，魏晓宁.基于高斯修正测距模型的节点改进加权质心定位算法设计[J].计算机测量与控制，2012，20（11）：3089-3091.
