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摘 要： 节点定位技术是无线传感器网络（WSN）的主要支撑技术之一，现有的无线传感器网络节点定位方法普遍存在有测距方法受环境影响大、方法复杂度高、能耗大、不适用于移动节点定位等问题。因此，为了改善这些问题，本文将着重针对基于坐标共享的网络节点定位机制进行研究，该方法利用自组织网络技术、低功耗嵌入式开发技术、全球定位系统（GPS）技术，提高定位系统数据传输的效率，提高定位系统的灵敏度，同时，通过安卓编程技术和QT编程技术，开发和研究一种监测距离远，抗干扰强，数据传输可靠的基于坐标共享的网络节点定位系统。实验结果表明，本文的定位方法能适用于室内和室外等各种场景，具有较好的定位效果。
关键词： 无线传感器网络，节点定位系统，信号强度，定位精度
【中图分类号】 TN912.34 【文献标识码】 A 【文章编号】 2236-1879（2018）02-0212-01
1.引言
定位技术一直是科技界的研究热点，节点的正确定位是提供监测事件位置信息的前提。无线传感器网络的定位方法包含基于GPS的定位方法和无GPS的定位方法。无线传感器网络定位中可以将节点分为两类：一类为通过GPS或者人工部署的方式获得其位置坐标的节点，称为锚节点或者信标节点；另一类为不知道自身位置信息的节点，称为未知节点。
现有测距方式有接收信号强度指示 （RSSI）、红外线、超声波以及GPS。其中红外线、超声波及GPS技术都需要额外的硬件支持，增加了节点的尺寸和成本，红外线和GPS技术的测距精度相对比较低，而RSSI技术是利用信号在传输过程中的功率损耗来计算节点之间的距离，对节点的硬件要求不高，能够通过三边测量法等估计未知节点的坐标。
到达时间差TDOA测距技术被广泛应用在网络定位方案中。一般是在节点上安装超声波收发器和RF收发器。测距时，在发射端两种收发器同时发射信号，利用声波与电磁波在空气中传播速度的巨大差异在接收端通过记录两种不同信号到达时间差异，基于已知信号传播速度，直接把时间转化为距离。TDOA技术测距误差小，但距离有限。到达时间TOA技术通过测量信号传播时间来测量距离。TOA技术的定位精度高，传播距离远，范围大。
针对现有定位方法的局限性，本文设计了一种基于测距的混合节点定位方法，该定位系统可应用于室内和室外等多种场景，具有良好的定位效果。
2.节点定位系统
2.1.定位系统总体设计。
定位系统中包含普通节点、转发节点和服务器节点三种节点，三种节点都可以通过GPS获取自己的坐标进行自我定位，在服务器节点通信范围内的普通节点或转发节点在获取自己的GPS坐标后，直接发送至服务器节点，普通节点获取自己的GPS坐标后，由于不能与服务器节点直接通信，便将坐标发送给自己的转发节点再通过转发节点将坐标发送至服务器节点。服务器节点收到节点的坐标后，根据这些坐标将这些节点进行定位，并将位置显示在地图上。当测量出未知节点与三个或者三个以上的已确定其未知的节点之间的距离后，就能够通过三边测量法，或者极大似然估计法等估计未知节点的坐标。
系统包含一个服务端和多个客户端，定位时服务端与客户端相互通信，客户端之间通过服务端的信息转发后完成相互的信息共享。为了使服务端更加简洁地显示获取到的客户端自定位数据坐標，根据GPS定位方法得到经度和纬度，运用两点间的距离方法。
2.2.定位系统实现。
本系统将采用多线程接口，对指定的客户端显示定位功能进行封装，使服务端无限执行监听操作。启动系统后，会自动监听附近客户端的数据请求。收到到附近客户端请求时，通过Socket协议，读取客户端的坐标信息，并且通过两点间公式方法回显到主界面中。当监听到两个或者两个以上客户端数据请求时，将运用多线程技术，创建相应客户端的节点坐标回显到服务端主界面中。系统将会每隔5秒对附近监听的客户端进行一次刷新更新。
客户端使用安卓系统，安装启动后，主动连接附近服务端。与附近服务端连接成功后，将自动打开GPS模块，获取自定位数据，并且将获得的经纬度发送至服务端。服务端根据客户端的经纬度，使用两点间的距离方法，获取得到点A和点B的距离，一一列举各个客户端坐标的经纬度，根据公式方法，按照画图比例精确显示到服务端UI中。
3.定位结果分析
通过在室内与室外进行实地测试，比对室内测试数据结果和室外测试数据结果后发现，在室内测试数据结果不尽如人意，并且GPS更新数据慢，有延迟滞后现象，根据四周墙壁的厚度和位置的偏僻，会使系统的准确性随之下降，甚至不动现象，然而更有在转弯处精度严重不准确，因为在GPS定位坐标方法是空间上两点间直线距离。然而在室外测试数据结果误差问题不是很大，能够实时进行更新，并且回显到服务端指定方位。
不管是室内测试，还是室外测试，实际距离与方法测试距离之间的误差会随着实际距离的变大而变大，也会因为室内周围障碍物的增厚和增多而变大。因此，可以得出，GPS技术测试数据会由周围障碍物影响数据的精度性，混合定位方法具有良好的定位效果。
4.总结
本文在利用GPS技术和无线通信技术基础上，设计了一种节点混合定位系统，该方法通过节点中GPS获取坐标并进行共享，并通过自定位精度方法来提高网络节点的定位精度。并在通过在大楼楼道和室外场地进行了实地测量，通过测量数据的分析，验证了该方法的性能。
系统采用服务端和客户端来实现，完成了客户端和服务端数据的收发，状态的显示，系统服务端采用UI能够简单明了地实现客户端各个节点的自定位结果，系统应用软件采用QT编程语言和安卓编程语言，能够易于移植到单片机和开发板。
本系统为相关嵌入式网络产品的设计开发方案提供了参考，系统只需稍微改进就可以成为一个嵌入式定位系统产品，但本系统的定位精度改进方法过于简单，同时系统实现界面不够美观，显示分辨率也不够高，外观也有待优化，这是以后需要改进的地方。
上海市大学生创新创业训练计划项目（移动终端定位系统应用，编号：201611458050）
参考文献
[1] 郑彭宇，王丹.无线传感器网络定位技术综述，电子测量与仪器学报，2011年05期，pp.389-399
[2] 舒展鹏.基于RSSI的无线传感器网络定位算法的研究[D].南京电邮大学，2012
[3] 朱兆明.基于GPS/AD-HOC网络的定位系统的应用研究[D].南京理工大学，2010.
[4] 秦丹阳.移动AD-HOC网络自适应路由算法研究[D].哈尔滨工业大学，2011.
关键词： 无线传感器网络，节点定位系统，信号强度，定位精度
【中图分类号】 TN912.34 【文献标识码】 A 【文章编号】 2236-1879（2018）02-0212-01
1.引言
定位技术一直是科技界的研究热点，节点的正确定位是提供监测事件位置信息的前提。无线传感器网络的定位方法包含基于GPS的定位方法和无GPS的定位方法。无线传感器网络定位中可以将节点分为两类：一类为通过GPS或者人工部署的方式获得其位置坐标的节点，称为锚节点或者信标节点；另一类为不知道自身位置信息的节点，称为未知节点。
现有测距方式有接收信号强度指示 （RSSI）、红外线、超声波以及GPS。其中红外线、超声波及GPS技术都需要额外的硬件支持，增加了节点的尺寸和成本，红外线和GPS技术的测距精度相对比较低，而RSSI技术是利用信号在传输过程中的功率损耗来计算节点之间的距离，对节点的硬件要求不高，能够通过三边测量法等估计未知节点的坐标。
到达时间差TDOA测距技术被广泛应用在网络定位方案中。一般是在节点上安装超声波收发器和RF收发器。测距时，在发射端两种收发器同时发射信号，利用声波与电磁波在空气中传播速度的巨大差异在接收端通过记录两种不同信号到达时间差异，基于已知信号传播速度，直接把时间转化为距离。TDOA技术测距误差小，但距离有限。到达时间TOA技术通过测量信号传播时间来测量距离。TOA技术的定位精度高，传播距离远，范围大。
针对现有定位方法的局限性，本文设计了一种基于测距的混合节点定位方法，该定位系统可应用于室内和室外等多种场景，具有良好的定位效果。
2.节点定位系统
2.1.定位系统总体设计。
定位系统中包含普通节点、转发节点和服务器节点三种节点，三种节点都可以通过GPS获取自己的坐标进行自我定位，在服务器节点通信范围内的普通节点或转发节点在获取自己的GPS坐标后，直接发送至服务器节点，普通节点获取自己的GPS坐标后，由于不能与服务器节点直接通信，便将坐标发送给自己的转发节点再通过转发节点将坐标发送至服务器节点。服务器节点收到节点的坐标后，根据这些坐标将这些节点进行定位，并将位置显示在地图上。当测量出未知节点与三个或者三个以上的已确定其未知的节点之间的距离后，就能够通过三边测量法，或者极大似然估计法等估计未知节点的坐标。
系统包含一个服务端和多个客户端，定位时服务端与客户端相互通信，客户端之间通过服务端的信息转发后完成相互的信息共享。为了使服务端更加简洁地显示获取到的客户端自定位数据坐標，根据GPS定位方法得到经度和纬度，运用两点间的距离方法。
2.2.定位系统实现。
本系统将采用多线程接口，对指定的客户端显示定位功能进行封装，使服务端无限执行监听操作。启动系统后，会自动监听附近客户端的数据请求。收到到附近客户端请求时，通过Socket协议，读取客户端的坐标信息，并且通过两点间公式方法回显到主界面中。当监听到两个或者两个以上客户端数据请求时，将运用多线程技术，创建相应客户端的节点坐标回显到服务端主界面中。系统将会每隔5秒对附近监听的客户端进行一次刷新更新。
客户端使用安卓系统，安装启动后，主动连接附近服务端。与附近服务端连接成功后，将自动打开GPS模块，获取自定位数据，并且将获得的经纬度发送至服务端。服务端根据客户端的经纬度，使用两点间的距离方法，获取得到点A和点B的距离，一一列举各个客户端坐标的经纬度，根据公式方法，按照画图比例精确显示到服务端UI中。
3.定位结果分析
通过在室内与室外进行实地测试，比对室内测试数据结果和室外测试数据结果后发现，在室内测试数据结果不尽如人意，并且GPS更新数据慢，有延迟滞后现象，根据四周墙壁的厚度和位置的偏僻，会使系统的准确性随之下降，甚至不动现象，然而更有在转弯处精度严重不准确，因为在GPS定位坐标方法是空间上两点间直线距离。然而在室外测试数据结果误差问题不是很大，能够实时进行更新，并且回显到服务端指定方位。
不管是室内测试，还是室外测试，实际距离与方法测试距离之间的误差会随着实际距离的变大而变大，也会因为室内周围障碍物的增厚和增多而变大。因此，可以得出，GPS技术测试数据会由周围障碍物影响数据的精度性，混合定位方法具有良好的定位效果。
4.总结
本文在利用GPS技术和无线通信技术基础上，设计了一种节点混合定位系统，该方法通过节点中GPS获取坐标并进行共享，并通过自定位精度方法来提高网络节点的定位精度。并在通过在大楼楼道和室外场地进行了实地测量，通过测量数据的分析，验证了该方法的性能。
系统采用服务端和客户端来实现，完成了客户端和服务端数据的收发，状态的显示，系统服务端采用UI能够简单明了地实现客户端各个节点的自定位结果，系统应用软件采用QT编程语言和安卓编程语言，能够易于移植到单片机和开发板。
本系统为相关嵌入式网络产品的设计开发方案提供了参考，系统只需稍微改进就可以成为一个嵌入式定位系统产品，但本系统的定位精度改进方法过于简单，同时系统实现界面不够美观，显示分辨率也不够高，外观也有待优化，这是以后需要改进的地方。
上海市大学生创新创业训练计划项目（移动终端定位系统应用，编号：201611458050）
参考文献
[1] 郑彭宇，王丹.无线传感器网络定位技术综述，电子测量与仪器学报，2011年05期，pp.389-399
[2] 舒展鹏.基于RSSI的无线传感器网络定位算法的研究[D].南京电邮大学，2012
[3] 朱兆明.基于GPS/AD-HOC网络的定位系统的应用研究[D].南京理工大学，2010.
[4] 秦丹阳.移动AD-HOC网络自适应路由算法研究[D].哈尔滨工业大学，2011.