基于无线传感器网络的保护区动物定位节点设计

齐晋维++李晖

摘要：为了使科学工作者可以更便捷地掌握野生动物的活动布局情况，设计了一种基于无线传感器网络的动物定位系统。该方案以Arduino LilyPad单片机为基础，结合使用Zigbee技术的XBee模块以及无源RFID标签，利用RSSI模型和三边测量定位法，进行模块数据处理，分析出野生动物的位置情况。

关键词：无线传感器网络；定位；Arduino

中图分类号：TP212.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）02-0190-01

动物保护一直是维护全球生态平衡中非常重要的部分，然而由于生态环境的恶化，野生动物的数量不容乐观。在动物研究领域，要根据实际情况开展相关的实地考察监测。当前人工观测研究的方式数据可靠性差，并且数据采集的时间间隔较长，不仅影响工作效率并且阻碍了研究进展[1]。为了突破人工监测方式的缺点，本文利用无线传感器网络的优势，通过使用Zigbee和RFID技术，應用RSSI模型和三边测量法，进行野生动物的定位。本方案可以在不打扰动物的生存活动情况下，获取动物的位置信息，从而直观获得保护区内动物的分布情况。

1 定位原理

1.1 RSSI技术与定位算法

RSSI（Received Signal Strength Indication）又称接收信号强度指示，是在已知发射功率的前提下，接收节点测量接收功率，计算传播损耗，并根据信号传播模型将信号功率损耗转化为近似距离的技术。获取RSSI信息比较容易。由无线信号强度与距离的关系曲线模型，可以测得信号传播距离，信号功率衰减与信号传播距离的函数为：Pr=f（Pt，d），其中Pr是可测的接收信号强度，Pt是信号发射强度，d是信号传播距离，f是信号强度与衰减距离的经验模型。可见，假设已知发射功率和信号传播经验模型，在测得了某处的Pr信号强度值后，即可根据以上模型对距离进行求解[3]。无线传感器节点配备通信模块，不需要额外的硬件[2]，计算量相对较小，比较适合无线传感器网络的节点计算能力，不需要定制更快的计算核心模块。

1.2 三边测量法

三边测量法是一种利用三角形几何运算的定位方法。二维平面中，假设已知了三个节点A、B、C的坐标，并利用RSSI技术得到了这三点到未知节点D的距离，建立A、B、C三点的距离方程，联立方程组解出D点的坐标。

2 定位节点硬件设计

2.1 节点供电选择

以前节点供电普遍使用干电池，若以半小时的采样频率来计算，节点寿命一般仅能持续几个月。但实际研究中，往往需要获取动物活动范围一年甚至几年时间的统计数据，并且在人迹罕至的保护区内，手动更换电池不可行。本方案中，节点的供电采用锂聚合物电池，可在有限的体积内具有较大的容量，并且配备太阳能供电模块，大大延长节点的生存周期。

2.2 节点硬件选择

本方案采用了Arduino Lilypad系列单片机和XBee模块的结合来实现定位节点的设计。LilyPad是Arduino一个特殊版本，主要是为可穿戴设备和电子纺织品开发。LilyPad处理器核心是ATmega168或者ATmega328，同时具有14路数字输入/输出口（其中6路可作为PWM输出，一路可以用来做蓝牙模块的复位信号），6路模拟输入，一个16MHz晶体振荡器，一个ICSP header和一个复位按钮，芯片高度集成，尺寸仅为一枚普通硬币大小，在保护区也可以良好地隐藏，不受动物的影响。XBee模块，由美国DIGI公司出品，其运用了Zigbee技术，主要特点是高性能、低成本和低功耗，最突出的特点是远距离。与其他运用Zigbee的模块进行对比，它在室内条件下可传输距离40-100米，在室外视距条件下的传输距离可达300米，有阻挡的情况下可以保证至少100米的信号覆盖，非常适合在保护区内使用。模块的尺寸与LilyPad一样小巧，并能使用针脚式连接。Zigbee技术组网快，模块内含有RSSI值寄存器，可用来存储相关数据，进而计算动物的距离。除此之外，为了实现完整的定位过程，在野生动物身上需要进行RFID标签的固定。本设计选择使用无源标签，既可以省去使用电源的成本，又不至于携带电源对于动物身体造成伤害。基于RSSI的距离估计技术，定位数据可由传感器节点的XBee模块测量获取。通过这种无线传感网络测距方法，采用RFID和Zigbee技术相融合的设计，能够有效完成动物的跟踪定位。

3 结语

本文设计了一个基于无线传感器网络的野生动物定位方案，为了保证节点使用的寿命，延长节点周期，本设计采用了锂聚合物电池以及太阳能电池板供电，通过长期的数据收集，进行动物分布情况的分析，并对于特定的动物进行有效的识别与跟踪。而且本方案使用的硬件体积小巧，适合在保护区作伪装，不易被动物所破坏。定位方法使用RSSI来测定，使用起来也更加方便简洁。

参考文献

[1]刘晨，陈昊，陈锋，王晔竹，赵菁菁.基于无线传感器网络的金丝猴监测系统平台[J].物联网技术，2015（02）：13-16.

[2]彭宇，王丹.无线传感器网络定位技术综述[J].电子测量与仪器学报，2011（05）：389-399.

[3]钱志鸿，孙大洋，LEUNG Victor.无线网络定位综述[J].计算机学报，2016（06）：1237-1256.