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　　無線傳感器網絡是指由大量隨機分布的集成了傳感器單元、數據處理單元、通信單元和電源單元的微小節點并通過自組織方式構成的分布式網絡，其目的是借助于微小節點內置的各種傳感器來遠程監測所感興趣的目標或對象，以進行任務感知、數據采集和處理。

　　無線傳感器網絡技術的發展使得大規模的傳感器網絡成為了可能。但是隨之帶來的是網絡的可靠性降低了，特別是網絡節點的位置信息不好確定，對于大多數應用來說，不知道傳感器節點位置而感知的數據是沒有意義的，節點的自定位功能被認為是系統的基本功能之一。因此，無線傳感器網絡中節點定位技術的研究非常重要，并且已成為無線傳感器網絡的基礎支撐技術。

　　一般而言，無線傳感器網絡的定位技術分為基于距離的定位和非基于距離的定位。基于距離的無線傳感器節點定位技術一般分為兩個階段：首先是測量無線傳感器網絡中節點間的距離; 然后根據節點間的距離和現有的傳感器節點定位算法，如三邊測量法等計算出無線傳感器網絡中某節點的位置。因此，節點測距技術是無線傳感器網絡中基于距離的節點定位技術的基礎。

　　本文通過研究國內外無線傳感器網絡定位技術的發展現狀，提出采用T OF 測距技術實現節點測距，從而提高基于距離的節點自定位技術的定位精度。

　　1   無線傳感器網絡中的測距方法

　　在無線傳感器網絡中，常用的測量節點間距離的方法主要有TOA( Time of Arrival) ，TDOA( Time Dif ference of Arrival ) 、超聲波、RSSI ( Received Sig nalSTrength Indicator) 和TOF( Time of Light ) 等。

　　TOA 和TDOA 測距技術都是通過信號的傳播時間和信號的速度兩個參數來計算距離的，無線信號傳輸速率大，時間測量上很小的誤差就可能導致距離上很大的誤差，并且TOA 需要昂貴的設備來保持時間同步,能量消耗大。TOA 測距涉及到信號傳輸時間的測量,以此來估算兩個節點間的距離。它能夠運行在高多路徑環境，并且提供分米級的測距精度。

　　超聲波測距方法是指當發射節點發射的超聲波遇到障礙物時就會發生反射，反射波可由接收器接收，這樣只要測出超聲波從發送點到反射回來的時間間隔△t，就能測距。因此，超生波從發射處到障礙物之間的距離為c△t/ 2( c 為超聲波在介質中的傳播速度) 。利用超聲波測距很精確，測量誤差只有10 cm，但由于超聲波是一種聲波，而聲速c 受環境溫度、濕度等因素的影響。另外，測距時需要額外的硬件支持，增加了節點的硬件成本和尺寸。

　　RSSI 是最基本的測距方法，基本不需要額外的硬件設備，實現方法簡單。在基于接收信號強度指示RSSI的測距中，已知發射節點的發射信號強度，接收節點根據收到的信號強度計算出信號的傳播損耗，利用理論和經驗模型將傳輸損耗轉化為節點間的距離。其理論模型為：

　　式中：p ( d) 表示在距離d 處的信號強度; n 表示路徑長度和路徑損耗之間的比例因子，范圍在2~ 4 之間; p ( d0 )表示在距離d0 處的信號強度; d 表示需要計算的節點與基站間的距離; d0 表示參考節點與基站間的距離 。因傳感器節點本身具有無線通信能力，故它是一種低功率、廉價的測距技術，RADAR 等項目中使用了該技術。

　　雖然在實驗環境中RSSI 表現出良好的特性，但是在實際環境中，它易受溫度、無線信號的反射、障礙物( 如陸地建筑物) 、傳播模式等諸多因素的影響，因此該技術在實際應用中仍存在困難，通常將其看作為一種粗糙的測距技術，有可能產生± 50% 的測距誤差。

　　TOF 測距技術可以理解為飛行時差測距( Time ofFlight Measurement ) 方法，傳統的測距技術分為雙向測距技術( Two Way Rang ing ) 和單向測距技術( ONeWay Ranging) 。T OF 測距方法屬于雙向測距技術，它主要利用信號在兩個異步收發機( Transceiver) 之間往返的飛行時間來測量節點間的距離。在信號電平比較好調制或在非視距視線環境下，基于RSSI 測距方法估算的結果比較理想; 在視距視線環境下，基于T OF 測距方法估算的結果比較理想，是隨距離呈線性關系的。因此，基于TOF 距離估算方法能夠彌補基于RSSI 距離估算方法的不足。另外，具體應用時可以聯合使用兩種方法來提高定位系統的精確度。

　　TOF 測距方法是D. McCrady 提出的，然而該技術只側重于直接序列擴頻( DSSS) 的通信系統。接下來，M. Ciur ana 也對T OF 測距技術有所研究，他首次在IEEE 802. 11b 的無線局域網中使用T OF 測距技術， 然而需要額外的硬件幫助。在無線傳感器網絡中，也有許多學者對TOF 測距技術進行了研究。然而，他們側重于無線傳感器網絡中某個特殊的典型現場，如可編程門陣列( FPGA) 的實現，并且需要一個專門的基礎設施，而這個基礎設施也不能廣泛應用于IEEE 8021. 11( 無線) 網絡中。

　　在本文中，考慮用窄帶射頻的T OF 測距方法及標準的IEEE 802. 11b 無線芯片來完成無線傳感網絡準確估計點到點之間的距離。

　　2   TOF 測距方法原理

　　在T OF 測距時，本地節點A 向遠程節點B 發送一個數據包，當B 節點收到數據包時，會自動發送一個確認來響應這個數據包。執行過程如圖1 所示。

圖1   TOF 測距過程

　　A 節點測量出從發送數據包到接收確認的時間,這段消耗總時間記為TT OT 時間; B 記錄了B 從收到數據包到B 回應確認消息的這個時間段的時間，記為TT AT 。用T TOT 總時間減去周轉時間TT AT 就是雙方的數據包在飛行中度過的往返時間，記為TRTT 時間。假定在每個方向發生的飛行時間TTO F 等于50% 的往返時間，如式( 2) 所示：

　　當計算出TT OF 后，根據D = T c( T 代表T TOF ; c 代表光速，為3×108 ms- 1 ) 可以計算出節點間的距離。

　　TOF 測距方法有兩個關鍵的約束：一是發送設備和接收設備必須始終同步; 二是接收設備提供信號的傳輸時間的長短。為了實現時鐘同步，TOF 測距方法采用了時鐘偏移量來解決時鐘同步問題。但由于T OF測距方法的時間依賴于本地和遠程節點，測距精度容易受兩端節點中時鐘偏移量的影響。為了減少此類錯誤的影響，這里采用反向測量方法，即遠程節點發送數據包，本地節點接收數據包，并自動響應，通過平均在正向和反向所得的平均值，減少對任何時鐘偏移量的影響,從而減少測距誤差。

　　3   TOF 測距實驗

　　3. 1   實驗準備

　　實驗時，采用了Jennic JN5148 EK010 開發平臺作為實驗平臺來完成TOF 測距試驗。JN5148 通信模塊具有超低功耗、高性能，完全兼容IEEE 802. 15. 4 等特點。它集成了32 b 的RSIC MCU 內核、高性能的2. 4 GH z IEEE 802. 15. 4 收發器，主要應用在ZigBeePRO 的無線傳感器網絡中[ 12] 。

　　Jennic 的JN5148 無線微控制器包括一個硬件的飛行時間( TOF) 引擎，能夠測量2. 4 GHz 的無線電信號在兩個節點之間的飛行時間。由于飛行時間與傳輸距離成正比，故可以用來估算節點間的距離。

　　3. 2   實驗描述

　　選擇兩個JN 5148 節點，分別為A 節點和B 節點。A 節點作為Coordinator 節點，B 節點作為EndDevice節點。其中，B 節點通過串口與PC 機相連，在PC 機通過串口調試軟件來查看相關信息; A 節點作為移動節點，用來改變節點間的實際距離。通過實際測量結果與TOF 測距結果的對比來驗證測距方法的有效性。

　　根據不同的實驗環境和測試距離，設計了4 種類型的實驗，分別為Line o f Sight ( LOS) ，No Line of Sight( NLOS) ，Indoo r，走廊等測距實驗。其中，LOS 表示視線可達的區域，在一個無障礙的麥地進行測試; NLOS 表示視線不可達的區域，在果園里進行測試，在兩個節點直線距離中間有建筑物、樹木等障礙物; Indoor測距實驗被安排在實驗室進行測試; 走廊實驗在某棟樓的走廊進行測試，障礙墻厚度為30 cm，走廊寬為3 m，長約30 m。

　　3. 3   實驗結果

　　為了減少測距的誤差，采用多次測距求平均值的方法來估算距離。在10. 5 m 的室內測距實驗中，EndDev ice 節點放在一個房間內，而Coor dinator 節點放在走廊內，中間隔著一堵墻，測量結果如圖2 所示，測量60 次( 一個點3 次，共20 個測量點) 樣本數據的平均誤差在1. 94 m，最大誤差距離為3. 55 m。在26 m 的走廊測距實驗中，測量60 次樣本數據的平均誤差在2. 01 m，最大誤差距離為5. 1 m，樣本數據如圖3 所示。

　　在100 m 的LOS 測距試驗中，測量60 次樣本數據的平均誤差在3. 62 m，最大誤差距離為11. 2 m，樣本數據如圖4 所示。在100 m 的NLOS 測距試驗中，測量60 次樣本數據的平均誤差在4. 47 m，最大誤差距離為19. 6 m，樣本數據如圖5 所示。實驗結果證明，TOF 的精度較高，可以滿足WSN 定位技術的要求。

圖2  室內測距樣本圖

圖3   走廊測距樣本圖

圖4   LOS 測距樣本圖

　圖5   NLOS 測距樣本圖

　　4   結  論

　　介紹了基于TOF 的節點測距技術。通過實驗證明，用時鐘偏移量方法可以有效實現時間同步，用求正反方向的T OF 平均值的方法可以有效減少誤差。

　　TOF 測距實驗在室內、室外進行了多種測試。實驗結果表明，在10. 5 m 的室內，測量樣本數據的平均誤差在1. 94 m; 在26 m 的走廊，測量樣本數據的平均誤差在2. 01 m; 在100 m 的LOS，測量樣本數據的平均誤差在3. 62 m; 在100 m 的NLOS，測量樣本數據的平均誤差在4. 47 m。上面的實驗數據顯示，不同的實驗環境,誤差大小也不同，這主要受信號傳輸路徑的影響。因為在信號的傳播過程中，由于受地面或水面反射和大氣折射的影響，接收到的信號有可能不是單一路徑來的，而是由許多路徑來的眾多反射波合成的，因此測量信號的傳輸時間就會有誤差，從而影響估算距離的精確度。

　　總之，結果表明，T OF 是一種精確度較高的測距方法，適用于無線傳感器網絡，能夠得到廣泛應用。