基于无线传感器网络的舱室内船员位置估计算法.pdf
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1、第45卷第19 期2023年10 月舰船科学技术SHIP SCIENCEANDTECHNOLOGYVol.45,No.19Oct.,2023基于无线传感器网络的舱室内船员位置估计算法张迪,王雪丽(赤峰学院物理与智能制造工程学院,内蒙古赤峰0 2 40 0 0)摘要:为保证舱室内人员的安全,提升船舶在航行过程中的管理能力,设计基于无线传感器网络的舱室内船员位置估计算法。在舱室内的固定位置放置参考节点,同时在船员身上放置定位节点,定位节点的定位请求发送给参考节点,当定位节点接收到参考节点自身坐标的信号强度时,通过接收信息强度指示定位算法测量参考节点和定位节点之间的间距,采用高斯滤波方式对测量结果进
2、行去噪;通过三边定位算法求出定位节点具体位置,实现船舶室内船员位置估计。实验结果表明,该算法能够有效去除RSSI严重失真数据,船员实际位置估计准确,测得参考节点与定位节点之间的有效距离较长,且具有较高的穿透力和测距精度。关键词:无线传感器网络;船舶室内;船员位置;位置估计;RSSI;滤波去噪中图分类号:TP212.9文章编号:16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)19-0 197-0 4Design of estimation algorithm for ship indoor crew position based on wireless sensor network(School o
3、f Physics and Intelligent Manufacturing Engineering,Chifeng University,Chifeng 024000,China)Abstract:In order to ensure the personal safety of personnel inside the ship and enhance the management ability of theship during navigation,a wireless sensor network-based algorithm for estimating the positi
4、on of crew members inside theship is designed.Place a reference node at a fixed position inside the ships interior,and also place a positioning node on thecrew inside the ship.The positioning request of the positioning node is sent to the reference node.When the positioning nodereceives the signal s
5、trength of the reference nodes own coordinates,the receiving information strength indicates that the pos-itioning algorithm measures the distance between the reference node and the positioning node.Gaussian filtering is used todenoise the measurement results.Calculate the specific position of the po
6、sitioning node through the trilateral positioning al-gorithm,and achieve the estimation of the indoor crew position on the ship.The experimental results show that this al-gorithm can effectively remove severely distorted RSSI data,accurately estimate the actual position of the crew,measure theeffect
7、ive distance between the reference node and the positioning node,and have high penetration and ranging accuracy.Key words:wireless sensor network;ship interior;crew position;location estimation;RSSI;filter denoising0引言在海上交通领域中,船舶舱室内船员的位置估计是保障船舶正常运行、避免发生船舶事故的重要手段,对航行安全非常重要。目前,无线传感器网络技术广泛应用于各种室内定位领域2-
8、,而船舶舱室内的环境较为复杂,阻碍了舱室内位置估计的发展,因此,如何提高舱室内位置估计的精度具有重要的意义。一些学者对此问题进行了研究,张沛朋等4 提出收稿日期:2 0 2 3-0 4-17基金项目:内蒙古自治区高等学校科学研究项目(NJZY22199);赤峰学院青年科研基金项目(cfxyqn202104)作者简介:张迪(19 8 6),男,硕士,副教授,研究方向为传感器网络技术。文献标识码:Adoi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.19.038ZHANG Di,WANG Xue-li基于MCMC的位置估计算法;方省等5 提出一种基于高斯混合模型的位置估计算法。但是
9、这2 种方法在实际操作时会受到外界因素的干扰,计算结果存在一定的误差。无线传感器网络具有信号采集和传输的功能,可实现舱室内的监测工作,且传感器的体积较小,利用成本较低。因此,本文提出基于无线传感器网络的舱室内船员位置估计算法设计,以提升船舶在航行过程中的安全性。:1981船舶舱室内船员位置估计算法1.1基于无线传感器网络的位置估计架构基于无线传感器网络的舱室内船员位置估计总体架构如图1所示,通过网关节点进行舱室内的合理规划,建立无线传感器网络,在舱室内船员处放置定位节点,将其自身位置坐标发送给参考节点,参考节点再将信息发送给舱的主机中心,结合以太网设计了舱室内船员位置估计架构。定位参考网关节点
10、1图1舱室内船员位置估计架构Fig,1 Architecture for estimating the position of indoorcrewmembers on ships1)网关节点。具体工作内容是控制舱室内的整个网络并起到协调的作用,依据无线的方式接收和发送数据并构建网络,是信息传输的重要途径。该节点也被称作协调器,是构建舱室内无线传感器网络的重要组成部分。2)参考节点。具体工作内容是辅助网关节点的工作,并将自身的位置坐标和信号强度发送给定位节点,起到中转网络的作用,也是辅助定位节点进人舱室内网络的桥梁,该节点也被称作路由器3)定位节点。该节点也被称作终端节点。该节点集成一些传感器
11、节点,并依据需求设置特别功能。该节点将放置于舱室内船员的身上,可以在参考节点能够测到的区域内进行活动,同时,将该节点的定位请求持续传送给参考节点,当该节点收到参考节点的坐标位置和信号强度时,便可以采用定位算法获取舱室内船员的准确位置。该节点的工作流程如图2 所示。1.2基于RSSI的测距方法依据基于无线传感器网络的船舶室内船员位置估计算法架构,通过接收信息强度指示(RSSI)定位算法测量参考节点和定位节点之间的间距,从而进一步完成船舶室内船员位置估计。RSSI的测距原理是依据发送节点的信号强度,接收节点的接收信号强度与信号传输途径损耗模型求出参考节点与定位节点之间的舰船科学技术定位定位)参参烤
12、考网关节点2以太网传输通道船舶主机中心第45卷开始定位节点发送定位请求是否收到信号强度Y求出定位节点与参考节点的距离获取驾驶员位置坐标网关节点n结束图2 定位节点的工作流程Fig.2Workflow for locating nodes距离,再通过三边定位算法得出定位节点的位置。通常情况下,采用信号衰减模型信道传输损耗模型进行距离计算:PL(d)=PL(do)+10nlg式中:PL(d)为船舶室内发送节点和接收节点之间距离为d时的信道路径传输损耗;PL(do)为舱室内发送节点和接收节点之间距离为d。时的信道路径传输损耗;n为信号传输路径损耗系数;S为高斯噪声。舱室内接收节点的接收信号强度可表达
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