ZigBee无线传感器网络实时定位系统设计

ZigBee无线传感器网络实时定位系统设计 西安电子科技大学 硕士学位论文 姓名:魏春光 申请学位级别:硕士 专业:微电子学与固体电子学 指导教师:杨银堂 20080101 摘要 摘要 无线传感器网络(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,)是一种以数据为中心的无线自组织网络(,,,,,,,,,,(,,;,,,,,,,)，能够实时感知、采集和监测各种环境或观察对象的信息。，,,,,,,(,,(,,,,,,,, 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 为无线传感器网络提供了互联互通的国际标准，也为相关产业的发展提供了有力的推动作用。无线传感器网络可用于军事、商业、医疗救护、环境监测等诸多领域。由于传感器节点受到成本、能量和体积韵限带扩无线传感器两络节点的定位遇封了新韵挑艟——在低能耗,低复杂度的情况下，实现精确定位。 本文综述了无线传感器网络的特点、应用及目前国内外的研究现状，介绍了,,,,;;协议标准各层的结构与功能，以及近年来在——————————————————————————————————————————————— 无线传感器网络定位技术领域具有代表性的算法。 其次，本文利用,,，公司的无线收发芯片,,,,,,设计了无线传感器网络的硬件模块，并用,语言实现了,,,,,。,协议栈及主要应用程序。该系统采用基于接收信号强度指示(,,,,算法实现分布式无线网络节点定位，这种分布式的定位机制，有效的降低了功耗，提高了信道利用率。本系统的定位偏差小于三米，达到了设计要求。 关键词:无线传感器网络，,,,,,,(,,(,定位,,,,,,,,,,,,协议 ,,,,,,;,, ,,,,,,;, ,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,),,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,—,,;,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,缌;,,,,,，,,,,,,,,;,,,,，,,,,,;,,,,,,,,,,;,,,:,,,,,,,,,,,(,,,，,,,,,,(,,(,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,, 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,,,将改变我们与客观世界的交互方式。从军事应用、目标追踪、环境检测到空间探索，,,,的未来应用将超出我们的想象力。但是对于大多数的,,,应用，不知道传感器节点位置而感知的数据是没有意义的。传感器节点必须明确自身位置才能详细说明“在什么位置或区域发生了特定事件一，实现对外部目标的定位和追踪。而节点位置信息的获得又可以使网络设计者优化,,,在其它方面的应用，比如对路由算法的优化、联合信号处理、通信开销的优化、基于位置的信息查询拥塞处理、网络覆盖率检查等。人工部署或为所有网络节点安装,,,接收器都会受到成本、功耗、扩展性等问题的限制，甚至在某些场合可能根本无法实现(如在室内由于受到建筑物的阻挡，其定位性能并不理想)，因此必须采用一定的机制与算法实现,,,的自身定位。 从,,,,年,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,开发出室内定位系统,;,,,,,,,,,至今，研究者们一直致力于这一领域的研究。事实上，己有许多系统和算法能够解决,,,自身定位问题。但是，每种系统和算法都用来解决不同的问题或支持不同的应用，它们在用于定位的物理现象、网络组成、能量需求、基础设施和时空的复杂性等许多方面有所不同。 ,(,国内外的研究现状 ——————————————————————————————————————————————— 根据定位机制，现有的,,,定位算法主要分为基于距离(,,,,,,,,,,,)的定位算法和距离无关(,,,,,—,,,,)的定位算法两类。基于距离的定位算法通过获取电波信号参数，如到达角度(,,,，,,,,,,,,,,,,,,)，到达时间(,,,，,,,, ,,,,,,,,,,,)，到达时间差(,,,,，,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,)，接收信号强度(,,,, ,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,;,,,,)，再通过合适的定位算法推算出节点的大致位 ,,,,,,,无线传感器网络实时定位系统设计 置。基于距离的定位算法由于实际测量节点间的距离或角度，定位精度相对较高，但对节点的硬件提出了很高的要求，定位过程中消耗的能量较多。使用声波、超声波、无线电波等进行距离或角度的测量，使得基于距离的定位算法易受温度、湿度、障碍物等环境因素的影响。而距离无关的定位算法无需距离和角度信息，仅根据网络连通性和信标节点信息来实现相对精确的定位功能。典型的距离无关的定位算法有,,—,,,算法，,,，,算法、质心算法，,,,,,,,,,算法等，它们所需的网络模型都是由信标节点和未知节点组成，无需基础网络设施(基站、,,,设备、卫星等)的支持。距离无关的定位算法的精度和收敛速度一定程度上依赖于网络平均每跳距离估计的精度，而且当,,,各向异性或拓扑结构比较复杂时，算法的性能将明显变差。由于距离无关的定位算法无需测量节点间的距——————————————————————————————————————————————— 离或方位，因而降低了对节点的硬件要求，使得节点成本更适合于大规模,,,，其定位性能受环境因素的影响小。 最近已经有一些应用于,,,的定位系统被提出，其中比较有代表性的现有定位系统有,,;,,,,,,’,,,,,,，,;,,,,,,,,，,,,,,,，,,,,,,,,，,,，(，,,，,,,;,,,等。,,;,,,,,,’,,,,,,定位系统利用“指纹识别:技术进行定位，该方法是通过对特定环境下的,,信号衰落特征值进行处理实现的。由于受墙壁阻挡、多径效应等影响，,,,,,系统中基于,,,，实现精确定位比较困难。在,,,,,,定位系统中，利用接收到的信号强度通过一些方法校准,,,，预测方程，从而更好地利用接收信号强度估计距离。这种方法易于实现，但受信道质量(如反射等)的影响较大，信号强度误差会达到,,,,，测距相对误差会达到?,,,。,,,,,系统是一个迭代的定位算法。具体定位过程为,未知节点首先利用,,,,方法测量与其邻居节点的距离;当未知节点的邻居节点中信标节点的数量大于或等于,个时，利用极大似然估计方法计算自身位置，随后该节点变成新的信标节点，称为转化信标节点，并将自身的位置广播给邻居节点;随着系统中转化信标节点数量不断增加，对于原来邻居节点中信标节点数量少于,个的未知节点，将逐渐拥有足够的邻居信标节点，就能够利用极大似然估计方法计算自身的位置，这个过程一直重复到所有节点都计算出自身的位置。,,,,,,,,定位系统的实验表明在理想环境下信道的长期衰落服从对数正态分布。但是在某些——————————————————————————————————————————————— 干扰比较严重的环境下，,,,,,,,,定位系统的实验结果并不理想。经过对传播路径损耗模型参数的调整，,,,,,,,,定位系统的定位性能有所提高。,,,;,,,系统是麻省理工学院的,,,,,,项目的一部分，用来确定移动或静止节点在大楼内的具体房间位置。该定位系统利用射频信号与超声波信号到达时间间隔和各自的传播速度，计算出未知位置节点到信标节点的距离。然后通过比较到各个临近信标节点的距离，选择出离自己最近的信标节点，从该信标节点广播的信息中取得自身的位置。,,,;,,,系统将定位相对误差降低到,,,,，但受超声波传播方向性限制，不能实现任意两点间的测距和定位。 第一章绪论, 目前国内对基于,,,的定位技术研究还不多，史龙等人在综合分析大量,,,定位算法的技术文献和最新研究结果的基础上，从测距技术和算法两方面阐述了定位机制的局限性，着重论述和比较了现有的几种定位算法，指出了,,,自身定位问题的研究方向。马祖长等提出了,,,的一种节点定位算法，使用平均每跳距离节点之间的跳数代替实际的距离测量，利用多个信标节点的位置信息，实现了节点的可靠定位。而王永才等人介绍了在,,,中，应用,,,,测距技术和基于几何关系的节点自身定位算法，并在,,;,,系统上实现了该算法。孙学斌等人提出了一种,,,中的目标定位算法，用以获取在,,,监视下的地理区域中移动目标的位置。该算法首先找到一个曾监测到目标的节点，然后利用相邻节点间的本地消息跟踪目标——————————————————————————————————————————————— 的运动轨迹。 ,(,立题的意义 在,,,的大多数应用中，位置信息是传感器节点采集数据中不可缺少的部分。对于位置信息的了解可以增强网络安全，为网络提供命名空间，向部署者报告网络的覆盖质量，实现网络的负载均衡和网络拓扑的自配置等。此外，基于位置的路由可以提高路由效率、减少能量消耗。定位技术是很多其他,,,技术的基础。 无线传感器节点通常随机部署在不同的环境中执行各种监测任务，以自组织方式相互协调工作，随机部署的无线传感器节点无法事先知道自身位置，因此无线传感器节点必须能够在部署后实时地进行定位。无线传感器节点自身定位就是根据少数已知位置的节点，按照某种定位机制确定自身的位置。在无线传感器网络中，无线传感器节点自身的正确定位是提供监测事件位置信息的前提。 在传感器网络中，传感器节点能量有限、可靠性差、节点规模大且随机布放、无线模块的通信距离有限等，对定位技术提出了很高的要求，定位机制必须满足自组织性、健壮性、能量高效、分布式计算等要求。正如,,,一样，它的定位技术的研究也还处于刚刚起步阶段，还需要进一步地深入和提高。 ,(,本文的主要工作和组织结构 本文较为全面深入地研究分析了基于，,,,,,,(,,(,,,,,,,,的无线传感器网络，利用，,公司的无线收发芯片,,,,,,设计了无线传感器网络的硬件模块，并用,语言实现,,——————————————————————————————————————————————— ,,,,,组网算法和网络节点的实时定位功能。 本文共分为六章，第三、第四和第五章是本文的主要工作内容，四、五两章是整个工作的重点和难点。第一章主要介绍了本文的研究的背景，国内外的研究现状和立题的意义并指 ,,,,,,,无线传感器网络实时定位系统设计 出了本文的主要内容。 第二章简要介绍了无线传感器网络的特点、应用及体系结构。对，,,, 中对,,,,,,协议栈中的应用层、网络层和正,,,,,(,,(,标准进行了分析。,,,(,,(,,,,,,,,标准做了较为完整的介绍，包括,,,,,,技术的特点、协议栈、原语等。其 第三章介绍了无线传感器网络定位算法的特点、节点位置计算方法，按照基于测距的定位和距离无关的定位分类，对这两类定位算法进行了分析，特别是对在本文设计的无线传感器网络实时定位系统用到的,,,，算法进行了详细的介绍。 第四章详细介绍了无线传感器网络扩展板及网络节点模块的硬件设计与实现。具体内容包括选取的无线收发芯片,,,,,,的主要特点及性能，扩展板电源、接口电路及状态显示系统和网络节点的天线、时钟晶振的设计，,(,走线及设计中遇到的问题的解决方法等。最终设计实现了传输距离大于,,米的无线传感器节点。 第五章用,语言设计了,,,,?协议栈，实现了,,,,,,——————————————————————————————————————————————— 无线传感器网络的组网 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，定义了通信原语、数据结构及主要的应用程序。最后在,,机上用。,,,,;,,,,,,,,,,,(,(,:软件对无线传感器网络进行了调试，并以图形化的方式演示了实验结果。第六章总结全文工作，指出了存在不足，并对以后的研究工作进行了展望。 第二章无线传感器网络技术概述 第二章无线传感器网络技术概述 ,(,无线传感器网络发展综述 无线传感器网络技术融合了微电子技术、微细加工技术、,,,芯片设计技术、纳米材料与技术、现代信息通讯技术、计算机网络技术等，以实现其微型化、集成化、多功能化、系统化及网络化，特别是实现无线传感器网络的超低功耗系统设计。无线传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和巨大实用价值，己经引起了世界许多国家军界、学术界和工业界的高度重视，并成为进入,,,,年以来公认的新兴前沿热点研究领域，被认为是将对二十一世纪产生巨大影响力的技术之一【,】。,,,,年,月份的美国《技术评论》杂志评出对世界产生深远影响的十大新兴技术，无线传感器网络被列为第 一。科学家预言未来无线传感器网络将引发新的信息革命。一些专家认为无线传感器网络、仿生人体器官等是全球未来的四大高技术产业，它们将掀起新的产业浪潮，这预示着未来到处是以电池为电源——————————————————————————————————————————————— 的无线传感器网络，这些传感器可监控环境、机器甚至人类自己。 近几年，这方面的研究活动在美国各大学及研究所蓬勃发展，美国政府也斥巨资支持这方面的研究。在,,,,年度的自然科学基金自主的专题中，便有一个是传感器与传感器系统及网络，拨款额度达到三千四百万美元。美国国防部在这方面的投入更为巨大。美国的很多大学都已开展无线传感器网络的研究。在其它国家和地区，如欧洲、日本、澳大利亚也开展了不少关于传感器及无线传感器网络的研究工作。 我国现代意义的无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动。首次正式出现在,,,,年中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的“信息与自动化领域研究报告:中，作为该领域提出的五个重大项目之一(当时的项目名称:重点地区灾害的实时监控、预警和决策支持示范系统)。,,,,年后，微系统研究与发展中心在无线传感器网络方向上陆续部署了若干重大研究项目和方向性项目，参加单位包括上海微系统所、声学所、微电子所、半导体所、电子所、软件所以及中国科技大学等,,余个研究所和高校。,,,,年,月相关成果在北京进行了大规模外场演示，部分成果已经在实际工程系统中使用。对这项对人类未来生活影响深远的前沿科技的研究，对整个国家的社会、经济将有重大的战略意义。 ,,,,,,,无线传感器网络实时定位系统设计 到目前为止无线传感器网络的发展已经经历了三个阶段,,,:点对点，只是简单取代了有线网络，各个设备之间只是直接联系，只——————————————————————————————————————————————— 有有限的通信能力;点对多点，传感器网络中有一个路由和控制的中央节点，所有数据流动必须通过基站;多跳，网状结构，完全的砌况余，具有多数据通道，自我构建，自我调整，智能分布。 ,,,,年,月成立的,,,,,,联盟是一个针对无线个人区域网络(,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,)网络而成立的产业联盟。该联盟致力于近距离、低复杂度、低数据速率、低成本的无线网络技术的研究。他们开发的技术被称为,,,,,,技术。,,,,,,联盟于,,,,年,月,,日公布了第一份,,,,,,规范“,,邸,,,,,;,,,;,,,,,,,(,:，该标准在，,,,,,,(,,(,(,,,,物理层和标准媒体接入控制层的基础上定义了网络层、安全协议及应用服务。，,,,,,,(,,(,规范是一种经济、高效、低数据速率(,,,,,,,,)、工作在,(,,,,年,,,,,,,,,,,,的无线技术，用于个人区域网和对等网状网络，它是,,,,,,应用层和网络层协议的基础。,,,,,,是一种新兴的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案，主要用于近距离无线通信。它依据，,,,,,,(,,(,标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。 ,(,无线传感器网络的特点 ——————————————————————————————————————————————— ,、大规模网络 为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量的传感器节点，传感器节点的数目可能达到成千上万，甚至更多。传感器网络的大规模性包括两方面含义:一方面，分布地理区域大，需要部署大量的传感器节点:另一方面，传感器节点部署密集。 传感器节点的大规模性具有如下优点:通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比;通过分布式处理大量采集信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求;大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能;大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少盲区。 ,、自组织网络 传感器节点具有自组织能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。传感器网络的自组织性能够适应网络拓扑结构的动态变化。 ,、动态网络 传感器网络的拓扑结构可能因为下列原因而改变:环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效;环境变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至 第二章无线传感器网络技术概述, 时断时通;传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性;新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。 ——————————————————————————————————————————————— ,、可靠的网络 传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，传感器节点可能工作在露天环境中，遭受太阳的暴晒或风吹雨淋，甚至遭到无关人员或动物的破坏。传感器节点往往采用随机部署，如通过飞机播撒或发射炮弹到指定区域进行部署。这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣环境条件。由于监测环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可能人工“照顾:每个传感器节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。 ,、应用相关的网络 传感器网络用来感知客观物理世界，获取物理世界的信息。不同的传感器网络应用关心不同的物理量，不同应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有很大差别。对于不同的传感器网络应用虽然存在一些共性的问题，但在开发传感器网络应用中，更关心传感器网络的差异。只有让系统更贴近应用，才能做出最高效的目标系统。针对每一个具体应用来研究传感器网络技术，是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。 ,、以数据为中心的网络 传感器网络是任务型的网络，脱离了传感器网络谈论传感器节点没有任何意义。传感器网络中的节点采用节点编号标识，节点编号是否需要全网唯一取决于网络通信协议的设计。由于传感器节点随机部——————————————————————————————————————————————— 署，构成的传感器网络与节点编号之间的关系是动态的，表现为节点编号与节点位置没有必然联系。用户使用传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是通告给某个确定的节点。网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。这种以数据本身作为查询或传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯。所以通常说传感器网络是一个以数据为中心的网络。 ,(,无线传感器网络的体系结构 ,(,(,无线传感器网络结构传感器网络结构如图,(,所示，传感器网络系统通常包括传感器节点(,,,,,, ,,,,,,,无线传感器网络实时定位系统设计 ,,,,)、汇聚节点(,,,,,,,,)和任务管理节点(,,,,,,,,,,,,,,,)。大量传感器节点随机部署在监测区域(,,,,,,,,,,,)内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其它传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳路由后到达汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达任务管理节点。用户通过任务管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。 ,,,,,,,, 图,(,传感器网络体系结构,,,,,,,,,, 传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，他的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。从网络功——————————————————————————————————————————————— 能上看，传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定任务。 汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，他连接传感器网络和外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布任务管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。汇聚节点可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供应和更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能，仅带有无线通信接口的特殊网关设备。 ,(,(,无线传感器节点结构 传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换;处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身的数据及其他节点发来的数据;无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据;能量供应模块提供节点运行所需的能量，通常采用微型电池。传感器节点的限制 第二章无线传感器网络技术概述, 主要有:电源能量有限;通信能力有限;计算和存储能力有限。 传感器模块处理器模块无线通信模块 ,粥器,—, ,,处理器?存储器一星,眦,警，,,,, 能量供应模块 ——————————————————————————————————————————————— 图,(,传感器节点体系结构 ,(,(,无线传感器网络协议栈 图,(,传感器网络协议栈 物理层协议:物理层负责数据的调制、发送与接收。该层的设计将直接影响到电路的复杂度和能耗。研究的目标是设计低成本、低功耗、小体积的传感器节点。 数据链路层协议:数据链路层负责数据成帧、帧检测、差错控制以及无线信道的使用控制，减少邻居节点广播引起的冲突。 路由层协议:路由层实现数据融合，负责路由生成和路由选择。 传输控制层协议:传输控制层负责数据流的传输控制，协作维护数据流，是保障通信质量的重要部分应用层协议:基于检测任务，在应用层上开发和使用不同的应用层软件。 ,,,,,,?无线传感器网络实时定位系统设计 无线传感器网络的应用支撑服务包括:时间同步和节点定位。其中:时间同步服务为协同工作的节点同步本地时钟:节点定位服务依靠有限的信标节点，确定未知节点的位置，在系统中建立起一定的空间关系。 图,(,中右侧部分不是独立的模块，它们的功能渗透到各层中，如能量、安全、移动，在各层设计实现中都要考虑;而拓扑管理主要是为了节约能量，制定节点的休眠策略，保持网络畅通;网络管理主要是实现在传感器网络环境下对各种资源的管理，为上层应用服务的执行提供一个集成的网络环境:,,,支持是指为用户提供高质量的——————————————————————————————————————————————— 服务。通信协议中的各层都需要提供,,,支持。 ,(,基于，,,,,,,(,,(,的,,,,,,标准 ,(,(，,,,,,,技术的主要特点 ,、数据传输速率低，只有,,,字节,秒至,,,,,,字节,秒，专注于低传输应用。,、功耗低，在低耗电待机模式下，两节普通,号干电池可使用,个月,,年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是,,,,,,的支持者所一直引以为豪的独特优势。 ,、成本低，因为,,,,,,数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。而且,,,,,,协议免收专利费。 ,、网络容量大，每个,,,,,,,络最多可支持,,,个设备，也就是说，每个,,,,,,设备可以与另,,,,,,台设备相连接。， ,、时延短，通常时延都在,,毫秒至,,毫秒之间。 ,、安全，,,,,,,提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用,,,(,,,，同时可以灵活确定其安全属性。 ,、有效范围小，有效覆盖范围,,(,,米之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。 ,、工作频段灵活，使用的频段分别为,(,,,,，,,,,,,(欧洲)及,,,,,,(美国)，均为免执照频段。 ,(,(,，,,,,,,(,,(,,,,,,,,协议栈 ，,,,,,,(,,(,,,,,,,,标准采用分层结构。——————————————————————————————————————————————— 每一层为上层提供一系列特殊的服务:数据实体提供数据传输服务，管理实体则提供所有其他的服务。所有的服务实体都通过服务接入点(,,,)为上层提供一个接口，每个,,,都支持一定数量的服务原语来实现所需的功能。 第二章无线传感器网络技术概述 ，,,,,,,(,,(,,,,,,,,标准堆栈架构是在,,，七层模型【,】的基础上根据市场和应用的实际需要定义的，如图,(,。其中，，,,,,,,(,,(,(,,,,标准定义了底层:物理层(,,,,,;,,,,,,,，,,,)和媒体访问控制层(,,,,,,,;;,,,,,,,,,,,,,(,,,,,，,,,)层。,,,,,,联盟在此基础上定义了网络层(,,,,,,,,,,,,，,,,)，应用层(,,,,,;,,,,, ,,,,,,,,,,,,，,,,)架构。其中应用层包括应用支持子层(,,,,,;,,,,, ,,,,;,,，,,,)以及用户定义应用对象(,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,—,,,,,，,,,)，应用架构(,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,，,,)，,,,,,;设备,,,,;,对象(,,,,,, ,,,,,;,,,,,,,,,;,,)。 图,(,，,,,,,,(,,(,,,,,,?协议栈完整架构 ——————————————————————————————————————————————— ,(,(,，,,,,,,(,,(,,,,,,,,网络拓扑结构 正,,,,,(,,(,,,,,,,,协议中明确定义了三种拓扑结构:星型结构(,,,,)、簇树结构(,,,,,,,,,,,)和网状结构(,,,,)。如图,(,所示: 星型网络配置由一个协调器节点(主设备)和一个或多个终端设备(从设备)组成。协调器是实现了一组很多,,,,,,服务的一种特殊的全功能设备(,,,)。 ,,,,,,,,无线传感器网络实时定位系统设计 终端设备可能是,,,或简化功能设备(,,,)。在,,,,或簇树网络中，,,,,,,协调器负责启动网络并设置某些关键参数，但是网络可以通过,,,,,,路由器进行扩展。在簇树网络中，路由器采用分级路由策略传送数据和控制信息。树状网络通常使用基于信标的通信模式,,,。,,,,网络允许完全的点对点通信，在,,,,网络中,,,,,,路由器不会发送常规，,,,,,,(,,(,—,,,,信标。 ;,,,日,，臀, 图,(,，,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,;,,,,(,,(,,,,,,,,网络拓扑结构 ,(,(,，,,,,,,(,,(,,,,,,,,标准的通信原语 在分层的通信协议中，层与层之间是通过服务接入点,,,相连——————————————————————————————————————————————— 接的。每一层都可以通过本层与下一层的,,,调用下层所提供的服务，同时通过上层的,,,为上层提供相应服务。,,,是层与层之间的唯一接口，而具体的服务是以通信原语的形式供上层调用的。在调用下层服务时，只需要遵循统一的原语规范，并不需要去了解如何处理原语。这样就做到了数据层与层之间的透明传输。 服务使用者 (上层, ,,？,,,,一服务提供者(本层)服务使用者(上层: 图,(,通信原语之间的关系 通信原语可以分为四种。,,？,,,,:请求原语用于上层向本层请求指定的服务;,,,,,,,:确认原语是本层用于响应上层发出的请求原语的;，,,,;,,,,,:指示原语由本层发给上层用来指示本层的某一内部事件;,,;,,,,,:响应原语是上层用于响应本层发出的指示原语的。原语的书写规则为。,,,名称(原语功能(原语类型’’。 第二章无线传感器网络技术概述,, ,(,(,，,,,,,,(,,(,,,,,,,,应用层(,,,) 如图,(,所示，,,,,,,应用层包括应用子层(,,,,,,,,,,,,)、,,,,,,设备对象(皿,)和生产商定义的应用对象。,,,子层负责维护绑定列表(绑定表的作用是基于两个设备的服务和需要把它们绑定在一起)，在绑定设备间传送消息。——————————————————————————————————————————————— ,,,负责定义设备在网络中的角色(如,,,,,,协调器或终端设备)，在网络中发现设备并判断他们提供怎么样的应用服务，初始化或响应绑定要求，在网络设备间建立安全关系。 图,(,应用支持子层模型 ,、应用支持子层(,,,) 应用支持子层(,,,)通过一系列常规服务提供网络层和应用层之间的接口，同时被,，,,,,,设备对象(,,,)和生产商定义的应用对象使用。这些服务通过两个实体:数据服务和网络服务实体来提供。,,,数据实体(,,,,,)通过,,,,,(,,,服务接入点提供数据传输服务。而,,,管理实体(,,,,,)通过,,,,,(,,,来提供管理服务，同时负责维护,,,信息库(』恤)。 ,、应用层架构(,,) ,,,,,,的应用层架构是,,,,,,设备内应用对象的工作环境。在,,内部，应用对象间通过,,,,,(,,,发送和接收数据。应用对象的控制和管理通过,,,公共接口来进行。 由,,,,,(,,,提供的数据服务包括用于数据传输的请求、确认、响应和指示原语。请求原语支持对等应用对象实体间的数据传输。确认原语报告请求原语所产生的结果。 ,,,,,,,,无线传感器网络实时定位系统设计 最多可以定义,,,个不同的应用对象。每一个应用对象都被作为一个端点索引从,到,,,。两个额外的端点用于,,,,,(,——————————————————————————————————————————————— ,,特殊用途:端点,保留作为与,,,的数据接口，端点,,,保留给数据接口函数向所有的应用对象广播数据。端点,,,(,,,保留作将来使用。 使用,,,,,(,,,提供的服务，应用层框架提供了应用对象的两种数据服务类型:主值对服务(,,,,,,,,,,,,,,,,,;,，,,,)和通用信息服务(,,,,,,;,,,,,,,,,,,,;,，,,,)。两者传输机制一样，不同的是,,,并不采用应用支持子层数据帧的内容，而是留给,,,,,,,应用者自己去定义。 ,、,,,,,,设备对象(,,,) ,,,,,,设备对象，描述了一个基本的功能函数类，在应用对象、设备,,,,,,,和,,,之间提供了一个接口。,,,位于应用框架和应用支持子层之间。它满足了,,,,,,协议栈所有应用操作的一般要求。,,,还有以下作用:初始化应用支持子层、网络层、安全服务文档;从终端应用中集合配置信息来确定和执行发现、安全管理、网络管理、以及绑定管理。 ,,,描述了应用框架层的应用对象的公用接口以控制设备和应用对象的网络功能。在终端节点,，,,,提供了与协议栈中低一层相接的接口，如果是数据是通过,,,,,(,,,，如果是控制信息则通过,,,,,(,,,。在,,,,,,协议栈的应用框架中，,,,公用接口提供设备、发现、绑定、以及安全等功能的地址管理。,(,(,，,,,,,,(,,(,,,,,,,,网络层——————————————————————————————————————————————— (,,,) ,,,,,,的网络层需要提供功能以确保，,,,,,,(,,(,(,,,,,,,子层的正确操作并为应用层提供一个合适的服务接口。为了给应用层提供合适的接口，网络层包括了两个服务实体来提供必需的功能，这两个服务实体就是数据服务和管理服 ,,)通过相关的,,,来提供数据传输服务，即,,,,(,,,。 网络层管理实体(?,也)通过相关的,,,来提供管理服务，即,，,,,，,(,,,。,,,,务。网络层数据实体(,利用,,,,来完成一些管理任务和维护管理对象的数据库，通常称作网络信息库(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,)。 网络层帧的结构由网络头以及网络负载区所构成。网络头以固定的序列出现，但地址和序列区不可能被包括在所有帧中。 八位:, 帧控制位,,,,,,目的地址，源地址路由区 网络头标示,半径范围序列号变量帧载荷区网络载荷区图,(,网络层帧结构 第二章无线传感器网络技术概述 图,(,网络层模型 ,(,(,，,,,,,,(,,(,,,,,,标准 ，,,,,,,(,,(,,,,,,标准‘,】网包括用于低——————————————————————————————————————————————— 速无线个人域网(,,(,,,,)的物理层(,,,)和媒体接入控制层(,,,)两个规范。 图,(,,，,,,,,,(,,(,(,,,,分层参考模型 图,(,,中物理层各功能功能实体和,,,的具体描述如下:,,,,:,,,层管理实体，处理与物理层管理相关原语。,,,,，,:,,,层,,,信息数据库，存储物理层,,,相关属性。,,(,,,:,,,数据服务接入点，接受将要发送的,,,帧、向,,,层报告接收到的,,,帧，为,,,层提供,,?数据服务。,,,,(,,,: ,,,,,,,,无线传感器网络实时定位系统设计 ,，砸服务接入点，接受,,,的管理请求原语，向,,,层报告管理指示原语和确认原语，为上层,,,层提供,，,,管理服务。 图,(,,中,,,层各功能实体和,,,的具体描述如下:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,公共部分子层(,,,,)，实现,,,层一般概念功能。包括,,,帧的封装、解封装;执行,,,,,,,算法共享物理信道。,,,,:,,,层管理实体，处理出数据原语之外的所有管理原语，以实现标准规定的,,,层功能，如超帧管理(,,,,,,,,,,)、信标帧同步、创建网络、建立释放网络关联等等。,,,,，,:,,,层,,,信息数据库，存储,,,层,,,相关属。,,,,(,,,:,,,,服务接入点，接收上层的协议数据单元、向上层报告,,,层服务数据单元，为上层提供,,,数据服务。,,,,(,,,:——————————————————————————————————————————————— ,,征服务接入点，接收发送数据原语以外的管理服务原语，为上层提供,,,管理服务。 ,(,本章小结 本章首先介绍了无线传感器网络的发展概况、特点及体系结构。然后对，,,,,,,(,,(,,,,,,,,标准做了较为完整的介绍，包括,,,,,,技术的特点、协议栈、原语等基本概念。其中对,,,,,,协议栈的应用层、网络层及?,,,,,(,,(,,,,,,标准进行了较为详细的分析。 第三章无线传感器网络定位技术研究 第三章无线传感器网络定位技术研究 ,(,定位技术简介 在传感器网络中，位置信息对传感器网络的监测活动至关重要，事件发生的位置或获取信息的节点位置是传感器节点监测消息中所包含的重要信息，没有位置信息的监测消息往往是毫无意义的。因此，确定事件发生的位置或获取消息的节点位置是传感器网络最基本的功能之一，对传感器网络应用的有效性起着关键的作用。 定位信息除用来报告事件发生的地点外，还具有下列用途:目标跟踪，实时监视目标的行动路线，预测目标的前进轨迹;协助路由，如直接利用节点位置信息进行数据传递的地理路由协议，避免信息在整个网络中的扩散，并可以实现定向的信息查询;进行网络管理，利用传感器节点传回的位置信息构建网络拓扑图，并适时统计网络覆盖情况，对节点密度低的区域及时采取必要的措施等等。因此在传感器——————————————————————————————————————————————— 网络中，传感器节点的精确定位对各种应用有着重要的作用。 在传感器网络中，传感器节点能量有限、可靠性差、节点规模大且随机布放、无线模块的通信距离有限，对定位算法和定位技术提出了很高的要求。传感器网络定位算法通常需要具备以下特点: ,、自组织性:传感器网络的节点随机分布，不能依靠全局的基础设施实施协助定位。 ,、健壮性:传感器节点的硬件配置低、能量少、可靠性差，测量距离时会产生误差，算法必须具有较好的容错性。 ,、能量高效:尽可能地减少算法中计算的复杂性，减少节点间的通信开销，以尽量延长网络的生存周期。通信开销是传感器网络的主要能量开销。 ,、分布式计算:每个节点计算自身位置，不能将所有信息传送到某个节点进行集中计算。 ,(,计算节点位置的基本方法 传感器节点定位过程中，未知节点在获得对于附近信标节点的距离，或获得附近的信标节点与未知节点之间的相对角度后，通常使用下列方法计算自己的位置忉。 ,,,,,,,,无线传感器网络实时定位系统设计 ,、三边测量法 三边测量法(,,,,,,,,,,,,,)如图,(,所示，己知,、,、,三个节点的坐标分别为(,,，,,)、(,,，,,)、(,,，,,)，以及它们到未知节点,的距离分别,，，,,，,——————————————————————————————————————————————— ,，假设节点,的坐标为(墨,)。 圉,(,三边测量法图示 那么，存在下列公式 (,(,) 由式(,(,)得到节点,的坐标为: ,;,,厂,,,((,毛,一,而,,,,(,,,(,,,,)),,,,一,),:,(,,(,:一),,,？,薹二薹:;,二,,,:三;二兰;,,一蠢，)，;一;，,;一,;,(,—,， ,、三角测量法 三角测量法(,,,,,,,,,,,,,)，已知八,，,三个节点的坐标分别(,,，,,)，(,,，,,)，(,,，,,)，目标节点相对与节点八,，,的角度分别为:,,,,，,,,,，,,,,，假设目标节点坐标(,，,)。 对于节点,，,和角么,,,，如果弧段,,在,,,,内，那么能够唯一确定一个圆，设圆心为,,(,小,们)，半径为,,，那么口,,,,,,,(,舅,,,,,,,,,)，并可建立下列公式: 妊,虿,瓦,了,，正,耵,而,吒(,(,) (而一屯),，(,,—,,),,,吒,—,‘,,,, 由式(,—,,能够确定圆心,,点的坐标和半径,,?同理对,，,，,,,,和,，,， 么眇,分别确定相应的圆心,,(,。,，,。,)、半径,,、——————————————————————————————————————————————— 圆心,,(,,,’,。,)和半径 第三章无线传感器网络定位技术研究,, ,,。最后利用三边测量法，由点,(,，,)，,,(,小,口,)，,,(,。,，,口,)，,,(,。,，,。,)确定,点的坐标。 ,、极大似然估计法 极大似然估计法(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,)如图,(,所示，已知,，,，,等,:,个节点的坐标为(,，，,,)，(,,，,,)，(,,，,,)，…，(,。，,。)，它们到节点,的距离分别为,,，,,，,,，…，,。，假设节点,的坐标为(,，,)。 , , 图,(,极大似然估计法图示 那么，存在下列公式 工),),,,, (,,) 柚,),,,: , ,,一《,,,(,,,,,,),,,,,一,:,,(,,,,。))，,砰一,:;(,(,) ,工。,,,一工:,,(,，一,一毛),，,乙一)，:,,——————————————————————————————————————————————— (,(,,一)，。),,,乙一,: ,吲,焉,,,,篡，?,三,,习,肚,训,。,?,矗啼,,?弘,乞,刘 ,(,基于距离的定位算法 基于距离的定位算法(,,,,,(,,,,,)是通过测量相邻节点间的实际距离或方位进行定位。具体过程通常分为三个阶段:第一个阶段是测距阶段，未知节点首先测量到邻居节点的距离或角度，然后进一步计算到邻近信标节点的距离或方位，在计算到邻近信标节点的距离时，可以计算未知节点到信标节点的直线距离，也可以用二者之间的跳段距离最为直线距离的近似;第二阶段是定位阶段，未知节点在计算出到达三个或三个以上信标节点的距离或角度后，利用三边测量法、三角测量法或极大似然估计法计算未知节点的坐标:第三阶段是修正阶段，对求得 ,,,,,,无线传感器网络实时定位系统设计 的节点的坐标进行求精，提高定位精度，减少误差。 在基于距离的定位中，测量节点间距离或方位的方法有,,,，,,,,，,,,，和,,,等，因此基于距离的定位进一步分为:基于,,,的定位、基于,,,,的定位、基于,,,的定位和基于,,,，的定位等。 ,(,(,,,,算法 在基于到达时间,,,的定位机制中，已知信号的传播速度，根据信号的传播时间来计算节点间的距离，然后利用已有算法计算出节——————————————————————————————————————————————— 点的位置。 基于,,,算法的定位采用伪噪声序列信号作为声波信号，根据声波的传播时间来测量节点间距离。如图,(,所示，节点的定位部分主要由扬声器模块、麦克风模块、无线电模块和,,,模块组成。假设两节点间的时间同步，发送节点的扬声器模块在发送伪噪声序列信号的同时，无线电模块通过无线电同步消息通知接收节点伪噪声序列信号的发送时间，接收节点的麦克风模块在检测到伪噪声序列信号后，根据声波信号的传播时间和速度计算发送节点和接收节点之间的距离。节点在计算出距离多个邻近信标节点的距离后，可以利用三边测量算法或极大似然估计算法计算出自身位置。与无线射频信号相比，声波频率低，速度慢，对节点硬件的成本和复杂度的要求都低，但是声波的缺点是传播速度易受大气条件的影响。 基于,,,的定位精度高，但要求节点间保持精确的时间同步，因此对传感器节点的硬件和功耗提出了较高的要求。 图,(,使用声波进行测距 ,(,(,,,,,算法 在基于到达时间差,,,,的定位机制中，发射节点同时发射两种不同传播速度的无线信号，接收节点根据两种信号到达的时间差以及已知两种信号的传播速 第三章无线传感器网络定位技术研究,, 度，计算两个节点之间的距离，在通过已有基本的定位算法计算出节点的位置。 ——————————————————————————————————————————————— 如图,(,所示，发射节点同时发射无线射频信号和超声波信号，接收节点记录两种信号到达的时间,。，,:，已知无线射频信号和超声波的传播速度;，，;:，那么两点之间的距离为(,,(,,),,，其中 ,,鱼,, ,,—;，( ,,,,技术对硬件的要求高，成本和能耗使得该技术对低能耗的传感器网络提出了挑战。但是,,,,技术测距误差小，有较高的精度。 发射端接收端 无线射频信号 ,(, 超声波脉冲 ,, 距离,(,,,,,),, 图,(,?),,定位原理 ,(,(,,,,算法 在基于到达角度,,,的定位机制‘,,中，接收节点通过天线帧列或多个超声波接收机感知发射节点信号的到达方向，计算接收节点和发射节点之间的相对方位或角度，在通过三角测量法计算出节点的位置。 图,(,,,,定位图示 ——————————————————————————————————————————————— ,,,,,,无线传感器网络实时定位系统设计 如图,(,所示，接收节点通过麦克风阵列，感知发射节点信号的到大方向。下面以每个节点配有两个接收机为例，简单阐述,,,测定方位角和定位的实现过程，定位过程可分为三个阶段:相邻节点之间方位角的测定;相对信标节点的方位角测量;利用方位信息计算节点的位置。 ,,,定位不仅能确定节点的坐标，还能提供节点的方位信息。但,,,,贝,,距技术易受外界环境影响，且,,,需要额外硬件，在硬件尺寸和功耗上不适用于大规模的传感器网络。 ,(,(,,,,，算法 在基于接收信号强度指示的,,,，的定位中，已知发射节点的发射信号强度，接收节点根据收到信号的强度，计算出信号的传播损耗，利用理论和经验模型将传输损耗转化为距离，再利用已有的算法计算出节点的位置。这种方法的关键是通过测量信号的衰减程度来估计未知节点和多个信标节点之间的距离，然后再通过这些距离估计未知节点的坐标。 无线信道是限制无线定位系统高精度定位的根本原因，同时也是,,,系统设计规划的主要内容，选择正确合理的信道模型将直接影响定位算法的可靠性和可行性。城市环境无线信道具有共同的特性，如多径衰落、阴影效应、路径损耗以及移动造成的多普勒频移等，但是衰落的深浅与快慢则随未知节点实际所处的环境和自身的运动状态而不断改变。实际的无线信道可以建模成时变的冲激响应，其变化——————————————————————————————————————————————— 特性与诸多因素有关,,,,,,,,,,】。 ,、,,,，定位系统模型 (,)利用信号传播的经验模型 实际定位前，在测试区域选取若干测试点，记录在这些点上各基站收到的信号强度，建立各个点上的位置和信号强度关系的离线数据库。实际定位时，根据测得的信号强度和数据库中记录的信号强度进行比较，信号强度均方差最小的那个点的坐标，作为节点的坐标。 为了提高定位精度，在实际定位时，可以对多次测得的信号强度取平均值，也可以选取均方差最小的几个点，计算这些点的质心作为节点位置。这种方法有较高的精度，但是要预先建立位置和信号强度关系数据库，当基站移动时要重新建立数据库。 (,)利用信号传播的理论模型 在这种模型中，主要考虑外界环境对信号传播的影响，建立了信号衰减和传播距离间的关系式。大量的现场测量数据表明，无线传感器网络路径损耗遵从下面公式: 第三章无线传感器网络定位技术研究 ,,(,,),,,(,,)一,,,,,(?)一,，,，,。,夕 ,, 其中，,为发射端与接收端的距离，,,为参考距离，,,为路径损耗指数，依赖于周围环境和建筑物类型，,。表示标准偏差为口的正太随机变量，,,(,,)为对应氏米处节点收到的接收信号强——————————————————————————————————————————————— 度值。 实际上，距离与场强中值路径损耗之间一般没有明确的解析式。用于计算无线电传播损耗的数学模型有很多，其中既有基于各种测量值的纯经验模型，也有在物理参数侧量基础上进行理论分析的的半经验模型。特定模型的适用性取决于它能否很好的模拟无线系统的实际工作环境。为此我们提出了有效进行传播损耗数学模型校正的方法。通过实测数据的采集来获取特定长度的本地均值，从而利用这些均值来对该区域的传播模型进行校正，得到本区域内信号传播的慢衰落变化特性。通过采用的模型校正法，使经过该模型预测的无线覆盖结果和实际现场环境更加接近，从而有效提高节点定位精度。 ,、定位算法 ,,,，算法是通过测量到达信号场强中值，再根据电波传播模型估计出未知节点与信标节点之间的距离。信号中值的获得既可以由未知节点实现，也可以由信标节点来完成。前者叫自定位，后者叫遥测定位。在自定位方式下，未知节点自身能测量来自多个信标节点的信号强度，进而估计自己和它们之间的距离，最后确定未知节点位置。对自定位方式，要求信标节点的发射功率一致或对未知节点是透明的。对于后一种情况，系统要有功率测量功能，有数据传输能力。 我们假设(,;，,)表示第,个信标节点的坐标，(工，,)代表所求未知节点的位置，,,(,)代表,时刻测得的场强值。由该场强值采用上述理论模型(如式,,,所示)可以得到未知节点与第,个信标节点的距离,，(,)。这样可以建立方程: ——————————————————————————————————————————————— ，， ,(,，,),?,:【、,(,,一曲,，(,,,),,,,:,(,),‘(,?,) ,,, 此时需要求解这个二维函数的极小值，其中砒是加权因子。未知节点处于以信标节点为圆心，,;为半径的圆上，未知节点位置与信标节点位置之间满足关系:,一,, (,,—,),，(,—,),,,,,(,(,) 设相邻信标节点间传播路径的衰减因子相同，参加定位的信标节点数为,。由式(,(,)可以推出定位方程,,木,,,，其中 ,,,，,，一,,‘一匕， ,:,,，,,一匕，,,,,,,,,;一,;，,一,,,,,一,;，,;，，,,一,;，,,一,(,一,,，,;，,,瞳,】，(,，一,。,,一,,,‘，,;一,,，,,,一,,,一,;，,,, ,,(,,’,,)一,,,,,(,(,) ,,,,,,无线传感器网络实时定位系统设计 其中,是一个对称正定(或简单的对角正定)矩阵，合理选择加权矩阵,可有效提高定位精度。 ,(,距离无关的定位算法 虽然基于距离的定位能够实现精确定位，但往往对无线传感器节点的硬件要求高。出于硬件成本、能耗等考虑，人们提出了距离无关——————————————————————————————————————————————— 的定位技术。距离无关的定位技术无需测量节点间的绝对距离或方位，降低了对节点硬件的要求，但定位的误差也相应有所增加。 目前提出了两类主要的距离无关的定位方法:一类方法是先对未知节点和信标节点之间的距离进行估计，然后利用三遍测量法或极大似然估计法进行定位;另一类方法是通过邻居节点和信标节点确定包含未知节点的区域，然后把这个区域的质心作为未知节点的坐标。距离无关的定位方法精度低，但能满足大多数应用的要求。 ,(,(,质心算法 在质心算法中，信标节点周期性地向邻居节点广播信标分组，信标分组中包含信标节点的标识号和位置信息。当未知节点接收到来自不同信标节点的信标分组数量超过某一个门限,或接受一定时间后，就确定自身位置为这些信标节点所组成的多边形的质心: (,匕),(墅竿生，坠?) 其中(,,，,)…(,威，珞)为未知节点能够接收到七分组的信标节点坐标。 比较简单，容易实现。 ,(,(,(,,,,)质心算法完全基于网络连通性，无需信标节点和未知节点之间的协调，因此,,,,,,算法 距离向量一跳段,,—,,,(,,,,,,;,,,;,,,,,,,)定位机制非常类似于传统网络中的距离向量路由机制,,,,。在距离向量定位机制中，未知节点首先计算与信标节点的最小跳数，然后估算平均每跳的距离，利用最小跳数乘以平均每跳距离，——————————————————————————————————————————————— 得到未知节点与信标节点之间的估计距离，再利用三边测量法或极大似然估计法计算节点的坐标。,,(,,,算法的定位过程分为以下三个阶段: 第三章无线传感器网络定位技术研究 ,、计算未知节点与每个信标节点的最小跳数 ,、计算未知节点与信标节点的实际跳段距离 ,、利用三遍测量法或极大似然估计法计算自身位置 距离向量算法使用平均每跳距离计算实际距离，对节点的硬件要求低，实现简单。其缺点是利用跳段距离代替直线距离，存在一定的误差。 ,(,(,,,,,,,,,,定位算法 ,,,,,,,,,定位算法【,,】也分为三个阶段。第一个阶段与,,,,,,算法相同，未知节点计算与每个信标节点之间的最小跳数;第二阶段，假设网络中节点的通信半径形同，平均每跳距离为节点的通信半径，未知节点计算到每个信标节点的跳段距离;第三阶段，利用三边测量法或极大似然估计法计算未知节点的位置。,,,,,,,,,算法将节点的通信半径作为平均每跳段的距离，定位误差大。 这个算法基于经验模型，在试验环境中可以取得较好的效果。但这个算法假设网络平均连通度,妇，已知，要求在网络部署前离线计算平均每跳距离，网络的扩展性差，而且对信标节点的密度要求高。 ,(,(,,,，,算法 ——————————————————————————————————————————————— 近似三角形内点测试法(,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,)首先确定多个包含未知节点的三角形区域，这些三角形区域的交集是一个多边形，它确定了一个更小的包含未知节点的区域;然后计算这个多边形的质心，并将质心作为未知节点的位置。未知节点收集其邻居信标节点的信息，然后从这些信标节点组成的集合中任意选取三个信标节点。假定集合中有,个元素，那么共有;:种不同的选取方法，确定;:个不同的三角形，逐一测试未知节点是否位于每个三角形内部，直到穷尽所有;:种组合或达到定位所需精度;然后计算包含未知节点所有三角形的重叠区域的质心。 在无线信号传播模式不规则和传感器节点随机部署的情况下，,,，,算法的定位精度高，性能稳定，但,,，,测试对网络的连通性提出了较高的要求。相对于计算简单的类似的质心定位算法，,,，,算法精度高，对信标节点的分布要求低。 ,(,本章小结 本章首先介绍了无线传感器网络定位算法的特点、节点位置计算方法。然后按照基于测距的定位和距离无关的定位分类，对这两类定位算法进行了分析，特 ,,,,,,无线传感器网络实时定位系统设计 别是对在本文设计的无线传感器网络实时定位系统用到的,,,，算法进行了详细的介绍。 第四章定位系统硬件设计 ——————————————————————————————————————————————— 第四章定位系统硬件设计 ,(,系统概述 本文设计的定位系统分为监控部分、网关部分、信标节点和未知节点四部分组成。系统实现了,,,,,,和,,,,,,协议栈的结合，通过参数设置及其制作工艺，可以实现定位偏差小于,米的定位。此系统利用监控软件“,(,,;,,,,,,,,,,(,(,(,:，能够在,,机上直观地显示出监测对象的具体位置。系统设置,个信标节点，为未知节点的位置做参考，如需提高精度，可以将信标节点的数量提高至,至,,个。当未知节点发送自己的位置坐标后，信标节点接收信号，并回复一个应答信号，通过信标节点将正确的位置发送给网关;最后通过,,机软件在绘制的地图上显示出正确的位置。 监控部分主要负责对整个系统进行监视。 网关部分在,,,,,,网络中的角色为网络协调器(,,,,,,,,,,,)，它在整个系统中有着至关重要的作用，首先它要接收由监控软件提供的各信标节点和未知节点的配置数据，并发送给相应的节点，其次，还要接收各节点反馈的有效数据并传输给监控软件。作为网络协调器，它还要担负构建网络的重任。 信标节点在整个定位系统中的作用是提供一个自己的坐标为未知节点做参考，在一套定位系统中至少有,个信标节点(信标节点越多定位精度越高)，在网络中替代路由器(,,,,,,)的角色。 未知节点在整个定位系统用于计算自身位置坐标，在网络中也做——————————————————————————————————————————————— 路由器的角色，在整个定位系统中可以有一个和多个未知节点。由于涉及到定位坐标计算，所以未知节点选择的是无线收发芯片,,,,,,。图,(,系统连接图 ,,,,,,,;无线传感器网络实时定位系统设计 ,(,扩展板设计 扩展板要实现的主要功能包括:控制无线射频模块完成数据接受和发送;接受主机控制，完成数据交换;无线射频模块的功能测试。硬件连接如图,(,。 图,(,扩展板硬件连接图 ,,,,显示器射频模块插座 ,,,,, 插座 ,,直流 源插座 电源开关,电池洁座状塞指示,,,卤)卜方向键 图,(,,,,,,,扩展版硬件结构 ,(,(,扩展板电源设计 为了便于在室内使用直流电源为扩展板供电，板上安装了一个直流电源插座,，。同时，为了能够在户外移动的情况下使用，还安装了一个电池盒插座,,。设计中使用低噪声的单输出线性稳压器,,(,,,,,,,,)将输入电压转换扩展板工作电压,(,,。直流电源和电池两种供电源供电方式之间利用直流电源插座自动切换。——————————————————————————————————————————————— 直流电源供电优先于电池供电，即扩展板在既安装了电池又插上了直流电源的情况下优先使用直流电源供电。电池供电使用三节,号电池供电。直流电源供电， 第四章定位系统硬件设计 ,,(,,输入电压为交流,,,,，,,,,，输出为直流,,。扩展板的极限范围为,(,(,(,,。扩展板电源电路如图,(,。 图,(,扩展板电源电路 ,(,(,,,一,,,接口电路设计 ,,(,,,接口是一种常用的用于和,,机或其它设备通信的接口，板上用一个,，,,,公司生产的,,(,,,收发器,,,,,,,芯片将,(,,信号电平转换到双极性的,,(,,,信号电平。该器件内部含有一个高效电荷泵，可在,(,,(,(,,电源下产生?,(,,的,,(,,,电平，该电荷泵需要四个外接电容，它使用四相电压变换技术来获取对称,(,,电压。电荷泵使用一只内部振荡器通常工作在离散方式下。输出电压不足,(,,时启动电荷泵，输出电压超过,(,,时关闭电荷泵。该器件支持,，,,,，,(,,,和，,,(,,(,,?(,,通信协议。满负载时该器件可工作于,,,,,,,的数据传输率。,(,,时仅需,(,,，,,的电容。 砚,,,,,,,,??,?,,,,,,,,?,,?,一 ,’，(,,,:,,, ,:瑚,，,,,, ——————————————————————————————————————————————— ,,烈丁:,, ,船,乙,司烈。,,衄 ,丁,,,，，,, 曰，飘, ,,,，,, ,,，锄，,,,,,，,,,),,肼 ,,，,,(,丑,,,,,( ,( ,,,乱,,嗣 ,斗,,(, ,, 刊,,?,,，，,—,，，,,,,,(,(,嵋 图,(,,,(,,,接口电路 ,,,,,,,,无线传感器网络实时定位系统设计 ,(,(,用户接口电路设计 扩展板上设置上、下、左、右四个方向键和确认、取消两个功能键作为用户输入设备，四个方向键采用,,,采样输入，功能键直接读取端,日电平。电路如图,(,。其中:上移键，用于上移选择菜单或更改参数时增加参数值;下移键，用于下移选择菜单或更改参数时减少参数值:右移键，,,,,对比度设置时增加对比度;左移键，,,,,对比度设置时减少对比度;确认键，确定执行高亮显示的功能或确定输入的参数;取消键，从当前菜单返回上一级菜单或忽略当——————————————————————————————————————————————— 前输入的参数。 图,(,键盘电路 ,(,(,状态显示系统设计 在扩展板上安装四个,,,，一个用于电源指示(图,(,中,,,,)。其余三个连接无线传感器节点插座，用来表示无线传感器节点当前的工作状态。另外，用一个,,,,,,点阵的图形点阵液晶显示屏(,,,,),,作为状态输出设备，提供尽可能详尽的当前信息，完成人机交互。设计中使用一个升压变换器为液晶显示器电路提供,,的工作电压。,,(,,,,,,,)是这个,,(,,升压变换器的控制芯片(升压变换器电路供电稳定、无跳码、检测精度不低于,(,,。 图,(,,,,电路 第四章定位系统硬件设计 ,, 图,(,液晶显示器连接电路 图,(,,,,,,,,升压变换器电路 ,(,(,无线射频模块插座及电位器 使用,,芯的无线模块插座完成无线模块与扩展板的连接。 舯(’,,,?，如,((,,,?‘:’,珊(,,二,,,,, ,,,三二,,:，,,皇 ,,,,, ——————————————————————————————————————————————— ,,,,,,,,,毒,, (,】由。日口,,,: ,:,,二,,:,,:, ,,～ ，,,;,,,,, 如;,)函, ,;?,,::,,乱, ,: ,:: 一 ,,正,, : ;毋(】,,三),,毫 ,,三, , ,,,, ,:一,,了二 ,:?,,豇 ,:,,,?,, ,,, , ——, ——————————————————————————————————————————————— — ,,,,,，,, ,,:,,: ， 图,(,,无线射频模块插座 ,,,,,,无线传感器网络实时定位系统设计 扩展板左边电位器，用于在,,,测试时产生可调的模拟电压输出。右旋增大输出电压，左旋减小输出电压。电位器最大输出电压,(,,左右。 图,(,,电位器电路 ,(,网络节点设计 网络节点包括网络协调器、信标节点和未知节点，主要完成数据的接收和发送功能。未知节点采用,,,，算法，接收信标节点信号，计算自身节点位置，实现无线传感器网络节点的分布式自定位功能。网络节点之间的数据传输使用,(,,,,射频信号。 图,(,,网络节点硬件连接图 ,(,(,无线收发芯片及处理器选择 市面上有四种,,,,,,产品的解决方案:飞思卡尔的,,,,,,,至,,,,,,,系列的芯片;,，的,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,公司,,,,,,,,,,，,系统芯片及,,,,,网络处理器:,,,,,;的,,,,,,。它们的主要特性如表,(,: ——————————————————————————————————————————————— 第四章定位系统硬件设计 雕,,, ,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,，,,,, ,,,,, ,(,,, ,,,,,,, ,,,,,, ,,,,,,，,, ,, ,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,, ,,,,,，,,,,,,,,,， ,,, 眦? ,,删, ,,,,,,,,姗，, ,,,,,，,,,,,,,,， ,,,, ,,,,,, ,,,,,,。,,,,,, ——————————————————————————————————————————————— ,,, ,,,,,,,,,,,, ,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,, ,,,，,,,，,,,,， ,,,，,,,,,,，,,,,，,,，，,,,，,,,,,,,,,,, ,,,,,?徂,,,,,,，，, ,,,,,,,,,,,,,，，,,,，,,,,,，,,,,,,,,,, ,,,，,,,,,,，,,,,,,，，,,, ,,,，,,,,,,， ,,,,， 表,(,无线收发芯片特性对比表 选用理想的无线收发芯片可以降低开发难度，缩短开发周期，减少成本。选择无线收发芯片时主要考虑以下几个因素: ,、无线收发芯片所需的外围元件数量。芯片外围元件数量决定产品成本，因此选择外围电路元件少的收发芯片。 ,、发射功率。为了保证有效的、可靠的通信，选用发射功率较高的产品。,、无线收发芯片的封装和管脚数 ———————————————————————————————————————————————