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浙江。i j 业入学硕一 = 学位论文 无线传感器网络的定位技术研究 摘要 传感器节点定位技术是无线传感器网络应用中的重要支撑技术之一，节点自身的j 下确 位置是提供监测1 苒件位置信息的前提和基础。对大多数应用而言，没有位置信息的监测消 息往往是毫无意义的。因此，研究无线传感器网络节点定位技术具有重要的理论和实际意 义。 本文综述了无线传感器网络现有的各种定位算法，针对诸如地下停车库、博物馆、运 动场馆的周边或窀内环境下的定位应用特点和要求，重点研究了室内环境f 无线传感器网 络的节点定位技术。论文完成的主要工作如下： ( 1 )设计丌发了微型嵌入式实时操作系统。无线传感器网络的实验甲台是进行研究 的必要基础，根掘g i a n s 传感器节点的特性和研究工作的实际需求，采用g c c ( g n uc c o m p i l e r ) 语言，设计开发了运行于传感器节点上的微型嵌入式实时操作系统。该操作系 统能在有限的硬件资源下，高效地组织和管理硬件资源，支持密集把的并发操作，为应用 软件提供服务并提供良好的编程模块结构。 ( 2 ) 提出了基于r s s i 的定位算法并进行了实际环境下的定位实验。针对室内环境 中定位的具体应用，研究了实际环境中r s s i 的特性，提出了无线传感器节点在空i 、n j 环境 上的r s s i 相似度概念，采用r s s i 相似度作为权重因子，提出了室内环境下基于r s s i 相似度的定位算法；在室内大厅的环境中，分别进行了无障碍物定位和有障碍物定位实验。 实验结果表明，所提出的改进算法具有更小的平均定位误差、更强的环境干扰鲁棒性。 ( 3 )提i 了一种新的移动节点的定位算法并进行了实验研究。针对实际应用中传感 器节点在网络中的位置呵能发生移动的问题，对无线传感器网络中移动节点的定位技术展 开了研究。提出了基rm o n t ec a r l o 方法的移动节点改进定位算法，通过限定采样点的可 能位置范i 同和接收信号r s s i 值等方法，解决了传感器= 审点实际部署的困难，且有效地降 低了：仃点的计算量。在大楼的走廊中，部署了一个传感器网络，对机器人上携带的传感器 节点进行了定位实验，实验结果表明，改进后的算法能够获得更高的定位精度。 浙江一：业人学硕 j 学位论文 关键词：无线传感器网络，定位，r s s i 相似度，蒙特卡罗 浙江+ 削k 人学硕十学位论文 r e s e a r c ho nl o c a l i z a t i o nt e c h n o l o g yo f w l r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s a b s tr a c t s i n c em a r i ya p p l i c a t i o n so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n ) d e p e n do nt h el o c a t i o n i n f o 兀n a t i o no fs e n s o rn o d e s ，h o wt oo b t a i nt h ea c c u r a t el o c a l i z a t i o nh a sb e c o m et h ef o c u so f a t t e n t i o n s w i t h o u tn o d e s p o s i t i o n ，t h eg a t h e r e di n f o n n a t i o ni so fl i t t l ew o n h s o ，t h er e s e a r c h o nl o c a t i o nt e c h n o l o g yo fw s nh a sb o t ht h e o r e t i c a la j l dp r a c t i c a ls i g n i f i c a j l c e a r e rv a r i o u sl o c a l i z a t i o na l g o r i t h m sa r eb r i e f l yr e v i e w e d t m sd i s s e r t a t i o nm a i l l l ys t u d i e d o nt h el o c a l i z a t i o nt e c h n o l o g yo fw s nf o ri n d o o re n v i r o m e n ta c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c s a n dr e q u i r e m e n t so ft h el o c a t i o n 印p l i c a t i o nf o ri n d o o re n v i r o n m e n t ，s u c ha st h ep e r i p h e r a l a r e a so fu n d e f 留o u n dg a r a g e ，m u s e 啪a n dg y m n a s i u r n s m 勾o rc o n t r i b u t i o n so ft h i sd i s s e 似i o n a r ea l sf 0 1 l o w s ： ( 1 ) a nm i c r o - e m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i o ns y s t e mf o rs e n s o rn o d e si sd e s i g n e d t h e h a r d w a r ep l a t f o 肿i sab a s i cf o u n d a t i o no fw s nr e s e a 托h c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h e s e n s o rn o d e sn 锄e dg a i n sa n dt h en e e d so fr e s e a l r c hw o r k ，a ne m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i o n s o r w a r es y s t e mw h i c hr u n si nt h es e n s o rn o d e si sd e s i g n e db yu s i n gt h eg n ucc o m p 订e r ( g c c ) l a n g u a g e i tc a nw o r kw i t hl i m i t e dh a r d w a r er e s o u r c e ，o 唱a n i z ea n dm a n a g ee 疗e c t i v e l y h a u r d w a r er e s o u r c e s ，s u p p o r r ti n t e n s i v ec o n c u r r e n to p e r a t i o na j l dp r o v i d es e r v i c ef o r 印p l i c a t i o n ( 2 ) al o c a t i o na l g o r i t h mb a s e do nr s s ii sg i v e na n dt h ee x p e r i m e n t s a r ec a r r i e do u ti nt h e p r a c t i c a le n v i r o n m e n t f i r s t ，w es t u d yo nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fr s s ii nr e a le n v i r o m e n t s ，t h c n ac o n c e p t i o no fn o d e sr s s i s i m i l a r i t yd e g r e ei ns p a c ee n v i r o 姗e n ti sp r e s e n t e d ，w h i c hi su s e d f o rw e i 曲tf a c t o rt oi m p r o v et h ew e i g h t e dc e n t r o i di o c a l i z a t i o n ( w c l ) t h ei n d o o rl o c a t i o n e x p e r i m e n t sa r ec a 州e do u tw i t hn oi n t e r f e r e n c e sa n d w i t hi n t e r f c r e n c e s 丹o mt h e o b s t a c i e t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e da l g o r i t h mh a sas m a l l e ra v e r a g el o c a t i o ne 玎o ra n d s t r o n g e rm b u s t n e s s o fe n v i r o n m e n t a ld i s t l j r b a n c e ( 3 ) al o c a t i o na l g o t h mf o rm o v i n gn o d e si sp r o p o s e da n dh a sb e e ne x p e r i m e n t a l l y 浙汀：r = 业人学硕十学位论文 s t u d i e di nt h i sp a p e r s i n c et h ep o s i t i o no fs e n s o rn o d e sm a ym o v ei np r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，w e s t u d yo nt h el o c a t i o nt e c h n 0 1 0 9 yo f 也em o b i l es e n s o r si nw s n an e wi o c a t i o na l g o r i t h mb a s e o nm o n t ec a r l oi sp r o p o s e db yl i m i t i n gt h er a n g eo fs a m p l e sa n dt h er s s iv a l u e i tc a ns o l v e t h cd e p l o y m e n to fs e n s o r sa n de f f - e c t i v e i yd e c r e a s et h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i 妙t ba p p l yt h i s a l g o r i t h m ，w ee s t a b l i s h e daw s ni nt h ec o r r i d o ro ft h eb u i l d i n g ，u s i n gar o b o tw h i c hc a r r i e dt h e s e n s o rn o d et 0m o v ei n t h i sn e t w o r k t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h i s i m p r o v e d a p p r o a c hh a sh i 曲e rp o s i t i o 面n ga c c u r a c y k e yw o r d s ：w i r c l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，l o c a t i o n ，r s s i s i m i l a r i t yd e g r e e ，m o m ec a r l o 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重卢明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构 的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本人承担本声i 刃的法律责任。 作者签名：7 砭青菇k 日期：力皤年，厂月，、2 一口 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 了 二向国家有关部门或机构送交沦文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，将本人的学位 论文委托研究生院向中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社的中国博士学位论文全 文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库投稿，希槊中国博士学位论文 全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库给予出版，并同意在中国博 硕士学位论文评价数据库和c n k i 系列数据库中使用，同意按章程规定享受相关 权益。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密日。 ( 请在以上棚应方框内打“ ) 作者签名：砀壶青境分 别嘴名鄙专多 【二j 期：五一孑年，r 月7 土f j 日期：w 艿年，月，r 日 浙江i ：业人。学硕十学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o r n e 撕o r k ，w s n ) 是当6 仃国际上备受关注的、涉及 多学科交叉、知识i 苛度集成的前沿热点研究领域，综合了传感器技术、嵌入式计算技术、 无线网络通信技术、分布式信息处理技术以及微电子技术等，被认为是2 1 世纪最重要的技 术之一，它将会对人类未来的i i 三活方式产生深远影响。2 0 0 3 年，美国技术评论杂志论 述末来新兴十大技术时，无线传感器网络被列为第一项未来新兴技术。这种网络系统可以 广泛应用于国防军事、环境检测、交通管理、智能化家居环境、医疗卫生、反恐抗灾等领 域。 作为最近几年来的研究热点，无线传感器网络相关的研究成果不断涌现，但是这些研 究成果基本还处于起步阶段，离实际的应用需求还相差甚远。而对于大多数应用，不知道 传感器节点的位置而感知的数据是没有任何意义的【l 】。如在环境监测应用中需要知道采集 的环境信息所对应的具体区域位置；突发事件如森林火灾的具体位置、天然气管道泄露的 具体地点等，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为基本的功 能之一。此外，传感器节点位置信息的获取还可以使网络设计者优化无线传感器网络在其 它方面的应用，如对路由算法的优化2 j 【3 】，通信丌销的优化【4 】，拥塞处理和网络覆盖率检 查【5 】等。g p s 全球卫星定位系统虽然可以获得比较精确的地理位置，但由于只适用于无遮 挡的室外定位，同时部署成本昂贵、能耗大，因此g p s 不适用于低成本、低功耗、自组织、 应用环境复杂的无线传感器嘲络。 节点定位技术属于无线传感器网络应用支撑技术，在无线传感器网络体系中占有重要 的地位【6 j 。无线传感器网络中节点定位问题的研究，特别足不同场景下，符合实际应用要 求的1 了点精确定位，对于无线传感器网络在各个领域的应用，如应急场合、设备蝙控、空 f n j 探索、智能家居等，具有一定的商、i k 研究价值。 浙r l r 业人学硕 学位论文 1 2 节点定位概述 1 2 1基本术语 ( 1 )跳数( h o pc o u n t ) ：两个节点之问间隔的跳段总数。 ( 2 ) 锚肯点( a n c h o rn o d e ) ：已经坐标位置的传感器节点。 ( 3 )邻居节点( n e i 曲b o rn o d e ) ：传感器节点通信半径内的所以其它节点。 ( 4 )非视距( n o nl i n eo fs i 曲t n l o s ) ：两个节点间存在障碍物。 ( 5 ) 接收信号强度( r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t ht n d i c a t o rr s s i ) ：传感器节点接收到无 线信号的强度大小。 ( 6 )多径效应( m u l t i p a me 虢c t ) ：由多条路径传播引起的干涉时延效应。 1 2 2 传感器网络的节点定位问题 节点定位问题即根据少数已知位置的节点，按照某种定位机制计算自身的位置。只有 在节点自身正确定位之后，才能确定传感器节点所检测到事件的具体位置，这需要依赖于 检测到该事件的多个传感器节点之间相互协作，利用它们自身的定位机制确定事件发生的 位置。无线传感器网络节点定位的目的就是给出各传感器节点在平面或空问中的绝对或相 对坐标。 由于无线传感器网络通常在无人干预的情况下，大规模地随机部署在环境恶劣、人类 无法或不宜接近的区域如战场、火山口附件等区域，同时节点数量众多，考虑实际的成本 等因素，每个节点不可能都携带有定位系统。一般采用的方法足少量的节点带有定位系统， 通过携带g p s 定位设备等手段获得自身位置，其它节点借助和已知位置信息的锵节点i 、f 1 j 某种形式的通信( 无线电或卢光通信等) 确定自身位置。待定位节点在获得邻近锚节点的 距离或获得邻近的锚节点和未知节点之问的相对角度后，使用三边测量法、三角测量法或 极火似然f f l 沛f 法来计算自己的位置。 1 2 3 国内外研究现状 目前对于无线传感器网络的大部分研究尚处于起步阶段，少数投入使用的商业产品距 离实际需求还相差共远。为加快其实际应用的进程，困外已建立了大量的演示系统，棚关 浙江：r 业人学硕十学能论文 的研究成果也较多，如p i c o r a d i o 【训、w i n s f 8 1 、s m a r td u s t f 9 1 等。最近几年来，国内的一些 高等院校和研究机构也，f ：展了无线传感器网络的理论和应用的研究工作，主要有清华大 学、中科院软件所、浙江大学等，其研究重点主要集中在穿戴式计算、上下文感知环境、 钾能家居等领域。 从a t & tl a b o r a t o r i e sc a m b r i d g e 于19 9 2 年丌发出审内定位系统a c t i v eb a d g e 至今， 研究者一直致力于定位系统和算法的研究。其代表性的成果主要包括了r a d a r f l 0 】，a c t i v e b a t i l l l ，a c t i v e0 币c e 等 m i t ) r 发的c r i c k e t 系统和南加州大学的n i m p 锄ab u l u s t t 的质心算法依靠网络 的连通性，无需锚节点和未知节点问协调，1 i 都要求末知节点必须孑锚节点直接相邻，因 而需较高的锚节点密度。同样，维青尼亚大学t i a nh e 的a p i t ( a p p r o x i m a t ep i tt e s t ) 算法【1 5 j 利用了p i t 原理( p e r f e c tp o i n t 1 1 1 t r i a n g u l a t i o nt e s tt h e o 巧) 在无需测距的条件下 实现网络定位，但需要高密度的锵节点，几乎无法应用于实际场合。瑞士洛桑联邦工业大 学( e p e l ) s r d j a nc a p k u m 的s p a ( s e l f - p o s i t i o n i n ga 1 9 0 r i t h m ) 算法【1 6 】提 n 在无锚点条件 下实现整个网络的相对定位方案和美国仁斯利尔理工学院( r e n s s e l a e rp o l v t e c l m i c i n s t i t u t e ) 的r a j a g o p a l i y e n g a r 提出基于聚类的相对定位算法【1 7 l ，这两种算法其定位精度 较差。美圈路特葛斯大学( r u t g e r su n i v e r s i t y ) 的d r a g o sn i c u l e s c u 利用距离矢量路山和 g p s 定位的思想提出了一系列分布式定位算法a p s ( a dh o cp o s t i o n i n gs y s t e m ) 【1 8 2 0 1 ， 共包括了6 种定位算法：d v - h o p 、d v - d i s t a n c e 、e u c l i d e a n 、d v - c o o r d i n a t e 、d v - b e 撕n g 和d v - r a d i a l 。为降低锚节点密度和减少测距误差的影响，加州大学洛杉矶分校提出了 a h l o s 算法，加州大学伯克利分校的c ss a v a r e s e 在2 0 0 2 年提出了t w o - p h a s ep o s i t i o l l i n g 定位算法、a n d r e a ss a w i d e s 提出了n h o pm u l t i l a t e r a t i o np r i m i t i v e 算法。这些算法的提出 在一定程度j ：解决了无线传感器网络巾传感器节点的定位问题，但是这些定位算法都有其 局限性和应用范围，每种算法都是片j 米解决特定的i u j 题或应用，对传感器设备的组成、能 虽需求、基础设施和时空的复杂一陆等多方面要求各不槲同。 国内在该方面的研究起步相对较晚，史龙等人在2 0 0 4 年综合分析和比较了现有的 定位算法，指出了无线传感器网络自定位问题的研究方向。马祖长【2 2 1 等提 了无线传感 器网络的一种节点定位算法，利川平均每跳距离乘以节点之间的跳数代替实际的距离测鞋 和节点冗余的信息，实现。筒点的可靠定位。清华大学研制了一利t 新型室内定位系统 c i c a d a l 2 3 】，基j j ：射频和超声波到达时n i j 差来测最距离，可以同时对静止和移动物体进行准 确定位。 浙江j r 业人学硕卜学位论文 近几年来，我国在无线传感器网络的定位研究方面，丌展了大量的工作，也取得了丰 富的研究成果，廿l 斗1 1 对滞后，与实际的应厂h 要求槲茇较远。就无线传感器网络巾的定位技 术而吉，仍存在以下主要问题： ( 1 )缺乏有效、低成本、高精度的定位方法； ( 2 ) 定位过程r 1 的通信ji ：销过大； ( 3 ) 对无线传感器网络中移动节点定位的研究相对较少； ( 4 )定位算法的理论研究较多，而对结合实际应用要求的算法研究相对较少； 1 3 课题的提出 全球定位系统g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) 在对室外目标定位上获得了广泛的应用， 具有定位精度高、实时性好、抗干扰能力强等优点，但其无法适应室内环境，同时投入成 本较高。本文拟对室内环境下，无线传感器网络的定位技术展了闱l f 究，使之能较好地满足 如地下停车库、博物馆、运动场馆的周闭或室内定位需要，如图1 1 所示。希望在实际应 用场景中，通过部署无线传感器网络实现对目标的精确定位。 y 八 q y、 、 y 八q 簇头节点 ，、o 建筑物内部节点 s ；梦 图1 1 人型建筑物周同及内部的定位成j j 1 4 本文主要工作和内容安排 作为一种全新的技术，无线传感器网络具有很多挑战性的研究课题，定位就是其中之 一。目前根据传感器节点的低成本、低能耗和体积小的特点，已开发出了很多棚关的节点 浙江，1 ：业人硕十学位论文 定位算法，仿真实验表明，这些方法在一定程度上取得了比较好的效果。但现有的研究大 多关注无线传感器网络巾节点定位的理论研究，而对于在实际传感器节点上的相关应用关 沿：较少。针对无线传感器网络定位算法现有的研究成果和热点研究问题，本文重点研究了 室内环境下无线传感器网络的定位技术，主要：r 作如下： ( 1 )充分研究了无线传感器1 了点的硬件结构，针对已有的g i a n s 传感器仃点，使用 g c c 语言实现了传感器：1 了点r i i 的微型嵌入式实时操作系统开发，操作系统能在有限的硬 件资源下，高效地组织和管理硬件资源，支持密集型的并发操作，为应用软件提供服务并 提供良好的编程模块结构。 ( 2 )分析了无线信号传播的特点和r s s i 测距的原理。通过在实际环境l f - i 的实验，验 证了室内环境下传感器节点的r s s i 自身特性和外部环境对r s s i 测量值的影响。 ( 3 )在研究了实际环境中r s s i 特性基础上，提出了无线传感器节点间在空问环境上 的r s s i 相似度概念，采用r s s i 棚似度作为权晕因子，改进了加权质心算法。 ( 4 )针对移动节点定位的| u j 题，首先比较了现有的移动无线传感器网络中节点定位 算法之间的优缺点，在借鉴h u 等人提出的m o n t ec 2 u r l o 算法的娃础上，通过接收信号的 r s s i 值的方法限定了节点问的有效通信半径，司时对该算法进行了改进和优化。 论文的内容具体安排如下： 本文分为六章，各章节安排和简要介绍如下： 第一章，介绍了本文研究的背景、意义和1 了点定位的千h 关知识，并介绍了主要工作和 本文的组织结构。 第二章，概述了无线传感器网络的基本概念、体系结构及特点。介绍了无线传感器网 络中的节点定位技术，包括节点定位的原理、常用的测距技术、定位算法的分类等，同时 对现有的儿种典型定位算法和系统进行了比较和分析。最后对无线信号的传播特点和路径 损耗模型相关知识进行了论述和分析，作为后续章节的铺热。 第三章，为方便后续研究的展开，本章对无线传感器网络的实验平台进行了研究。在 对g a 州s 传感器节点特性深入研究的螭础上，采用g c c 语言，设计丌发了适合在节点 上运行的嵌入式软件系统，并对其中关键技术进行了介绍。后续章节的实验均使用本章所 介绍的传感器节点和嵌入式软件系统。 第四章，本章首先讨论了各种基于权值的质心算法，总结它们各自在实际环境应用中 所存在的问题，然后针对窀内环境t f l 定位的要求，通过实验对r s s i 特性和测距模型进行 了分析和总结，并在此基础上提出了无线传感器节点i i j j 在空问环境上的r s s i 相似度概念， 浙江一i ：业大学硕十学位论文 利用r s s l 年h 似度作为权重因子，改进了加权质心算法。在室内人厅的环境巾，分别进行 了无障碍物定位和有障碍物定位实验。实验结果表明，改进后的算法具有更小的平均定位 误差、更慢的环境干扰鲁棒性。 笫五章，木章主要从无线传感器网络中移动节点的定位问题展开研究。对现有的移动 无线传感器网络定位算法进行了分析比较，详细闸述了m o n t ec a r l o 定位方法的原理。在 此基础上实现了基于m o n t ec a r l o 方法的移动节点改进定位算法，通过限定采样点的可能 位置范围和接收信号r s s i 值等方法，解决了传感器：肖点实际部署的困难，且有效地降低 了节点的计算量。在楼道的走廊中，部署了一个传感器网络，对机器人所携带的传感器节 点进行了定位实验。实验结果表明，改进后的算法能够获得较好的定位精度，具有较高的 实际应用价值。 第六章，全文的总结以及进一步的工作。该章对前面各章所作的工作进行归纳与总结， 并探讨了作者对下一步工作的一些建议。 1 5 本章小结 本章对所研究问题的背景、意义和国内外的研究现状进行了概括性介绍。首先介绍了 无线传感器网络的研究背景，提出了无线传感器网络中竹点定位的问题，分析了目前围内 外的研究现状，在此基础上给出了本文所研究问题的重要性及其应用场合。最后阐述了本 文所作的主要： 作和内容组织结构。 浙江川匕人学硕十学何论文 第2 章无线传感器网络定位技术 2 1无线传感器网络概述 2 1 1 无线传感器网络的概念 随着无线通信、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和f 1 益成熟，具有感知能力、 计算能力和通信能力的微型传感器丌始在世界范围内i 现。无线传感器网络就是f j 部署在 监测区域内人餐的廉价微型传感器节 组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的臼纽织 的网络系统，其r 的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送 给观察者【2 4 1 。 2 1 2 无线传感器网络节点和网络体系结构 一个典型的传感器网络系统通常包括了分布式传感器节点( s e n s o r n o d e ) 、汇聚节点 ( s i n kn o d e ) 和管理节点。每个传感器节点就是一个微型的嵌入式系统，构成了无线传 感器网络的物理层支持平台。 传感器模块处理器模块 无线通信模块 定位系统 ； 电源补偿 ； 移动系统 ：；j ；， 图2 1传感器1 ，点体系结构 传感器节点一般【1 1 传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块组成，如 图2 一l 所示。传感器模块负责监控区域内信息的采集和数据转换；处理模块负责控制这个 传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其它霄点发来的数据；无线通信模块 负责与其它传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；能量供应模块为传 浙r ：j r 业人学硕十学位论文 感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。此外还可以加装定位系统、移动系统 等模块。 在无线传感器网络巾，节点往往通过匕机斫j 撒、人工和置等方式，大量部署在感知对 缘内部或附近，节点以自组织形式构建网络，每个节点都j 叮以收集数据，并通过“多跳” 路d 方式把数据传送到s i n k 节点，s i n k 节点也可以用同样的方式将信息发送给其他j 1 了点， 最后借助s i n k 链路将整个区域内的数据传送到远程控制中心进行集中处理，如图2 2 所 示。 用户 图2 2 传感器网络体系结构 在不同应用中，传感器节点的组成不尽相同。处理器通常选用m o t o r 0 1 a 的6 8 h c l 6 ， a v r 的a t m e g a 等嵌入式m c u 。数据传输单元选用低功耗、短距离的无线通信模块，如 r f m 公司的t r l 0 0 0 ，t i c h i p c o n 公司的c c l 0 0 0 和c c 2 4 2 0 。 2 1 3 无线传感器网络特点 ( 1 )硬件资源有限。由于节点受价格、体积和功耗的限制，其计算能力、程序空问 和内存空间比普通的计算机要弱很多，这决定了在节点上运行的系统、程序4 s e q n o2p a c k e t n u m b e r ； p a c k d a t a 【l l c p a c k e t r e a d i n g n u m b e r + + 】2d a t a ； 其中数据包的总长度l e n 舒h = s i z e o f ( s e n s o r m s g ) + m a c h e a d e i u e n 。 m a ch e a d e rl e n 为m a c 数据包的头部长度。 ( 4 ) r s s i 信息采集 信息的采集主要通过s e n s o r c 和a d c c 两个文件中的函数进行控制。本文辛要用到了 r s s i ，系统通过a d c g e t d a t a ( u i n ttp o n ) 函数实现载波监听和获得信号的r s s i 值。用户 也可以根据需要配置外部传感器，如温度、光强度等，通过采集相应端| _ l 的a d c 值转换 得到传感器所采集到的信息。 3 2 3 协议栈实现 在无线传感器网络r f l ，m a c ( m e d i 啪a c c e s sc o n t r 0 1 ) 协议决定了无线信道的使用方 式，在传感器1 了点之问分配有限的无线通信资源，用来构建传感器网络系统的底层基础结 构。 参照i e e e 8 0 2 1 1 规范，同时根据传感器节点的特点，采用了基于冲突检测的c s m a ( c a 盯i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s ) 的协议。当一个：常点要传输一个分组时，它首先侦听信 浙江一j ：业人学硕十学位论文 道状态，如果信道空闲，而且经过一个帧n j j 问隔d i f s ( i n t e r 仔锄es p a c i n gi p s ) 后，信道 仍然空闲，则节点立即开始发送信号。如果信道忙，则节点一直侦听信道直到信道的空闲 时间超过d i f s 。当信道最终空闲后，节点进一步使用二进制退避算法( b i n a r yb a c k o f f a l g o r i t h m ) ，进入退避状态来避免发生碰撞。其基本访问机制如图3 6 所示。 d if s 一 f ? 一u ? 卜诚。 时h j 槽一， r -时间 推逃发送 图3 6c s m a c a 的基本访问机制 随机退避时间按式( 3 一1 ) 计算： 退避时f f l j = r a n d o m ( ) a s l o t t i m e ( 3 1 ) 其巾，i 洳d o m ( ) 是在竞争窗口 0 ，c w 内均匀分布的为随机整数；c w 是整数随机数； a s l o t t i m e 是一个时槽时问，包括发射肩动时间、传播延迟、检测信道的响应时间等。 考虑到协议栈不是本文研究的重点，目前仅实现了基本的功能，其它功能可根据需要 在n 后进行扩展。本文的所有实验均在本队议栈 二进行开发实现。 3 3本章小结 无线传感器网络的实验平台是进行研究的必要基础，本章首先对传感器节点g a i n s 的特性进行了描述。根据传感器节点的特点，采用g c c 语言，设计开发了一个微型嵌入 式软件系统，并对其中相关核心技术进行了介绍。本章所设计的嵌入式软件系统，能够较 好的满足后续章节中实验的要求。 浙江f _ ：业入学硕士学位论文 4 1概述 第4 章基于r s s i 相似度的定位算法 在无线传感器网络中，定位技术是用来确定随机部署在检测区域罩的传感器节点的位 置信息。本章主要研究如何在室内环境中根据少数已经锚节点，按照某种定位机制确定其 余节点的位置信息。 在众多无线传感器网络定位应用中，室内同标定位和跟踪具有广阔的应用河景和实用 价值，它可以为智能大厦、体育场馆、会展中心提供安全防护、人员跟踪等实时位置信息， 这正好弥补了g p s 在室内难以获得位置信息的弊端。目前，室内环境下比较常用的定位 方法有两种：基于超声波的t d o a 方法和基于r s s i 的方法。由丁t d o a 方法需要集成 超声波收发设备，使得节点尺寸增大并提高了设备成本和能量消耗，并且传播距离短、穿 透性差，特别是在室内环境下，由于用户之间距离较短，同一用户信号的各条多径分量相 当接近，现有设备的分辨率难以对时间上如此接近的各条多径进行区分，因此无法实际应 用。采用r s s i 技术的定位方法是一种低功率、低成本的测距技术，无需额外的硬件，能 够满足大规模应用要求，已经在许多项目中得到应用【5 5 ，5 剐，如在军事和机器人应用中用 于估算距离【5 7 】。 本章基于r s s i 相似度提出了一利，适合用于室内环境的定位算法。该算法利用各节点 r s s i 在空间上的相似程度进行计算，不依赖于具体环境的值，定位精度高、环境干扰 鲁棒性强。 4 2 相关权质心w c l 算法分析 n i m p 锄ab u l u s u 【4 2 1 等人提出的质心算法( c e n t r o i da l g o r i t h mb a s e dl o c a l i z a t i o n ) 虽然 简单、易实现，但由于其没有考虑不同锚节点对未知节点的影响力大小，该算法仪能实现 ；i l l 粒度定位，且需要较高的锚节点密度。目前在无线传感器网络定位应用中，大多采用接 收信号强度指示r s s i 方法和质心算法相结合 陈维爿5 8 】等人提出的一利l 力口权质心算法，用锚节点对未知节点的不同影响力来确定 加权因子，以提高定位精度。未知节点在收到脚个锚节点的信息后，按r s s i 值大小进行 浙江一i ：业人学硕十学位论文 排序，选取r s s i 值大的l j 胛个锚节点组成q 个三角形集合，对任意一个三角形 ( ，) ，采用如下的加权质心计算方法： 一置上立一羔一 x = 等l 样 r 上一 4 + 畋畋+ 吃吃+ 4 ( 4 1 ) y ，= 等l 桦 件2 ， lk 心1 ) ( 鼻) + 嚷：+ 咴，x 鼻) ) i x = 上l 二二( 4 3 ) 瓤，心眦+ + ) y ：墼：坠塑二塑塑件4 ， 喜 1 ( ) + ) + ) ) 其中哝。) ( 句) ，t ：) ( t ) ，政，) 为锚节点到未知节点的距离a 吒：望粤 ( 4 _ 5 ) 浙江l ：业人学硕 = 学化论文 最后利月 锚节点的半标进行加权平均值来汁算未知节点m 的位置坐标。计算公式如= ： 彬z x = 旦百一 ( 4 - 6 ) 彬 彬z j ，= 上l 一 ( 4 7 ) 月 形 j = l s u k h ) r u ny u n 例等人提出的一种基于t s k ( t a k a g i s u g e n o k a n g ) 模糊模型的梢邻锚 节点边权值的增强型质心定位算法，该算法首先找到未知节点的邻居节点，用已知。肯点和 未知节点问的r s s i 值确定模糊隶属函数，再用遗传算法( g a s ) 对该模糊隶属函数进行 优化得到比较精确的边权值，最后利用所得到的边权值进行质心定位算法。 以上几种w c l 算法都利用了r s s i 作为权值进行计算。第一利，算法实现简单，但由 于r s s i 易受环境干扰，相同的节点对在不同的环境下，其r s s i 值。i 丁能有较大的偏差； 第二种方法引入了固定锚节点之m 的距离和r s s i 两种信息作为参考，校l f 每个固定锚节 点的权值，其实验结果表明：与加权质心算法相比，平均误差和标准偏差分别减少了 2 5 3 5 和1 7 3 2 ；第三种算法首次将t s k 模糊系统引入到权值的计算中，使用g a s 对权 值进行优化，仿真结果表明其平均定位误差可以达到0 7 7 0 9 m ，但算法过于复杂，不适合 在资源受限、运算能力有限的无线传感器节点中运行。同时也发现上述方法都不问程度地 依赖于信号传播模型中的路径损耗指数，不同环境下值的不确定性将会影响算法的定 位精度。 4 3r s s i 特性分析与r s s i 测距模型 在实际应用叶l ，r s s i 总会受到很多因素的干扰，在进行定位算法之前，有必要通过 实验枪验各种阒索埘r s s i 测量值的影响。 4 3 1 节点自身特性对r s s i 的影响 盯j ：传感器节点的f 乜了器件和焊接工艺的不一致性，导致无线传感器节点之1 1 i j 存在一 定的差异，对于具有相同配置的发射节点或接收节点，其r s s i 特性会自所不同；天线的 不同摆放方向对接收到的r s s i 值也会有影响。下i 面分别设计了两个实验来进行验证。 浙江一i ：业大学硕十学位论文 ( 1 ) 彳 同的收发节点对r s s i 的影响 a )同一接收节点和6 个不同的发射节点 b )时一发射节点和6 个彳r d 的接收节点 实验中天线的申刀向及接收和发射：符点的放置位簧都利同，节点发射功率设定为 o d b m ，发射和接收节点问距1 m ，发射节点连续发送2 0 0 个数据包( 数据包长度为2 8 b y t e ) 。 v a r i a t i o no f6d i 胞r e n tt 旧n s m i t t e 隅 - 5 7 ，一一一一一一一一一， c ，一，一一- - 一j 击5 8 土 一j ! 一：， 一 一j 器- 5 9 i 叱i 。一。 与o ：一一，一一一- 一一一i 123456 t 阳n s m i t t e rl d v a r i a l o n0 f6d i f f b r e n l 陀c e i 垤r s - 5 5 一；一，一一 c 。1+。 击5 6 。 2 一一 一 一 器_ 5 7 一 。 一j 叱 。1。一。 。一 - 5 8 一一 一一 123456 r e c e i v ei d 劁4 1不同收发。1 ，点的差异 对2 0 0 个r s s 测量数捌取平均后，实验结果如图4 1 所示，从图巾可以看出不f 刊的 发射和接收= 市点会导致r s s i 测景值上的差异。 ( 2 )天线的不叫摆放方向对r s s i 的影响 本文所使用的传感器= 市点使用全向性天线。为验证天线的不同摆放位置对r s s i 的影 响，固定接收天