【正文】 第1章 緒論 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)單元定位算法研究與實(shí)現(xiàn)畢業(yè)論文 緒論 選題背景和研究意義微電子、無線通訊與計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，促使低能耗多用途傳感器被廣泛運(yùn)用在各個領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1](Wireless Sensor Network，WSN)由許多小、價格低的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，它們被撒播在監(jiān)測范圍中，利用無線通訊自組織成為具有多跳的系統(tǒng)。WSN能夠感應(yīng)、獲取監(jiān)測范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，之后把這些感興趣的數(shù)據(jù)傳遞給監(jiān)測人員。傳感技術(shù)的任務(wù)是獲取數(shù)據(jù)，通訊技術(shù)的任務(wù)是傳遞數(shù)據(jù)，計算機(jī)技術(shù)的任務(wù)是處理數(shù)據(jù)。在真實(shí)的運(yùn)用環(huán)境中，獲取數(shù)據(jù)會遇到以下難題:不容易布置線路、獲取信息的面積大。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，位置信息對傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測活動至關(guān)重要，事件發(fā)生的位置或獲取信息的節(jié)點(diǎn)位置是傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測消息中所包含的重要信息，沒有位置信息的監(jiān)測消息往往毫無意義對于這些問題，傳感器節(jié)點(diǎn)必須首先知道自身的地理位置信息，這是進(jìn)一步采取措施和做出決策的基礎(chǔ)。定位信息除用做報告事件發(fā)生的地點(diǎn)外，還具有下列用途:目標(biāo)跟蹤實(shí)時監(jiān)視目標(biāo)的行動路線，預(yù)測目標(biāo)的前進(jìn)軌跡。協(xié)助路由，為網(wǎng)絡(luò)提供命名空間，如直接用節(jié)點(diǎn)位置信息進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞的地理路由一協(xié)議，避免信息在整個網(wǎng)絡(luò)中的擴(kuò)散，并可以實(shí)現(xiàn)定向的信息查詢；進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理，利用傳感器節(jié)點(diǎn)傳回的位置信息構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，并實(shí)時統(tǒng)計網(wǎng)絡(luò)覆蓋隋況，對節(jié)點(diǎn)密度低的區(qū)域及時采取必要的措施，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖耘渲?，等等。因此在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)的精確、快速定位對各種應(yīng)用有著重要的作用。WSN在國防軍事、環(huán)境監(jiān)控、災(zāi)害預(yù)測等多個領(lǐng)域被廣泛運(yùn)用。在WSN中，若有某幾個節(jié)點(diǎn)被蓄謀攻擊致使不能使用，這將不可能使網(wǎng)絡(luò)整體癱瘓。如果我們認(rèn)為互聯(lián)網(wǎng)組建了虛擬世界，使人們的通訊方式發(fā)生了變化，則WSN便融合了虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界，這無疑使人和自然的交流發(fā)生了變化。這會讓我們現(xiàn)在的生活發(fā)生翻天覆地的變化。一般情況下，我們會認(rèn)為采用GPS(Global Positioning System)來確定節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。但在WSN中，并不完全適合使用GPS進(jìn)行定位，具體理由如下:首先，傳感器(sensor)節(jié)點(diǎn)[2]使用電池供電(2節(jié)五號電池)，其能量受限，并不能及時更換電池來維持能量。因為GPS消耗能量特別大，所以不適合給每個傳感器節(jié)點(diǎn)都配置能耗較大的GPS設(shè)備。其次，WSN的工作環(huán)境特別復(fù)雜，不能一定使接收儀器與衛(wèi)星之間可以無阻礙的進(jìn)行通訊。在沒有阻礙物的情況下，GPS設(shè)備才能夠正常工作。再次，傳感器節(jié)點(diǎn)的體積較小，然而GPS設(shè)備增大了傳感器節(jié)點(diǎn)的體積，不符合WSN中傳感器節(jié)點(diǎn)小的特性。最后，WSN中的傳感器節(jié)點(diǎn)被大量分布在監(jiān)測范圍內(nèi)，數(shù)量達(dá)到了幾千乃至上萬個。用GPS定位使得成本增大，不符合WSN的價格低廉性。由于監(jiān)測是一個長期與漫長的過程，一般情況下，監(jiān)測范圍的環(huán)境都比較惡劣，監(jiān)測人員不容易抵達(dá)這些區(qū)域，故不能及時給傳感器節(jié)點(diǎn)補(bǔ)充能量。又因傳感器節(jié)點(diǎn)具有以下特性:能量受限、通訊能力受限、密集且隨機(jī)分布，故節(jié)省能耗和效率高是實(shí)現(xiàn)WSN節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)需要考慮的第一因素?？紤]到傳感器節(jié)點(diǎn)在能量、體積、環(huán)境、價格等方面的一些要素，可知GPS不完全適用于WSN。這就要求我們必須設(shè)計出適合在WSN中使用的節(jié)點(diǎn)定位算法。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國際上比較有代表性和影響力的無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)用和研發(fā)項目有遙控戰(zhàn)場傳感器系統(tǒng)[2]（Remote Battlefield Sensor System，簡稱REMBASS 倫巴斯）、網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)[2]（NCW）及靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)[2]（SSW）、智能塵[2]（smart dust）、Intel 174。Mote、SmartIts項目、行為習(xí)性監(jiān)控[2]（Habitat Monitoring）項目等。尤其是今年最新試制成功的低成本美軍“狼群”地面無線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)志著電子戰(zhàn)領(lǐng)域戰(zhàn)術(shù)的最新突破。俄亥俄州正在開發(fā)“沙地直線”（A Line in the Sand）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這個系統(tǒng)能夠散射電子網(wǎng)（tripwires）到任何地方。民用方面，美日等發(fā)達(dá)國家在對該技術(shù)不斷研發(fā)的基礎(chǔ)上在多領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用。對于國內(nèi)的研究現(xiàn)狀。清華大學(xué)、中國科技大學(xué)、浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)、天津大學(xué)、南開大學(xué)、北京郵電大學(xué)、東北大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、西南交通大學(xué)、沈陽理工大學(xué)和上海交通大學(xué)等單位紛紛開展了有關(guān)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的基礎(chǔ)研究工作。一些企業(yè)如中興通訊公司等單位也加入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的行列。但是我國的關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究仍舊處于起步階段。 研究前景WSN是新出現(xiàn)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，它的發(fā)展與運(yùn)用給人們生活與生產(chǎn)中不同領(lǐng)域都產(chǎn)生了有意義的影響。無基本設(shè)備支撐的無線自組織網(wǎng)，其具有以下特性:多跳、自組織與可重構(gòu)。這類網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與信道環(huán)境都會因節(jié)點(diǎn)走動而動態(tài)變換。它能夠為普通領(lǐng)域的運(yùn)用與國防軍事領(lǐng)域的運(yùn)用迅速搭設(shè)通訊環(huán)境。未來移動通訊網(wǎng)[3]不僅能使數(shù)據(jù)進(jìn)行傳遞，而且還要求在無專用通訊基本設(shè)備的情況下，應(yīng)該具備以下特性:自適應(yīng)能力與生存能力。因此，WSN與自組織網(wǎng)，能夠?qū)ζ浒l(fā)展起到促進(jìn)作用。小型傳感器節(jié)點(diǎn)具備感知、計算與通訊能力，在監(jiān)測范圍內(nèi)撒播的這些傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了WSN。任意一個傳感器節(jié)點(diǎn)至少裝一類感知器(聲、紅外線或磁感應(yīng)器等)。監(jiān)測范圍內(nèi)的所有傳感器節(jié)點(diǎn)之間，都通過特定協(xié)議進(jìn)行傳遞與獲取數(shù)據(jù)，最終定位并跟蹤對象。通訊、嵌入式與傳感器這3項技術(shù)的逐漸成熟，使得WSN快速發(fā)展。這使得學(xué)者與專業(yè)研究人員高度重視WSN。在國防軍事、環(huán)境監(jiān)控、醫(yī)療護(hù)理等眾多領(lǐng)域，WSN都被廣泛運(yùn)用。在WSN中，獲取位置是其監(jiān)測對象的重要任務(wù)，知道事件準(zhǔn)確發(fā)生地是整個監(jiān)測活動的重要環(huán)節(jié)。傳感器節(jié)點(diǎn)一般被隨機(jī)撒播在監(jiān)測范圍內(nèi)，例如它們被撒播在監(jiān)測生態(tài)環(huán)境、火災(zāi)現(xiàn)場等場所，這些傳感器節(jié)點(diǎn)并不清楚自己的位置，故要求傳感器節(jié)點(diǎn)一旦被分布，就應(yīng)該可以快速自定位。除了這些描述，定位技術(shù)還具有別的功能:網(wǎng)絡(luò)管理、改善路由、目標(biāo)跟蹤等。對于網(wǎng)絡(luò)管理，獲取的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)被用來構(gòu)造拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，為了及時知道網(wǎng)絡(luò)的涵蓋范圍，使得節(jié)點(diǎn)不太多的地方可以快速采取相應(yīng)挽救措施。節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)還有一個特別功能，就是用來輔助實(shí)現(xiàn)路由。在知道任意一個節(jié)點(diǎn)與其周邊節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)后，網(wǎng)絡(luò)才可以達(dá)到改善路由的目的。優(yōu)化路由的好處是:改善系統(tǒng)的性能、安全性與節(jié)約電量。因此，在WSN的任何一類運(yùn)用中，準(zhǔn)確定位傳感器節(jié)點(diǎn)起著舉足輕重的作用。準(zhǔn)確定位是WSN運(yùn)用的基礎(chǔ)，是其支撐技術(shù)?？梢钥闯?，WSN節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)的運(yùn)用前景相當(dāng)好。 論文主要研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)本研究旨在設(shè)計與實(shí)現(xiàn)一種高效、魯棒性[4]好、代價小的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位算法，使之適應(yīng)于一些復(fù)雜環(huán)境下的定位需要。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)部署完成之后，我們要面臨的首要問題就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位。所以可知，定位技術(shù)是WSN的一項重要支撐技術(shù)。本文研究了基于測距和無需測距的定位算法，并總結(jié)了這類算法的優(yōu)劣勢。其中重點(diǎn)研究與分析了己有的DVHOP[5]算法及其改進(jìn)和基于多維標(biāo)度定位算法的定位原理。針對DVHOP算法固有的一些不足，提出了一種改進(jìn)方案。對于本論文重點(diǎn)研究的DVHOP定位算法，重點(diǎn)研究了以下內(nèi)容：計算出用RSSI測量的距離值與每跳距離和的均值，然后利用該均值與實(shí)際距離的差值，得到總距離與平均每跳的距離誤差校正值。用MINMAX[5]與加權(quán)最小二乘法的混合定位法替換了三邊測量法。該算法不僅降低了平均定位誤差、提高了節(jié)點(diǎn)的定位覆蓋率，同時還減少了計算代價。本文的主要內(nèi)容安排如下:第一章首先簡單介紹了論文的選題背景和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，之后，簡要說明了此課題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和存在的問題。最后是介紹了論文的主要研究內(nèi)容和論文結(jié)構(gòu)。第二章主要介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)背景知識。闡包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念及其體系結(jié)構(gòu)；分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的一些自身特點(diǎn)。第三章根據(jù)WSN的特點(diǎn)介紹了WSN的體系結(jié)構(gòu)和特征；然后重點(diǎn)研究了基于測距技術(shù)的定位算法分析和與距離有關(guān)、與距離無關(guān)的定位算法分析。 第四章重點(diǎn)對DVHOP的改進(jìn)。重點(diǎn)研究了以下內(nèi)容：計算出用RSSI[5]測量的距離值與每跳距離和的均值，然后利用該均值與實(shí)際距離的差值，得到總距離與平均每跳的距離誤差校正值。用MINMAX與加權(quán)最小二乘法的混合定位法替換了三邊測量法。該算法不僅降低了平均定位誤差、提高了節(jié)點(diǎn)的定位覆蓋率，同時還減少了計算代價。同時對DVHop算法進(jìn)行了MATLAB仿真結(jié)果分析，得出結(jié)論，給出最佳方案。最后是參考文獻(xiàn)、致謝、附錄。 本章小結(jié)本章首先簡單介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的起源和研究進(jìn)展?fàn)顩r，之后，簡要分析了節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的意義并詳細(xì)描述了定位技術(shù)的國內(nèi)外研究趨勢和研究熱點(diǎn)。最后簡要描述了本文的組織結(jié)構(gòu)和內(nèi)容安排。3第2章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 第2章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖21表示了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)。WSN由以下幾個部分組成:傳感器節(jié)點(diǎn)(sensor node)、網(wǎng)關(guān)[12](或匯聚節(jié)點(diǎn)sink node)、互聯(lián)網(wǎng)或通訊衛(wèi)星、任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)。圖21 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)在WSN中，人們通過飛機(jī)撒播或手動分布等方式，把許多傳感器節(jié)點(diǎn)隨意撒播在監(jiān)控區(qū)域（sensor field）中或者周邊，這些傳感器節(jié)點(diǎn)自組織組建了網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)把感知信息通過除它之外的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳遞，在逐跳傳遞時，其它很多節(jié)點(diǎn)也許會處理這些感知信息(比如數(shù)據(jù)融合等)，感知數(shù)據(jù)憑借多跳路由的方式抵達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)。它們最終借助衛(wèi)星或Internet到管理節(jié)點(diǎn)。監(jiān)測人員通過任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)配置與管理WSN，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)及獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)。一般情況下，傳感器節(jié)點(diǎn)是一類很小的嵌入式系統(tǒng)。因為電池給傳感器節(jié)點(diǎn)提供電量，所以傳感器節(jié)點(diǎn)的計算、儲蓄與通訊能力都不太強(qiáng)。節(jié)點(diǎn)的通訊長度較短，通常只與周邊節(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù)，它借助多跳路由來傳遞這些內(nèi)容。故從網(wǎng)絡(luò)用途的角度來考慮，所有傳感器節(jié)點(diǎn)都具備普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的2個功能:終端與路由。所有傳感器節(jié)點(diǎn)不只需要獲取與處理信息，還需保存、管理與融合其它節(jié)點(diǎn)傳輸來的信息。它們共同合作來實(shí)現(xiàn)一系列功能。與普通節(jié)點(diǎn)相比，匯聚節(jié)點(diǎn)具有相對強(qiáng)的計算、儲蓄與通訊能力。它實(shí)現(xiàn)了WSN與外部網(wǎng)絡(luò)的互連，能夠使2個協(xié)議棧間的通訊協(xié)議相互轉(zhuǎn)變，并且廣播管理節(jié)點(diǎn)的感知內(nèi)容，最后監(jiān)測到的信息被傳遞給互聯(lián)網(wǎng)。匯聚節(jié)點(diǎn)不僅能是無通訊功能的網(wǎng)關(guān)儀器，而且同樣能是含多用途的傳感器節(jié)點(diǎn)。 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)運(yùn)用需求不一樣，使得傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)也不完全一樣。但通常情況下，傳感器節(jié)點(diǎn)都包含以下4個模塊:傳感器模塊、處理器模塊、無線通訊模塊與能量供應(yīng)模塊。傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)[14]的示意圖如圖22所示:圖22 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)傳感器模塊的作用是，獲取監(jiān)控范圍中的數(shù)據(jù)與轉(zhuǎn)換這些內(nèi)容。它的類型通常取決于被監(jiān)控信號的種類。處理器模塊的作用是，操作所有的傳感器節(jié)點(diǎn)，保存與處理自己獲取的信息與除它之外的節(jié)點(diǎn)傳遞給它的信息。處理器一般會采用嵌入式CPU。無線通訊模塊的作用是，能夠使傳感器節(jié)點(diǎn)與除它之外的傳感器節(jié)點(diǎn)取得聯(lián)系(通訊)，并互換操作的數(shù)據(jù)、獲取并發(fā)送監(jiān)測信息。長度短、能耗小的無線通訊儀器構(gòu)成了無線通訊模塊。能量供應(yīng)模塊的作用是，供給傳感器節(jié)點(diǎn)運(yùn)行時總共要的電量。在一般情況下，使用特別小的電池為其供應(yīng)電量。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要包含以下特征:(1)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量大、密度高，用空間位置尋址為了確保網(wǎng)絡(luò)的生存周期，WSN中可能會有數(shù)以千計的傳感器節(jié)點(diǎn)。因為傳感器節(jié)點(diǎn)量多且密集，所以網(wǎng)絡(luò)中任意2個節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行一對一通訊一般不會被支持。又因為每個節(jié)點(diǎn)不能被唯一識別，故不需要用Internet的IP來尋址。監(jiān)測人員不關(guān)注數(shù)據(jù)來源于哪一個節(jié)點(diǎn)，但它們關(guān)注數(shù)據(jù)所在的具體坐標(biāo)。因此，數(shù)據(jù)在傳遞的過程中，使用空間位置尋址。(2)傳感器節(jié)點(diǎn)的能源與計算、儲蓄、通訊能力都有限傳感器節(jié)點(diǎn)的能量取決于電池的供應(yīng)，遇到電池用完的情況，經(jīng)常換電池是不現(xiàn)實(shí)的，故傳感器節(jié)點(diǎn)的能源有限。傳感器節(jié)點(diǎn)的計算與儲蓄能力不太高，所以說，WSN不適合較復(fù)雜的計算，也不適合大量保存信息。WSN的一個重要特征是，如何有效使用能量。(3)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)易變化，它具有自組織能力對于WSN，我們需要考慮傳感器節(jié)點(diǎn)的節(jié)能性，所以這些節(jié)點(diǎn)應(yīng)該能在運(yùn)行與休眠狀態(tài)下方便切換。在WSN中，傳感器節(jié)點(diǎn)可能被損壞，導(dǎo)致它不起任何作用，也可能會增添新的傳感器節(jié)點(diǎn)，描述的這些情形都會使得WSN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)出現(xiàn)改變。若節(jié)點(diǎn)移動，則也能引起WSN的拓?fù)涓淖?。因為WSN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有易變的特點(diǎn)，所以要求傳感器節(jié)點(diǎn)必須具備自組織與配置等能力。WSN的自組織能力，可以滿足該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)易變的要求。(4)傳感器節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)融合能力在WSN中，中間節(jié)點(diǎn)通常會具備特別的能力:它能融合許多傳感器節(jié)點(diǎn)獲取到的同一類型數(shù)據(jù)，并且能夠把這些同類型的數(shù)據(jù)傳遞給信息處理總部。數(shù)據(jù)融合，不僅減少了多余信息，同時也減少了信息傳遞過程中使用的電量。數(shù)據(jù)融合使得網(wǎng)絡(luò)的生存期延長了。(5)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有可靠性在WSN中，傳感器節(jié)點(diǎn)也許會被撒播在非常糟糕的環(huán)境下，也許會被撒播在人們不容易進(jìn)入的區(qū)域。它也許會在露天完成任務(wù)，也許會被無意間損害。因為傳感器節(jié)點(diǎn)通常被隨意撒播(如被飛行器隨機(jī)撒播在監(jiān)測范圍內(nèi))，所以傳感器節(jié)點(diǎn)必須牢固耐用，可以在不同的糟糕環(huán)境中生存。(6)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心Internet以IP地址為中心。在WSN中，節(jié)點(diǎn)被任意分布，它的編號和位置是無絕對關(guān)聯(lián)的。在WSN的運(yùn)用中，監(jiān)測人員在乎事件發(fā)生的坐標(biāo)信息與時間信息，但不在乎它被哪個節(jié)點(diǎn)感知到。因此，我們認(rèn)為WSN以數(shù)據(jù)為中心。(7)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用相關(guān)性因為傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)用背景有差別，所以它的運(yùn)用需求也有差別。在WSN中，軟硬件環(huán)境與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都存在著許多不一樣的地方。因此，WSN沒有通用的通訊協(xié)議。在WSN的運(yùn)用方面，盡管它們具有許多相同的地方，然而人們卻重視它們在實(shí)際使用中的區(qū)別。WSN技術(shù)是專門考