【正文】 (3 .10) 上式可展開為 2 2 2 2 2 21 1 1 1 12 2 2 2 2 21 1 1 1 12 ( ) 2 ( )2 ( ) 2 ( )M M M M MM M M M M M M M M Mx x x x x y y y y y d dx x x x x y y y y y d d? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ????? ? ? ? ? ? ? ? ?? () 用矩陣形式，如下 ： b??? () 此處 11112 ( ) 2 ( )A=2 ( ) 2 ( )MMM M M Mx x y yx x x x???????????? 2 2 2 2 2 21 1 12 2 2 2 2 21 1 1M M MM M M M M Mx x y y d dbx x y y d d? ? ???? ? ? ? ????? ? ? ? ??? 因此可以得出 未知 節(jié)點(diǎn) F 的坐標(biāo) : 1b???? () 4． 最優(yōu)位置估計(jì)法 上述三種基本的定位方法在理想 情況 下已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)未知節(jié)點(diǎn)的定位，然而， 在實(shí)際應(yīng)用中由于各種誤差的存在使得定位更加的復(fù)雜。 1X (A A) ATTb? () 3． 3 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)典型定位算法和定位系統(tǒng) 3． 3． 1 幾種典型的定位算法 1． 基于測(cè)距的定位算法 基于測(cè)距的定位機(jī)制是通過測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的實(shí)際距離或角度而實(shí)現(xiàn)定位。首先未知節(jié)點(diǎn)利用 RSSI 測(cè)距技術(shù)測(cè)量到錨節(jié)點(diǎn)的距離 。 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 2)基于 AOA 的定位算法 基于 AOA 的定位算法 [[9,10]是指通過利用 AOA 測(cè)距技術(shù)測(cè)量節(jié)點(diǎn)之間角度而實(shí)現(xiàn)定位。劣勢(shì)在于 AOA 測(cè)距技術(shù)易受外界環(huán)境影響，且需要額外的測(cè)量硬件，在功耗 和硬件尺寸上并不適用于大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)在測(cè)量出到達(dá)三個(gè)以上錨節(jié)點(diǎn)的距離后，利用三角定位法或其它方法估算出自身的位置坐標(biāo)。 雖然在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中該定位算法具有良好的特性。較典型的基于測(cè)距的定位算法主要有基于 RSSI 的定位算法、基于 AOA 的定位算法、基于 TOA 的定位算法和基于 TDOA的定位算法等。 3A 2A1r1A2r3r 圖 圓域重疊示意圖 這樣的誤差在實(shí)際應(yīng)用中是不可避免的，為了克服這種情況排除多余的節(jié)點(diǎn)取得最優(yōu)解，通常采用以下幾種估計(jì)方法 。 具 體 的 定 位 方 法 如 圖 所 示 。在計(jì)算出這些數(shù)據(jù)后，可以利用三邊定位方法，算出 未知 節(jié)點(diǎn) ( , )Nxy 的位置坐標(biāo)。它到錨節(jié)點(diǎn)的角度分別為創(chuàng) ? ? ?、 、 。根據(jù)檢測(cè)的結(jié)果可以確定出 未知 節(jié)點(diǎn)的大致位置。 1A2A3A1r2r3rN 圖 三邊定位 示意圖 如圖 所示，已知平面上三點(diǎn) 1 2 3A A A、 、 個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐 標(biāo) 1 1 2 2 3 3( , ), ( , ), ( , )x y x y x y，以及它們到未知節(jié)點(diǎn) N 的距離分別為 : 12rr、 和 3r 。分別表示 AB AC BC、 、 之間的距離， AB AC BC、 、 的最小跳數(shù)分別表示為 AB AC BCH H H、 、 。不同的距離如果相差 ? 倍，則測(cè)量獲得的相位相同。由于該技術(shù)受外界環(huán)境的影響比較明顯，所以，測(cè)距精度會(huì)產(chǎn)生較大偏差，同時(shí)該技術(shù)還需要額外的硬件設(shè)備完成測(cè)角。該技術(shù)的測(cè)距精度可以達(dá)到厘米級(jí)，但受到超聲波信號(hào)的限制 (超聲波信號(hào)傳播距離 69 米 )和非視距問題的影響，網(wǎng)絡(luò)需要密集部署，會(huì)產(chǎn)生大量運(yùn)算和通信開銷 。其計(jì)算公式分別如式 ()和 ()，式中為 V 信號(hào)傳播 速度。另一種方法是測(cè)量信號(hào)往返時(shí)間即 RTOF，信號(hào)在到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)后直接返回，發(fā)送節(jié)點(diǎn)測(cè)量收發(fā)的時(shí)間差作為途經(jīng)時(shí)間，此方法 避免 了節(jié)點(diǎn)間時(shí)間同步的要求。該技術(shù)最典型的應(yīng)用如 GPS，在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點(diǎn)之間的距離相對(duì)較小，采用傳播時(shí)間測(cè)距難度較大，同時(shí)節(jié)點(diǎn)價(jià)格、功耗和硬件設(shè)備也限制了該技術(shù)在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。 X? 表示標(biāo)準(zhǔn)偏差，是由遮蔽效應(yīng)引起的正態(tài)隨機(jī)變量，單位 dBm 。它的誤差主要來源于多徑傳播、反射、非視距傳播以及天線增益等，這些因素都會(huì)造成相同距離產(chǎn)生顯著不同的傳播損耗，從而造成信號(hào)傳播模型建模的復(fù)雜性，因此精度比較低，有時(shí) RSSI 的測(cè)距誤差可達(dá)到 50%。 3． 2． 2 節(jié)點(diǎn)間距離的測(cè)量方法 測(cè)量節(jié)點(diǎn)之間角度或距離的方法有很多，直接測(cè)距的方法有接收信號(hào)強(qiáng)度 (RSSSI)，到達(dá)時(shí)間 (TOA)，往返傳播時(shí)間 (Roundtrip Time of Flight,RTOF ),到達(dá)時(shí)間差 (TDOA)，以及到達(dá)角度 (AOA)等。盡管現(xiàn)有的定位算法各不相同，但從基本原理上講，現(xiàn)有的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)定位機(jī)制通常由以下三步組成 ： 第一步，未知節(jié)點(diǎn)通過一定的手段或方法估計(jì)未知節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)的距離 。 2． 每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有全網(wǎng)唯一的 ID。如果采用直接獲得節(jié)點(diǎn)位置的方式即為每個(gè)節(jié)點(diǎn)裝備全球定位系統(tǒng) (GPS)，考慮到價(jià)格、體積、功耗等因素的限制，通常該方案也被排除在外。此種優(yōu)化路由需要網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)知曉每個(gè)節(jié)點(diǎn)或者至少相鄰節(jié)點(diǎn)的位置信息，據(jù)此做出優(yōu)化的路由選擇。對(duì)天然氣管道泄露具體位置進(jìn)行監(jiān)控等。另外，在工廠、物流管理和醫(yī)院儀器管理等環(huán)境中都有很廣泛的應(yīng)用和迫切的需求。 2． 目標(biāo)跟蹤 目標(biāo)跟蹤是指網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)目標(biāo)的行動(dòng)路線，預(yù)測(cè)目標(biāo)的前進(jìn)軌跡。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中不但有很多特定應(yīng)用都依賴于節(jié)點(diǎn)或目標(biāo)物體的地理位置信息，而且很多網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行和管理也需要位置信息的輔助，如基于地理位 置信息的路由、資源的有效配置、對(duì)外部目標(biāo)的定位和跟蹤等。 3． 能量高效性 為了盡量延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存周期，要盡可能 的減少節(jié)點(diǎn)間的通信開銷，減少算法中計(jì)算的復(fù)雜度，用盡量少的能量完成盡可能多的工作。通常無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)具備以下特點(diǎn) 。 基礎(chǔ)設(shè)施 :協(xié)助傳感器節(jié)點(diǎn)定位的已知自身位置的固定設(shè)備，如衛(wèi)星、基站等。 視線關(guān)系 :沒有任何障礙物間隔的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間能夠直接通信的關(guān)系。 到達(dá)時(shí)間 :一種信號(hào)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳播到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)所需的時(shí)間。 跳數(shù) :兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間間隔的跳段總數(shù)。另一種是符號(hào)位置，它表示的是目標(biāo)與基站之間的連通關(guān)系，提供目標(biāo)大致的所在范圍，即指在目標(biāo)與一個(gè)基站或者多個(gè)基站接近程度的信息。它是網(wǎng)絡(luò)自身屬性的確定過程，是網(wǎng)絡(luò)的支撐，可以通過人工配置或各種節(jié)點(diǎn)自定位算法完成，它是整個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)存在的必要的支撐技術(shù)之一 。 環(huán) 境 監(jiān) 控 目 標(biāo) 追 蹤 安 全 控 制數(shù) 據(jù) 配 置 、 數(shù) 據(jù) 發(fā) 現(xiàn) 網(wǎng) 絡(luò) 數(shù) 據(jù) 處 理數(shù) 據(jù) 管 理傳 輸 層網(wǎng) 絡(luò) 層M A C 層數(shù) 據(jù) 鏈 路 層物 理 層 （ 傳 感 、 通 信 ）覆蓋率的維持定位服務(wù)時(shí)間服務(wù)無(wú) 線 傳 感 網(wǎng) 絡(luò) 應(yīng) 用 圖 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 3． 1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)概述 3． 1． 1 無(wú)線傳 感網(wǎng)絡(luò)定位的概念 對(duì)于定位一般的理解就是確定位置。從圖 可看出定位服務(wù)在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的位置定位信息除了用來確定事件發(fā)生的地點(diǎn)外，還可以用于目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)軌跡預(yù)測(cè)、協(xié)助路由等。節(jié)點(diǎn)只有知道了自身的位置信息，才能夠提供有效的監(jiān)測(cè)消息。這些傳感器節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)無(wú)線傳感交通網(wǎng)，通過該網(wǎng)絡(luò)可以查詢信息或者發(fā)出控制指令。通過把傳感器節(jié)點(diǎn)嵌入到家具和家電中組成無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，并與互聯(lián)網(wǎng)連接相連，為人類的生活提供更加方便、舒適和人性化的智能環(huán)境。 2． 環(huán)境監(jiān)測(cè) 當(dāng)今社會(huì)環(huán)境問題受到越來越多的關(guān)注，環(huán)境保護(hù)越來越受到重視。因此，應(yīng)用層的研究主要是各種無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)和多任務(wù)之間的協(xié)調(diào)。在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的支持下，多個(gè)應(yīng)用可以并發(fā)地使用系統(tǒng)的有限資源。另外，很多研究機(jī)構(gòu)把 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)作為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線通信平臺(tái)。 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 8． 無(wú)線通信技術(shù) 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信帶寬窄而且經(jīng)常變化，通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米。 7． 數(shù)據(jù)管理 從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的角度來看，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是一種分布式數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)融合可以在各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)的過程中利用節(jié)點(diǎn)的本地計(jì)算和存儲(chǔ)能力去 除冗余信息，減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，從而有效的節(jié)省能量。 4． 定位技術(shù) 位置信息是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)正常工作和應(yīng)用中不可缺少的部分，缺少 位置信息網(wǎng)絡(luò)很可能無(wú)法正常工作，在某些應(yīng)用中缺少位置信息也將會(huì)是致命的。 3． 時(shí)間同步 實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)協(xié)同作用的一個(gè)關(guān)鍵機(jī)制。 2． 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議負(fù)責(zé)使各個(gè)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)多跳的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng) 絡(luò) 。 2． 2 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù) 作為當(dāng)今信息領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)涉及到了傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)和分布式計(jì)算技術(shù)等多學(xué)科的交叉研究領(lǐng)域，有非常多已發(fā)現(xiàn)和未發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)值得研究和探索。 ( a ) 星 型 網(wǎng) 絡(luò)( b ) 點(diǎn) 對(duì) 點(diǎn) 網(wǎng) 絡(luò) 圖 ． 15． 4網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)需要組 成星型網(wǎng)絡(luò)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò) 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 圖 IEEES02． 15． 4協(xié)議層次圖 IEEE802． 15． 4的物理層定義了物理無(wú)線信道和 MAC子層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。 IEEES02． 15． 4網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)需要組成星型網(wǎng)絡(luò)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，如圖 14所示。 FFD之間、 FFD與 RFD之間可以直接通信， RFD之間不能直接通信，需要通過一個(gè) FFD轉(zhuǎn)發(fā)。 IEEE802． 15． 4標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)低速無(wú)線個(gè)人域網(wǎng)絡(luò) (Personal AreaNetwork,PAN)的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，把低功耗、低成本作為設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)，旨在為個(gè)人或者家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備之間低速聯(lián)網(wǎng)提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用層采用不用的軟件，實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)不同的應(yīng)用目的；傳輸層實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)控制和流量控制等功能；網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)將傳輸層所提供的數(shù)據(jù)路由至匯聚節(jié)點(diǎn)；數(shù)據(jù)鏈路層主要負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)接 入，降低節(jié)點(diǎn)間的傳輸沖突；物理層進(jìn)行比特流的傳輸。電源模塊主要負(fù)責(zé)傳感器節(jié)點(diǎn)運(yùn)行所需的能 量，通常采用能量有限的微型電池 。數(shù)據(jù)采集模塊 (傳感器和 A/D 轉(zhuǎn) 換 器 )、無(wú)線通信模塊 (無(wú)線收發(fā)設(shè)備 )、電源模塊 (電池和能量轉(zhuǎn)換器 )，處理器模塊 (微處理器和存儲(chǔ)器 )。 I n t e r n e t 衛(wèi) 星傳 感 器 節(jié) 點(diǎn)節(jié) 點(diǎn)控 制 中 心 傳 感 區(qū) 域 圖 無(wú)線 傳感網(wǎng) 絡(luò) 體系結(jié)構(gòu)圖 2． 無(wú)線 傳感網(wǎng) 絡(luò) 節(jié)點(diǎn)組成 網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，具有相對(duì)較弱的通信能力、存儲(chǔ)能力和處理能力，并且能量有限。 2． 1 無(wú)線 傳感網(wǎng) 絡(luò) 體系結(jié)構(gòu) 1． 無(wú)線 傳感網(wǎng) 絡(luò) 信息傳播模型 無(wú)線 傳感網(wǎng) 絡(luò) 實(shí)際上是一 個(gè)由大量低成本、低功耗、多功能、小尺寸的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的 adhoc 網(wǎng)絡(luò)。 最后一章主要是對(duì)全文工作的總結(jié)，并指出下一步的主要工作。 第二章主要對(duì) 無(wú)線 傳感網(wǎng) 絡(luò) 進(jìn)行全面的分析討論，詳細(xì)的分析 無(wú) 線 傳感網(wǎng) 絡(luò) 的概念、體系結(jié)構(gòu)和傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，討論了 無(wú)線 傳感網(wǎng) 絡(luò) 的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，深入研究 無(wú)線傳感網(wǎng) 絡(luò) 的關(guān)鍵技術(shù)， 無(wú)線 傳感網(wǎng) 絡(luò) 的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行詳細(xì)的介紹。 最后，基于能力存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，電池的容量越來越 大，再加上低功耗的實(shí)現(xiàn)，無(wú)線傳感模塊的適用壽命不斷增加將會(huì)成為一個(gè)絕對(duì)趨勢(shì)。這樣一來成本就會(huì)非常的高。因此，無(wú)線傳感模塊的發(fā)展必然是趨向與低功耗的。因此，以無(wú)線傳感模塊為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn) 傳感網(wǎng) 絡(luò) 的無(wú)線互聯(lián)將是一個(gè)必然的趨勢(shì)。其發(fā)展方向必然是無(wú)線通信的網(wǎng)絡(luò)化，即通過自組網(wǎng)的方式形成動(dòng)態(tài)、自適應(yīng)的 無(wú)線 傳感網(wǎng) 絡(luò) 。 MIT 發(fā)展的模塊化平臺(tái)對(duì)于具體的傳感器有不同的安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 硬件設(shè)計(jì)，他們的傳感器的主要功能是數(shù)據(jù)收集，采用垂直連接器來使不同的處理層整合到一起，其目的是為了設(shè)計(jì)一個(gè)通用的系統(tǒng)來取代單一的硬件系統(tǒng)。其他一些節(jié)點(diǎn)，如 Telos 、 Mica 等， 由于設(shè)計(jì)時(shí)間較早，其性能已經(jīng)落后于當(dāng)今的集成電路工業(yè)設(shè)計(jì)水平。 當(dāng)前國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了多種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件平臺(tái)。隨著幾種重要基礎(chǔ)技術(shù)的推廣和實(shí)際應(yīng)用，無(wú)線通信的速度也將得到大大提高。一般傳感器，是最早產(chǎn)生的傳感器，只能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集；智能傳感器則是在一般傳感器的基礎(chǔ)上將處理計(jì)算能力與傳感器相結(jié)合，使得傳感模塊不但能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)等信息采集，還能對(duì)所采集到的信息進(jìn)行一定程度的計(jì)算和處理；無(wú)線傳感器則是在智能傳感器的基礎(chǔ)上再集成無(wú)線功能模塊，使得傳感器不再是單獨(dú)的感知模 塊，而是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理，信息交換和控制的有機(jī)整體。實(shí)現(xiàn)了無(wú)線傳感模塊的低功耗，其對(duì)電能的需求就會(huì)更小，應(yīng)用的范圍將會(huì)進(jìn)一步的擴(kuò)大。 首先，現(xiàn)有的眾多研究中，將性能和低功耗相結(jié)合的較少， 有的只考慮低功耗而性能不