【正文】 5 6ABCD654321DCBA T i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 7 N o v 2 0 0 6 S h e e t o f F i l e : E : \ 畢業(yè)論文 \ 自繪圖形 \ Z i g B e e . d d b D r a w n B y :S1S W D P S TR2470R14 . 7 KV C CY14 M h zV C C/ M C L RR34 . 7 KC10 . 1 u FC422pfC322pfO S C 2O S C 1J1P H O N E J A C K+ 9 V60321 N 5 8 1 7 C62 2 u F _ T a n tR9R E S 1C83 . 3 u F _ T a n tC 1 30 . 1 u F1 2J P 4J U M P E R1 23 45 67 89 1011 12J7H E A D E R 6 X 2R D 1R D 3R D 5R D 7R E 1R D 0R D 2R D 4R D 6R E 0V C CR E 2/ M C L RO S C 1O S C 2R C 7R C 6R B 7R B 6R B 5R B 4R B 3R B 2 R C 2R C 1R C 0R A 2R A 1R A 0R C 3R C 4R C 5R A 3R A 4R A 51 23 45 67 89 1011 1213 1415 1617 1819 2021 2223 2425 2627 28J6H E A D E R 1 4 X 2R B 1R B 0V C CC70 . 1 u FC90 . 1 u F1234J3H E A D E R 2 X 2C 1 +2C 1 4C 2 +5C 2 6119/ E N1G N D14V C C15V+3138/ I N V A L I D10F O R C E O N12F O R C E O F F16V7U5M A X 3 2 2 1 C A ER C 6R C 7C 1 10 . 1 u FC 1 00 . 1 u FV C CR41MC 1 40 . 1 u FV C CC 1 20 . 1 u F162738495I S PD B 9V D D11V D D32/ M C L R1R A 02R A 13R A 24R A 35R A 46R A 57R B 033R B 134R B 235R B 336R B 437R B 538R B 639R B 740V S S12V S S31O S C 113R C 015R C 116R C 217R C 318R C 423R C 524R C 625R C 726R D 019R D 120R D 221R D 322R D 427R D 528R D 629R D 730R E 08R E 19R E 210O S C 214U4P I C 1 8 L F 4 6 2 0R E 2R E 1R E 0R D 7R D 6R D 5R D 4R D 3R D 2R D 1R D 0R C 7R C 6R C 5R C 4R C 3R C 2R C 1R C 0O S C 2O S C 1R B 7R B 6R B 5R B 4R B 3R B 2R B 1R B 0R A 5R A 4R A 3R A 2R A 1R A 0/ M C L RV C C1 23 45 67 89 1011 12J2H E A D E R 6 X 2V C CR C 2R B 0R C 5R C 3R B 2 R B 3R B 1R C 4R C 0R C 1123456J5I C D/ M C L RR B 7R B 6V C CR8470R7470R5330R6330S3S W D P S TS2S W D P S TD1LEDD2LED1 2J P 2J U M P E R1 2J P 3J U M P E RR B 4R B 5R A 0R A 1IN1O N / O F F3O U T5NC4COM2U2P O W E R 1123s 1 8 b 2 0C O N 3G N DV C C123D 1 8 B 2 0C O N 3R 1 8 B4 . 7 KV C C 圖 25 節(jié)點(diǎn)主板電路 PCB 圖 基于復(fù)合定位的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次路由協(xié)議設(shè)計與實現(xiàn) 14 圖 26 印刷電路板布線示意圖 無線收發(fā)處理芯片選擇 CHIPCON 的 CC2420，它的 ZigBee 開發(fā)應(yīng)用的實例比較多，同時 MICROCHIOP 公司開發(fā)了 ZigBee 開發(fā)平臺，是 ZigBee 聯(lián)盟的主席成員公司之一。 CC2420 的選擇性和敏感性指數(shù)超過了 標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。 圖 27 所示為節(jié)點(diǎn)中射頻器件 CC2420 電路連線示意圖，表 21 列出了 CC2420 與主板電路的接口連接關(guān)系。 圖 2－ 10至圖 2－ 12是部分 實驗結(jié)果圖， 通過對圖中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以 看出， 節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)鏈咱 的建立 是可行的 。 圖 212 數(shù)據(jù)傳送結(jié)果 2． 3 傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù) [9][10] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為當(dāng)今信息領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)，涉及多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，有非常多的關(guān)鍵技術(shù)有待發(fā)現(xiàn)和研究。所以，拓?fù)淇刂剖菬o線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的核心技術(shù)之一。當(dāng)前基于功率控制機(jī)制的南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 19 算法主要有： COMPOW[13]等統(tǒng)一功率分配算法， LINT/LILT[14]和 LMN/LMA[15]等基于節(jié)點(diǎn)度數(shù)的算法， CBTC[16]、 LMST[17]、 RNG、 DRNG 和 DLSS[18]等基于鄰近圖的近似算法。這種機(jī)制重點(diǎn)在于解決節(jié)點(diǎn)在睡眠狀態(tài)和活動狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換問題，不能夠獨(dú)立作為一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制機(jī)制，因此需要與其他拓?fù)淇刂扑?法結(jié)合使用。網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議決定監(jiān)測信息的傳輸路徑；數(shù)據(jù)鏈路層的介質(zhì)訪問控制用來構(gòu)建底層的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，控制傳感器節(jié)點(diǎn)的通信過程和工作模式。 傳感器網(wǎng)絡(luò)的 MAC 協(xié)議首先要考慮節(jié)省能源和可擴(kuò)展性，其次才考慮公平性、利用率和實時性等。 需要指出的是， 由于傳感器網(wǎng)絡(luò)是 與 應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議往往需要根據(jù)應(yīng)用類型或應(yīng)用目標(biāo)環(huán)境特征定制， 從目前的研究成果來看， 沒有任何一個協(xié)議能夠適應(yīng)所有不同應(yīng)用。由于傳感器節(jié)點(diǎn)存在資源有限、隨機(jī)部署、通信易受環(huán)境干擾甚至節(jié)點(diǎn)失效等特點(diǎn)。在傳感器網(wǎng)絡(luò)定位過程中，通常會使用三邊測量法、三角測量法 或極大似然估計法確定節(jié)點(diǎn)位置。 由于節(jié)點(diǎn)定位依賴實際的角度或距離， 通常定位精度相對較高， 但 對節(jié)點(diǎn)的硬件也提出了較高的要求。 2． 3． 4 時間同步技術(shù) 時間同步技術(shù)在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，如網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議 NTP ( Network 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 21 Time Protocol) 是 Inter 采用的時間同步協(xié)議， GPS、無線測距等技術(shù)也用來提供網(wǎng)絡(luò)的全局時間同步?，F(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)時間同步機(jī)制往往關(guān)注最小化同步誤差來達(dá)到最大的同步精 度，較少考慮計算和通信的開銷，因而不適合在傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用，需要修改或重新設(shè)計以滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求。 DMTS 機(jī)制是通過選擇一個節(jié)點(diǎn)作為時間主節(jié)點(diǎn) 廣播同步時間，所有接收節(jié)點(diǎn)測量這個時間廣播分組的延遲，設(shè)置它的時間為接收到分組攜帶的時間加上這個廣播分組的傳輸延遲，這樣所有接收到廣播分組的節(jié)點(diǎn)都與主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時間同步。 以數(shù)據(jù)庫的方法在傳感器網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，可將存儲在網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)的邏輯視圖與網(wǎng)絡(luò)中的實現(xiàn)進(jìn)行分離，使得傳感器網(wǎng)絡(luò)的用戶 只需關(guān)心數(shù)據(jù)查詢的邏輯結(jié)構(gòu)，不用關(guān)心實現(xiàn)細(xì)節(jié)。 2． 4 本章小節(jié) 本章主要從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)構(gòu)成以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層三個方面介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)， 用 PIC18LF4620 處理器和 CC2420 RF芯片的 完成了 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計開發(fā)， 搭建了路由實現(xiàn)的硬件平臺 ， 列舉了目前傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，并針對本文內(nèi)容特點(diǎn)， 著重對 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂啤⒕W(wǎng)絡(luò)協(xié)議 、 節(jié)點(diǎn)定位 以及時間同步 技術(shù)方面的相關(guān)內(nèi)容 作了必要介紹 。此外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自身的定位還可以在外部目標(biāo)的定位和追蹤以及提高路由效率等方面發(fā)揮作用。但是，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用 GPS 來獲得所有節(jié)點(diǎn)的位置受到價格、體積、功耗以及可擴(kuò)展性等因素限制，存在著一些困難。錨節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身位置建立本地坐標(biāo)系，未知節(jié)點(diǎn)根據(jù)錨節(jié)點(diǎn)計算出自己在本地坐標(biāo)系里的相對位置。三邊計算的理論依據(jù)是，在三維空間中，知道了一個未知節(jié)點(diǎn)到三個以上錨節(jié)點(diǎn)的距離，就可以確定該點(diǎn)的坐標(biāo)。因此這種方法的主要誤差來源是環(huán)境影響所造成的信號傳播模型的復(fù)雜性。 到達(dá)時間測距法 ： 到達(dá)時間 (TOA)技術(shù)通過測量信號傳播時間來測量距離。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)間的距離較小，采用 TOA 測距難度較大，同時節(jié)點(diǎn)硬件尺寸、價格和功耗的限制也決定了 TOA 技術(shù)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是不可行的。在二維平面上的，雙曲線的幾何意義是到兩個定點(diǎn)的距離之差為一個常數(shù)的所有點(diǎn)的集合，兩個定點(diǎn)稱作焦點(diǎn)。 到達(dá)角定位法 ： 到達(dá)角 (AOA)定位法通過陣列天線或多個接收器結(jié)合來得到相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號的方向，從而構(gòu)成一根從接收機(jī)到發(fā)射機(jī)的方位線。 AOA 定位法的硬件系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜，并且需要兩節(jié)點(diǎn)之間存在視距傳輸，因此不適合用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位。 目前比較重要的 基于不測距 的算法 主要有： 質(zhì)心法、 基于測距 矢量計算跳數(shù)的算法 (DV Hop)、無定形的(Amorphous)算法和以三角形內(nèi)的點(diǎn)近似定位 (APIT)算法。具體過程為：錨節(jié)點(diǎn)每隔一段時間向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播一個信標(biāo)信號，信號中包含有錨節(jié)點(diǎn)自身的 ID和位置信息。 DVHop 算法 ： DVHop 算法是由 和 等人提出的。接收節(jié)點(diǎn)在它收到的關(guān)于某一個錨節(jié)點(diǎn)的所有信標(biāo)中保存具有最小跳數(shù)值的信標(biāo)，丟棄具有較大跳數(shù)值的同一錨節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)。經(jīng)過計算，一個錨節(jié)點(diǎn)得到網(wǎng)絡(luò)的平均每跳距離，并將此估計值廣播到網(wǎng)絡(luò)中，稱作校正值，任何節(jié)點(diǎn)一旦接收到此校正值，就可以估計自己到這個錨節(jié)點(diǎn)的距離。首先，采用與 DVHop 算法類似的方法獲得距錨節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)，稱為梯度值。 APIT 算法 ： 在 APIT 算法中，一個未知節(jié)點(diǎn)從它所有能夠與之通信的錨節(jié)點(diǎn)中選擇 3 個節(jié)點(diǎn)，測試它自身是在這 3個錨節(jié)點(diǎn)所組成的三角形內(nèi) 部還是在其外部；然后再選擇另外 3 個錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同樣的測試，直到窮盡所有的組合或者達(dá)到所需的精度。 3． 2 改進(jìn)的 節(jié)點(diǎn)定位機(jī)制 正如在 前面 提到過的，不管采用何種定位方式，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位通常都是 利用傳感器網(wǎng)絡(luò)中少量已知位置的節(jié)點(diǎn) 來獲得其他未知位置節(jié)點(diǎn)的位置信息 ， 錨節(jié)點(diǎn) 位置的布置和選擇將 會影響到定位的精度及覆蓋率 。同時， 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，因為地形地貌 等環(huán)境因素 的影響， 不可避免 地有 部分節(jié)點(diǎn)可能處于測距信號不可達(dá)區(qū)域，但節(jié)點(diǎn)仍能通過多跳路由采集數(shù)據(jù)，如果放棄這部分節(jié)點(diǎn)， 無疑會縮小探測范圍，如果不放棄這部分節(jié)點(diǎn)，也會因為缺少位置信息造成數(shù)據(jù)的不完整 ，降低所采集數(shù)據(jù)的可用性 。 為測算未知節(jié)點(diǎn)的位置，至少需要設(shè)置三個錨點(diǎn)信源，通過這三個錨點(diǎn)依次向網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)同時發(fā)送兩種速度不一的信號，其中第一個信號為同步起始標(biāo)識（速度為 V1），第二個可為速度較慢的聲波或超聲波（速 度為 V2）。 通過時間差測距法獲得三個錨點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)的距離之后，就可對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行目標(biāo)定位。如圖 31 所示，節(jié)點(diǎn) X 的坐標(biāo)未知，參考點(diǎn)的坐標(biāo)以及它們到 X 的距離已知。 定位過程可分為兩個階段，即信息廣播過程和節(jié)點(diǎn)應(yīng)答過程。 節(jié)點(diǎn)應(yīng)答過程：由于節(jié)點(diǎn)的通信能力受限，只有信號有效半徑之內(nèi)的節(jié)點(diǎn)能收到應(yīng)答信息包，因此數(shù)據(jù)包需經(jīng)多級傳遞才能到達(dá)基站。鄰接表建立流程 如圖 32所示 ： 開始應(yīng)答觸發(fā)