【正文】 40 Summary of This Chapter................................................................................... 42 Chapter 5 Simulation of Localzaition Algorithm base on Mobile Beacon............ 43 Introduction of Simulation Tools and Environment ........................................... 43 Introduction of OMNeT++ ...................................................................... 43 Localization Algorithm Performance Evaluation and Analysis ............... 44 Localization Algorithm Design base on Mobile Beacon.................................... 45 Programming and Modeling Localization Algorithm .............................. 46 Programming the Process of the Localization Algorithm ........................ 51 Performance Evaluation and Analysis of the Localization Algrithm base on Optimize Path ........................................................................................................... 52 Summary of This Chapter................................................................................... 55 Conclusion and Prospect ........................................................................................... 56 References ................................................................................................................... 57 Published Papers ........................................................................................................ 60 Participant Projects ................................................................................................... 61 Original Creative Statement ..................................................................................... 62 Acknowledgements .................................................................................................... 63 第一章 緒 論 1 第一章 緒 論 本論文的研究背景 及 意義 研究背景 與意義 無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器、嵌入式計(jì)算、分布式信息處理和無線通信等技術(shù)，由許多相同或不同類型傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信實(shí)現(xiàn)自組織，形成分布式自治網(wǎng)絡(luò)。因此，節(jié)點(diǎn)的定位問題已經(jīng)成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要的研究方向 。而 Rangefree 定位算法由于降低了對(duì)節(jié)點(diǎn)硬件的要求，引起了更多的關(guān)注，典型算法有 DVHop[10] 算法 ,基于 RSSI 的 DVHop[11] 算法 ,基于連通性的定位算法 [12] 等。但這些算法普遍存在以下局限 [18] ：① 依賴特殊硬件的支持；② 需要特殊的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 課題來源 本課題來源 于國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（編號(hào)： 60673132）；廣東省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（編號(hào)： 07117421）。 無需測距（ rangefree）的定位算法不需要直接測量距離信息，而是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連通性確定網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的跳數(shù)，同時(shí)根據(jù)已知位置參考節(jié)點(diǎn)的位置等信息估計(jì)每一跳的大致距離，然后估出節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的位置 [22] 。根據(jù) 信標(biāo) 的即時(shí)位置信息，新位置的普通節(jié)點(diǎn)知道自身的位置。 目前國內(nèi)外主要的路徑規(guī)劃均為靜態(tài)的路徑，研究如何使移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)軌跡可以盡量覆蓋網(wǎng)絡(luò)區(qū)域。仿真證明，相對(duì)于 DVHop 算法， 基于 移動(dòng) 信標(biāo) 改進(jìn)的 DVHop 定位算法 降低了定位的成本和布網(wǎng)的復(fù)雜度 ， 提高節(jié)點(diǎn)定位的精度和效率。 第二章 傳感器網(wǎng)絡(luò)常用節(jié)點(diǎn)定位算法相關(guān)研究 7 第 二 章 傳感器網(wǎng)絡(luò)常用節(jié)點(diǎn)定位算法 相關(guān)研究 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位 方法的 不同，分成兩種定位類型： 基于信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和不基于信標(biāo)節(jié)點(diǎn) (也有論著將其分為無錨節(jié)點(diǎn)和有錨節(jié)點(diǎn) 的定位算法，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)也可稱為錨節(jié)點(diǎn) )。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)需要根據(jù)上面所述的要求建立合適的傳感器系統(tǒng)， 為此設(shè)計(jì)的 傳感器移動(dòng)節(jié)點(diǎn)主要由低功耗的微處理器，射頻模塊，傳感器接口 ， 電源模塊 以及車載平臺(tái) 5 部分組成，如圖 21 所示 ，普通節(jié)點(diǎn)則沒有車載平臺(tái)。 提出基于 VWMC（ Voronoi and Weight Monte Carlo Method）的傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位算法，該算法在 MCL（ Monte Carlo Localization）算法的基礎(chǔ)上加入 Voronoi圖和權(quán)值分析技術(shù)。 SPA 算法選擇網(wǎng)絡(luò)中密度最大處的一組節(jié)點(diǎn)作為建立網(wǎng)絡(luò)全局坐標(biāo)系統(tǒng)的參考點(diǎn)，并在其中選擇連通度最大的一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為坐標(biāo)系統(tǒng)的原點(diǎn)。 SDGPSN 算法和 SPA 算法相比，通信開銷明顯 降低 ，這使得它更適于大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署。因?yàn)樾艠?biāo)節(jié)點(diǎn)造價(jià)往往比普通節(jié)點(diǎn)高，在許多固定的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，定位成功后信標(biāo)節(jié)點(diǎn)將轉(zhuǎn)為普通節(jié)點(diǎn)使用，極大的浪費(fèi)了資源。如下圖 21 所示，當(dāng)節(jié)點(diǎn) P1， P2， P3 未知節(jié)點(diǎn)P 發(fā)出的定位信號(hào)時(shí)，根據(jù) RSSI 值，可以得到 P1 到 P， P2 到 P， P3 到 P 的距離 d1， d2， d3；分別以 P1， P2， P3 為圓心， d1， d2， d3 為半徑作圓，通 過這 3 個(gè)圓相交區(qū)域定出未知節(jié)點(diǎn)的位置。最后根據(jù)已知的 r1， ? ?11,ooxy ， r2， ? ?22,ooxy ， r3， ? ?33,ooxy ，采用三邊測量法確定 D 點(diǎn)坐標(biāo)。對(duì)于 CC1000 通信芯片， RSSI值是一個(gè) 10 位的寄存器值，而對(duì)于 CC2420，該值卻是一個(gè) 8 位的寄存器值。最優(yōu)模型如式 ()，根據(jù)給定 RSSI 的距離值r，對(duì)具有相同 RSSI 測量值的觀測數(shù)據(jù)來計(jì)算實(shí)際距離的平均值，這個(gè)模型可以很好地從收集到的數(shù)據(jù)中統(tǒng)計(jì)出有效的距離估計(jì)值。所以距離d 與 接收 到的信號(hào)強(qiáng)度的關(guān)系可以表示為： ? ? ? ? )(l o g10 0100 ddndPdP r ?? ?? （ ） 其中 P(d0)為參考距離 d0 接收到的信號(hào)。 T 1T 2超 聲 波射 頻 信 號(hào)D 圖 26 基于 TDOA 定位 Fig. 26 Located Based on TDOA 如圖 33 所示，該技術(shù)的測距精度可達(dá)到 厘米 級(jí)，但前提是需要精確的時(shí)鐘，同時(shí)使用超聲波測量需要額外的硬件，增加了成本，而且容易受到非視距誤差的影響。因?yàn)?RSSI 在一個(gè)真實(shí)環(huán)境下的信號(hào)隨著距離的增大而減少。同時(shí)為了更好的利用 RSSI 值估計(jì)節(jié)點(diǎn)與鄰節(jié)點(diǎn)之間的距離 ，需要建立一個(gè) RSSI 模型。 CC1000的工作頻帶為 315MHz,868MHz,915MHz，數(shù)據(jù)傳送速率可達(dá) ，適用于跳頻協(xié)議。 圖 24 三角測量法示意圖 Fig. 24 Triangulation Method Principle 對(duì)于節(jié)點(diǎn) A， C 和角 ? ADC，如果弧段 AC 在 ? ABC 內(nèi)，那么能夠唯一確定一個(gè)圓，設(shè)圓心為 ? ?111 ,ooO x y ，半徑為 r1，那么 ? ?1 22A O C A D C??? ? ? ? ?，并存在下列公式： ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?111122122122 22112 2 c o so a o ao b o ba c a cx x y y rx x y y rx x y y r r ?? ? ? ? ????? ? ? ???? ? ? ? ? ??? () 由式 ()能夠確定圓心 O1 點(diǎn)的坐標(biāo)和半徑 r1。那么，存在下列公式： 第二章 傳感器網(wǎng)絡(luò)常用節(jié)點(diǎn)定位算法相關(guān)研究 11? ? ? ? 222 111 dYYXX ???? ? ? ? ? 222 222 dYYXX ???? ∶ ? ? ? ? 222 dnYYnXXn ???? () 最后，使用標(biāo)準(zhǔn)的最小均方差估計(jì)方法可以得到未知節(jié)點(diǎn) D 的坐標(biāo)。 基于信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位 算法的 一個(gè) 重要特征是定位精度取決于 信標(biāo) 點(diǎn)密度 。節(jié)點(diǎn)域廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 10 內(nèi)的所有其他從節(jié)點(diǎn)通過選擇適當(dāng)?shù)妮o助節(jié)點(diǎn)對(duì)來計(jì)算其在此局部坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。 在某些無需網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)絕對(duì)位置的應(yīng)用中，可以采用無 信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的 定位算法來實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的相對(duì)定位。 對(duì)基于錨節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)調(diào)整的傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)進(jìn)行了研究，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)移動(dòng) 節(jié)點(diǎn)的高效率定位。 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 8 傳感器節(jié)點(diǎn)主要由低功耗的單片機(jī)，無線射頻模塊以及車載平臺(tái)等組成，它首先采集各個(gè)模擬信號(hào)，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過 單片機(jī)處理后，通過無線射頻模塊把數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)。 第 4 章 結(jié)合基于 移動(dòng) 信標(biāo) 改進(jìn)的 DVHop 定位算法，提出了 面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 的移動(dòng) 信標(biāo) 的路徑規(guī)劃方法，把圖論引入 信標(biāo) 移動(dòng)路徑規(guī)劃 ， 獲取針對(duì)所處網(wǎng)絡(luò)連通狀況的優(yōu)化 信標(biāo) 移動(dòng)路徑。 提出基于 移動(dòng) 信標(biāo) 改進(jìn)的 DVHop 定位算法 ， 該算法在 DVHop 定位算法的基礎(chǔ) 上，利用一個(gè)移動(dòng)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中按預(yù)定的路徑移動(dòng)并不斷的廣播自己的位置信息，形成多個(gè)虛擬信標(biāo)，未知節(jié)點(diǎn)采用加權(quán)處理的方法計(jì)算平均跳距及其與各虛擬信標(biāo)的距離，最后利用三邊測量法計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的位置信息，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)精確定位 。當(dāng)采用移動(dòng)信標(biāo)在網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)來廣播定位信息時(shí)，移動(dòng)信標(biāo)的移動(dòng)路徑及廣播時(shí)間的選取，則很大程序上決定了網(wǎng)絡(luò)定位的能量消耗及定位的效率。 文獻(xiàn) [27] 則在 DVHop 的 基礎(chǔ) 上 引入 移 動(dòng) 的 信標(biāo) 形成 一 種新 的MADVHop 算法，實(shí)現(xiàn)在不提高硬件成本的情況下 ，又能達(dá)到同樣定位效果的構(gòu)想。為此，國內(nèi)外有許多學(xué)者把移動(dòng)信標(biāo)與經(jīng)典的質(zhì)心定位算法、 APIT 定位算法及 DVHop 定位算法等相結(jié)合來改進(jìn)這些定位算法。但由于沒有相應(yīng)的硬件測距支持，定位存在一定程序的誤差，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在障礙物時(shí)，節(jié)點(diǎn)間的歐氏距離會(huì)因?yàn)閺澢窂蕉a(chǎn)生較大的誤差，精度也相應(yīng)的降低 [21] 。在 Bergamo 等的研究中，網(wǎng)絡(luò)中有 2 個(gè)固定的 信標(biāo) 向全網(wǎng)傳送坐標(biāo)信息，其余處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行自身定位[16] 。 Rangebased算 法通過測量相鄰節(jié)點(diǎn)間的實(shí)際距離或方位進(jìn)行定位，測量距離的具體的方法有Time of Arrival(TOA) [6] ， Time Difference of Arrival(TDOA)[7] ， Radio Signal Strength(RSSI)[8] 和 Angle of Arrival(AOA)[9] 等。節(jié)點(diǎn)必須明確自身位置才能詳細(xì)說明“在什么位置或區(qū)域發(fā)生了特定事件”，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部目標(biāo)的定位和追蹤。 最后 在 OMNeT++仿真環(huán)境下，仿真基于移動(dòng) 信標(biāo) 的定位算法， 建立包括 移動(dòng)智能節(jié)點(diǎn) 和 普通節(jié)點(diǎn)的仿真模型，通過定位過程的通信和數(shù)據(jù)處理計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的位置，仿真表明 ，基于 移動(dòng) 信標(biāo) 優(yōu)化路徑的定位算法 既改善了定位的精度，又減少了定位 算法 的 通信開銷 ， 提高無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 定位效率 。 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 工學(xué)碩士 )