【正文】 定位過程可分為兩個(gè)階段，即信息廣播過程和節(jié)點(diǎn)應(yīng)答過程。同時(shí)， 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，因?yàn)榈匦蔚孛?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(cè)距信號(hào)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(huì)縮小探測(cè)范圍，如果不放棄這部分節(jié)點(diǎn)，也會(huì)因?yàn)槿鄙傥恢眯畔⒃斐蓴?shù)據(jù)的不完整 ，降低所采集數(shù)據(jù)的可用性 。經(jīng)過計(jì)算，一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)得到網(wǎng)絡(luò)的平均每跳距離，并將此估計(jì)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(jì)自己到這個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離。 目前比較重要的 基于不測(cè)距 的算法 主要有： 質(zhì)心法、 基于測(cè)距 矢量計(jì)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。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(cè)距難度較大，同時(shí)節(jié)點(diǎn)硬件尺寸、價(jià)格和功耗的限制也決定了 TOA 技術(shù)對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是不可行的。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(jì)算出自己在本地坐標(biāo)系里的相對(duì)位置。 現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(jì)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(jì)以滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求。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)。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(dòng)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。 圖 2－ 10 至圖 2－ 12是部分 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖， 通過對(duì)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 。 2． 2． 2 基于 ZigBee 協(xié)議的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 與實(shí)現(xiàn) 比較通用的傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)是由一個(gè)中央處理器模塊、射頻處理模塊以及天線組南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 13 成。但是，如果需要的話，也可以簡(jiǎn)單地將應(yīng)用程序與其他模塊接口或者根據(jù)需要對(duì)它們進(jìn)行自定義。 一是 在沒有使能信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中，只要信道是空閑的，在任何時(shí)候都允許所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送。任務(wù)管理平臺(tái)在一個(gè)給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度監(jiān)測(cè)任務(wù)。 傳輸層 ： 傳輸層的作用和數(shù)據(jù)鏈路層在某些方面比較類似，如兩者都有保證數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)呢?zé)任。 2． 1． 2 傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成 傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，它的處理能力、存儲(chǔ)能力和 通信能力相對(duì)較弱，通過能量有限的電池供電。這三類各有特點(diǎn)，就某一種而言，都不是完全適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議，需要對(duì)它們進(jìn)行融合和改進(jìn)。 CEC 是一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)， 其感知數(shù)據(jù)是原始的雷達(dá)數(shù)據(jù)。 (6)借助于個(gè)別具有移動(dòng)能力的節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的調(diào)整，可以有效地消除探測(cè)區(qū)域內(nèi)的陰影和盲點(diǎn)。而且，傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器、 感知對(duì)象 和觀察者這三要素都可能移動(dòng)，并且經(jīng)常有新節(jié)點(diǎn)加入或已有節(jié)點(diǎn)失效。隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)的深入研究和廣泛應(yīng)用，它必將深入到人們生 活的各個(gè)領(lǐng)域。 1． 1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義 [1][2] 目前已有很多文獻(xiàn)給出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義，說法各有不同，但實(shí)質(zhì)上大同小異。因此，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷變化 。 其他商業(yè)應(yīng)用 ： 自組織、微型化和對(duì)外部世界的感知能力是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三大特點(diǎn)，這些特點(diǎn)決定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在商業(yè)領(lǐng)域應(yīng)該也會(huì)有不少的機(jī)會(huì)。該系統(tǒng)適用于艦船或飛機(jī)戰(zhàn)斗群攜帶的電腦進(jìn)行感知數(shù)據(jù)的處理，每艘戰(zhàn)船不但依賴于自己的雷達(dá)，還依靠其他戰(zhàn)船或者裝載 CEC 的戰(zhàn)機(jī)來獲取感知數(shù)據(jù)，極大地提高了測(cè)量精度， 進(jìn)而可以快速 準(zhǔn)確地跟蹤混亂中的敵機(jī)和導(dǎo)彈。 學(xué)術(shù)界的研究進(jìn)展 在美國(guó)自然科學(xué)基金委員會(huì)的推動(dòng)下，美國(guó)的加州大學(xué)伯克力分校、麻省理工學(xué)院、康奈爾大學(xué)、加州大學(xué)洛杉磯分校等學(xué)校開始了傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究。通信 蜂窩電話網(wǎng)絡(luò)、 Ad hoc 和藍(lán)牙技術(shù)是當(dāng)前主流的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，但它們各自的 MAC 協(xié)議 也 不適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。從網(wǎng)絡(luò)功能上看，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 9 絡(luò)節(jié)點(diǎn)終端和路由器雙重功能，除了進(jìn)行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對(duì)其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和融合等處理，同時(shí)與其他節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成一些特定任務(wù)。 WSN 對(duì)數(shù)據(jù)鏈 路層協(xié)議的要求主要體現(xiàn)在 MAC 層介質(zhì)訪問控制的可靠性和高效性，而由于傳輸層是建立在數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)之上的，如果數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)確實(shí)是高效可靠的，那么傳輸層就不是必須的。 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 11 2． 2 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 為 研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際應(yīng)用中的有關(guān)問題，驗(yàn)證協(xié)議算法的有效性， 設(shè)計(jì)了基于 ZigBee 技術(shù)的 溫度傳感器 節(jié)點(diǎn) ，為 下 一步的研究打下基礎(chǔ)。 二是 在使能了信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中，僅允許節(jié)點(diǎn)在預(yù)定義的時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行發(fā)送。 應(yīng)用層（ APL）模塊提供高級(jí)協(xié)議棧管理功能。如 圖 2－ 4所示 。 通信幀各字段代表的意義如表 2－ 2所示： 時(shí)間 延遲 幀長(zhǎng) 度 幀類 型 是否加密 后繼包標(biāo)識(shí) 應(yīng)答 節(jié)點(diǎn) 號(hào) 目的地址句柄 目的地 址 源節(jié)點(diǎn) 句柄 源地址 數(shù)據(jù)類型 信號(hào)接收強(qiáng)度 信號(hào)質(zhì)量 循環(huán)校驗(yàn) T dT Len Type Encr Pnd Ack Seq DstPAN DstAdd SrcPAN SrcAdd Type RSSI LQI FCS . …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. 表 22 通信幀字段說明 圖 2－ 10（見下頁(yè)） 所示為 各節(jié)點(diǎn)向上傳送節(jié)點(diǎn)信息 過程 的部分截圖 ， 從圖中可以看出節(jié)點(diǎn)地址為 796F、 4A30 以及 3A58 的孤兒節(jié)點(diǎn)（ Orphan Notification） 在廣播一個(gè)查找上級(jí)節(jié)點(diǎn)信息后（目的地址為 FFFF），地址為 6C18 的節(jié)點(diǎn)向它們分別發(fā)出了響應(yīng)信息，之后，孤兒節(jié)點(diǎn)就與 6C18 節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求建立數(shù)據(jù)鏈路的信號(hào) (Association Request),并報(bào)告自己的節(jié)點(diǎn)信息（如： RFD（簡(jiǎn)化功能設(shè)備）類型，即葉節(jié)點(diǎn)，采用電池供電等），節(jié)點(diǎn) 6C18 繼續(xù)向上傳送尋找更高一級(jí)節(jié)點(diǎn)，直至匯聚節(jié)點(diǎn) (基站 )。 2． 3． 2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 由于傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力、通信能量以及攜帶的能量都十分有限，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能獲取局部網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔?，其上運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也不能太復(fù)雜。定位機(jī)制必須滿足自組織性、健壯性、能量高效、分布式計(jì)算等要求。 目前，許多大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)提出了多種用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的同步機(jī)制，其中 影響較為重要的主要有 ： 參考廣播同步機(jī)制 (Reference Broadcast Synchronization, RBS)[42][43]、 傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議 (Timingsync Protocol for Sensor Networks, TPSN)[44][45]、延遲測(cè)量時(shí)間同步 (Delay Measurement Time Synchronization, DMTS)[46]等 。 嵌入式操作系統(tǒng) ：傳感器節(jié)點(diǎn)是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，攜帶非常有限的硬件資源，需要操作系統(tǒng)能夠節(jié)能高效地使用其有限的內(nèi)存、處理器和通信模塊，且能夠?qū)Ω鞣N特定應(yīng)用提供 最大的支持。 正如 2． 2． 3節(jié)中提到的一樣， 現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身定位方法分為基于測(cè)距 (Rangebased)和 基于不測(cè)距 (Rangefree) 的 方法。 DVHop 算法與基于測(cè)距算法具有相似之處，就是都需要獲得未知節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)的距離，但是DVHop 獲得距離的方法是通過網(wǎng)絡(luò)中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息的計(jì)算而不是通過無線電波信號(hào)的測(cè)量。 鑒于 此， 本文 提出了基于測(cè)距與不測(cè)距的 復(fù) 合定位 機(jī)制。 信息廣播過程：信息廣播源為基站中三個(gè)位置各異的信號(hào)發(fā)射器 ，各發(fā)射器分別以足夠覆蓋全部節(jié)點(diǎn)的功率發(fā)送一個(gè)信息包（速度為 V1）和一測(cè)距信號(hào)（速度為 V2），各節(jié)點(diǎn)收到信息包后開始記時(shí)，收到測(cè)距信號(hào)則停止記時(shí)，得到時(shí)間差值 t。 為提高測(cè)距信號(hào)利用率和減少節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)的能量消耗，在基站廣播的測(cè)距信號(hào)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(jì)與實(shí)現(xiàn) 28 中，已經(jīng)包含了發(fā)射源的位置信息，其數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如下： 測(cè)距起始標(biāo)識(shí) 發(fā)射源 ID 發(fā)射源坐標(biāo) 發(fā)射時(shí)間 傳感器節(jié)點(diǎn)在未完成自身定位之前，一直處于偵聽接收狀態(tài)，在收到基站測(cè)距的同步起始標(biāo)識(shí)后，打開記時(shí)器，同時(shí)開啟接收速度較慢的聲波或超聲波信號(hào)，在收到聲波或超聲波信號(hào)后，計(jì)時(shí)器停止記時(shí)，利用公式 ①計(jì)算出與信源的距離 Ri (i = 3)，然后將 Ri 代入方程組中求解得出節(jié)點(diǎn)的具體位置 （ρ , θ ） 。 3． 2． 1 問題的提出 在基于測(cè)距的定位系統(tǒng)中， 如果為每個(gè)節(jié)點(diǎn)安裝用于發(fā) 射測(cè)距信號(hào)的硬件無疑會(huì)增加節(jié)點(diǎn)成本和能源消耗，因此考慮利用基站為所有節(jié)點(diǎn)發(fā)射測(cè)距信號(hào)，這就要求 節(jié)點(diǎn)必須處于 基站的 測(cè)距信號(hào)發(fā)射范圍之內(nèi) 。錨節(jié)點(diǎn)具有到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部其他錨節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)值以及這些錨節(jié)點(diǎn)的位置信息，因此錨節(jié)點(diǎn)可以通過計(jì)算得到 與 其他錨節(jié)點(diǎn)的實(shí)際距離。 基于不測(cè)距 的算法不需要知道未知節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)的距離或者不需要直接測(cè)量此距離，在成本和功耗方面比基于測(cè)距的方法具有優(yōu)勢(shì)。使用 TOA 技術(shù)比較典型的定位系統(tǒng)是 GPS，GPS 系統(tǒng)需要昂貴高能耗的電子設(shè)備來精確同步衛(wèi)星時(shí)鐘。 位置 未知的節(jié)點(diǎn)稱作 未知節(jié)點(diǎn)，它們需要被定位。這是一個(gè)針對(duì)低速無線個(gè)人域網(wǎng)絡(luò)的通信標(biāo)準(zhǔn)，在些標(biāo)準(zhǔn)上，如何提供具有對(duì)信道衰落不敏感、發(fā)射信號(hào)功率密度低、低截獲能力、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供較高的定位精度等要求通信技術(shù)，也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)之一。 還有節(jié)點(diǎn)的能量有限性也要求傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步機(jī)制必須充分考慮能耗問題。為了提供有效的位置信息，隨機(jī)部署的傳感器節(jié)點(diǎn)必須能夠在布置后確定自身位置。該機(jī)制能夠使節(jié)點(diǎn)在沒有事件發(fā)生時(shí)設(shè)置通信模塊為睡眠狀態(tài)，而在有事件發(fā)生時(shí)及時(shí)自動(dòng)醒來并喚醒鄰居節(jié)點(diǎn)，形成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 圖 29 節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖 2． 2． 3 節(jié)點(diǎn)間通信的實(shí)現(xiàn) 由于制作的節(jié)點(diǎn)數(shù)量有限，本節(jié)通過對(duì) 五個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn) 進(jìn)行通連實(shí)驗(yàn) 來驗(yàn)證 節(jié)點(diǎn)間建立數(shù)據(jù)鏈路的 執(zhí)行效果，因?yàn)闆]有為節(jié)點(diǎn)配置超聲波接收裝置， 采用 人工方式為每個(gè)節(jié) 點(diǎn)確定了具體位置。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)從無線物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，物理層管理服務(wù)維護(hù)一個(gè)由物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫(kù)。 圖 23 ZigBee 協(xié)議棧 典型的應(yīng)用程序總是與應(yīng)用層（ APL）和應(yīng)用支持子層（ APS）接口。和任何網(wǎng)絡(luò)一樣， ZigBee 網(wǎng)絡(luò)也是多點(diǎn)接入 網(wǎng)絡(luò)， 它主要 有兩種類型的多點(diǎn)接入機(jī)制。移動(dòng)管理平臺(tái)檢測(cè) 傳感器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，維護(hù)到匯聚節(jié)點(diǎn)的路由，使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠動(dòng)態(tài)跟蹤其鄰居的位置； 匯聚節(jié)點(diǎn)既可是一個(gè)具有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，有足夠的能量供給和更多的內(nèi)存與計(jì)算資源，也可是沒有監(jiān)測(cè)功能僅帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。就實(shí) 現(xiàn)機(jī)制而言， MAC 協(xié)議分 3 類 ： 確定性分配、競(jìng)爭(zhēng)占用和隨機(jī)訪問。 Mica2 工作在 915MHz的 ISM 頻段上，有兩個(gè)可調(diào)的工作頻率 ： 和 ，它以 AA 電池或鈕扣電池作為能源，現(xiàn)在關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大多數(shù)科研和演示系統(tǒng)都是以 Mica 為平臺(tái)的。美國(guó)海軍最近開展的網(wǎng)狀傳感器系統(tǒng) CEC(Cooperative Engagement Capability)是一項(xiàng)革命性的技術(shù)。 NASA的 JPL(Jet Propulsion Laboratory)實(shí)驗(yàn)室研制的 Sensor Webs 就是為將來的火星探測(cè)進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備的，已在佛羅里達(dá)宇航中心周圍的環(huán)境監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中進(jìn)行測(cè)試和完善。 (5)多節(jié)點(diǎn)聯(lián)合，形成覆蓋面積較大的實(shí)時(shí)探測(cè)區(qū)域 。此外，傳感器網(wǎng)可以 分 布在很廣泛的地理區(qū)域。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景十分廣闊，能夠廣泛應(yīng)用軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)、健康護(hù)理、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、城市交通、空間探索以及安全監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。比較通用的定義為： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是指由一組按需隨機(jī)分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的傳感器以自組織方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)感知對(duì)象的信息，并傳送 到 信息 用戶 。 （ 5）數(shù)據(jù)傳輸方向性強(qiáng)。 環(huán)境科學(xué) ： 隨著人們對(duì)于環(huán)境的日益關(guān)注，環(huán)境科學(xué)所涉及的范圍越來越廣泛。比如，嵌入家具和家電中的傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的無線網(wǎng)絡(luò)與 Inter 連接在一起將會(huì) 為人們 提供更加舒適、方便和具有人性化的智能家居環(huán)境。 英國(guó)、日 本、意大利等國(guó)家的一些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)也紛紛開展了該領(lǐng)域的研究工作。 GSM 和 CDMA 中的介質(zhì)訪問控制主要關(guān)心如何滿足用戶的 QoS 要求和節(jié)省帶寬資源，功耗是第二位的 ； Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)則考慮如何在節(jié)點(diǎn)具有高度移動(dòng)性的環(huán)境中建立彼此間的鏈接，同時(shí)兼顧一定的 QoS 要求，功耗也不是其首要關(guān)心的 ； 而藍(lán)牙采用了主從式的星型 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這本身就不適合傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織的特點(diǎn)。 傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、路由協(xié)議管理模塊、系統(tǒng)控制模塊、無線收發(fā)模塊和能量控制模塊五部分組成，如圖 22 所示。如果需要接入 Inter，也不一定需要專門開發(fā)一個(gè) WSN 的傳輸層協(xié)議，只需將 WSN 中的路由分組封裝成 TCP 或 UDP 報(bào)文即可。 2． 2． 1 ZigBee 概述 [6][