【文章內(nèi)容簡介】 個(gè)因素進(jìn)行考慮分析。無線傳感網(wǎng)絡(luò)需要用電池供電，所以選擇算法和相關(guān)的硬件時(shí)應(yīng)該盡量選取耗能小的，并且盡量選擇節(jié)點(diǎn)占用空間少并且定位較準(zhǔn)確的。同時(shí)，要想在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這個(gè)領(lǐng)域走的更好更遠(yuǎn)，就需要將定位與路由器、時(shí)間同步、數(shù)據(jù)融合等技術(shù)結(jié)合起來，分工合作，才可以將各自的長處發(fā)揮到最大，才會(huì)在定位應(yīng)用中占據(jù)不敗的位置 [14]。 另外，不同的定位算法在不同的外界因素下都有其各種的優(yōu)缺點(diǎn)，所以在具體的實(shí)際應(yīng)用過程中，根據(jù)情況選擇設(shè)計(jì)相應(yīng)的定位 算法也是至關(guān)重要的。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 8 最后，提出的重要的一點(diǎn)就是，定位節(jié)點(diǎn)的密度對定位算法的精確度的影響對于不同的算法影響程度是不同的。在節(jié)點(diǎn)耗費(fèi)較大的情況下，對于某些定位算法適當(dāng)?shù)脑?加 一些節(jié)點(diǎn)會(huì)大大的提高定位的精度 [15]。 算法的流程圖及設(shè)計(jì)思路 算法的流程圖 否 是 圖 其算法流程設(shè)計(jì)步驟： 100 100 的單位中，按均勻分布方式布置 n 個(gè)節(jié)點(diǎn)，作為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)； ，隨機(jī)分布若干節(jié)點(diǎn)為未知節(jié)點(diǎn)；各未知節(jié)點(diǎn)向周圍發(fā)送 聲音信息，搜索自身通信范圍內(nèi)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)； 點(diǎn)的距離； ；其坐標(biāo)作為該未知節(jié)點(diǎn)的初次估算位置； ； 計(jì)算，滿足條件算出結(jié)果，不滿足條件從新采集計(jì)算定位 [16]。 設(shè)計(jì)思路 開 始 選取網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 根據(jù)采集到的節(jié)點(diǎn)信息選取合適的算法 節(jié)點(diǎn)數(shù) 節(jié)點(diǎn)定位計(jì)算 結(jié) 束 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 9 圖 設(shè)計(jì)思路流程圖 本章小結(jié) 本章分析了聲音傳播規(guī)律，提出了聲音能量衰減模型，計(jì)算了節(jié)點(diǎn)接收信號的能量值算法，又根據(jù) 聲音信號的能量與它傳 播距離的平方成反比而確定了節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)聲源的位置關(guān)系及坐標(biāo)來分析了定位算法。 分析題目 整合編程 結(jié)合題意計(jì)算仿真 整理成果，編寫論文 準(zhǔn)備答辯 閱讀資料，熟悉算法、確定思路 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 10 第三章 無線傳感網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位算法 論文定位算法介紹 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位算法一般分為與距離無關(guān)和距離相關(guān)兩種算法，典型的距離相關(guān)算法有 AHLo， RADAR, Cricket等，典型的距離無關(guān)定位算法有 DVHOP 算法，質(zhì)心定位算法， APIT 等。經(jīng)過研究算法，出于對時(shí)間和認(rèn)知程度的綜合分析，本文著重討論兩種定位算法并對其進(jìn)行研究、分析、仿真，既三邊定位算法與極大似然定位算法。選擇這兩種算法主要是基于三邊定位算法易 分析，通俗易懂，而極大似然算法雖較三邊定位算法計(jì)算復(fù)雜了一些，但是它的定位精度高 [17]。 三邊測量法 多變測量方法是聲音能量定位方法的前提，而多變測量法方法又是從三邊測量方法引申而來的。三邊測量法的理論依據(jù)就是：在一個(gè)平面上，已知目標(biāo)節(jié)點(diǎn)到其它三個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離，并且這三個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)也是已知的，那么我們可以根據(jù)這三個(gè)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離進(jìn)行了方程組并且計(jì)算出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo) [18]。 圖 三邊測量法原理示意圖圖表 A（ xa,ya） B(xb,yb) D C(xc,yc) 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 11 節(jié)點(diǎn) A,B,C為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，其坐標(biāo)分別為 ( , )aaxy ， ( , )bbxy ， ( , )ccxy ，三點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn) D的距離分別為 ad ， bd ， cd ，假設(shè) D點(diǎn)坐標(biāo) (, )xy ,則可得公式 31 = = (31) = 公式 31 是一個(gè)非線性方程，求解可得未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，如公式 32 1 2 2 2 2 2 22 2 2 2 2 22( ) 2( )2( ) 2( ) a c a c c aa c a cb c b c a c a c c ax x y y d dx x y yx x x y yyx x y y d d? ??? ? ? ? ??????? ? ?????? ? ? ? ? ??? ?? ?? （ 32） 式中： ( , )aaxy ， ( , )bbxy ， ( , )ccxy 分別是三個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，是未知節(jié)點(diǎn)到 3 個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)的距離。式（ 32）經(jīng)過線性化，可得到下列方程式 AX+N=B A=， B=， X= 使用標(biāo)準(zhǔn)的最小均方差估計(jì)可得未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為 X=(AAT)1ATb （ 33） 式中的 N 是由于存在測距的誤差而引入的參數(shù)，它是根據(jù)測距誤差的分布形式存在的一個(gè)隨機(jī)誤差矢量。由于三邊定位算法易于接受，所以對這種算法進(jìn)行了研究，再與其它的算法進(jìn)行比較，可以進(jìn)一步對定位算法有一些深入的了解。三邊測量算法涉及到大量的矩陣運(yùn)算和最小二乘運(yùn)算，計(jì)算量相對較大，對于以上情況，有人也提出了最大最小值法，即通過簡單的折線運(yùn)算估計(jì)出未知節(jié)點(diǎn)的位置，具體的運(yùn)算不再寫出。 極大似然估計(jì)法 由聲音能量衰減模型可知，為正態(tài)隨機(jī)變量，其滿足密 度為 N（） 的正態(tài)分布，模型已假設(shè)背景噪音 ，所以可由各個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)環(huán)境噪音測得。未知參內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 12 數(shù)為聲源能量，通過 n 個(gè)節(jié)點(diǎn)的檢測得到來自總體的樣本（），最后得到關(guān)于的似然函數(shù)可表示如下 L()= = （ 34） 忽略掉式中的無關(guān)項(xiàng)并求出式子達(dá)到最大值時(shí)的等價(jià)于求下式達(dá)到最小值時(shí)的 L(S(t),r(t))∝ （ 35） 之后便可求解式子，當(dāng)然極大似然估計(jì)法是最小二乘法的基礎(chǔ)，求解上式可以用最小二乘原理。 1 2 5 3 D 4 圖 極大似然估計(jì)法原理圖 當(dāng)然在已知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息后，也可以通過以下的算法來實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位。在已知 1,2,3， …n 個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為 1 , 1 2 , 2 3 , 3 ,( ) , ( ) , ( ) , , ( )nnx y x y x y x y，到節(jié)點(diǎn) D的距離分別為 1 2 3, nd d d d ，則可得公式（ 36） 2 2 21 1 12 2 2( ) ( )( ) ( )n n nx x y y dx x y y d? ? ? ? ????? ? ? ?? 用每個(gè)方程減去后一個(gè)方程，可得： 2 2 2 2 2 21 1 1 12 2 2 2 2 21 1 1 1 1( 2 ( ) 2 ( )( 2 ( ) 2 ( )n n n n nn n n n n n n n n nx x x x x y y y y y d dx x x x x y y y y y d d? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ????? ? ? ? ? ? ? ? ?? 用線性方程表示為 AX b? ，其中： 11112 ( ) 2 ( )2 ( ) 2 ( )nnn n n nx x y yAx x y y???????????， xXy???????，2 2 2 2 2 21 1 12 2 2 2 2 21 1 1n n nn n n n nx x y y d dbx x y y d d? ? ???? ? ? ? ????? ? ? ? ??? 使用標(biāo)準(zhǔn)的最小均方差估計(jì)法可以得到節(jié)點(diǎn) D的坐標(biāo)為 1()TTx A A A b?? 運(yùn)用極大似然估計(jì)算法來計(jì)算節(jié)點(diǎn)位置信息，計(jì)算步驟較為復(fù)雜，但是由于計(jì)內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 13 算的結(jié)果精確度較高，所以本文中對這個(gè)算法進(jìn)行了一些研究 [19]。 比較綜合兩種定位算法的優(yōu)劣 三邊測量法：易分析，通俗易 懂，但是計(jì)算量較大，定位精度不確定，適應(yīng)環(huán)境能力差，是最基礎(chǔ)的定位算法；極大似然估計(jì)法：結(jié)合概率統(tǒng)計(jì)、隨機(jī)變量、以及矩陣等知識，能夠較準(zhǔn)確的定位，當(dāng)然相應(yīng)的來說所需的運(yùn)行時(shí)間較長。 本章小結(jié) 本章提出了兩中常用的定位算法，并對每一種算法都進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，在理論上分析了兩種算法的優(yōu)缺點(diǎn)。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 14 第四章 基于聲音能量的無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位算法仿真 在前三章中，介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位算法，提出并分析了三邊定位算法和極大似然估計(jì)（ ML）算法。本文使用 Matlab 軟件仿真環(huán)境建立所研究網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的模型 ，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行這個(gè)模型，并分析運(yùn)行的輸出結(jié)果，對這些算法進(jìn)行仿真。首先對三邊測量算法進(jìn)行仿真，接著對極大似然估計(jì)算法的性能進(jìn)行仿真，并得出仿真結(jié)果，最后對于兩種不同算法的誤差進(jìn)行對比，總結(jié)。 實(shí)驗(yàn)環(huán)境 Matlab 是一款具有高效數(shù)值計(jì)算功能的仿真軟件。它提供了強(qiáng)大的科學(xué)運(yùn)算環(huán)境、靈活的程序設(shè)計(jì)流程、高質(zhì)量的圖形與可視化界面設(shè)計(jì)、以及與其他程序和語言對接的功能。正是由于 Matlab 有如此多的功能特點(diǎn)和簡潔的操作環(huán)境，本文選擇使用 Matlab R2020a 軟件進(jìn)行算法的仿真。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最常使用的 部署方式是使用飛機(jī)向感興趣區(qū)域拋灑無線傳感器節(jié)點(diǎn)，這樣部署方式使節(jié)點(diǎn)的分布具有隨機(jī)性，因此，本文的仿真首先使用 Matlab在固定區(qū)域內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生傳感器節(jié)點(diǎn)，代碼如下 x(i)=10*normrnd(0,1,1,1) y(i)=10*normrnd(0,1,1,1) 上述代碼是在固定的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)一行一列的，背景噪音為均值為零，標(biāo)準(zhǔn)差為 的高斯白噪聲的隨機(jī)數(shù)。在傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位中，主要的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是平均定位誤差。因此，本 章在聲音能量衰減模型下代入采集到的節(jié)點(diǎn)信息 進(jìn)行分析。其中平均定位誤差使用式進(jìn)行計(jì)算 [20]。 39。 2 39。 211 ( ) ( )N i i i iie r r o r x x y yN ?? ? ? ?? （ 41） 采集聲音能量進(jìn)行分析 利用聲音傳感器節(jié)點(diǎn)檢測到聲音信號電壓、聲壓等值采集到的聲音能量圖形如圖 ：（橫軸為時(shí)間，縱軸為電壓） 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 15 取有用信號時(shí)間段，運(yùn)用接收聲音信號能量的計(jì)算公式： Yi（ t） =gis（ t） /di2（ t）+i(t)， i=1,2,3… .( gi: ：節(jié)點(diǎn)噪聲系數(shù)取 1； s（ t） ： t時(shí)刻聲源能量取 10000； di（ t） ：節(jié)點(diǎn)i 與聲源目標(biāo)之間距離； i(t) ：均值為 0，