【正文】 nd R. Poovendran. HiRLoc: Highresolution robust localization for wireless sensor works [J]. IEEE Journal on Selected Areas in munications. 2020,24(2):233246 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 22 謝辭 經(jīng)過一學(xué)期的努力，我的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)終于完稿了。 通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，對大學(xué)四年來所學(xué)的專業(yè)知識(shí)進(jìn)行了檢驗(yàn)和鞏固，也給了自己很多經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，在選題開題時(shí)，只是課題進(jìn)行了一個(gè)大概的了解，導(dǎo)致自己在以后的設(shè)計(jì)過程中找不到方向，終于確定研究方法時(shí)又 因?yàn)槟芰Σ蛔愣鴽]有達(dá)到預(yù)想的效果。再次，在分析兩種算法的過程中，因?yàn)闀r(shí)間和個(gè)人學(xué)識(shí)水平的限制，只是將現(xiàn)有的知識(shí)整合了一下，在軟件中仿真模擬、總結(jié)。本文對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)的研究還有待提高。 (3)在 Matlab R2020a 環(huán)境下，對本文分析的聲音能量接收公式和兩種算法進(jìn)行仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。 論文的主要內(nèi)容可以概括為幾個(gè)方面 :(l)介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 基本概念，并對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位的概念、定位算法分類及節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算方法進(jìn)行了介紹，此外，還介紹了幾種基于測距的定位算法、定位算法評(píng)價(jià)常用指標(biāo)，并對幾種常用的基于測距定位算法進(jìn)行分析。 本章小結(jié) 本章通過借用仿真平臺(tái)模擬仿真了兩種定位算法的結(jié)果，并注意對其進(jìn)行了分析，最后在相同的外界環(huán)境下對兩種算法的誤差進(jìn)行了比對，從而得出極大似然估計(jì)算法的定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于三邊定位算法的結(jié)論。 下圖為極大似然估計(jì)算法誤差： 下圖為三邊定位算法誤差： 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 17 不同定位算法誤差分布仿真 通過對比兩種定位算法可以在一幅圖中清晰地看到誤差的變化對比 1. 節(jié)點(diǎn)數(shù) n=5時(shí)（橫軸為時(shí)間，縱軸為誤差大?。? 圖 兩種定位算法誤差比較（ 1） 其中藍(lán)色線代表極大似然估計(jì)算法，紅色線代表三邊定位算法。 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(hào)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(hào)時(shí)間段，運(yùn)用接收聲音信號(hào)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，方差為 1 的高斯白噪聲 )編碼并輸出檢測信號(hào)示意圖如下：（橫軸為時(shí)間，縱軸為電壓） 得到接收信號(hào)能量值圖形后，根據(jù)聲音信號(hào)的能量與它傳播距離的平方成反比內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 16 而采用具體算法來確定目標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。 39。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。 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)。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。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)。 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。 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(shí)，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。 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。 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。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。 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。 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。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。 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(hào)的能量值算法，又根據(jù) 聲音信號(hào)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。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]。 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。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。此方法計(jì)算過程稍微繁瑣點(diǎn)，但是其計(jì)算的精度是非常高的。缺點(diǎn)為較為復(fù)雜。其優(yōu)點(diǎn)為計(jì)算方便簡單，需要定位的節(jié)點(diǎn)較少，但是定位的精度、準(zhǔn)確度較低。此算法需要硬件的結(jié)合，在功耗和體積上面對定位節(jié)點(diǎn)提出了更高的要求 [13]。此方法比到達(dá)時(shí)間法要準(zhǔn)確與好用些，因?yàn)樗鼘r(shí)間的精準(zhǔn)度與計(jì)算能力要求較低一些 [13]。優(yōu)點(diǎn)是要求精度較高，缺點(diǎn)是無線信號(hào)的傳輸速度快，時(shí)間測量過程中很小的誤差都可能導(dǎo)致很大的距離誤差，其次也要求傳 感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力強(qiáng) [13]。 RSSI 有傳感器節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)功能，實(shí)現(xiàn)起來簡單，且對節(jié)點(diǎn)的 成本 和功耗無影響，因此這個(gè)方法早已被采用，缺點(diǎn)是在被遮蓋或折射會(huì)引起嚴(yán)重的測量誤差 [13]。 基于聲音能量衰減模型提出 WSN 定位技術(shù) 上式中通過將每個(gè)聲音傳感器節(jié)點(diǎn)檢測到的電壓值轉(zhuǎn)化為聲音能量值，通過 聲音信號(hào)的能量與它傳播距離的平方成反比這一結(jié)論可以就此算出各節(jié)點(diǎn)的位置，利用適當(dāng)算法進(jìn)而可以求出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置，以下就是對算法具體分析研究。然而，傳感器有多點(diǎn)協(xié)作的的特點(diǎn)，同時(shí)，傳感器接收 到信號(hào)的時(shí)間一般比聲源變化得快，所以，為了使目標(biāo)定位算法簡潔而又不影響大的計(jì)算面，還是可以適當(dāng)?shù)暮雎赃@些細(xì)小的干擾 。 值得注意的是，以上計(jì)算節(jié)點(diǎn)接收到的聲音能量的算法是在忽略了一定的因素之后得出的，（ 1）在不同采樣節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)時(shí)，目標(biāo)源的聲音突變使得接收信號(hào)不準(zhǔn)確，我們一般認(rèn)為采樣的頻率很高，可以忽略這一點(diǎn) 。將節(jié)點(diǎn)監(jiān)測到的電壓值轉(zhuǎn)化為聲音能量值 ,代入模型估算出聲源的位置 ,從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位估計(jì)。 聲音能量衰減模型及算法的提出 聲音能量衰減模型是基于聲音能量強(qiáng)度的目標(biāo)定位算法的基本研究目標(biāo) ,目標(biāo)計(jì)算模型決定了定位的準(zhǔn)確程度。其中，多數(shù)聲音傳感器的參數(shù)中規(guī)定 0dB對應(yīng) 1V／ Pa。 聲壓的測量比較易于實(shí)現(xiàn)，而且通過聲壓的測量也可以間接求得其他聲學(xué)參量，所以實(shí)際中聲音傳感器大多都是檢測聲壓值，聲音傳感器的參數(shù)中會(huì)提供靈敏度 參 數(shù)，靈敏度是麥克風(fēng)在單位聲壓激勵(lì)下 輸出的電壓值，其單位是 mV／ Pa 或 V／ Pa。 (2)聲功率 W：單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于聲傳播方向面 積的聲能量稱為聲功率，單位瓦特 (W)，它和聲壓的關(guān)系如式 W=Pe2S/PoCo 其中， Pe 為聲壓， S 為垂直于聲傳播方 向的面積， PoCo 為空氣的特性阻抗率一般取值為 400 Ns/m3。描述聲波的最常見的基本物理量是聲壓、聲功率和聲強(qiáng)。 本章小結(jié) 本章主要介紹了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀、發(fā)展情況及定位方法的評(píng)價(jià)指標(biāo)。在保證定位精度的基礎(chǔ)上，盡量降低信標(biāo)節(jié)點(diǎn)密度以減少網(wǎng)絡(luò)成本； :無線傳感器系統(tǒng)或者定位算法需具有較高的容錯(cuò)性和自適應(yīng)性，能夠通過自身調(diào)整或者重構(gòu)來糾正錯(cuò)誤、適應(yīng)環(huán)境、減少各種誤差的影響、提高定位精度； ：定位算法的功耗大小直接影響定位網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的壽命長短，定位時(shí)產(chǎn)生的功耗開銷，節(jié)點(diǎn)之間相互通信時(shí)產(chǎn)生的功耗開銷，以及傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)信息時(shí)所產(chǎn)生的功耗開銷，功耗越大，定位系統(tǒng)的壽命就越短，所以應(yīng)該盡量設(shè)計(jì)耗能低的定位系統(tǒng)； ：節(jié)點(diǎn)定位算法的代價(jià)主要由時(shí)間代價(jià)、空間代價(jià)、能耗代價(jià)和資金代價(jià) [9]。誤差值越大，定位精度越小，定位也越不準(zhǔn)確； ：一種定位技術(shù)在給定的一段時(shí)間內(nèi)或一定數(shù)量的基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)，能夠定位目標(biāo)的多少； 點(diǎn)密度：指單位面積上的節(jié)點(diǎn)數(shù)。根據(jù)聲音傳播的規(guī)律，尋找一個(gè)適合聲音能量傳播的合理模型，此模型反映了節(jié)點(diǎn)檢測的聲音能量強(qiáng)度與其目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間距離的關(guān)系，根據(jù)此模型可以通過多個(gè)節(jié)點(diǎn)的檢測值估算出定位目標(biāo)的位置，這種算法對節(jié)