【正文】 ............................................. 18 結(jié)論 ................................................................. 19 參考文獻(xiàn) .............................................................. 20 謝辭 ................................................................. 22 附錄 ................................................................. 23 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第一章 緒論 課題研究的背景和意義 隨著無(wú)線傳感技術(shù)的快速發(fā)展和日趨成熟，無(wú)線通信技術(shù)也發(fā)展到一定的程度，其發(fā)展的技術(shù)越來(lái)越成熟、快速，方向也越來(lái)越多，同時(shí)也越來(lái)越重要。無(wú)線傳感技術(shù)、傳感網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被認(rèn)定為重要的研究?jī)?nèi)容之一。政府引導(dǎo)、研究人員推動(dòng)和企業(yè)的積極參與大大加快了 WSN 技術(shù)的市場(chǎng)化進(jìn)程，中國(guó)必將在 WSN 技術(shù)和市場(chǎng)推進(jìn)中發(fā)揮重要作用 [2]。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可靠性的重要保障。首先，現(xiàn)有的眾多研究中，將性能和低功耗相結(jié)合的較少，有的只考慮低功耗而性能不高，有的性能高但是功耗太大 [3]。無(wú)線傳感模塊應(yīng)用已非常廣泛，除去組成無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用外，無(wú)線傳感技術(shù)還廣泛的應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)，如車間溫濕度、短距無(wú)線通信等。 無(wú)線傳感器網(wǎng) 絡(luò)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在許多國(guó)家的軍事和民用的各個(gè)領(lǐng)域都具有十分廣闊的應(yīng)用前景，它的出現(xiàn)引起了許多國(guó)家越來(lái)越大的興趣以及挑戰(zhàn)。 從國(guó)外的研究現(xiàn)狀來(lái)看，美國(guó)是最早開始研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的國(guó)家，美國(guó)國(guó)防部和軍方近年來(lái)投入了巨資，在一些著名的高校、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)公司，開展一系列滿足軍方作戰(zhàn)須取得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和應(yīng)用研究的活動(dòng)，研究的重點(diǎn)主 要集中在各種軍用偵察和監(jiān)視技術(shù)與系統(tǒng)，如 “智能微塵 ”（ SmartDust）、 “無(wú)線綜合網(wǎng)絡(luò)傳感器 ”（ WINS）、 “傳感器信息技術(shù) ”（ SensorIT）、 “沙地直線系統(tǒng) ”（ A Line in the Sand）等。多年來(lái)經(jīng)過(guò)不同領(lǐng)域研究人員的演繹， WSN 技術(shù)在軍內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 2 事領(lǐng)域、安全監(jiān)控、環(huán)保監(jiān)測(cè)、建筑領(lǐng)域、工業(yè)監(jiān)控、智能交通、自由空間探索、智能家居等領(lǐng)域的應(yīng)用得到了充分的肯定和一定的應(yīng)用 [5]?，F(xiàn)在，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 在 人們的生活應(yīng)用中已 經(jīng)起了積極地作用。 總的來(lái)說(shuō)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)在世界各地逐步 地 顯現(xiàn)出來(lái)，鑒于當(dāng)前的使用和研究情況，相信無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在未來(lái)的幾十年內(nèi)將會(huì)被應(yīng)用于更廣闊的領(lǐng)域。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 3 本文主要討論聲音能量的目標(biāo)定位方法，基于聲音能量的目標(biāo)定位相對(duì)于其他目標(biāo)定位來(lái)說(shuō)特點(diǎn)有： (1)不因視線和能見(jiàn)度而影響定位：聲音定位系統(tǒng)可以在晚上、陰雨天、霧霾天和下雪天工作，具有全天候工作的優(yōu)點(diǎn)； (2)易隱蔽，有較強(qiáng)的保密性：聲音定位系統(tǒng)不受電磁波的干擾，也不易被無(wú)線電測(cè)量； (3)普遍存在于常見(jiàn)的目標(biāo)和常見(jiàn)的監(jiān)測(cè)目標(biāo)中：許多目標(biāo)的出現(xiàn)都伴有不同的頻率、幅值的聲音，聲音目標(biāo)定位在實(shí)際應(yīng)用中更具普 遍性； (4)用以目標(biāo)定位的聲音能量傳感器成本低，能耗?。撼Ｒ?jiàn)的聲音傳感器有駐極體麥克風(fēng)、硅麥克風(fēng)等，其價(jià)格相對(duì)于其他傳感器要低，功耗也較少；（ 5）聲音能量易檢測(cè)、易分辨：可以通過(guò)不同頻率、幅值及具體壞境因素分析目標(biāo)位置 [8]。而在基于接收信號(hào)聲音能量強(qiáng)度的定位算法中，又選擇了基于測(cè)距的定位算法進(jìn)行研究。 定位算法評(píng)價(jià)指標(biāo) ：定位誤差指經(jīng)算法定位未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)之間的誤差。節(jié)點(diǎn)密度影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的開銷、網(wǎng)絡(luò)的連通性 ，從而影響定位算法的精度。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 4 以上指標(biāo)間相互關(guān)聯(lián)，不僅是設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)的考慮因素，在后期網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，網(wǎng)絡(luò)更新中也需著重考慮。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 5 第二章 聲音能量的傳播規(guī)律及適用算法的分析 聲音的基本概念及其傳播規(guī)律 大部分聲音的發(fā)出都來(lái)源于物體的振動(dòng) 。 (1)聲壓 Pe：它是介質(zhì)受擾動(dòng)后產(chǎn)生的逾量壓強(qiáng)，單位是帕斯卡 (Pa)。 (3)聲強(qiáng) I：?jiǎn)挝幻娣e上的平均聲功率稱為聲強(qiáng)，單位為 W／ m2，它和聲壓的關(guān)系 如 式 I= Pe2/ PoCo，其中， Pe為聲壓， PoCo 為空氣的特性阻抗率。靈敏度也經(jīng)常用分貝表示，靈敏度分貝值與靈敏度值的關(guān)系如式：靈敏度分貝值 Db=20lg 靈敏度值 mV/Pa／ 0dB 對(duì)應(yīng)的靈敏度值 。這樣根據(jù)檢測(cè)的電壓值和傳感器的靈敏度就可以得出檢測(cè)的聲壓值，從而可以求得其他聲學(xué)參量 [10]。我們知道，聲音信號(hào)的能量與它傳播距離的平方成反比，目標(biāo)定 位算法就是利用聲音的傳播的這個(gè)特點(diǎn)來(lái)計(jì)算目標(biāo)的位置 [11]。具體化這一模型：假設(shè)在某一時(shí)刻 t 聲源目標(biāo)進(jìn)入了由 n 個(gè)聲音傳感器節(jié)點(diǎn)組成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) ,理論上認(rèn)為目標(biāo)源均勻地向四周發(fā)射聲音信號(hào)能量 ,這樣 ,第 i 個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在時(shí)刻 t檢測(cè)到的聲音信號(hào)能量可以表示為式： Yi（ t） =si(t)+i(t)， i=1,2,3… （ 21） 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 6 si(t)： t時(shí)刻目標(biāo) 值 因能量傳播到節(jié)點(diǎn) i 衰減后的能量值 i(t)： t時(shí)刻節(jié)點(diǎn) i 的背景噪音能量值，一般認(rèn)為氣均值為 0，方差為 2 Yi（ t） ： t時(shí)刻節(jié)點(diǎn) i 實(shí)際測(cè)得的能量值 在具體的測(cè)量過(guò)程中，忽略一些數(shù)據(jù)的影響，就可以寫出聲音能 量衰減模型的最終公式，替換 si(t)，得公式為： Yi（ t） =gis（ t） /di2（ t） +i(t)， i=1,2,3… （ 22） 其中 gi：節(jié)點(diǎn) i 的噪音影響系數(shù) （取 1）； s（ t） ： t時(shí)刻聲源能 量（取 10000）； di（ t） ：節(jié)點(diǎn) i 與生源目標(biāo)之間的距離 ； i(t) ： t時(shí)刻節(jié)點(diǎn) i 的背景噪音能量值（均值為 0，方差為 1）。（ 2）當(dāng)聲源離墻面或山比較近時(shí)，這些障礙物都會(huì)吸收聲音能量導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)采集信息有誤差，當(dāng)節(jié)點(diǎn)離目標(biāo)生源非常近的時(shí)候就不能把它當(dāng)做一個(gè)點(diǎn)來(lái)看待。（ 3）在具體的節(jié)點(diǎn)接受能量計(jì)算過(guò)程中，本文盡量會(huì)在不影響定位結(jié)果的情況下精簡(jiǎn)計(jì)算量，降低計(jì)算復(fù)雜度 [12]。 常用測(cè)距方法 收信號(hào)強(qiáng)度 （ Received Signal Sterength Indicator， RSSI ） 指示法 ：接 收 機(jī)通過(guò)測(cè)量射頻信號(hào)的能量來(lái)確定與發(fā)送機(jī)的距離。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 7 （ Time of Arrival， TOA）法 :通過(guò)測(cè)量信號(hào)的傳輸時(shí)間 來(lái) 估計(jì)兩節(jié)點(diǎn)間距離。 （ Time Difference of Arrival,TDOA）法 :測(cè)量不同接收節(jié)點(diǎn)接 收 到的同一個(gè)發(fā)射信號(hào)的時(shí)間差，進(jìn)而進(jìn)行計(jì)算。 （ Angle Of Arrival， AOA）法 :通過(guò)配備天線陣列多個(gè)接收器來(lái)估測(cè)其他節(jié)點(diǎn)發(fā)射的無(wú)線信號(hào)到達(dá)的角度。 常用的定位計(jì)算方法 法：設(shè)有三個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)與這三個(gè)坐標(biāo)距離公式進(jìn)行整合計(jì)算就可以估算出未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的坐標(biāo)。 ：已知三個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，通過(guò)與未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)角度的確定可以畫出三個(gè)以三點(diǎn)為圓心的圖形，再根據(jù)三邊測(cè)量算法算出具體的未知點(diǎn)坐標(biāo)。 (ML)法：將似然函數(shù)達(dá)到最大值時(shí)的參數(shù)最為參數(shù)的估計(jì)值。 定位算法設(shè)計(jì)的注意問(wèn)題 WSN 的定位算法有很多，但是 非常完美的算法幾乎沒(méi)有，在具體的實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)及選用算法時(shí)要根據(jù)以下的幾個(gè)因素進(jìn)行考慮分析。同時(shí)，要想在無(wú)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(lái)，分工合作，才可以將各自的長(zhǎng)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]。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)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(duì)定位算法的精確度的影響對(duì)于不同的算法影響程度是不同的。 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]。 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(shuō)明書 10 第三章 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位算法 論文定位算法介紹 無(wú)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(wú)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(wú)關(guān)定位算法有 DVHOP 算法，質(zhì)心定位算法， APIT 等。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(cè)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]。式（ 32）經(jīng)過(guò)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(cè)距的誤差而引入的參數(shù)，它是根據(jù)測(cè)距誤差的分布形式存在的一個(gè)隨機(jī)誤差矢量。三邊測(cè)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(duì)較大，對(duì)于以上情況，有人也提出了最大最小值法，即通過(guò)簡(jiǎn)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。未知參內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 12 數(shù)為聲源能量，通過(guò) n 個(gè)節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)得到來(lái)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(wú)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。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