【正文】 ............................................... 29 傳統(tǒng) DVhop 算法 .................................................. 29 傳統(tǒng) DVhop 算法誤差分析 .......................................... 30 新的 DVhop 算法的設(shè)計及其實現(xiàn) .................................... 33 跳數(shù)計算 .................................................... 33 節(jié)點距離的計算 .............................................. 33 錨節(jié)點組的選定和位置估計 .................................... 35 本章小結(jié) ......................................................... 36 5 三維節(jié)點定位方法 ....................................................... 37 引言 ............................................................. 37 三維節(jié)點定位的必要性 ............................................. 37 幾種典型三維節(jié)點定位算法 ......................................... 37 傳統(tǒng)質(zhì)心算法 ................................................ 37 一種新的質(zhì)心算法 ............................................ 39 安徽理工大學 畢業(yè)設(shè)計 VII Landscape3D 算法 ........................................... 41 APIS 算法 ................................................... 42 新三維節(jié)點定位算法的設(shè)計及其實現(xiàn) ................................. 43 跳數(shù)計算 .................................................... 43 距離計算 .................................................... 43 位置估計 .................................................... 43 新三維定位算法的執(zhí)行 ........................................ 46 仿真實驗 .................................................... 46 本章小結(jié) .......................................................... 48 全文總結(jié) ................................................................. 49 參考文獻 ................................................................. 50 致謝 ..................................................................... 51 安徽理工大學 畢業(yè)設(shè)計 2 1 緒論 1． 1 研究背景 目的 及意義 1． 1． 1 研究背景 隨著無線技術(shù)的快速發(fā)展和日趨成熟，無線通信也發(fā)展到一定的階段，其發(fā)展的技術(shù)越來越成熟，方向也越來越多 ，越來越重要，大量的應用方案開始采用無線技術(shù)進行數(shù)據(jù)采集和通信。這樣的節(jié)點配合各類型的傳感器，可組成無線傳感器網(wǎng)絡（ WSN）。廣泛應用于戰(zhàn)場監(jiān)視、大規(guī)模環(huán)境監(jiān)測和大區(qū)域內(nèi)的目標追蹤等領(lǐng)域。 因為無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點一般采用電池供電，工作環(huán)境通常比較惡劣，而且數(shù)量大、更換非常困難，所以低功耗是無線傳感器網(wǎng)絡最重要的設(shè)計準則 之一，因此，它迫切需要對傳統(tǒng)的嵌入式應用開發(fā)進行 更新和改進，需要精心設(shè)計的軟硬件系統(tǒng)，以使其可靠而耐用。美國《今日防務》雜志更認為 WSN的應用和發(fā)展將引起一場劃時代的軍事技術(shù)革命和未來戰(zhàn)爭的變革。 低功耗無線傳感模塊，便是組成 無線 傳感網(wǎng) 絡 的節(jié)點?，F(xiàn)已廣泛應用于社會建設(shè)的各個層面和人們的日常生活當中。 因此，在無線傳感技術(shù)應用如此廣泛的今天，在保證無線傳感模塊性能的同時又能實現(xiàn)其低功耗具有一定的理論和現(xiàn)實意義。當前，傳感技術(shù)、 傳感網(wǎng)絡 已經(jīng)被認定為最重要的研究之一。 低功耗無線傳感模塊研究具有極其重要的學習和研究價值，其功能的實現(xiàn)具有極其重要的理論和現(xiàn)實意義。本文綜合了性能和低功耗的共同需求，經(jīng)過深入的分析和對芯片的數(shù)據(jù)比較，提出了低功耗無線傳感模塊的硬件設(shè)計思路。無線傳感模塊應用已非常廣泛，除去組成 無線 傳感網(wǎng)安徽理工大學 畢業(yè)設(shè)計 3 絡的應用外，無線傳感技術(shù)還廣泛的應用于環(huán)境監(jiān)測，如車間溫濕度、壓力等；短距無線通信等。 1． 2 國內(nèi)外研究應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 1． 2． 1 國 內(nèi)外研究應用現(xiàn)狀 無線傳感模塊是新興的下一代 無線 傳感網(wǎng) 絡節(jié)點，它是組成 無線 傳感網(wǎng) 絡的基本部分。傳感技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一般傳感器、智能傳感器、無線傳感器等幾個階段。 為了實現(xiàn)隨時隨地與任何人或任何設(shè)備的互聯(lián)互通，無線通信技術(shù)獲得了蓬勃發(fā)展。作為蓬勃發(fā)展的無線技術(shù)，近幾年正是其大變革時期。無線傳感模塊屬于無線技術(shù)中較為底層的一個分支，由于越來越多的 應用方案開始采用無線節(jié)點進行數(shù)據(jù)采集和通信。 而 無線 傳感網(wǎng) 絡 節(jié)點的穩(wěn)定運行是整個網(wǎng)絡可靠性的重要保障，因此無線傳感模塊的設(shè)計， 傳感技術(shù)、 傳感網(wǎng) 絡 已經(jīng)被認定為最重要的研究之一。典型的節(jié)點包括 Mica 系列、 Telos 、 IRIS 和 Imote2 等。有些節(jié)點具有高性能但功耗較大，如 Imote2 節(jié)點，不適用于能量受限的應用環(huán)境。因為無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點一般采用電池供電，工作環(huán)境通常比較惡劣，而且數(shù)量大，更換非常困難，所以低功耗是無線傳感器網(wǎng)絡最重要的設(shè)計準則之一。后來的研究，如 Intel ( r) Mote 的研究項目則注重了三個方面的要求，包括低功耗操作、系統(tǒng)級集 成和硬件的重新配置，希望做到平衡功耗與性能的矛盾，但目標的實現(xiàn)還需要一定的努力。 隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)以及集成技術(shù)的不斷發(fā)展，傳感技術(shù)也會得到不斷的發(fā)展和完善。 1． 2． 2 發(fā)展趨勢 正是由于低功耗無 線傳感節(jié)點在如此廣范圍內(nèi)的應用，使得它受到了來自軍事、工業(yè)和商業(yè)以及學術(shù)專家的極大關(guān)注。而 無線 傳感網(wǎng) 絡 WSN是當前在國際上備受關(guān)注的、涉及多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領(lǐng)域。 我國迫切需要提升對此的認識程度，并盡快推動其發(fā)展。 另外由于 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的穩(wěn)定運行是 整個網(wǎng)絡可靠性的重要保障。已有的節(jié)點， 有的只考慮低功耗而性能不高，有的性能高但是功耗太大。即在保證所需要實現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上，盡量的實現(xiàn)整個模塊的低功耗，甚至在不影響整體性能的情況下適當減少部分功能來實現(xiàn)降低功耗的目的。當前對無線傳感模塊的應用都是靜止性的，就目前存在的 無線 傳感網(wǎng) 絡 （ WSN），構(gòu)成網(wǎng)絡的各個節(jié)點都是被固定的安放 在一個地方，要實現(xiàn)對整個環(huán)境的檢測，就需要向環(huán)境中投放大量的無線傳感節(jié)點。若實現(xiàn)無線傳感模塊對信息的移動式采集，則在同一個環(huán)境內(nèi)投放更少的節(jié)點，就能實現(xiàn)對環(huán)境的全面檢測。利用太陽能、振動能量、地熱、風能等實現(xiàn)無線傳感模塊的電能供應對于全面提高無線傳感模塊的能力將會起到巨大的作用。未來的無線傳感模塊必將是集穩(wěn)定性與安全性、擴展性與靈活性、微型化與低成本等特點為一體的。論文各章節(jié)的具體安排如下 : 第一章主要介紹 無線 傳感網(wǎng) 絡 定位技術(shù)的研究背景、研究意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及論文研究內(nèi)容和組織結(jié)構(gòu)。 第三章主要研究了 無線 傳感網(wǎng) 絡 定位的基本原理，深入分析討論了定位的概念、定位的基本計算方法和定位技術(shù)的性能評價標準，同時詳細介紹了目前存在的典型定位算法及其性能。 第五章主要對三維節(jié)點定位算法進行了深入研究，同時給出一種新的三維節(jié)點定位算法，并對該 算法在 MALAB 中進行仿真驗證，給出了仿真驗證結(jié)果。 安徽理工大學 畢業(yè)設(shè)計 6 2 無線 傳感網(wǎng) 絡 的組成結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù) 本章對無線傳感網(wǎng)絡作了全面地介紹。接著對無線傳感網(wǎng)絡的關(guān)鍵技術(shù)和應用領(lǐng)域進行了較詳細的說明和介紹。 無線 傳感網(wǎng) 絡 系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點 (sensor node,匯聚節(jié)點 (sink node)和管理節(jié)點，一種典型的 無線 傳感網(wǎng) 絡 體系結(jié)構(gòu)圖如圖 所示，大量傳感器節(jié)點被隨機地部署在監(jiān)測區(qū)域 (sensor field)內(nèi)部或附近，通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡。用戶通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡 進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。從整個網(wǎng)絡看，傳感器節(jié)點兼顧了路由器和網(wǎng)絡節(jié)點終端雙重功能，除了進行數(shù)據(jù)處理和收集本地信息外，還要對其它節(jié)點傳送過來的信息進行處理，同時與其它網(wǎng)絡節(jié)點協(xié)作共同完成一些特定任務。 安徽理工大學 畢業(yè)設(shè)計 7 在不同的應用場合，傳感器節(jié)點的組成也有較大差異，但一般都包括以下四部分 。如圖 所示為一種典型傳感器節(jié)點體系結(jié)構(gòu)圖。無線通信模塊主要負責與其它傳感器節(jié)點進行無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù) 。處理器模塊主要負責控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理所采集的數(shù)據(jù)及其它節(jié)點傳送過來的數(shù)據(jù) 。如圖 所示。另外協(xié)議棧還包括能量管理平臺、移動管理平臺和任務管理平臺。 應用層傳輸層網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)鏈路層物理層能量管理層移動管理平臺任務管理平臺 圖 無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議 安徽理工大學 畢業(yè)設(shè)計 8 IEEES02． 15． 4標準 目前無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議并沒有統(tǒng)一的標準。由于 IEEE802． 15． 4標準的網(wǎng)絡特征與無線傳感器網(wǎng)絡存在相似之處，很多研究機構(gòu)把它作為無線傳感器網(wǎng)絡的通信標準。 FFD具有 IEEES02． 15． 4協(xié)議規(guī)定的所有功能， RFD只具有部分功能。這個與 RFD相關(guān)聯(lián)的 FFD稱為該 RFD的協(xié)調(diào)器 (coordinator)。除了直接參與應用， PAN網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器還負責成員身份管理，鏈路狀態(tài)信息管理以及分組轉(zhuǎn)發(fā)等任務。如果將星型網(wǎng)絡和點對點網(wǎng)絡結(jié)合在一起，可以組成簇一樹網(wǎng)絡，如圖 。 IEEE802． 15． 4的網(wǎng)絡協(xié)議?；陂_放系統(tǒng)互聯(lián)模型 (Open System Interconnect,OSl)，其中 IEEES02． 15． 4標準只定義了 PHY層和數(shù)據(jù)鏈路層的 MAC子層，如圖 。物理層數(shù)據(jù)服務包括：激活和關(guān)閉射頻收發(fā)器；信道能量檢測 (Energy Detect,ED)；檢測接收到數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示 (Link Quality Indication，LQI)；空閑信道評估 (Clear Channel Assessment， CCA)：收發(fā)數(shù)據(jù)。 IEEE的 MAC層實現(xiàn)的功能有：協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送信標幀 (Beacon Frame)，普通設(shè)備根據(jù)協(xié)調(diào)器的信標幀實現(xiàn)與協(xié)調(diào)器同步；支持 PAN網(wǎng)絡設(shè)備與協(xié)調(diào)器的關(guān)聯(lián) (Association)和離開 (Disassociation)操作；支持無線信道通信安全 (數(shù)據(jù)加密服務 )；使用載 波偵聽多址接入 /沖突 避免 (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance， CSMA/CA)機制訪問無線信道；支持有保證時隙 (Guaranteed Time Slot,GTS)機制；支持不同設(shè)備 MAC層間的可靠傳輸。無線傳感網(wǎng)絡主要關(guān)鍵技術(shù)如下 : 1． 網(wǎng)絡拓撲控制 由 于無線傳感網(wǎng)絡是自組織網(wǎng)絡，因此網(wǎng)絡拓撲控制具有兩方面非常重要的意義 :一方面是在滿足網(wǎng)絡連通度的情況下，實現(xiàn)監(jiān)控區(qū)域的有效覆蓋的代價降低 。因此，拓撲控制成為了無線傳感網(wǎng)絡研究安徽理工大學 畢業(yè)設(shè)計 10 的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于傳感器節(jié)點的通信能力、存儲能力、計算能力以及自身能量都十分有限，且網(wǎng)絡節(jié)點只能獲取局部網(wǎng)絡信息，這決定了網(wǎng)絡節(jié)點上運行的 網(wǎng)絡協(xié)議不能太過復雜。因此，網(wǎng)絡協(xié)議也成為無線傳感網(wǎng)絡研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。然而，受到無線傳感網(wǎng)絡低功耗、高密度的限制，傳統(tǒng)的時間同步算法并不適用于無線傳感網(wǎng)絡。所以，時間同步同樣也成為了無線傳感網(wǎng)絡研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。無線傳感網(wǎng)絡最基本的功能之一就是位置信息 (事件發(fā)生的位置或采集數(shù)據(jù)的節(jié)點的位置 )。 5． 數(shù)據(jù)融合 無線傳感網(wǎng)絡把能量的高效使用作為首要設(shè)計目標，因此如何減少數(shù)據(jù)傳輸過程中的能量消耗就成為一個關(guān)鍵問題。由于傳感器節(jié)點的易失效特性，從提高信息準確度的角度出發(fā)，無線傳感網(wǎng)絡也需要數(shù)據(jù)融合技術(shù)對多份數(shù)據(jù)進行綜合。在進行傳感器網(wǎng)絡協(xié)議和軟件設(shè)計時如何保證數(shù)據(jù)產(chǎn)生的可靠性、任務執(zhí)行的