【正文】 ...........................................45 加權(quán)定位算法參與定位節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)改進(jìn)的仿真 .........................................................52 本章小結(jié) .....................................................................................................................575 總結(jié)與展望 .....................................................................................................59致 謝 .............................................................................................................61參考文獻(xiàn) .............................................................................................................63碩士論文 基于聲音能量強(qiáng)度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位研究 11 緒論 課題研究的背景和意義進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，微電子機(jī)械系統(tǒng)（MicroElectroMechanism System, MEMS）、片 上 系 統(tǒng) （ System On Chip, SOC） 、 無線通信和 低 功 耗 嵌 入 式 技 術(shù) 的 飛速發(fā)展孕育了一種新型的測控網(wǎng)絡(luò)——無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network, WSN） [1]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是繼因特網(wǎng)之后，將對 21 世紀(jì)人類生活產(chǎn)生重大影響的 IT 熱點(diǎn)技術(shù)。1999 年，美國商業(yè)周刊將其列為 21 世紀(jì)最具影響的 21 項(xiàng)技術(shù)之一 [3]；2022 年，MIT 技術(shù)評論在預(yù)測未來技術(shù)發(fā)展的報(bào)告中，將其列為改變世界的 10 大新技術(shù)之一 [4]；2022 年我國發(fā)布了《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（20222020） 》 ，在支持的重點(diǎn)領(lǐng)域及其優(yōu)先主題“信息產(chǎn)業(yè)及現(xiàn)代服務(wù)業(yè)”中列入了“傳感器網(wǎng)絡(luò)及智能信息處理” ，并在前沿技術(shù)中重點(diǎn)支持“自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)” [5]；從 2022 年 11 月國際電聯(lián)（ITU）發(fā)布《ITU 互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告 2022：物聯(lián)網(wǎng)》指出無所不在的“物聯(lián)網(wǎng)通信時(shí)代即將來臨”至今，全世界各國都在加快對物聯(lián)網(wǎng)的研究與建設(shè)，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)則是物聯(lián)網(wǎng)的三大基礎(chǔ)之一 [6]。（2）自組織：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)之間可以互相通信協(xié)調(diào)工作，并具有自動(dòng)組網(wǎng)的功能，節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)加入和脫離網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r(shí)常變化，使得網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性。當(dāng)然，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在目標(biāo)定位方面也面臨著以下一些挑戰(zhàn) [2, 8]：（1）計(jì)算存儲能力有限：為了滿足成本和體積的要求，傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件資源比普通計(jì)算機(jī)更為有限，節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力差，存儲空間小，運(yùn)算速度慢，這決定了設(shè)計(jì)定位算法時(shí)復(fù)雜度不可以過大。（3）通信能力有限：隨著通信距離的增加，傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗急劇上升，為減小單跳通信距離，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用多跳路由的傳輸機(jī)制，傳感器節(jié)點(diǎn)的通信帶寬也有限，通常只有幾百 kbps 的速率，在這種情況下，如何設(shè)計(jì)合理的網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制和路由機(jī)制是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)之一。（2）環(huán)境領(lǐng)域：在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，動(dòng)植物生長狀況、農(nóng)業(yè)灌溉、森林火災(zāi)、山體滑坡、地震海嘯等都可以通過在環(huán)境中布撒無線傳感器節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測，一旦有異常變化，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)定位發(fā)生異常的地點(diǎn)并及時(shí)上報(bào)給監(jiān)測中心。（4）醫(yī)療領(lǐng)域：給病人配備帶有監(jiān)測生理指標(biāo)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)裝置后，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以隨時(shí)監(jiān)測病人的健康狀況，定位病人所處位置，一旦出現(xiàn)危急狀況，病人可以得到及時(shí)的醫(yī)療救護(hù)。正因?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)如此多的優(yōu)點(diǎn)和如此巨大的應(yīng)用潛力，對其深入的研究才有深遠(yuǎn)的實(shí)際意義，相信隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和推進(jìn)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將顯示出非凡的應(yīng)用價(jià)值，對它的研究也會(huì)越來越受到關(guān)注。碩士論文 基于聲音能量強(qiáng)度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位研究 3在軍事應(yīng)用方面，2022 年美國軍方采用 Crossbow 公司的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)建了槍聲定位系統(tǒng) [11]，節(jié)點(diǎn)能夠自組織構(gòu)成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測目標(biāo)建筑周圍的突發(fā)事件如爆炸襲擊等，為反恐提供了有力的幫助。在環(huán)境監(jiān)測方面，加州大學(xué)伯克利分校利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)控大鴨島的生態(tài)環(huán)境 [13]，在島上部署了 30 個(gè) Berkeley 大學(xué)的 Mica mote 傳感器節(jié)點(diǎn)，監(jiān)測的項(xiàng)目包括溫度、濕度、光強(qiáng)、氣壓等。在智能交通方面，上海市重點(diǎn)科技研發(fā)計(jì)劃中的智能交通監(jiān)測系統(tǒng)將配備有視頻、音頻、溫度、濕度等傳感器的節(jié)點(diǎn)部署于十字路口來監(jiān)控交通狀況和天氣對道路的影響，將帶有 GPS 全球定位設(shè)備的節(jié)點(diǎn)部署于車輛上來隨時(shí)監(jiān)控車輛的行駛狀況 [15]。在醫(yī)療救護(hù)方面，紐約 Stony Brook 大學(xué)針對社會(huì)老齡化的問題建立了名為 Health Tracker 2022 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) [17]，該系統(tǒng)采用 Crossbow 公司的 Mica2 和Mica2dot 系列節(jié)點(diǎn)，配備有脈搏、呼吸、溫度、血氧水平等多種類型傳感器，不僅可以監(jiān)測病人的生理信息，還可以在病人出現(xiàn)生命危險(xiǎn)時(shí)及時(shí)通報(bào)其身體情況和位置信息。盡管已經(jīng)有如此多應(yīng)用成功的例子，但是由于成本、能耗、通信、環(huán)境等諸多方面的因素制約，加上無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用密切相關(guān)的特點(diǎn)，目前仍有很多領(lǐng)域是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無法涉及和施展其潛能的。不過隨著各項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展和諸多研究人員的深入研究，可以滿懷信心地期待無線傳感1 緒論 碩士論文4器網(wǎng)絡(luò)在未來的研究中克服這些困難，應(yīng)用到更多的領(lǐng)域，發(fā)揮更大的作用。本論文主要討論聲音目標(biāo)的定位方法，聲音目標(biāo)定位相對于其它目標(biāo)定位來說有以下特點(diǎn) [19]:（1）不受視線和能見度影響：聲音定位系統(tǒng)可以在夜間、陰天、霧天和雪天工作，具有全天候工作的特點(diǎn)。（3）普遍存在于常見目標(biāo)和常見監(jiān)測環(huán)境中：大多數(shù)目標(biāo)的出現(xiàn)都伴有不同頻率和幅值的聲音，聲音目標(biāo)定位在實(shí)際應(yīng)用中更具有代表性。根據(jù)對聲信號測量物理量的不同，聲音目標(biāo)定位方式分為以下三大類：（1）基于時(shí)差的定位 [20] (TDOA)：由于各傳感器節(jié)點(diǎn)到聲源的距離不同，聲音到達(dá)不同節(jié)點(diǎn)的絕對時(shí)間也不同，該方法通過準(zhǔn)確地測量出不同傳感器節(jié)點(diǎn)接收到信號的時(shí)間點(diǎn)之間的時(shí)間差來定位目標(biāo)，為了達(dá)到這個(gè)目的必須對所有傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間同步，由于受到多方面因素的影響和制約，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里做到節(jié)點(diǎn)間精確的時(shí)間同步是非常困難的，聲音傳播的速度為 340m/s，而兩節(jié)點(diǎn)間的距離一般在 10m 以內(nèi)，即聲音從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳到其相鄰的節(jié)點(diǎn)只需要約 ，考慮到噪音干擾和測量誤差，要區(qū)分如此微小的時(shí)間差是很困難的。而且，只有在波陣面近似于平面時(shí)算法才具有可行性，然而在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位問題更接近于近距離定位問題，近距離定位問題里的平面波假設(shè)條件變成了目標(biāo)和傳感器節(jié)點(diǎn)之間的距離，這個(gè)距離會(huì)比無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間最大有效距離還要大，因此，如果用這種類型的定位算法來解決近距離的定位問題，將很難得到較好的結(jié)果。在基于聲音能量強(qiáng)度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位中，根據(jù)是否測量距離又可以分為不基于測距的定位方法和基于測距的定位方法 [2]，這兩種算法的區(qū)別就在于是否利用聲音能量強(qiáng)度來測量節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)間的距離：（1）不基于測距的定位方法：包括最近點(diǎn)估計(jì)法、質(zhì)心定位估計(jì)法、近似三角形內(nèi)點(diǎn)測試法（APIT）等，它們都基于這樣一個(gè)前提：節(jié)點(diǎn)檢測聲音能量強(qiáng)度越大，目標(biāo)離節(jié)點(diǎn)越近。不基于測距的定位算法雖然簡單，但是它要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量和分布密度很大，一旦節(jié)點(diǎn)密度不符合要求，定位精度會(huì)急劇下降，這對于一般的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說不太現(xiàn)實(shí)，因?yàn)閷?shí)際中節(jié)點(diǎn)大多是隨機(jī)布撒，節(jié)點(diǎn)的分布密度很難控制。 論文主要內(nèi)容和章節(jié)安排本論文致力于探尋和研究基于聲音能量強(qiáng)度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位算法。研究工作在以下幾個(gè)方面展開：（1）了解描述聲音的物理量，研究聲音的傳播規(guī)律，以聲音能量強(qiáng)度為數(shù)據(jù)來源，尋找一個(gè)合理的定位模型，將聲音能量同節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)間的距離聯(lián)系起來；（2）基于聲音目標(biāo)定位模型提出基本的目標(biāo)定位估計(jì)算法，對各種基本目標(biāo)定位算法的定位精度、復(fù)雜度進(jìn)行理論上的分析和比較；（3）對基本目標(biāo)定位算法中產(chǎn)生誤差的原因進(jìn)行分析，針對誤差原因進(jìn)行算法改進(jìn)，從理論上分析改進(jìn)后算法的有效性，比較改進(jìn)前后算法的差異；（4）針對實(shí)際情況，進(jìn)一步減小算法復(fù)雜度，在不影響定位精度的前提下提出簡化定位算法的措施；（5）利用 MATLAB 軟件對提出的各種定位算法和改進(jìn)措施進(jìn)行仿真，驗(yàn)證每種算1 緒論 碩士論文6法的有效性，比較不同算法的差異，最后綜合考慮得出一種最為可行有效的定位方法。第二章為基于聲音能量強(qiáng)度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位方法，基于聲音傳播規(guī)律提出了聲音能量衰減模型，并基于此模型介紹了幾種常用的基本定位估計(jì)算法，包括極大似然估計(jì)定位算法、非線性最小二乘估計(jì)定位算法、線性最小二乘估計(jì)定位算法，并結(jié)合各算法優(yōu)點(diǎn)提出了聯(lián)合線性最小二乘估計(jì)定位算法，對這些算法進(jìn)行了理論分析和比較。第四章為基于聲音能量強(qiáng)度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位方法仿真，通過 MATLAB軟件對各種定位算法的效果進(jìn)行比較，驗(yàn)證改進(jìn)措施的可行性和有效性。碩士論文 基于聲音能量強(qiáng)度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位研究 72 基于聲音能量強(qiáng)度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位方法 聲音的概念和傳播規(guī)律絕大部分聲音來源于物體的振動(dòng)，聲波在傳播過程中，振動(dòng)相位相同的質(zhì)點(diǎn)所構(gòu)成的曲面稱為波陣面。如果脈動(dòng)球形聲源的直徑遠(yuǎn)小于所輻射聲波的波長，此聲源則近似為點(diǎn)聲源。描述聲波的最常見的基本物理量是聲壓、聲功率和聲強(qiáng) [27]：（1）聲壓 ：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（ ） 。 20epSWc??（）其中， 為聲壓，S 為垂直于聲傳播方向的面積， 為空氣的特性阻抗率一般ep 0取值為 400 。 20epIc??（）其中， 為聲壓， 為空氣的特性阻抗率。pL 02lgl94epeLp??（）其中 為聲壓值，參考聲壓 。（2）聲強(qiáng)級 ：聲強(qiáng)級與聲強(qiáng)的關(guān)系如式（） 。一般可以近似認(rèn)為 。WL 01lgl120LW??（）其中 W 為聲功率值，參考聲功率 。10lgpIL???值得注意的是，對于能量級的物理量如聲功率級和聲強(qiáng)級對數(shù)前的系數(shù)都為 10，而聲壓級為 20。對于一個(gè)確定的聲源，其聲功率級是不變的，而聲壓級、聲強(qiáng)級都隨著測點(diǎn)的不同而變化 [28]。測點(diǎn)到聲源的距離與聲壓級的關(guān)系如式（）： 120lgpcLd??（）其中 為測點(diǎn)聲壓級， 為 1 米處聲壓級，d 為測點(diǎn)到聲源的距離。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。這樣根據(jù)檢測的電壓值和傳感器的靈敏度就可以得出檢測的聲壓值，從而可以求得其他聲學(xué)參量。 節(jié)已經(jīng)提到，聲音信號的能量與它傳播距離的平方成反比 [29]，目標(biāo)定位算法正是利用聲音的這個(gè)衰減特性，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，代入模型估計(jì)出聲源的位置，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)位置估計(jì)。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)射聲音信號能量，這樣，第 i 個(gè)傳感器