【正文】 制定計劃，加強 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點自身定位算法 方面 的學習。1 重慶 郵電大學 移通學院畢業(yè)設計 (論文 )任務書 設計 (論文 )題目 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點自身定位算法研究 學生姓名 符 超 系別 計算機系 專業(yè) 計算機科學與技術 班級 1020601 指導教師 李昭 職稱 講師 聯(lián)系電話 13983611792 指導教師所在單位 重慶郵電大學移通學院 計算機系 主 要 研 究 內(nèi) 容 、 方 法 和 要 求 主要研究內(nèi)容： 述了 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點自身定位算法 的 分析與 實現(xiàn) ，這些 內(nèi)容 包括了 ：無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點自身定位技術、典型距離無關定位算法分析、基于移動錨點定位算法設計、 定位算法在硬件平臺上的實現(xiàn)。 分析的方面 完善，界面美觀大方，實用性強，對所 分析 的系統(tǒng)要求進行可行性研究、檢測并認真完成畢業(yè)設計的論文。 712 周：完成 對 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點自身定位算法 進行 全面分析 ，實現(xiàn) 對于 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點自身定位算法 的深入了解 。 1415 周：寫畢業(yè)論文，定稿。 于海斌，曾鵬 .智能無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)．北京：科學出版社， 2020：8～ 10。 C .Savarese， K Langendoen． J． Rabaey． Robust positioning algorithms fordistributed adhoc wireless sensor USENIX Technical Annual Conference,Monterey,CA,2020： 317～ 328． 5Priyantha N B， Balakrishnam H,Denaine distributed localization sensor Report MITLCS— TR_892， MIT Lab for Computer science,Aptil 2020. 指導教師簽字： 年 月 日 系主任簽字： 年 月 日 重慶郵電大學移通學院畢業(yè)設計（論文） 2 摘 要 節(jié)點自身定位技術是無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵技術之一，由于傳感器網(wǎng)絡資源受限，定位算法需要綜合考慮定位精度、網(wǎng)絡 構(gòu)建成本、通信、計算開銷等多方面因素。 文章從解決錨節(jié)點稀疏問題的角度出發(fā)，使用一個移動的錨節(jié)點在網(wǎng)絡中不斷廣播自身位置信息，幫助未知節(jié)點進行距離無關定位。 本文算法可將錨節(jié)點成本減到最少，并且通過對錨節(jié)點移動路線的控制實現(xiàn)了參照位置的特殊分布，有效克服了錨節(jié)點稀疏問題。綜合理論和實驗結(jié)果表明，從能耗、成本以及可用性來看，本文算法比使用靜態(tài)錨節(jié)點的同類算法具有更高的實用性。 關鍵詞 無線傳感器網(wǎng)絡 自身定位 移動錨節(jié)點 定位覆蓋率 重慶郵電大學移通學院畢業(yè)設計（論文） 3 Abstract The trchnology of node selflocation is one of the key technologies in WSN, beause of restricted resources, localization algorithms in wireless sensor work need to consider location accuracy, price of nerwork and costs of munication and puting in algorithm utilizes mobile anchors and the characteristics of Centroid algorithm。借助于內(nèi)置多樣的傳感器，可以測量溫度，濕度，氣壓，化學等我們感興趣的物理現(xiàn)象。 傳感器節(jié)點的自身定位是傳感器網(wǎng)絡應用的基礎。 目前提出的傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的自身定位算法主要是利用傳感器網(wǎng)絡中 少量已知自身位置的接天通過計算獲得其他未知節(jié)點的位置 信息，只要有兩類：基于距離（ rangebased）的定位方法和不基于距離（ rangefree）的定位方法。測量節(jié)點間距離或者角度信息通常采用的方法有： TOA， TDOA， RSSI 和 AOA 等。這種方法降低了對接點硬件的要求，在成本和功耗方面比 rangebased 方法具有優(yōu)勢 ，但定位的誤差也相應有所增加。 綜上所述，較好的方法一般具有以下幾個特征： A、 較小的能耗 ： 傳感器節(jié)點所攜帶能源有限和不易更換的特點要求定位算法應該是低能耗的。 C、 計算方式是分布式的 ： 分布式的定位算法，即計算節(jié)點位置的工作在節(jié)點本地完成，分布式算法可以應用于大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡。大量的人工部署不適合 adhoc網(wǎng)絡，而且毛節(jié)點的成本比普通的節(jié)點要高兩個數(shù)量級。 重慶郵電大學移通學院畢業(yè)設計（論文） 8 第 1 章 緒論 研究背景 當計算機的運算速度突飛猛進、數(shù)據(jù)處理和計算能力迅速提高后，當存儲器的容量無限增長，使海量存儲終于得以實現(xiàn)時，當網(wǎng)絡的帶寬一再提升，傳輸數(shù)據(jù)已變得輕而易舉時，人們卻發(fā)現(xiàn)，與這些技術的發(fā)展不協(xié)調(diào)的是信息的采集和獲取手段卻比較落后。 這種傳感器網(wǎng)絡綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術和通信技術，能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些信息進行處理，獲得詳盡而準確的信息，傳送到需要這些信息的用戶。傳感器網(wǎng)絡可以使人們在任何時間、地點和 環(huán)境條件下獲取大量詳實而可靠的信息。 無線傳感器網(wǎng)絡是信息感知和采集的一場革命，是一種全新的研究技術。美國自然科學基金委員會、美國國防部和各軍事部門都對傳感器網(wǎng)絡給予了高度重視。紛紛 設立或啟動相應的行動計劃。 目前，無線傳感器網(wǎng)絡處于研究階段，正朝著實際應用的方向發(fā)展，因此，抓住這個時機，積極地研究無線傳感器網(wǎng)絡及其相關技術和應用模式是十分必要和迫切的。大量 傳感器節(jié)點隨機散布在指定的監(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。多跳”路由方式把數(shù)據(jù)傳送到 Sink節(jié)點 [3]。 Sink節(jié)點直接與 Inter或通信衛(wèi)星相連，通過 Inter或通信衛(wèi)星實現(xiàn)任務管理節(jié)點 (觀察者 )與傳感器之間的通信。因此，節(jié)點在網(wǎng)絡中兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)絡節(jié)點的終端和路由器雙重功能，除了進行本地數(shù)據(jù)采集和處理外，還要與其他節(jié)點協(xié)作進行數(shù)據(jù)存儲、融合等處理。 2．無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點硬件結(jié)構(gòu) 傳感器節(jié)點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊四部分組 成 ，如圖 1． 2所示。處理器模塊負責控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其它節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，它包括嵌入式微處理器、存儲器，某些復雜應用可能還需要嵌入式 DsP的支持，傳感器節(jié)點通常選用的嵌入式微處理器如 Atmel公 ATmegal28L， Motor01a的 68Hcl6， A腳等。能量供應模塊為傳感器提供正常工作所必需的能源，通常采用微型電池。 Tiny0S(Tiny Mcro threading 0perating System)是由加州大學伯克利分校開發(fā)的～個開源的嵌入式操作系統(tǒng)，主要應用于無線傳感器網(wǎng)絡 領域。 編譯環(huán)境方面， nesC是對 c的擴展，它基于體現(xiàn) TinyOS的結(jié)構(gòu)化概念和執(zhí)行模型而設計。在 nesC中，程序由組件(ponents)構(gòu)成，它們裝配在一起 (wired)構(gòu)成完整程序。 4．網(wǎng)絡協(xié) 議棧及其標準 無線傳感器網(wǎng)絡的應用價值在于用大量廉價的節(jié)點進行協(xié)同工作，因而協(xié)議棧的標準化工作顯得十分必要。其中， IEEE 802． 15． 1就是著名的藍牙標準， 802． 15． 4則針對低速率的無線個人區(qū)域網(wǎng)絡 (LowRate Wireless Personal Area Network， LR— WPAN)，目前許多商業(yè)化的傳感器節(jié)點逐步開始采用 802． 15． 4標準。 而無線傳感器網(wǎng)絡是以數(shù)據(jù)為中心 (Data— centric)，獲取信息為目的的，中間節(jié)點不但要轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，還要進行與具體應用相關的數(shù)據(jù)處 理、融合和緩存，除了少數(shù)節(jié)點可能移動外，大部分節(jié)點都是靜止的。因此設計有效的策略來延長網(wǎng)絡的生存壽命是無線傳感器網(wǎng)絡的核心問題，重慶郵電大學移通學院畢業(yè)設計（論文） 12 能量效率的設計準則貫徹在無線傳感器網(wǎng)絡的硬件、軟件、算法和協(xié)議等各個層面。 2．無線傳感器節(jié)點的限制 [5] 1)電源能量有限 傳感器節(jié)點消耗能量的模塊包括傳感器模塊、處理器模塊 和無線通信模塊。圖 1． 3表示傳感器節(jié)點能量消耗情況，從圖中可知傳感器節(jié)點的絕大部分能量消耗在無線通信模塊。 圖 1． 3傳感器節(jié)點能量消耗情況 2)通信能力有限 無線通信能量的消耗與通信距離的關系為： E=Kdn 其中，參數(shù) n滿足關系 2n4?？紤]諸多因素，通常 n取 3，隨著通信距離的增加，能耗將急劇增大。 3)計算和存儲能力有限 傳感器節(jié)點是一種微型嵌入式設備，要求它價格低功耗小，這些限制必然重慶郵電大學移通學院畢業(yè)設計（論文） 13 導致其攜帶的處理器能力比較弱，存儲器容量比較小。 3．無線傳感器網(wǎng)絡特點 無 線傳感器網(wǎng)絡為中短距離、低速率網(wǎng)絡，射頻傳輸成本低，各節(jié)點只需要很少的能量，功耗小適于電池長期供電，可實現(xiàn)一點對多點，兩點問對等通信、快速組網(wǎng)自動配置、自動恢復和高級電源管理，任意個傳感器之間可相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。 在無線傳感器網(wǎng)絡中，節(jié)點的計算能力與內(nèi)存空間受到種種限制，如價格、體積，最主要的是能耗，因此，相對于普通計算機，它們的功能要弱很多。為此，網(wǎng)絡節(jié)點硬件設計方面一定要考慮最大限度節(jié)電，而軟件設計方面各層協(xié)議也要將節(jié)能置于重要地位，必要時甚至可以為節(jié)能而犧牲其他網(wǎng)絡性能指標，盡可能地提高節(jié)點的工作壽命，從而延長整個網(wǎng)絡的工作時間。 網(wǎng)絡中沒有嚴格的控制中心，一般情況下所有節(jié)點地位平等，屬于對等式網(wǎng)絡。可以在任何時刻任何地方快速展開并自動組網(wǎng)，加入網(wǎng)絡或從網(wǎng)絡中 分離也可以隨時發(fā)生，由于網(wǎng)絡的分布式特征、節(jié)點的冗余性和不存在單點故障瓶頸，使得網(wǎng)絡的魯棒性和抗毀性很好。 無線傳感器網(wǎng)絡采用無線傳輸技術作為底層通信手段，由于無線信道本身的物理特性，它所能提供的網(wǎng)絡帶寬相對有線信道要低得多。 4)多跳路由 。無線傳感器網(wǎng)絡的路由無法像固定網(wǎng)絡 一樣通過網(wǎng)關與路由器，而只能通過普通節(jié)點對信息的發(fā)送與轉(zhuǎn)發(fā)完成。 為了完成對物理世界高密度的感知，無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)一般由成千上萬個微小傳感器構(gòu)成，比較無線自組網(wǎng)絡規(guī)模成數(shù)量級的提高。盡管在未來 5— 10年內(nèi)，具有計算、存儲、通信、感知能力的嵌入式設備 (節(jié)點 )的體積可以小到 l舢 3，但單體的能力還十分有限。 網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)是指從網(wǎng)絡層角度來看的物理網(wǎng)絡的邏輯 視圖。 7)無人值守。由于規(guī)模巨大，不可能人工“照顧”每個節(jié)點，網(wǎng)絡系統(tǒng)往往在無人值守的狀態(tài)下工作。由此導致的能源受限是阻礙無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)展及應用的最重要的“瓶頸”之一。 無線傳感器網(wǎng)絡與其所在的物理環(huán)境密切相關，并隨著環(huán)境的變化而不斷的變化。 重慶郵電大學移通學