【正文】 節(jié)點，可以增強其功能。文獻 [20] 提到利用移動參考節(jié)點和 RSSI(接收信號強度指示 )方法對未知節(jié)點進行定位，但是在現(xiàn)實環(huán)境中，溫度、障礙物、傳播模式等條件往往都是變化的，使得 RSSI 技術(shù)在實際應(yīng)用中仍然存在困難。 免測距的定位算法不需要測量節(jié)點間的距離，而是利用距離矢量路由、網(wǎng)絡(luò)連通情況或者 GPS 定位等思想提出的一種分布式定位方法，無需測距，這無疑降低了組網(wǎng)成本。因此如何提高這種免測距定位算法的精度也成為了一個研究的熱點方向。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 基于移動信標的定位算法是近年來的研究熱點。而信標節(jié)點的造價數(shù)倍甚至十幾倍于普通節(jié)點，所以其定位成本較高。所以移動信標的定位算法近來成為新的研究熱點，國內(nèi)外許多學(xué)者進行了許多的研究，基于移動信標的定位算法 主要研究問題是如何將移動信標與現(xiàn)在的定位算法結(jié)合，研究構(gòu)造的虛擬信標的動態(tài)選擇算法及移動信標的移動路徑的規(guī)劃。而質(zhì)心定位算法及廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 DVHop 定位算法因為無需測距有著更多的優(yōu)勢也得到更多的研究。典型的無需測距的定位算法有 DVHop 定位算法， APIT 定位算法、質(zhì)心定位算法、 Amorphous 定位算法等，它們所需的網(wǎng)絡(luò)模型都是由參考節(jié)點和未知位置的節(jié)點組成 。它可以在移動的過程中實時獲得其當前的位置信息。 國內(nèi)外對于移動 信標 的定位方法及 信標 的移動路徑的規(guī)劃研究處于起步階段，相關(guān)的文獻并不多，提出的算法也不夠成熟，文獻 [25] 和 [26] 提出的定位方法只需要一個可以移動的 信標 ，其中文 獻 [25] 利用 TOA 測距技術(shù)和質(zhì)心法來計算待定位節(jié)點位置，文 獻 [26] 不需要復(fù)雜的測距技術(shù)，而是通過 信標 的不斷運動并利用幾何限制關(guān)系來計算待定位節(jié)點位置。其定位的主要思想是：當移動 信標 在定位區(qū)域內(nèi)移動時，移動到若干個新位置，立即在該位置補充一個普通節(jié)點。它們就等同于 信標 。引入移動 信標 的優(yōu)勢是即使只有一個 信標 也可以實現(xiàn)對未知節(jié)點的定位。 對于移動信標的移動路徑的規(guī)劃也是一個重要的問題，本文進行了初步的研究。故研究信標的移動路徑規(guī)劃，使 網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點以最小的代價獲得足夠多用于自身定位的信息 成為一個重要的研究內(nèi)容 。這樣 的算法顯然不能最大限度的節(jié)約節(jié)點的能耗，對于嚴格要求能源的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點來說，必然需要更為優(yōu)化及適用于當前網(wǎng)絡(luò)的路徑規(guī)劃算法來使節(jié)點移動路徑盡可以少，減少廣播的信息來減少網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信消耗。 而國外有根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通狀況來進行路徑規(guī)劃的動態(tài)算法 ，文獻 [28] 提出幾條最優(yōu)路徑的選擇原則 ，本文主要進行動態(tài)路徑優(yōu)化研究。研究的內(nèi)容主要如下： 分析 歸納常用的 無需測距的定位算法和基于信標的定位算法，研究基于信標的定位算法的定位機制 ， 研究利用移動信標的信息來進行定位計算 。 并 研究移動信標的動態(tài)選擇算法來選擇能獲得最大計算精度的廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 6 移動信標節(jié)點進行定位計算 。 結(jié)合基于 移動 信標 改進的 DVHop 定位算法，提出了基于 ROI(region of interest)的移動 信標 的路徑規(guī)劃方法，并把圖論引入 信標 移動路徑規(guī)劃 ， 獲取針對所處網(wǎng)絡(luò)連通狀況的優(yōu)化 信標 移動路徑，提高算法的定位精度，減少算法定位過程的通信開銷，提高 算法 的效率 。通過對國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀進行探討，確立傳感器網(wǎng)絡(luò)定位 算法 的研究的方向 。 第 3 章 研究基于移動 信標 的 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的 定位算法 ， 將移動 信標引入到 DVHop 定位 算法中， 提出了基于 移動 信標 的 DVHop 定位 算法 和基于移動 信標 動態(tài)選擇的 改進 DVHop 定位算法 ，同時 分析了 改進算法在特定移動 模型下的 定位 精度 。 第 5 章 在 OMNeT++仿真平臺上進行 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點 算法的仿真 ， 設(shè)計 移動信標 節(jié)點的模型和移動模型，并 通過 仿真 論證 優(yōu)化路徑對 定位 算法的影響 。 不基于信標節(jié)點的定位方法屬于相對定位，基于信標的定位算法可以得出未知節(jié)點的絕對坐標。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于信標節(jié)點的定位算法 相關(guān)工作 基于信標節(jié)點的定位算法在研究集中在移動信標的選擇、移動路徑 、定位計算方法及 移動 節(jié) 點的研究。 構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 應(yīng)用 系統(tǒng)， 需要考慮網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用中 的成本、數(shù)量、通信方面存在的諸多問題， 主要 需要考慮以下幾個方面： 低成本：系統(tǒng)必須是低成本，不僅從節(jié)點硬件、軟件考慮，而且傳感器也必須采用相對價格低的產(chǎn)品 ； 低功耗：系統(tǒng)中采用普通 AAA 電池供電，所以要求網(wǎng)絡(luò)必須是低功耗的，保證網(wǎng)絡(luò)的生命周期盡量長 ； 實時監(jiān)測：監(jiān)測信息需實時傳輸?shù)焦芾矸?wù)器，方便用戶實時查詢 ； 網(wǎng)關(guān)無線通信：由于監(jiān)測區(qū)域的特殊性，不一定存在有線網(wǎng)絡(luò)，例如：Inter、有線局域網(wǎng)等，故網(wǎng)關(guān)具有把采集的環(huán)境信息無線傳輸?shù)椒?wù)器的功能，不受監(jiān)測區(qū)域的影響 ； 精度：傳感器決定了采集數(shù)據(jù)的精度，傳感器采集數(shù)據(jù)的精度可以在規(guī)定范圍內(nèi)存在一定程度的誤差 ； 傳感器接口靈活：系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境參數(shù)的不同采用不相同的接口，傳感器的類型也需根據(jù)實際需要而定，因此節(jié)點的傳感器接口需靈活設(shè)定。匯聚節(jié)點的處理器采用 ARM9 S3C2410，它還包括 GPRS 模塊，無線射頻模塊，網(wǎng)絡(luò)接口等，它的功能主要是接收附近所有傳感器節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并且通過 Inter 或者 GPRS 模塊上傳到上層監(jiān)控軟件 。 微 處 理 器傳 感 器接 口溫 度濕 度壓 力車 載 平 臺射 頻 模 塊光 強 度電 源 模 塊 圖 21 傳感器移動節(jié)點結(jié)構(gòu) Fig. 21 Sensor Network Mobile Nodes Structure 根據(jù)此模型設(shè)計制作的移動節(jié)點如下圖 22 所示。為了實驗方便， 節(jié)點集成了 DS18B20 溫度傳感器， TSL2561光強度傳感器。 圖 22 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點 Fig. 22 Sensor Network Nodes 第二章 傳感器網(wǎng)絡(luò)常用節(jié)點定位算法相關(guān)研究 9 黎大鵬在文獻 [29] 中研究了基于信標節(jié)點動態(tài)調(diào)整的移動節(jié)點的定位算法。文章分別從嵌入式硬件平臺的硬件設(shè)計，移動節(jié)點定位算法，以及定位系統(tǒng)的程序設(shè)計與實現(xiàn)三方面來對該系統(tǒng)進行研究。仿真證明，相對于 MCL 算法，基于 VWMC 的傳感器網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點定位算法提高了移動節(jié)點定位的精度和效率 。 基于信標定位算法的優(yōu)點 相對定位通常是以網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點為參考 ， 建立整個網(wǎng)絡(luò)的相對坐標系統(tǒng) 。 但研究發(fā)現(xiàn) ， 在相對定位的基礎(chǔ)上也能夠?qū)崿F(xiàn)部分路由協(xié)議 ， 尤其是基于地理位置的路由 (georouting)， 而且相對定位不需要 信標節(jié)點 。典 型的無 信標節(jié) 點 的 定位算法包含 SPA[30] 、 SDGPS[31] 、 AFL[32] 等定位算法。首先根據(jù)節(jié)點間的測 距結(jié)果在各個節(jié)點上建立局部坐標系統(tǒng)，通過節(jié)點間的信息交換與協(xié)調(diào)，以參考點為基準通過坐標變換逐步建立全局坐標系統(tǒng)。 SDGPSN 算法在 SPA 算法的基礎(chǔ)上，提出了基于聚類的定位思想。這些節(jié)點構(gòu)成一個以主節(jié)點 i為坐標原點的節(jié)點域，并隨掃 A 擇兩個與 i相鄰的從節(jié)點為輔助節(jié)點對，構(gòu)建一個局部坐標系。然后相鄰的節(jié)點域依靠兩個域的共同邊際節(jié)點的相關(guān)坐標信息，以主節(jié)點ID 較小的局部坐標系為參照，進行相鄰局部坐標系間的坐標轉(zhuǎn)換， 直至建立 一個全局坐標系。 AFL 算法是完全分布式的節(jié)點定位方法。在給定一個未知坐標的節(jié)點集合和一種節(jié)點可以估測它到其鄰居節(jié)點距離機制的條件下，通過局部節(jié)點間的通信決定每個節(jié)點的位置坐標。這種定位算法需要預(yù)先定位 信標節(jié)點 ，否則無法正常運行，另外為了減小定位誤差， 信標節(jié)點的數(shù)目還須足夠多。 為了解決基于信標節(jié)點的定位算法對信標節(jié)點的密度的依賴，近年來許多學(xué)者進行了移動信標節(jié)點定位算法的研究，通過在引入移動信標節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中按預(yù)定軌跡漫游并廣播 自己的位置分組在構(gòu)成虛擬信標節(jié)點，可以大大減少信標節(jié)點的投入。所以基于移動信標節(jié)點的定位算法成為近年來研究的一個熱點。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 常用的定位方式的實現(xiàn) 極大似然估計法 傳感器網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點定位 系統(tǒng)中節(jié)點有可能和多于 3 個的不同 信標 相連。 極大似然估計多邊測量 [33] 就采用了上面的方法， 已知 n 個節(jié)點的坐標分別為 (X1,Y1)， (X2,Y2)，(X3,Y3)， … .， (Xn ,Yn )，它們到未知節(jié)點 D 的距離分別為 dl， d2， d3， … .，dn，假設(shè)節(jié)點 D 的坐標為 (X， Y)。 三邊測量 定位 法 三邊測量法是通過 RSSI 值得出未知節(jié)點到 3 個 信標 的距離，通過這 3 個距離值計算出未知節(jié)點的位置。 P 1P 2P 3P 圖 23 三邊測量法原理 Fig. 23 Trilateration Method Principle 但是在真實環(huán)境下三邊測量法存在巨大的缺陷，如圖 36 所示，實際上測量得到的 3 個距離 RP1， RP2， RP3 存在著誤差，導(dǎo)致以 RP1， RP2， RP3 為半徑建立的3 個圓并不是相 交于一點，而是相交于一個區(qū)域。有些文章提出了以區(qū)域的質(zhì)點作為節(jié)點的位置，這種方法也不好，節(jié)點定位的誤差會隨著相交區(qū)域的增大而大大地提高。 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 12 三角測量定位法 三角測量法原理如圖 22 所示，已知 A、 B、 C 三個節(jié)點的坐標分別為(xa,ya),(xb,yb)， (xc,yc)，節(jié)點 D 相對于節(jié)點 A、 B、 C 的角度分別為： ? ADB，? ADC， ? BDC，假設(shè)節(jié)點 D 的坐標為 (x， y)， D 為圖 22 中三個圓的交點。同理對 A， B， ? ADB 和 B，C， ? BDC 分別確定相應(yīng)的圓心 ? ?222 ,ooO x y 、半徑 r圓心 ? ?333 ,ooO x y 和半徑 r3。 第二章 傳感器網(wǎng)絡(luò)常用節(jié)點定位算法相關(guān)研究 13 常用的節(jié)點定位算法 常用 的 Rangebase 節(jié)點定位算法 根據(jù)定位過程中是否測量實際節(jié)點間的距離，定位算法可分為：基于距離(RangeBased)的定位算法和距離無關(guān) (RangeFree)的定位算法 [34] 。 基于信號強度（ RSSI）定位 RSSI(Received Signal Strength Indicator)是接收到的信號強度指示器，是一種利用信號衰減推測距離的測距技術(shù) [36]。目前， WSN 網(wǎng)絡(luò)中無線通信芯片主要有兩種： CC1000 和 CC2420。 CC2420 工作頻帶在 ，采用的是 OQPSK 調(diào)制方式，數(shù)據(jù) 速率在 250kbit/s，具有較高的抗干擾能力。它是通過 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換而來的，芯片不同， RSSI 的轉(zhuǎn)換方式也是不同的。（ ）式是由（ ），（ ），（ ）聯(lián)合而得的，表明在當前發(fā)射功率下，發(fā)送到最遠的距離處，接收到的最大 RSSI 值，若超過該值的一定范圍，認為節(jié)點間通信不合理，丟棄該數(shù)據(jù)包。本文采用的射頻芯片是CC2420，它相對于 CC1000，使用的范圍更廣。最常用的 RSSI 有三種：最優(yōu)模型、線性模型和理論模型。 最簡單的 RSSI 模型就是線性模型，它使用一對參數(shù) a 和 ｂ 估計節(jié)點之間的距離，如式 ()。因為信號強度和距離之間并不是簡單的線性關(guān)系，因此，線性模型和理論模型之間還有一定的誤差。 ]|[)( rRdErf ?? （ ） brad ?? *~ （ ） arrd /)0( ?? （ ） 大多數(shù)情況下， RSSI 的測距采用自由空間模型，它是理論模型的一種。收發(fā)器之間各種各樣的阻礙影響能量的損失，從而直接影響接收器 接收 信號的對數(shù)分布 [37]。對于所有 d0=1 米的室內(nèi)環(huán)境下以及距離的信號可以由自由空間路徑損耗方程得到，路徑的損 耗指數(shù) n 由環(huán)境變量和周圍的結(jié)果決定?；谶@個模型，距離估算為： 第二章 傳感器網(wǎng)絡(luò)常用節(jié)點定位算法相關(guān)研究 15n dPdrpdd 10 ))0()((0~ 10 ??? （ ） 總的來說，僅依靠 RSSI 方法的定位系統(tǒng)，應(yīng)用在實時系統(tǒng)定位時非常方便。理論信號強度與實際信號強度曲線對比如下圖 23 所示： 1 0 09 59 08 58 07 57 06 56 05 55 00 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0實 際 環(huán) 境 曲 線自 由 空 間 曲 線 圖 25 RSSI 自由空間模型 Fig. 25 RSSI Free Space Model 基于 TDOA 定位 在基于到達時間差 (TDOA)的定位機制中，發(fā)射節(jié)點同時發(fā)射兩種傳播速度不同的信號，接收節(jié)點根據(jù)兩種信號到達的時間差及 已知的信號傳播速度，計算節(jié)點間距。計算公式如式（ ）所示：