基于Arduino的无线传感器网络室内定位方法的研究
摘要
无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Network）是近年来迅速发展并受到普遍重视的新型网络技术，它的出现和发展给人类的生活和生产的各个领域带来了深远的影响。无线传感器网络节点定位技术是无线传感器网络应用研究的基础。目前，已有多种定位技术被应用于室内定位中，尤其是基于接收信号强度（RSSI，Received Signal Strength Indication）的定位技术以其低功耗、低成本、易于实现等优点，得到了无线传感器网络研究学者们的青睐。
本文重点研究了基于RSSI的室内定位的关键技术，主要包括定位模型分析和定位算法设计。首先，为了获得较为精确的定位，根据RSSI测距原理和无线信号传播衰减模型在设定的室内环境进行多次实验，通过计算及均值处理等方法反复调整以获得标准的定位模型参数，得到高精度的等效距离。接着，根据三边定位算法原理简化定位算法，建立更为简单的定位模型，采用双边定位得到两个可能的定位点，再利用RSSI测距原理对两个定位点进行择优选择确定定位点。最后，在Arduino开发平台上对参考节点与未知节点这两类iDuino节点的室内定位模型进行了软件开发设计和程序开发。在设定的室内环境部署iDuino节点，搭建实验定位模型，并实现了定位。
关键词：无线传感器网络，节点，室内定位，RSSI，Arduino
ABSTRACT
Wireless sensor network (WSN) is developed rapidly and universally emphasized as a new network technology in recent years, the advent and development of WSN have had a profound and lasting impact on the life and all areas of production of human beings. Wireless nodes localization technology is the basis in the application and studies of wireless sensor network. There are a variety of positioning technology have been used in indoor location at present, especially the based on RSSI (received signal strength) positioning technology gets a great preference from many scholars of studies of wireless sensor network with the advantages of low power consumption, low cost and easy to realize.
This paper mainly studies the key technology of indoor positioning based on RSSI, which mainly includes the positioning model analysis and positioning algorithm design. First, in order to obtain more accurate positioning, we perform several experiments according to the RSSI ranging principle and wireless signal propagation attenuation model in the setting of indoor environment, and get accurate positioning model parameters and equivalent distance by the methods of calculation and mean processing. Then, we simplify Trilateral Localization Algorithm to Bilateral Location Algorithm and establish a simpler positioning model, with which we can get two nodes of possible location, and determine the better node according to the RSSI ranging principle. At last, we make software designing and programming of these nodes that are anchor nodes and nodes of unknown on the Arduino development platform. Combined with the indoor environment we selected, we deploy the iDuino nodes and then build location model, with which we implement the location.
KEY WORDS：Wireless Sensor Network，Nodes，Indoor Location，RSSI，Arduino
目录
第一章绪论 (1)
1.1选题目的与意义 (1)
1.2研究背景 (2)
1.2.1 国内外研究状况 (2)
1.2.2 室内定位技术 (4)
1.2.3 无线传感器网络操作系统 (6)
1.3论文章节安排 (8)
第二章无线传感器网络定位技术 (8)
2.1无线传感器网络结构 (8)
2.1.1 无线传感器网络体系结构 (8)
2.1.2 无线传感器节点结构 (9)
2.1.3 无线传感器网络的协议栈 (10)
2.2无线传感器网络的定位机制 (11)
2.2.1 基于测距的定位技术 (11)
2.2.2 与距离无关的定位技术 (13)
2.3常用的室内节点定位算法 (13)
2.3.1 三边测量法 (13)
2.3.2 三角测量法 (15)
2.3.3 极大似然估计算法 (15)
2.3.4 DV-Hop定位算法 (16)
2.3.5 APIT定位算法 (16)
2.3.6 加权质心算法 (17)
2.4定位系统和算法的性能评价标准 (18)
第三章基于RSSI的室内定位模型分析及算法设计 (18)
3.1RSSI测距原理 (18)
3.1.1 无线信号传播损耗模型 (19)
3.1.2 RSSI测距模型[18] (20)
3.2RSSI测距实验 (21)
3.3基于RSSI的三边定位简化算法 (25)
第四章基于IDUINO节点的室内定位系统的实现 (29)
4.1I D UINO节点简介[19] (29)
4.2节点部署模型设计 (32)
4.3程序设计 (33)
4.3.1 节点逻辑设计[2,19] (33)
4.3.2 Arduino程序体系结构及程序语言基础[2,20] (34)
4.3.3 节点程序设计 (37)
4.4定位实验 (43)
第五章总结与展望 (46)
参考文献 (48)
致谢 (50)
毕业设计小结 (51)
附录 (52)
第一章绪论
1.1 选题目的与意义
从21世纪初开始，物联网（Internet of Things）的概念和技术在全球得到高度重视。物联网是互联网的应用拓展，它通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，把传感器、控制器、机器、人和物等通过新的方式联系在一起，形成物与物、人与物联系，实现信息化、远程管理控制和智能化网络，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮[1]。国内外各大企业和高效开始将目光由传统的通信行业转向了物联网行业[2]，而与物联网密切关联，基于大量具有通信功能的微型传感器构成的无线传感器网络也成为了国内外关注的热点。
WSN是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域被感知对象的信息，并发送给观察者。随着微电子和微系统(Micro-Electro-Mechanism System，MEMS) 、片上系统（System on Chip，SOC）、无线通信以及低功耗嵌入式技术的快速发展，无线传感器网络（WSN）在军事应用、目标追踪、环境监测、医疗保健、空间探索等领域都得到广泛的应用，为信息感知带来了一场新变革，使得物与物、人与物、人与人之间，甚至人身的交互感知更方便[2]。
传感器节点是无线传感器网络（WSN）的基本单位，节点的位置信息是WSN 应用的基础，不能确定位置信息的节点所得到的监测数据是没有任何意义的，因而节点定位技术在WSN中具有举足轻重的地位。
由美国国防部领导下的卫星导航联合计划局（JPO）主导研究的全球定位系统（Global Positioning System，GPS）是目前应用最广泛和成功的定位技术。GPS 在许多嵌入式系统中被用于定位服务，如手机、导航系统或笔记本电脑等。虽然GPS能提供高精度的位置信息，但对于大多数的WSN应用并不适用。首先，现有的GPS部件非常昂贵。其次，GPS耗能高，将有可能对WSN生存期产生额外的约束。另外，WSN通常是静止的，定位协议可能只需要在网络初始化周期执行。因此，GPS可能不能实现有效的成本效益[3]。GPS主要应用于船舶、汽车、飞机等运动物体进行定位导航，只适合于在户外使用。在室内场合，由于建筑布局复杂、场景特定、再加上人员活动等不确定随机因素，存在着多径效应和非视距传输的影响，使得室内信道环境复杂，微波信号衰减厉害、测量误差大，GPS 并不适用。而基于IEEE 802.11协议的无线局域网（Wireless Local Area Network，
WLAN ）的定位技术已经取得了巨大的研究成果，尤其是近年来基于多种简单定
位机制和算法，技术相对简单，低成本、低功耗、自组织的WSN 定位技术得到
了科研人员的重视和大量研究，具有很好的应用前景。
图1-1列举了WSN 的主要应用[3]。
图1-1 WSN 的应用类别和举例
现代社会人们对生产生活中的安防和智能化的需求越来越高，精确的定位技
术在许多室内场景的实用性和必要性已经日趋显著[4]。在一些公共场所，例如购
物超市、展览厅、办公室、图书馆、地下停车场、监狱等，人们都需要精确的定
位信息[2]。精确的室内定位信息能够实现高效的空间利用，为人们的生活带来了
诸多便利。例如在医院进行医护人员与患者监控管理，药品和医疗设备管理。如
果有病人发生意外，定位系统就可以确定患者位置并通知最近的医护人员，进行
紧急处理；在图书馆布置带有温度和烟雾浓度的感知系统，如果发生火灾系统能
够及时向监控中心报告火灾的具体位置；在超市，可以通过对消费情况的监控来
对商品优化摆放，减少消费者寻找时间以及减轻拥堵情况[4]等等。因此，室内定
位技术应用前景广阔，具有极大的研究价值和市场需求。
1.2 研究背景
1.2.1 国内外研究状况
无线传感器网络的研究最初起源于美国军方，其研究的项目包括CEC 、
REMBASS 、TRSS 、Sensor IT 、WINS 、Smart Dust 、SeaWeb 、μAMPS 、NEST
等[5]。美国国防部远景计划研究局已经投资几千万美元，帮助无线传感器网络技
术的研发。美国国家自然基金委员会（NSF ）也开设了大量与其相关的项目，如：
2003年制定了无线传感器网络研究计划，每年拨款3400
万美元支持相关研究项
目，并在加州大学洛杉矶分校成立了传感器网络研究中心；2005年对网络技术和系统的研究计划中，主要研究下一代高可靠、安全的可扩展的网络、可编程的无线及传感器系统的网络特性，资助金额达4000万美元。此外，美国交通部、能源部、美国国家航空航天局也相继启动了相关的研究项目。
美国所有著名的院校几乎都从事传感器网络相关技术的研究，如加州大学洛杉矶分校、康奈尔大学、麻省理工学院和加州伯克利分校等都先后开展了传感器网络方面的研究工作。加拿大、英国、德国、芬兰、日本和意大利等国家的研究机构都先后开始了无线传感器网络的研究。欧盟第6个框架计划将“信息社会技术”作为优先发展的领域之一，其中多处涉及对无线传感器网络的研究。日本总务省在2004年3月成立了“泛在传感器网络”调查研究会。韩国信息通信部制定了信息科技839战略，其中“3”是指IT产业的3大基础设施，即宽带融合网络、泛在传感器网络、下一代互联网协议。企业界中欧盟的Philips、Siemens、Ericsson、ZMD、France、Chipcon等公司，日本的NEC、OKI、Skyleynetworks、世康、欧姆龙等公司都开展了无线传感器网络的研究。
我国对无线传感器网络的研究起步较晚[6]，首次正式启动出现于1999年中国科学院《知识创新工程点领域方向研究》的“信息与自动化领域研究报告”中，无线传感器网络是该领域的五大重点项目之一。2001年，中国科学院依托上海微系统与信息技术研究所成立微系统研究与发展中心，旨在引领中国科学院无线传感器网络的相关工作。
在一份我国未来20年预见技术的调查报告中，信息领域157项技术课题中有7项与传感器网络直接相关[6]。2006年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术定义了三个前沿方向，其中两个与无线传感器网络的研究直接相关，即智能感知技术和自组织网络技术。我国2010年远景规划和“十五”计划中，就已经将无线传感器网络列为重点发展产业之一[2,7]。2012年教育部也将无线传感器网络纳入科研重点项目[7]。近年来，国家自然科学基金委员会对无线传感器网络相关的研究课题给予了大力资助，大量关于无线传感器网络的国家自然科学基金研究项目赫然在列。国家863高技术发展也设立了专项基金，以资助无线传感器网络技术的研究工作。
从20世纪90年代起，国内外许多高校和研究机构开始了室内定位技术的研究，也出现了一些成熟的室内定位系统。例如Active Badges[11]、Active Bats、Cricket[12]、RADAR[13]等。Active Badges与Active Bats定位系统都是由AT&T 研发的。Active Badges定位系统采用红外通信技术来定位，但红外信号存在直线视距和传输距离较短等缺点，另外系统需要布置多个基站，这提高了系统的复杂度和维护成本，降低了系统的可扩展性。而Active Bats定位系统使用超声波（time of flight，TOF）技术来实现定位，相对于Active Badges定位系统其精度更高，可扩展性较好，且易于部署，但成本较高。由MIT提出的Cricket系统采
用了超声波技术并根据TDOA（Time Difference Of Arrival）原理来实现定位，其定位精度高，但需要昂贵的硬件设备来支持，并且系统功耗大。RADAR系统是由Microsoft公司开发的，它是基于IEEE 802.11 WLAN的室内无线射频定位系统，采用经验测试和信号传播模型相结合的定位系统。RADAR系统易于安装，基站少，但定位系统必须处于无线局域网中，这样，在网络的规模和电源功能方面将是一大限制[2]。
1.2.2 室内定位技术
因此，红外线只适合短距离传播，而且容易被荧光灯或者房间内的灯光干扰，在精确定位上有局限性。
（二）无线射频识别技术（RFID）[9]
RFID，又称为电子标签，是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无需人工干预，作为条形码的无线版本存在。RFID的主要核心部件是读写器（reader）和电子标签(tag)，通过相距几厘米到几米距离的读写器发射的无线电波来读取电子标签内存储的信息，识别电子标签代表的物品、人和器具的身份。RFID电子标签分为无源标签（Passive Tag）和有源标签（Active Tag）两种，无源标签由感应到的电磁波反馈电能，有源标签需要电池供电，用来存储被识别对象的数据信息。RFID读写器通过天线与RFID电子标签进行无线通信。目前RFID已经被广泛用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。
（三）无线蓝牙技术（Wireless Bluetooth）[10]
蓝牙（Bluetooth）技术是由爱立信、诺基亚、Intel、IBM和东芝五家公司于1998年5月共同提出开发的。蓝牙技术的本质是设备间的无线连接，主要用于通信与信息设备。近年来，在电声行业中也开始使用蓝牙技术。一般情况下，蓝牙的工作范围在10m半径之内，在此范围内，可进行多台设备间的互联。
蓝牙技术的特点主要有：
?采用调频技术，数据包短，抗信号衰减能力强；
?用快速跳频和前向纠错方案以保证链路稳定，减少同频干扰和远程传输噪声；
?使用2.4GHz ISM频段，无需申请许可证；
?可同时支持数据、音频、视频信号；
?采用FM调制方式，降低了设备的复杂性。
蓝牙技术最大的优点是设备小[2]，易于集成在PDA、电脑和手机中，所以它很受欢迎。但是由于蓝牙传感器不能在10s的循环工作模式中保持5s的查询模式，所以非专门设计的蓝牙设备不适合实时定位。并且蓝牙器材和设备比较昂贵，对于复杂的室内环境，蓝牙系统的稳定性稍差，受噪声干扰大。
（四）ZigBee[8]
ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它介于无线射频识别技术和无线蓝牙技术之间，也可以用于室内定位。应用ZigBee技术的室内定位系统是通过在传感器网络中布置参考节点和移动节点。参考节点为静态节点，他们发送位置信息和RSSI给移动待测节点，该节点将数据写入定位模板，分析计算得到自身位置。该系统常采用分布式节点设置，可以减少网络数据的工作量和通信延迟的问题。ZigBee最显著的技术特点是它的低功耗和低成本。
（五）超宽带技术（Ultra Wideband，UWB）[2]
超宽带技术是一种全新的、与传统通信技术有极大差异的通信新技术。它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有GHz级的宽带。超宽带可用于精确定位，例如战场士兵位置发现、机器人轨迹追踪等。
超宽带系统与传统的窄带系统相比，具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。因此，超宽带技术可以应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航，且能提供十分精确的定位精度。
（六）超声波技术（Ultrasound）[8]
超声波定位目前大多数采用反射式测距法。系统由一个主测距器和若干个小电子标签组成，主测距器可放置于移动机器人本体上，各个电子标签放置于室内空间的固定位置。定位过程如下：光由上位机发送同频率的信号给各个电子标签，电子标签接收到后又发射传输给主测距器，从而可以确定各个电子标签到主测距器之间的距离，并得到定位坐标。超声波定位的精度比较高，但由于多径效应和非视距传播的影响，超声波在传输过程中衰减较大。为避免此情况则需要大量底层硬件基础设施投资，这大大地提高了成本。
（七）WLAN/Wi-Fi[10]
Wi-Fi是一种可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。Wi-Fi无线网络是由AP（Access Point）和无线网卡组成的无线网络。在开放性区域，其通信距离可达305m；在封闭性区域，其通信距离为76~122m。Wi-Fi方便与现有的有线以太网络整合，组网的成本更低。它具有无线电波覆盖范围广、速度快、可靠性高、无需布线、健康安全等优点。
1.2.3 无线传感器网络操作系统
随着无线传感器网络的深入发展，目前已经出现了多种适合于无线传感器网络应用的操作系统[9]，如Tiny OS[21,22,26]、Mantis OS[22,30,31]、Contiki OS[23,32]等。
Tiny OS是一个典型的无线传感器网络操作系统。它采用一种基于组件（component-based）的开发方式，能够快速实现各种应用。Tiny OS系统、库程序和应用服务均由nesC语言编写。Tiny OS的很多特性，如并发模型、组件结构等都是由nesC语言体现的。nesC是一种开发组件式结构程序的语言，采用C语言风格的语言，其语法是对标准C语法的扩展。nesC除了支持Tiny OS的并发模型，也使得组织、命名和连接组件称为健壮的嵌入式网络系统的机制[9,15]。
Mantis OS是一种无线传感器网络系统，它的内核和API采用标准C语言，提供Linux和Windows开发环境，易于用户使用。Mantis OS提供抢占式任务调度器，采用节点循环休眠策略来提高能量利用率。它提供集成的硬件和软件平台，适用于
广泛的传感器网络应用程序，是一个多模型系统，可以进行频率通信，适合多任务传感器节点，可以动态地重新编程[9,25]。
Contiki OS是一个开源的、高度可移植的多任务操作系统，适用于联网嵌入式系统和无线传感器网络，是由瑞典计算机科学学院研究开发出来的。它支持IPv6，可以很方便地和已有网络互联，并且支持的架构广泛，功能强大，可以满足复杂应用的需求[19]。Contiki OS完全采用C语言开放，可移植性非常好，对硬件的要求极地，能够运行在各种类型的微处理器及电脑上。
近年来，作为物联网开发领域三大开源软件平台之一的Arduino被广泛地运用于传感器节点的设计中。Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型台，它包含硬件（各种类型的Arduino板）和软件（Arduino IDE）。Arduino不仅仅是全球流行的开源硬件，也是一个优秀的硬件开发平台，更是硬件开发的趋势。Arduino简单的开发方式使得开发者更关注创意与实现，更快的完成自己的项目开发，大大节省了学习的成本，缩短了开发的周期。并且Arduino有着众多的开者和用户，你可以找到他们提供的众多开源的示例代码、硬件设计。因为Arduino的种种优势，越来越多的专业硬件开发者已经或者开始使用Arduino来开发他们的项目、产品；越来越多的软件开发者使用Arduino进入硬件、物联网等开发领域。
本文采用Smeshlink公司的集成Elipse来开发Arduino的程序。Eclipse是当前最强大的开源IDE编程环境，并已经有了对应的Arduino for Eclipse插件，开发比较简单。Smeshlink公司集成Eclipse的开发平台SMeshStudio，如图1-3所示。
图1-3 集成开发平台SMeshStudio
1.3论文章节安排
本文共分为五个章节，各章主要内容如下：
第一章：绪论。主要阐述了本课题的背景及研究目的与意义，简单介绍了该课题研究的国内外情况，从而引出无线传感器网络在室内定位中的重要价值，以及本文研究要用到的Arduino开发平台。
第二章：无线传感器网络定位技术。从基本结构开始，对网络体系结构，节点构成和网络协议栈进行了简单的介绍。然后，较为充分地阐述了已有传统的测距技术和室内节点定位算法的原理。最后简单分析了定位算法的评价标准。
第三章：基于RSSI的室内定位模型分析及算法设计。本章节着重分析了无线传感器网络中无线信号传播衰减模型理论，并在设定的监测室内环境进行多次实验，通过计算及均值处理德国方法确定模型参数，建立合适的所选室内环境的数学模型。然后根据基于RSSI的三边定位算法原理简化定位算法，并深入分析了双边定位算法的理论原理。
第四章：基于iDuino节点的室内定位系统实现。本章主要任务是在Arduino 开发平台上实现第三章简化的定位算法，并利用iDuino传感器节点在设定的环境中进行定位实验。首先简要说明了iDuino传感器节点的结构及其功能特点。接着在实验监测环境进行适当的iDuino传感器节点，根据对算法的程序设计，最终在开发平台上通过电脑串口展示实验结果，并对定位结果根据第二章定位算法评价标准进行评测分析。
第五章：总结与展望。主要总结了本论文完成的工作项目，并对研究中不够详细的方面进行了展望。
第二章无线传感器网络定位技术
2.1 无线传感器网络结构
2.1.1无线传感器网络体系结构
一个典型的无线传感器网络结构如图2-1所示，其中包括传感器节点、汇聚节点、互联网或通信卫星和管理节点等[5,9]。
图2-1 典型的无线传感器网络结构
在图2-1中，大量传感器节点随机部署在被监测区域中，通过自组织方式构成网络。传感器节点通过多跳中继方式将所探测到的数据传到汇聚节点，然后经卫星、互联网或是移动通信网络等途径到达最终用户所在的任务管理节点。
2.1.2 无线传感器节点结构
传感器节点是无线传感器网络的基本单位，典型的传感器节点由传感单元、
处理单元、无线通信单元和电源单元组成，结构如图2-2所示[2,4,5]。
图2-2 无线传感器网络节点结构
各个单元的基本功能：
●传感单元：由传感器和模数转换器组成，用于感知、获取监测区域内的信息；
●处理单元：由嵌入式系统构成，包括处理器、存储器等。负责控制和协
调节点各部分工作，存储和处理自身采集的数据以及其他节点发来的数据；
●无线通信单元：由支持相应无线通信协议的无线数据收发器组成，负责传感器节点之间的通信，交换控制信息和收发采集数据；
●电源单元：通常采用微型电池，负责为传感器节点提供正常所必需的能源。本论文研究中采用的是移动电源。
2.1.3 无线传感器网络的协议栈
随着人们对传感器网络研究的不断深入，研究人员提出了多个传感器节点上的协议栈[9,14]。图2-3所示的是研究人员早期提出的一个协议栈，该协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。另外，该协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的无线传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。
图2-3 无线传感器网络协议栈
各层的功能如下[9]：
◆物理层：实现信道选择、无线信号监测、信号发送与接收等功能，设计目标是以尽可能少的能量损耗获得较的链路容量；
◆数据链路层：负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制。该层又可以细分为媒体访问控制（medium access control，MAC）子层和逻辑链路控制（logical link control，LLC）子层，其中媒体访问控制子层规定了不同的用户如何共享可用的信道资源，逻辑链路控制子层负责向网络提供统一的服务接口；
◆网络层：主要负责路由生成与路由选择，主要功能包括分组路由、网络互联、拥塞控制等。路由协议的功能是在传感器节点和汇聚节点之间建立路由，可靠地传递数据；
◆传输层：负责数据流的传输控制，现阶段对传输控制的研究主要集中于
错误恢复机制，但是目前还没有专门适合无线传感器网络的协议提出；
◆应用层：主要负责获取数据并进行初步处理，包括一系列基于检测任务的应用软件。
2.2 无线传感器网络的定位机制
在无线传感器网络中确定传感器节点自身位置是确定事件发生位置的前提，只有在传感器节点自身位置得到正确的估计后，才能确定事件发生的具体位置[4]。无线传感器网络中节点分为两种类型，已知自身位置的信标节点和待定位的未知节点。节点定位就是根据网络中少数的信标节点，按照某种方法来推算出未知节点的位置。信标节点的位置可以通过携带GPS等定位装备来确定或者是人工布设在已知位置。信标节点在很多的书中又被称为参考节点，一般在网络中数量很少，下文统一称为参考节点。
一般来说，无线传感器网络节点定位算法应具备以下特点[6]：
自组织能力不依靠外部的基础设施；
鲁棒性，即能容忍一定的物理测量误差及单个节点的实效，能快速适应网络的拓扑变化；
资源节省要求较少的通信开销、计算处理和存储能力。
目前对无线传感器网络节点定位技术的研究主要集中在以下两个方面[6]：一是算法精度，设计具有足够精度的定位算法，需要多大的精度依赖于不同的应用需求；二是误差分析，分析无线传感器网络定位的误差特征。无线传感器网络的节点定位算法大致分为两大类：基于测距（range-based）的定位机制和与距离无关（range-free）的定位机制。前者需要测量节点间距离或方位角度信息。而后者不需要。
2.2.1 基于测距的定位技术
基于测距的定位技术要求待定位节点与参考节点间具有直接或者间接测量相互距离或者角度的能力。一般来说，基于测距的定位技术实现主要有以下步骤[5,6]：
◆测距/测角：测量估计两节点间的距离或者角度信息；
◆定位估计：采用定位方法来获取节点的相对位置或绝对位置；
◆位置校正：利用与相邻节点间的连通信息及其位置信息来校正待定位节点的位置。
图2-4 基于测距的定位原理框图
基于测距的定位原理如图2-4所示[4]，先由未知节点硬件接收外部参考节点
发射的无线信号并记录测距度量值，如TOA （time of arrival ）、TDOA （time of
different of arrival ）、AOA （angle of arrival ）、RSSI （received signal strength indicator ）等，接着将测距度量值转化为未知节点到参考节点的距离d 或者方位，然后在采
用相关算法来计算未知节点的位置，并最后显示出来。常用的基于测距的定位算
法有三边测量法、三角测量法、极大似然估计法等，将在2.3节中详述。
(1)TOA 测量法一般是根据已知信号的传输速率及信号在两节点间的传播
时间来计算两节点间的距离，然后利用已知的定位算法计算出节点的位置。基于
TOA 的定位能够获得很高的精确度，但一般需要昂贵的硬件，并且接受器耗能
高。
(2)TDOA 测量法与TOA 测量法都是基于时间的测距技术，两者很相似。但
TDOA 是通过记录发射信号在两节点间的到达时间差信息，并根据已知的信号传
播速率来计算两个节点间的距离差，再通过已有的定位算法计算出未知节点的位
置。Cricket 系统就是基于TDOA 原理的[4]。
(3)基于AOA 的定位是接收点通过天线阵列或多个接收机来估算发射节点
信号到达方向（DOA ），从而计算出接收节点和发射节点之间的相对方位或者角
度信息。未知节点的位置可以通过一组测量装置之间的方向线的交点来确定，其
定位原理如图2-5所示。
图2-5 基于AOA 的定位原理 基于AOA 的定位原理简单，但在室内环境，容易受到噪声、多径效应和非
N
1θ 2θ
A
B
视距等问题的影响，定位精度较差。并且角度测量需要较高的硬件设备支持。
(4)基于RSSI 的测距技术是已知发射节点的发射信号强度，接收节点根据
接收到的信号强度来计算出信号的传播损耗，然后利用理论或经验的信号传播模
型将传播损耗转化为距离信息。因传感器节点本身具有无线通信能力，故其是一
种低功耗、廉价的测距技术，在RADAR 系统中就是使用了该技术。
射频信号在传播的过程中会随着传播的距离增加而衰减，在自由空间中，RSS
（Received Signal Strength ）值与发射距离的平方成反比关系。
()2
224R G G P P r t t r πλ= （2-1） 上式就是经典的Friis 传输方程，其中t P ，r P 分别为发射功率和接收功率；t G ，
r G 分别为发射天线和接收天线的天线增益；λ为信号载波波长；R 为信号传输
距离。
在基于RSSI 的定位中关键是室内无线信号传播衰减模型的建立[5]。该算法
的实现简单，便于计算，但它的定位准确性在很大程度上依赖于建立准确的无线
信号传播衰减模型。公式（2-1）是在理想情况下的传播衰减模型，在室内环境，
要得到更为确切的传播衰减模型需要通过物理模型和实验方法获得，本文将在第
三章详细叙述。
2.2.2 与距离无关的定位技术
基于测距的定位技术一般定位精度较高，但是对于无线传感器网络节点的硬
件要求也比较高。针对无线传感器网络的特点，研究者们提出了免于测距的定位
技术，这类定位方法中仅仅需要得到待定位节点与相邻节点间的连通信息，接着
利用各种优化方法估计待定位节点位置[6]。简而言之，与距离无关的定位技术是
通过对节点间的距离进行估计或者确定包含未知节点的可能区域，来确定未知节
点的位置。因为与距离无关的定位技术不需要测量节点间的距离或者方位，硬件
要求低，成本低，使得该技术更适合于大规模无线传感器网络，并且定位性能受
环境因素的影响小。但是相应的定位误差会有所增加，定位精度也有所降低。常
用的定位算法主要有DV-HOP 算法、加权质心算法和APIT 算法等，详述见于
2.3节。
2.3 常用的室内节点定位算法
2.3.1 三边测量法
三边测量法是已知若干个参考节点的位置坐标和他们到未知节点的距离，然
后联立方程组求出位置及节点的位置坐标[2,4,16,25,29]。由于测距有一定的误差，并
且联立方程组也可能存在无解的情况，这时一般采用最小二乘法来确定未知节点
的位置。
图2-6 三边测量法
如图2-6所示，三个坐标已知的参考节点()11,y x A 、()22,y x B 、()33,y x C ，
一个未知节点的坐标()y x D ,待定，其中参考节点到未知节点的距离（可通过RSSI
法来测量）分别为1d 、2d 、3d ，联立建立参考节点与位置节点的距离方程组：
()()()()()()???????=-+-=-+-=-+-232323
222222212121d y y x x d y y x x d y y x x （2-2）
用前两个方程分别减第三个方程，将方程组线性化为：
b AX = （2-3）
其中：
()()()()??????----=323231312222y y x x y y x x A ???
?????-+-+--+-+-=222323222322212323212321d d y y x x d d y y x x b []T y x X ,=
用最小二乘法求解方程组（2-3），便可以得到待求节点的位置估计值。根据矩阵
理论，X 是方程组（2-3）的最小二乘解的充要条件是，X 为方程组
b A AX A H H = （2-4）
的解.对于实矩阵T H A A =，则将（2-4）转化为
b A AX A T T = （2-5）
只要所有参考节点不共线，则A 的两个列向量线性无关，()2=A rank ，由于
()
()A rank A A rank T =，因此2阶矩阵A A T 可逆。从而得出未知节点D 的位置坐标
估计为 ()b A A A X T T 1-= （2-6）
2.3.2 三角测量法
与三边测量法的距离测定不同，三角测量法主要是利用参考节点与未知节点
之间的角度信息来进行定位[2,4,16,28]。三角测量法的示意图如2-7所示。
图2-7 三角测量法
已知节点()11,y x A 、()22,y x B 、()33,y x C ，设未知节点的坐标为()y x D ,，则
未知节点相对于A 、B 、C 的角度分别为：ADB ∠，ADC ∠和BDC ∠。根据三
角形原理，已知过A 、D 、C 三点可以确定唯一圆，设其圆心为()44,y x O ，其半
径为1r ，可知()ADC AOC ∠-=∠=πα2，求解圆形的半径可以得到以下方程组： ()()()()()()???
????-=-+-=-+-=-+-αcos 2221212312311234234121421
4r r y y x x r y y x x r y y x x （2-7） 求解公式（2-7）能够得到圆心O 的具体坐标及其半径1r 。同理可以求得另
外两个圆的圆心坐标和半径。当确定了半径1r ，2r 和3r 后，可以将三角法转换为
三边法，通过公式（2-2）来计算未知节点的位置坐标。
2.3.3 极大似然估计算法
极大似然估计算法基本思想是通过未知节点和多个位置坐标已知的参考节
点的距离关系来建立方程组，并通过最小二乘法来解方程从而得到未知节点的位
置坐标估计[4]。已知n 个参考节点的坐标分别为()11,y x ，()22,y x …()n n y x ,，他们
到未知节点()y x ,的距离分别为1d ，2d …n d ，则有：
()()()()()()???????=-+-=-+-=-+-2
22222222212121n n n
d y y x x d y y x x d y y x x （2-8） 用方程组中前1-n 个方程减去第n 个方程，将方程组线性化为：
b AX = （2-9） 其中：
()()()()??????????----=--n n n n n n y y x x y y x x A 11112222 ??????????-+-+--+-+-=---212221221
212221221n n n n n n n n n d d y y x x d d y y x x b []T y x X ,=
用最小二乘法求解方程组（2-9）得：
()b A A
A X T T 1-= （2-10） 2.3.4 DV-Hop 定位算法
DV-Hop （Distance Vector-Hop ）算法的基本思想是将未知节点到参考节点之
间的距离用网络中节点的平均每跳距离和两节点之间的跳数乘积来表示，然后再使用三边测量法或者极大似然估计算法来获取未知节点的位置信息[2,4]。其定位过程大致为：首先，网络中所有的参考节点使用距离矢量交换协议，将其位置信息和跳数信息广播到整个网络中，使网络中的所有的未知节点获取与参考节点的跳数；其次，参考节点根据正确接收的跳数信息，计算未知节点与该参考节点的平均每跳距离，并将其广播到整个网络中，未知节点利用接收到的跳数信息和平均每跳距离值计算与参考节点的距离。最后，未知节点利用三边测量法或者极大似然估计算法来实现定位。
2.3.5 APIT 定位算法
APIT 的全称是Approximate Point in Triangle ，三角形内点近似估计算法。
APIT 定位中，已知多个参考节点的坐标位置，其中随机每三个参考节点形成一个三角区域，根据节点在区域内部还是外部就可以缩小节点位置的可能范围
[2,16]。
无线传感器网络面临的安全隐患及安全定位机制
无线传感器网络面临的安全隐患及安全定位机制 随着通信技术的发展，安全问题显得越来越重要。在现实生活中，有线网络已经深入到千家万户：互联网、有线电视网络、有线电话网络等与人们生活的联系越来越紧密，已经成为必不可少的一部分，有线网络的安全问题已经能够得到有效的解决。在日常生活中，人们可以放心的使用这些网络，利用它来更好的生活和学习。然而随着无线通信技术的不断发展，无线网络在日常生活中已占据重要的地位，如无线LAN技术、3G技术、4G技术等，同时也有许多新兴的无线网络技术如无线传感器网络， Ad-hoc 等有待进一步发展。随着人们对无线通信的依赖越来越强烈，无线通信的安全问题也面临着重要的考验。本章首先介绍普通网络安全定位研究方法，随后介绍无线传感器网络存在的安全隐患以及常见的网络攻击模型，分析比较这些攻击模型对定位的影响，最后介绍已有的一些安全定位算法，为后续章节的相关研究工作打下基础。 3.1 安全定位研究方法 不同的定位算法会面临着不同的安全方面的问题，安全定位的研究方法可以 采用图 3-1 所示的流程来进行。
图3-1安全定位方法研究流程图 Figure 3-1 Flowchart of security positi oning research method 在研究中首先要找出针对不同定位算法的攻击模型，分析这些攻击对定位精 度所造成的影响，然后从两方面入手来解决这个安全问题或隐患：一方面改进定 位算法使得该定位算法不易受到来自外界的攻击，另一方面可以设计进行攻击检 测判断及剔除掉受到攻击的节点的安全定位算法或者把已有的安全算法进行改进使之能够应用于无线传感器网络定位，还可以从理论上建立安全定位算法的数学模型，分析各种参数对系统性能的影响，最后根据这个数学模型对算法进行仿真，并把仿真结果作为反馈信息，对安全定位算法进一步优化和改进，直到达到最优为止。 3.2安全隐患 由于无线传感器网络随机部署、网络拓扑易变、自组织成网络和无线链路等特点，使其面临着更为严峻的安全隐患。在传感器网络不同的定位算法中具有不同的定位思想，所面临的安全问题也不尽相同。攻击者会利用定位技术的弱点设计不同的攻击手段，因此了解各定位系统自身存在的安全隐患和常见的攻击模型对安全定位至
无线传感器网络的应用研究
1武警部队监控平台架构介绍与设计 1.1监控系统的系统结构 基站监控系统的结构组成如上图所示，主要由三个大的部分构成，分别是监控中心、监控站点、监控单元。整个系统从资金、功能以及方便维护性出发，我们采用了干点加节点方式的监控方法。 监控中心（SC）：SC的定义是指整个系统的中心枢纽点，控制整个分监控站，主要的功能是起管理作用和数据处理作用。一般只在市级包括（地、州）设置相应的监控中心，位置一般在武警部队的交换中心机房内或者指挥中心大楼内。 区域监控中心（SS）：又称分点监控站，主要是分散在各个更低等级的区县，主要功能是监控自己所负责辖区的所有基站。对于固话网络，区域监控中心的管辖范围为一个县/区；移动通信网络由于其组网不同于固话本地网，则相对弱化了这一级。区域监控中心SS的机房内的设备配置与SC的差不多，但是不同的是功能不同以及SS的等级低于SC,SS的功能主要是维护设备和监控。 监控单元（SU）：是整个监控系统中等级最低的单元了，它的功能就是监控并且起供电，传输等等作用，主要由SM和其他供电设备由若干监控模块、辅助设备构成。SU侧集成有无线传感网络微设备，比如定位设备或者光感，温感设备等等。 监控模块（SM）：SM是监控单元的组成部分之一，主要作用监控信息的采集功能以及传输，提供相应的通信接口，完成相关信息的上传于接收。
2监控系统的分级管理结构及监控中心功能 基站监控系统的组网分级如果从管理上来看，主要采用两级结构：CSC集中监控中心和现场监控单元。CSC主要设置在运营商的枢纽大楼，主要功能为数据处理，管理远程监控单元，对告警信息进行分类统计，可实现告警查询和存储的功能。一般管理员可以在CSC实现中心调度的功能，并将告警信息进行分发。而FSU一般针对具体的某一个基站，具体作用于如何采集数据参数并进行传输。CSC集中监控中心的需要对FSU采集的数据参数进行报表统计和分析，自动生产图表并为我们的客户提供直观，方便的可视化操作，为维护工作提供依据，维护管理者可以根据大量的分析数据和报表进行快速反应，以最快的速度发现网络的故障点和优先处理点，将人力资源使用在刀刃上。监控中心CSC系统的功能中，还有维护管理类，具体描述如下： 1）实时报警功能 该系统的报警功能是指发现机房里的各种故障后，通过声音，短信，主界面显示的方式及时的上报给操作者。当机房内的动力环境，空调，烟感，人体红外等等发生变量后，这些数据通过基站监控终端上传到BTS再到BSC。最后由数据库进行分类整理后存储到SQLSEVRER2000中。下面介绍主要的几种报警方式： 2)声音报警 基站发生告警后，系统采集后，会用声卡对不一样的告警类别发出对应的语音提示。比如：声音的设置有几种，主要是以鸣叫的长短来区分的。为便于引起现场维护人员的重视紧急告警可设置为长鸣，不重要的告警故障设置为短鸣。这样一来可以用声音区分故障的等级，比方某地市的中心交换机房内相关告警声音设置，它的开关电源柜当平均电流达到40AH的时候，提示声音设置为长鸣，并立即发生短信告警工单。如果在夜晚机房无人值守的情况下：
无线传感器网络的应用与影响因素分析
无线传感器网络的应用与影响因素分析 摘要：无线传感器网络在信息传输、采集、处理方面的能力非常强。最初，由于军事方面的需要，无线传感网络不断发展，传感器网络技术不断进步，其应用的范围也日益广泛，已从军事防御领域扩展以及普及到社会生活的各个方面。本文全面描述了无线传感器网络的发展过程、研究领域的现状和影响传感器应用的若干因素。关键词：无线传感器网络；传感器节点；限制因素 applications of wireless sensor networks and influencing factors analysis liu peng (college of computer science,yangtze university,jingzhou434023,china) abstract:wireless sensor networks in the transmission of informa- tion,collecting,processing capacity is very strong.initially,due to the needs of the military aspects of wireless sensor networks,the continuous development of sensor network technology continues to progress its increasingly wide range of applications,from military defense field to expand and spread to various aspects of social life.a comprehensive description of the development
无线传感器网络定位方法综述
第36卷 增刊Ⅰ2008年 10月 华 中 科 技 大 学 学 报(自然科学版) J.Huazhong Univ.of Sci.&Tech.(Natural Science Edition )Vol.36Sup.Ⅰ Oct. 2008 收稿日期:2008207215. 作者简介:郝志凯(19832),男,博士研究生,E 2mail :zk -hao @https://www.wendangku.net/doc/0311730477.html,. 基金项目:国家高技术研究发展计划资助项目(2006AA11Z225);国家自然科学基金资助项目(60635010, 60605026). 无线传感器网络定位方法综述 郝志凯 王 硕 (中国科学院自动化研究所复杂系统与智能科学实验室,北京100190) 摘要:介绍了国内外研究机构在无线传感器网络定位方法方面开展的研究工作,并对这些研究工作进行了归纳和总结.定位的基本方法分为距离式定位和非距离式定位.距离式定位是通过测量距离或角度进行位置估计,测量数据的精度对定位精度有很大影响.非距离式定位是通过节点间的hop 数或估计距离计算节点的坐标,这种方法不需要测量距离或角度,利用估计距离代替真实距离,算法简单但精度不高.无线传感器网络中定位方法的应用需要针对不同的应用场合,综合考虑节点的规模、成本及系统对定位精度等要求来进行设计和选择. 关 键 词:无线传感器网络;定位方法;距离式定位;非距离式定位;相对定位 中图分类号:TN919.2;TP732 文献标识码:A 文章编号:167124512(2008)S120224204 Survey on localization algorithms for wireless sensor net w orks H ao Zhi k ai W ang S huo (Laboratory of Complex Systems and Intelligence Science ,Institute of Automation , Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100190) Abstract :Current researches in wireless sensor networks (WSNs ′ )localization algorit hms are int ro 2duced ,and t hese researches are analyzed and concluded.The p recision of t he nodes ′locations are im 2portant for t he data ′s effectiveness in WSNs ′.The localization algorit hms are divided into range 2based and range 2free.Range 2based algorit hms use t he measured distance and angle to calculate t he nodes ′coordinates.However ,t he range 2f ree researches use hop s or evaluated distance to localization ,which are simple but low 2precision.In different occasions ,t he algorit hm should be taken account in t he net 2work ′s size ,co st ,p recision and so on. K ey w ords :wireless sensor networks (WSNs ′ );localization ;range 2based ;range 2f ree ;relative po sitio 2ning 目前广泛使用的全球卫星导航定位系统GPS 可用来确定携带者的绝对位置,但不适合在 无线传感器网络中大量使用.主要有以下原因[1]:a .成本高.无线传感器网络中的节点数量多、分 布密集,如果各节点都配备GPS 接收器成本很高;b .能源限制.网络中的节点通常是通过内部电池进行供电,由于其工作环境有时在森林、山地等人迹罕至的地方,对其进行电源更换困难;c .工作环境限制.节点有时会分布在室内等电磁 波较难到达的环境中,这种工作环境下GPS 无法完成定位任务;d .尺寸较大.由于上述种种原因使得GPS 不能广泛用在无线传感器网络系统的节点上,这就需要发展适合于无线传感器网络应用的节点定位方法. 鉴于无线传感器网络节点在能耗、计算能力、通信能力等方面的限制,其节点的定位方法应该具有分布式、低复杂性、精度较高、通用性较好等特点,国内外的研究机构已开展了大量工作[2～9].
无线传感器网络研究报告现状及发展
无线传感器网络的研究现状及发展 默认分类 2008-06-12 18:19:20 阅读910 评论0 字号：大中小 摘要：无线传感器网络(WSN>综合了传感器技术、微电子机械系统(MEMS>嵌入式计算技术．分布式信息处理技术和无线通信技术，能够协作地实时感知、采集、处理和传输各种环境或监测对象的信息．具有十分广阔的应用前景，成为国内外学术界和工业界新的研究领域研究热点。本文简要介绍了无线传感器网络的网络结构、节点组成，分析了无线传感器网络的特点及其与现有网络的区别。进而介绍现有无线传感器网络中的MAC层技术、路由技术、节点技术和跨层设计等关键技术。最后展望无线传俄器网络的应用和发展并指出关键技术的进步将起到决定性的促进作用。 关键词：无线传感器网络节点 MAC层路由协议跨层设计 Abstract: Wireless sensor network (WSN> is integration of sensor techniques, Micro-Electro-Mechanical Systems, embedded computation techniques, distributed computation techniques and wireless communication technique. They can be used for sensing, collecting, processing and transferring information of monitored objects for users. As a new research area and interest hotspot of academia and industries, Wireless Sensor Network(WSN> has a wide application future. This paper briefly introduced the wireless sensor network of networks, nodes, the analysis of the characteristics of wireless sensor networks and the differences wih the existing networks. And the MAC layer technology, routing technology, joint cross-layer design technology and key technology are introduced . At last the prospects of wireless sensor network are discussed in this article. Key Words: Wireless Sensor Network, node, MAC, routing protocol, Cross-layer design 一、概述 随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的发展进步，包括微电子机械系统 摘要 无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Network）是近年来迅速发展并受到普遍重视的新型网络技术，它的出现和发展给人类的生活和生产的各个领域带来了深远的影响。无线传感器网络节点定位技术是无线传感器网络应用研究的基础。目前，已有多种定位技术被应用于室内定位中，尤其是基于接收信号强度（RSSI，Received Signal Strength Indication）的定位技术以其低功耗、低成本、易于实现等优点，得到了无线传感器网络研究学者们的青睐。 本文重点研究了基于RSSI的室内定位的关键技术，主要包括定位模型分析和定位算法设计。首先，为了获得较为精确的定位，根据RSSI测距原理和无线信号传播衰减模型在设定的室内环境进行多次实验，通过计算及均值处理等方法反复调整以获得标准的定位模型参数，得到高精度的等效距离。接着，根据三边定位算法原理简化定位算法，建立更为简单的定位模型，采用双边定位得到两个可能的定位点，再利用RSSI测距原理对两个定位点进行择优选择确定定位点。最后，在Arduino开发平台上对参考节点与未知节点这两类iDuino节点的室内定位模型进行了软件开发设计和程序开发。在设定的室内环境部署iDuino节点，搭建实验定位模型，并实现了定位。 关键词：无线传感器网络，节点，室内定位，RSSI，Arduino ABSTRACT Wireless sensor network (WSN) is developed rapidly and universally emphasized as a new network technology in recent years, the advent and development of WSN have had a profound and lasting impact on the life and all areas of production of human beings. Wireless nodes localization technology is the basis in the application and studies of wireless sensor network. There are a variety of positioning technology have been used in indoor location at present, especially the based on RSSI (received signal strength) positioning technology gets a great preference from many scholars of studies of wireless sensor network with the advantages of low power consumption, low cost and easy to realize. This paper mainly studies the key technology of indoor positioning based on RSSI, which mainly includes the positioning model analysis and positioning algorithm design. First, in order to obtain more accurate positioning, we perform several experiments according to the RSSI ranging principle and wireless signal propagation attenuation model in the setting of indoor environment, and get accurate positioning model parameters and equivalent distance by the methods of calculation and mean processing. Then, we simplify Trilateral Localization Algorithm to Bilateral Location Algorithm and establish a simpler positioning model, with which we can get two nodes of possible location, and determine the better node according to the RSSI ranging principle. At last, we make software designing and programming of these nodes that are anchor nodes and nodes of unknown on the Arduino development platform. Combined with the indoor environment we selected, we deploy the iDuino nodes and then build location model, with which we implement the location. KEY WORDS：Wireless Sensor Network，Nodes，Indoor Location，RSSI，Arduino 对于定位一般的理解就是确定位置。在无线传感网中,定位是指网络通过特 定的方法确定节点的位置信息。其可分为节点的自身定位和目标定位。节点自 身定位是确定网络中节点位置坐标的过程,它是网络自身属性的确定过程,是网络 的支撑,可以通过人工配置或各种节点自定位算法完成; 目标定位是指在网络覆 盖范围内确定一个事件或一个目标的位置坐标,这可以通过把位置已知的网络节 点作为参考节点来确定事件或目标在网络中所处的位置。无线传感网定位问题 就是寻求利用少量的锚节点来确定网络中未知节点的位置坐标的方法。 无线传感网中,传感器节点的可靠性差、能量有限、节点数量庞大且节点部 署具有不确定性等,这些限制因素对定位技术提出了更高的要求。通常无线传感 网定位技术具备以下特点: ① 自组织性 通常无线传感网中的节点是随机布设的,不能依靠全局的基础设施的协助确定每 个节点的位置所在。因此,自组织性就显得格外重要。 ② 容错性 传感器节点的硬件配置低、处理能力弱、可靠性差、能量少以及测距时会产生 误差等因素决定了传感器节点本身的脆弱性,因此定位算法必须具有良好的容错 性。 ③ 能量高效性 为了尽量延长网络的生存周期,要尽可能的减少节点间的通信开销,减少算法中计 算的复杂度,用尽量少的能量完成尽可能多的工作。 ④ 分布式计算 每个节点自己对自身的位置进行估算,不需要将所有信息传送到某个特定的节点 进行集中计算。 、管路敷设技术通过管线不仅可以解决吊顶层配置不规范高中资料试卷问题，而且可保障各类管路习题到位。在管路敷设过程中，要加强看护关于管路高中资料试卷连接管口处理高中资料试卷弯扁度固定盒位置保护层防腐跨接地线弯曲半径标等，要求技术交底。管线敷设技术中包含线槽、管架等多项方式，为解决高中语文电气课件中管壁薄、接口不严等问题，合理利用管线敷设技术。线缆敷设原则：在分线盒处，当不同电压回路交叉时，应采用金属隔板进行隔开处理；同一线槽内强电回路须同时切断习题电源，线缆敷设完毕，要进行检查和检测处理。、电气课件中调试对全部高中资料试卷电气设备，在安装过程中以及安装结束后进行 高中资料试卷调整试验；通电检查所有设备高中资料试卷相互作用与相互关系，根据生产工艺高中资料试卷要求，对电气设备进行空载与带负荷下高中资料试卷调控试验；对设备进行调整使其在正常工况下与过度工作下都可以正常工作；对于继电保护进行整核对定值，审核与校对图纸，编写复杂设备与装置高中资料试卷调试方案，编写重要设备高中资料试卷试验方案以及系统启动方案；对整套启动过程中高中资料试卷电气设备进行调试工作并且进行过关运行高中资料试卷技术指导。对于调试过程中高中资料试卷技术问题，作为调试人员，需要在事前掌握图纸资料、设备制造厂家出具高中资料试卷试验报告与相关技术资料，并且了解现场设备高中资料试卷布置情况与有关高中资料试卷电气系统接线等情况 ，然后根据规范与规程规定，制定设备调试高中资料试卷方案。 、电气设备调试高中资料试卷技术电力保护装置调试技术，电力保护高中资料试卷配置技术是指机组在进行继电保护高中资料试卷总体配置时，需要在最大限度内来确保机组高中资料试卷安全，并且尽可能地缩小故障高中资料试卷破坏范围，或者对某些异常高中资料试卷工况进行自动处理，尤其要避免错误高中资料试卷保护装置动作，并且拒绝动作，来避免不必要高中资料试卷突然停机。因此，电力高中资料试卷保护装置调试技术，要求电力保护装置做到准确灵活。对于差动保护装置高中资料试卷调试技术是指发电机一变压器组在发生内部故障时，需要进行外部电源高中资料试卷切除从而采用高中资料试卷主要保护装置。 《无线传感器网络及应用》第一次作业答案 一、单项选择题。本大题共11个小题，每小题2.5 分，共27.5分。在每小题给出的选项中，只有一项是符合题目要求的。 1.下面哪种协议不属于路由协议（ C ）。 A.地理位置路由协议 B.能量感知路由协议 C.基于跳数的路由协议 D.可靠的路由协议 2.ZigBee的通信速率在2.4GHz时为（ D ）。 A.40Kbps B.20Kbps C.256 Kbps D.250kbps 3.传感器节点（ D ）范围以内的所有其它节点，称为该节点的邻居节点。 A.视线 B.跳数 C.网络 D.通信半径 4.TinyOS是一个开源的（ D ）操作系统，它是由加州大学的伯利克分校开发， 主要应用于无线传感器网络方面。 A.桌面 B.后台 C.批处理 D.嵌入式 https://www.wendangku.net/doc/0311730477.html,N技术使用了哪种介质（ A ）。 A.无线电波 B.双绞线 C.光波 D.沙狼 6.传感器节点消耗能量主要消耗在（ A ）上。 A.无线通信模块 B.处理器模块 C.传感器模块 D.管理模块 7.传感器最早起于二十世纪（ B ）年代。 A.60年代 B.70年代 C.80年代 D.90年代 8.定向扩散（Directed Diffusion，DD）路由协议是一种（ B ）机制。 A.能量感知路 B.基于查询的路由 C.地理位置路由 D.可靠的路由 9.传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对方向性要求较高时，应 选择在其它方向上灵敏度（）的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越（）越好。 A A.小；小 B.小；大 C.高；高 D.高；底 10.传感器的频率响应越（），则可测的信号频率范围就越（）。C A.小；高 B.大；宽 C.高；宽 D.大；高 11.传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。理论上在此范围内，灵敏度保持 定值。传感器的线性范围越（），则它的量程就越（），并且能保证一定的测量精度。D A.小；宽 B.小；高 C.高；大 D.宽；大 二、多项选择题。本大题共29个小题，每小题2.5 分，共72.5分。在每小题给出的选项中，有一项或多项是符合题目要求的。 1.根据节点数目的多少，传感器网络的结构可以分为（AD）。 A.平面结构 B.网络结构 C.星形结构 D.分级结构 2.传感器节点消耗能量的模块包括（ACD）。 A.传感器模块 B.存储模块 C.处理器模块 D.无线通信模块 3.下面哪些属于数据融合的方法（ABD）。 A.模糊逻辑法 B.神经网络方法 C.优选法 D.综合平均法 4.目前人们采用的节能策略主要有（AC）。 A.休眠机制 B.定时发送机制 C.数据融合机制 详解无线传感器网络定位技 详解无线传感器网络定位技术 1 引言 无线传感器网络作为一种全新的信息获取和处理技术在目标跟踪、入侵监测及一些定位相关领域有广泛的应用前景。然而，无论是在军事侦察或地理环境监测，还是交通路况监测或医疗卫生中对病人的跟踪等应用场合，很多获取的监测信息需要附带相应的位置信息，否则，这些数据就是不确切的，甚至有时候会失去采集的意义，因此网络中传感器节点自身位置信息的获取是大多数应用的基础。首先，传感器节点必须明确自身位置才能详细说明“在什么位置发什么了什么事件”，从而实现对外部目标的定位和跟踪；其次，了解传感器节点的位置分布状况可以对提高网络的路由效率提供帮助，从而实现网络的负载均衡以及网络拓扑的自动配置，改善整个网络的覆盖质量。因此，必须采取一定的机制或算法来实现无线传感器网络中各节点的定位。 无线传感器网络定位最简单的方法是为每个节点装载全球卫星定位系统（GPS）接收器，用以确定节点位置。但是，由于经济因素、节点能量制约和GPS 对于部署环境有一定要求等条件的限制，导致方案的可行性较差。因此，一般只有少量节点通过装载GPS 或通过预先部署在特定位置的方式获取自身坐标。另外，无线传感器网络的节点定位涉及很多方面的内容，包括定位精度、网络规模、锚节点密度、网络的容错性和鲁棒性以及功耗等，如何平衡各种关系对于无线传感器网络的定位问题非常具有挑战性。可以说无线传感器网络节点自身定位问题在很大程度上决定着其应用前景。因此，研究节点定位问题不仅必要，而且具有很重要的现实意义。 2 WSN 定位技术基本概念 2.1 定位方法的相关术语 1）锚节点（anchors）：也称为信标节点、灯塔节点等，可通过某种手段自主获取自身位置的节点； 2）普通节点（normal nodes）：也称为未知节点或待定位节点，预先不知道自身位置，需使用锚节点的位置信息并运用一定的算法得到估计位置的节点； 3）邻居节点（neighbor nodes）：传感器节点通信半径以内的其他节点； 4）跳数（hop count）：两节点间的跳段总数； 5）跳段距离（hop distance）：两节点之间的每一跳距离之和； 计算机研究与发展 ISSN 100021239ΠCN 1121777ΠTP Journal of Computer Research and Development 45(1):1～15,2008 收稿日期:2007-11-08 基金项目:国家“九七三”重点基础研究发展规划基金项目(2006CB303000);国家自然科学基金重点项目(60533110);国家自然科学基金项 目(60473075);国家教育部新世纪优秀人才支持计划基金项目(NCET 20520333) 无线传感器网络的研究进展 李建中 高 宏 (哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院 哈尔滨 150001)(lijzh @hit 1edu 1cn ) Survey on Sensor N et work R esearch Li Jianzhong and G ao Hong (School of Com puter Science and Technology ,Harbin Institute of Technology ,Harbin 150001) Abstract Recent advances in sensing techniques ,embedded computing techniques ,distributed information processing techniques and communication techniques have enabled the development of wireless sensor net 2works 1As there is a bright future in their application ,wireless sensor networks have become a new research area in the 21century 1There are large numbers of challenge problems in science and engineering in the wireless sensor network area 1Since 2000,more and more researchers have been engaged in the research work on wireless sensor networks and a lot of research results have already been obtained 1Suiveyed in this paper is the research work on wireless sensor networks ,including the wireless sensor network communica 2tion techniques ,infrastructure techniques ,middleware techniques ,data management techniques ,sensor node and embedded software techniques 1The existing problems in the current research work and the new research issues are also discussed 1At the end of the paper ,many significant references are listed for the re 2searchers 1 K ey w ords sensor node ;sensor network ;communication protocol ;infrastructure ;middleware ;data man 2agement 摘 要 随着传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术的迅速发展,无线传感器网 络应运而生1由于无线传感器网络的广阔应用前景,它已经成为21世纪的一个新研究领域,在基础理论和工程技术两个层面向科技工作者提出了大量挑战性问题1从2000年开始,国内外无线传感器网络的研究日趋热烈,取得了大量研究成果1从无线传感器网络的网络通信技术、基础设施技术、中间件技术、数据管理技术、节点及其嵌入式软件技术等5个方面系统综述了无线传感器网络的研究进展,讨论目前存在的问题和需要进一步研究的方向,并提供了广泛的参考文献1 关键词 传感器节点;传感器网络;通信协议;基础设施;中间件;数据管理中图法分类号 TP393 随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟,人们研制出了各种具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器1由许多微型传感器构成的无线传感器网络(WSN )引起了人们的极大关注1WSN 综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术,能够协作实时监测、感知、采集网络分布区域内的各种环 境或监测对象的信息,并对这些信息进行处理,获得 详尽准确的信息,传送到需要这些信息的用户1WSN 可以使人们在任何时间、地点和任何环境条件 下获取大量详实可靠的物理世界的信息,并可以被广泛应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域1WSN 是信息感知和采集的一场革命,在新一代网络中具有 1．从无线联网的角度来看，传感器网络结点的体系由分层的网络通信协 议、 、 三部分组成。 2． 传感器一般由__________、敏感元件、__________组成。 3．传感器网络的无效能量主要来源于_________、串扰、_________和控制开销。 4． 根据数据进行融合操作前后的信息含量，可以将数据融合分为 、 两类。 5. 通常计算机网络的研究与设计方法包括 、实验方法和、 。 二、单项选择题（每题2分，共20分） 1．谣传路由协议属于（ ）。 A. 能量感知路由协议 B. 基于查询的路由协议 C. 地理位置路由协议 D. 可靠的路由协议 2．下列哪一种类型的帧不属于IEEE802.15.4网络定义的帧（ ）。 A. 信标帧 B. MAC 命令帧 C. 数据帧 D. 超帧 3．下列定位算法中，距离无关的定位算法有( )。 A.APIT 算法 B. TOA 算法 C. RSSI 算法 D. AOA 定位算法 4．下列不属于传感器数据处理模块设计时需考虑的是( )。 A 、节能设计 B 、小体积 C 、高速率 D 、低成本 5．IEEE802.11MAC 协议规定的三种帧间隔的关系为（ ）。 A. SIFS >PIFS> DIFS B. PIFS > DIFS >SIFS C. DIFS> SIFS > PIFS D. DIFS>PIFS>SIFS 6．设计传感器网络的硬件结点，以下无需考虑的是( )。 A. 微型化 B. 阻抗匹配 C. 高速率 D. 稳定性 7．下列不属于IEEE802.15.4标准规定的物理层负责的任务为（ ）。 A. 信道能量检测 B. 信道频率选择 C. 数据的发送和接收 D. 数据检测与压缩 8．下列不属于网络安全考虑的问题是( )。 A.机密性问题 B.低能耗性问题 C.完整性鉴别问题 D.新鲜性问题。 9．下列不属于传感器网络数据融合的作用是( )。 A.提高信息的准确性和全面性 B. 提高系统的可靠性 C.提高数据的实时性 D. 降低信息的不确定性 10．下列不属于传感器网络时间同步机制的主要性能参数为( )。 A.最大误差 B.同步范围 C.可用性 D.鲁棒性 三、名词解释（每题4分，共20分） 1．无线自组织网 2．LR-WPAN 网络 3．传感器的灵敏度 4．战场感知 5. TODA 四、简答题（每题5分，共20分） 1．传感器网络的体系结构包括哪些部分？ 2．设计基于竞争的MAC 协议的基本思想是什么？ 3．传感器网络实现时间同步的作用是什么？ 4. 如何对传感器网络的定位方法进行分类？ 五、综述题（共20分） 传感器网络的终端探测节点由哪些部分组成？这些组成模块的功能分别是什么？ 络与应用 B 1 3 无线传感器研究背景目的意义及现状与发展趋势1研究背景 随着无线技术的快速发展和日趋成熟，无线通信也发展到一定的阶段，其发展的技术越来越成熟，方向也越来越多，越来越重要，大量的应用方案开始采用无线技术进行数据采集和通信。 微机电系统和低功耗高集成数字设备的发展，使得低成本、低功耗、小体积的传感器节点得以实现。这样的节点配合各类型的传感器，可组成无线传感器网络（WSN）。无线传感网络是一种开创了新的应用领域的新兴概念和技术。广泛应用于战场监视、大规模环境监测和大区域内的目标追踪等领域。传感技术、传感网络已经被认定为最重要的研究之一。因为无线传感器网络节点一般采用电池供电，工作环境通常比较恶劣，而且数量大、更换非常困难，所以低功耗是无线传感器网络最重要的设计准则之一，因此，它迫切需要对传统的嵌入式应用开发进行更新和改进，需要精心设计的软硬件系统，以使其可靠而耐用。 2003年,美国《技术评论》杂志论述未来新兴十大技术时,WSN被列为第一;美国《今日防务》杂志更认为WSN的应用和发展将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。可以预测,WSN是信息感知和采集的一场革命,是21世纪最重要的技术之一[2] 。低功耗无线传感模块，便是组成无线传感网络的节点。 此方面的研究由来已久，是计算机应用的扩展，采用了大规模集成电路和嵌入式技术，使用智能微处理器对采集到的信息进行处理和加工。现已广泛应用于社会建设的各个层面和人们的日常生活当中。但过去的研究有的只考虑低功耗而性能不高，有的性能高但是功耗太大。 因此，在无线传感技术应用如此广泛的今天，在保证无线传感模块性能的同时又能实现其低功耗具有一定的理论和现实意义。 2研究目的及意义 2.1研究目的 无线传感器网络研究 近年来, 随着微机电子系统(MEMS) 技术、无线通信技术及数字电子技术的迅速发展, 出现了低成本、低功耗、多功能、体积微小的传感器节点。这种微传感节点由传感单元、数据处理单元、通信单元和便携式电源组成, 能完成数据采集、信号监测和传送信息的任务。随着传感器技术和通信技术的发展, 提出了无线传感器网络技术, 因为其应用的广泛性而得到高度重视。无线传感器网络是由一组传感器节点通过无线介质连接构成的无线网络, 它采用Ad hoc方式部署大量微型的智能传感节点, 通过节点的协同工作采集和处理网络覆盖区域中的目标信息。微传感和无线的概念使得无线传感器网络中的传感器节点能运用于更多的领域, 包括军事、医疗保健、家居以及其他的商业领域, 并且有可能会应用于太空探索、化学处理和灾难救助。可以说无线传感器网络是信息感知和采集的一场革命, 是21世纪最重要的技术之一。 1.1 无线传感器网络及其应用现状 本节对无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)的体系结构、特点、国内外研究现状及应用等进行简单介绍。 1.1.1 无线传感器网络的体系结构 无线传感器网络系统通常包括传感器节点(sensor node)、汇聚节点(sink node)和管理节点。大量传感器节点部署在监测区域内，通过自组织方式构成网络。传感器网络的节点可以随机或者特定地布置在目标环境中，它们之间通过特定的协议自组织起来，能够获取周围环境的信息并且相互协同工作完成特定任务。 这一技术已经应用到国防军事、动物的习性观测、材料结构健康监测、交通管理、医疗卫生、灾害监测等领域[6]。 传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它是由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成，如图1-2所示。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其它节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节 无线传感器网络技术的应用 摘要：无线传感器网络(WSN)是新兴的下一代传感器网络，在国防安全和国民经济各方面均有着广阔的应用前景。本文介绍了无线传感器网络的组成和特点，讨论了无线传感器网络在军事、瓦斯监测系统、智能家具，环境监测，农业。交通等方面的现有应用，最后提出无线传感器网络技术需要解决的问题。 关键词：无线传感器网络，军事、瓦斯监测系统、智能家具，环境监测，农业。交通。 1．无线传感器网络研究背景以及发展现状 随着半导体技术、通信技术、计算机技术的快速发展，90年代末，美国首先出现无线传感器网络（WSN）。1996年，美国UCLA大学的William J Kaiser教授向DARPA提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代WSN网络的序幕。1998年，同是UCLA大学的Gregory J Pottie教授从网络研究的角度重新阐释了WSN的科学意义。在其后的10余年里，WSN网络技术得到学术界、工业界乃至政府的广泛关注，成为在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物结构监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之一。美国商业周刊将WSN网络列为21世纪最有影响的技术之一，麻省理工学院(MIT)技术评论则将其列为改变世界的10大技术之一。WSN是由布置在监测区域内传感器节点以无线通信方式形成一个多跳的无线自组网（Ad hoc），其目的是协作的感知，采集 和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者是WSN的三要素。将Ad hoc技术与传感器技术相结合，人们可以通过WSN感知客观世界，扩展现有网络功能和人类认识世界的能力。WSN技术现已经被广泛应用。图为WSN基本结构。 WSN经历了从智能传感器，无线智能传感器到无线传感器三个发展阶段，智能传感器将计算能力嵌入传感器中，使传感器节点具有数据采集和信息处理能力。而无线智能传感器又增加了无线通信能力，WSN将交换网络技术引入到智能传感器中使其具备交换信息和协调控制功能。 无线传感网络结构由传感器节点，汇聚节点，现场数据收集处理决策部分及分散用户接收装置组成，节点间能够通过自组织方式构成网络。传感器节点获得的数据沿着相邻节点逐跳进行传输，在传输过程中所得的数据可被多个节点处理，经多跳路由到协调节点，最后通过互联网或无线传输方式到达管理节点，用户可以对传感器网络进行决策管理、发出命令以及获得信息。无线传感器网络在农业中的运用是推进农业生产走向智能化、自动化的最可行的方法之一。近年来国际上十分关注WSN在军事，环境，农业生产等领域的发展，美国和欧洲相继启动了WSN研究计划，我国于1999年正式启动研究。国家自然科学基金委员会在2005年将网络传感器中基础理论在一篇我国20年预见技术调查报告中，信息领域157项技术课题中7项与传感器网络有直接关系，2006年初发布的《国家长期科学与技术发展基于arduino的无线传感器网络室内定位方法的研究大学论文
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