无线传感器网络定位技术研究硕士论文（可编辑）.doc

学校代码:10252 学 号:082010169上海理工大学硕士学位论文无线传感器网络定位技术研究 姓 名 系 别光电学院 专 业精密仪器及机械 研究方向无线传感器网络 指导教师学位论文完成日期 2011年2月University of Shanghai for Science and TechnologyMaster DissertationResearch on Location of Wireless Sensor Networks Name Weizhan DepartmentOptical-Electrical and Computer Engineering Specialty Precision instruments and machinery Research DirectionWireless sensor network Supervisor Professor ShiWeibinComplete Data February 2011毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明原创性声明 本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名: 日 期: 指导教师签名: 日 期: 使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名: 日 期: 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名: 日期:年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名:日期:年 月 日 导师签名:日期:年 月 日学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学位论文保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。允许论文被查阅和借阅。本人授权上海理工大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 学位论文作者签名: 指导教师签名: 年月日 年月日声 明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名: 年月日摘要 无线传感器网络融合了传感器技术、嵌入式技术、分布式信息处理技术和无线通信技术,能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或者监测对象的信息,并且对其进行处理,传送给所需要的用户。 作为无线传感器网络的主要支撑技术之一,节点定位技术是大多数应用的前提和基础。节点定位技术即利用少数已知位置的节点,按照某种定位机制确定盲节点的位置。只有在节点自身正确定位之后,才能确定传感器节点监测到的事件的具体位置。因此,研究无线传感器网络节点定位技术具有十分重要的理论和实际意义。 本文重点研究了无线传感器网络节点自身定位技术,为以后的应用开发和研究打下了基础。论文所做的主要工作如下:分析了目前现有的定位技术并分类介绍各种定位算法的原理和性能,重点讨论了基于距离的定位算法,包括三边定位和多边定位方法。利用Matlab仿真了多种定位算法,并分析了定位算法的性能。详细介绍了节点定位系统的设计和实现方法,包括两种方案。第一种方案是利用TI 生产的射频芯片CC2430/CC2431作为硬件平台,使用TinyOS操作系统作为软件平台开发参考节点、盲节点和命令节点的程序,该方案是利用芯片CC2431定位引擎实现节点定位。第二种方案是在CC2430上通过软件设计实现节点定位,设计了基于RSSI测距的定位系统。使用实际系统对基于RSSI测距定位方法的定位精度进行了测试,分析了测试数据,并对现有的WSN定位技术进行了总结。关键词:无线传感器网络 节点定位 距离相关 ZigBee TinyOS RSSIABSTRACT Wireless Senor Network is integration of sensor techniques, nested computation techniques, distributed computation techniques and wireless communication techniques. It can be used to testing, sensing, collecting and processing information of monitored objects and transferring the processed information to users. The performance of node localization which is regarded as one of the sustainable techniques in WSN has been the basis of most applications in WSN. Self-localization of senor is to get the position information of node by using information of some known nodes and some special mechanisms. Correct self-localization of sensor nodes in the promotion of monitoring events normally. Therefore, the study of node location technology of wireless sensor network has important theoretical and practical significance This thesis focuses on the problem of self-localization in WSN and makes foundation on the research and application of the self-localization in WSN.The concrete content is as follows: 1 This thesis introduces the existing localization technology and classifies various localization algorithms, and range-based methods are carefully given. The node location calculation can adopt trilateral method or multilateral method. Use Matlab to simulate some localization algorithms, and analyzes the performances of some localization algorithms. 2 This thesis carefully introduces the designing of the node localization system, including two ways. The system adopts the hardware platform based on the RF chip CC2430 / CC2431 based on ZigBee of TI to design, use the operating system TinyOS as the software platform to develop reference node, blind node and command node. The node localization can use the localization engine of the chip CC2431.The second way is that the thesis also gives how to achieve the node localization based on the chip CC2430.The localization system is based on range-based methods of the localization algorithm, and use a location algorithm based on RSSI 3 Based on the RSSI, the system gives experiments. This thesis analyzes the test data and summarizes the systemKeywords:wireless sensor network, node location, range-based,ZigBee, TinyOS, RSSI 目 录摘 要ABSTRACT第一章 绪论1§1.1研究背景1§1.2无线传感器网络定位技术1§1.3论文的组织结构3第二章 无线传感器网络4§2.1无线传感器网络概述4§2.2 WSN的体系结构4§2.2.1 WSN的网络结构4§2.2.2 WSN的节点结构5§2.2.3 WSN的协议栈6§2.3 WSN的特点及性能评价7§2.3.1 无线网络标准比较7§2.3.2 WSN的网络特征7§2.3.3 WSN的性能评价8§2.4 WSN的研究热点9§2.5 WSN的典型应用9§2.6本章小结10第三章 无线传感器网络定位技术11§3.1 WSN定位技术简介11§3.1.1 基本概念11§3.1.2 定位算法分类11§3.1.3 定位算法的评价标准12§3.1.4 WSN的定位技术应用13§3.2 基于距离的(range-based)定位算法14§3.2.1 多边定位法和三边定位法14§3.2.2 常用的测距技术16§3.3 定位算法仿真实现19§3.3.1 仿真平台Matlab简介19§3.3.2 定位算法实现流程20§3.3.3 实验验证22§3.4本章小结25第四章 无线传感器网络定位系统的设计与实现26§4.1 WSN定位系统的实现26§4.1.1 ZigBee解决方案26§4.1.2 系统结构和工作原理27§4.1.3定位系统硬件平台28§4.1.4 软件开发平台30§4.2无线传感器网络操作系统 TinyOS30§4.2.1 TinyOS 框架31§4.2.2 硬件平台抽象32§4.2.3 调度机制33§4.2.4 Nesc开发语言34§4.3 WSN定位系统设计35§4.3.1 嵌入式软件系统结构35§4.3.2?利用RSSI方法测距的定位机制36§4.3.3 CC2431定位软件的实现38§4.3.4 基于CC2430定位软件设计41§4.4 WSN定位系统实验44§4.4.1 节点布置44§4.4.2 测试结果与分析45§4.5 本章小结46第五章 总结和展望47§5.1 设计总结47§5.2 展望47参考文献48在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果51致谢52 第一章 绪论§1.1研究背景 人类进入21世纪以来,微电子机械系统MEMS,micro-electro-mechanism system、传感技术、集成电路、片上系统和网络通信等技术的快速发展,加速了具有现代意义的无线传感器网络12WSN,Wireless Sensor Networks的产生和发展,使得传感器本身的传感手段更丰富、处理能力更强、体积更趋小型化和微型化、系统组织形式网络化,同时功耗和成本显著降低,从而使无线传感器网络在军事、民用和工业生产等领域具有广阔的应用前景。现在,互联网为人们提供了快捷的通信平台,极大地方便了人们的信息交流。无线传感器网络丰富了人们的信息获取能力,将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起,在下一代互联网中将为人们提供最直接、最有效、最真实的信息。1999年的商业周刊和2003年的MIT技术评论分别将其列为2l世纪最重要的技术和10个将改变世界的技术之一。美国在20实际90年代就开始了传感器网络的研究工作,并首先在军方应用和推广。民用领域中,Crossbow公司的MICA系列无线传感器平台也已产品化和系列化。 我国目前对于无线传感器网络技术12的研究也投入了很大资金和人力,在信息产业科技发展“十一五”计划和2020年中长期规划(纲要)中将智能信息处理和物与物通信网络技术确定为网络与通信领域11个主要技术领域之一,把该技术确定为我国需要重点研究的技术,在纲要中其发展目标包括“重视RFID、传感器网络等物与物通信网络技术的研发,形成自主知识产权的核心技术和产品,打造完善的产业链,推广RFID和传感器网络技术在全社会的应用,形成一大批有示范效应的应用范例,为无处不在、人与物共享的网络应用奠定基础”。国家自然科学基金委员会也十分重视无线传感网络技术的发展,并且已经审批了无线传感器网络相关的多个重点课题。§1.2无线传感器网络定位技术 无线传感器网络的定位技术12是无线传感器网络3的研究热点之一。在无线传感器网络应用领域,我们有时候需要知道节点的坐标位置信息。位置信息对于无线传感器网络的监测十分重要。传感器节点监测的信息要和其坐标信息对应才算完成了一个监测对象的确认,所以确认事件发生的位置是传感器网络中最基本的功能之一。但是受到节点价格、体积、功耗以及硬件性能等因素的限制,造成了节点自身定位仍然是一个问题。这也成为了制约无线传感器网络技术发展的瓶颈。 在传感器网络发展起来前,传统的定位方法是用GPS系统实现定位。GPS系统需要接收机和空中几个卫星进行通信,GPS接收机通过接收的卫星信号来估算自身和卫星的距离。GPS系统对于接收机的时钟要求很高,要求和卫星时钟同步,而且接收机容易受外界因素干扰。另外GPS接收机本身结构复杂,价格较高,不利于小型化以及大规模的铺设,通常只能用于传感器节点较少而且对节点体积没有严格限制的有限的场合。 进入21世纪以来,无线网络技术得到了迅速的发展,无线传感器网络节点自身定位技术也有了很大的进展,取得了丰硕的成果。国内和国外一些科研单位对无线传感器网络自身定位问题有了许多创新的解决方案和思想。对于不同的问题和不同的应用就要采取不同的解决方案和算法。在实际应用中,针对不同的应用需求定位问题的解决方式也有所不同。总结来说,现行技术仍然存在着下列一些问题:定位技术要求的通讯开销很大;节点自身能量有限,对于算法复杂度和能量消耗之间要做出合理的方案采取;目前测距的方法缺乏高精确度;节点存在的误差会因节点数目太大而累积;定位所需要的时间会很长;移动节点定位技术不是很成熟。 尽管无线传感器网络技术发展十分迅速,也在很多领域得到了广泛的应用,但是总体来说仍然是处于一个起步阶段。目前除了需要对定位算法深入研究外,同时对于定位技术未来的热点进行预测,这些热点研究方向可能包括: 1)标准的仿真技术和仿真系统可用来模拟定位算法; 2)对于定位算法的性能评价,可以实现模型化和量化; 3)在变化的网络环境中,定位算法能够具有自调整的性能; 4)大规模或者超大规模网络自身定位的实现和节点定位的高精度的实现。§1.3论文的组织结构 无线传感器网络节点定位技术的研究具有非常重要的意义。本文对已有的无线传感器网络定位技术中基于距离的节点定位算法进行了深入的研究,详细分析目前的定位算法,并实现了对定位算法的仿真和定位系统的实验验证。论文组织如下: 第一章简要介绍无线传感器网络定位技术的研究技术背景和研究的意义。 第二章首先介绍了无线传感器网络的基本理论,然后对WSN体系结构详细介绍,随后介绍了WSN的特点和性能评价标准,最后就目前该技术的研究热点和典型应用作了简要介绍。 第三章介绍了无线传感器网络定位技术的基本原理,并且对目前几种典型的定位算法进行了分析,着重对基于距离的range-based定位算法进行研究分析,最后利用Matlab仿真,为后面的定位系统的实现提供了良好的基础。 第四章详细介绍了基于CC2430/CC2431射频芯片的定位系统设计,利用CC2431定位引擎实现了定位设计同时研究了在CC2430硬件平台上的定位算法,最后完成整个系统搭建并进行实验对测试数据进行分析。 第五章对整个设计进行总结和分析,并对WSN定位技术未来可能的研究热点进行展望。第二章 无线传感器网络§2.1无线传感器网络概述 无线传感器网络62537wireless sensor Network,WSN由许多节点组成,这些节点通过无线通信的方式形成一个多跳的自组织网络系统。无线传感器网络的目的是实现节点之间相互协作来感知监测对象、采集信息和处理感知对象的信息,并把监测信息通过传感器网络传给观察者。§2.2 WSN的体系结构§2.2.1 WSN的网络结构 WSN的网络系统110941一般由传感器节点sensor node、汇聚节点sink node和管理节点这三个节点组成的。在监测场地内,大量节点会随机地被布置在被监测场地。这些节点通过自组织网络构成网络,对网络分布区域内的各种监测对象进行实时监测和信息采集。传感器节点会将采集到的数据通过无线通信的方式发给下一个节点,这些节点之间的通信遵循无线通信协议。这些数据被逐跳地沿着节点间传输,在传输过程中也可能会多个节点处理。这些数据最终会汇聚在汇聚节点,汇聚节点会把这些数据通过互联网或者卫星等方式传给管理节点。用户可以通过管理节点实现对整个网络进行配置和管理,可以实现发布监测的任务让这些节点监测和收集数据。如图2-1所示是传感器网络的结构10。 无线传感器网络的节点一般情况下是一个微型处理器。但是由于节点体积小、价格高和电源供给有限等因素的影响,所以造成了节点自身的数据处理能力、通信能力和存储能力都十分有限。这些节点只能在自身通信范围内才能与其他节点进行通信。 传感器网络节点除了具有终端和路由功能两个网络功能外,而且还要对接收的数据进行存储、管理和融合等处理。在进行这些工作的同时,节点之间也要相互协作完成一些特殊的任务。相对于普通节点,汇聚节点在数据的处理和通信能力上都有了很大提升,其主要工作是作为传感器网络和外部网络之间的协调节点,这就需要汇聚节点具备转换这两种通信协议的能力。管理节点通过汇聚节点得到收集到的数据,同时把监测任务发送给汇聚节点,汇聚节点再把监测任务发送给各个节点。图2-1传感器网络体系架构§2.2.2 WSN的节点结构 WSN的基本组成单位是节点。传感器网络的每个节点集成有传感器数据采集单元模块、数据处理单元模块和通信传送单元模块。每个传感节点的作用就是感知数据、处理数据和传送数据。一个无线传感器节点一般由五个主要部分组成,如图2-2所示: 图2-2 无线传感器节点的主要硬件组成 1 控制器及存储器:控制器用来处理相关数据,同时控制整个网络的传感器节点操作。控制器及存储器不仅能存储采集到的数据同时还具有处理本身和其他节点发送来的数据的功能。 2 传感器和执行器:他们是与外围设备的真正接口,可以观测或控制环境的物理参数,负责监测区域内信息的采集和数据转换。 3 通信设备:负责与其他传感器节点进行无线通信,交换控制消息和收发采集数据。 4 能量供应模块:通常情况下,采用的是电池供电的方式。由于电池供电有时间限制,所以对于WSN节点的应用有很大的限制。§2.2.3 WSN的协议栈 网络层、应用层、传输层、物理层和数据链路层这五层组成了无线传感器网络的通信协议栈18的主要部分,它的协议栈模式和互联网的协议栈模式有着类似之处。无线传感器网络协议栈不仅包括了上述的五层,还包括移动管理平台、任务管理平台和能量管理平台。这些管理平台可以使节点低消耗高效率的方式工作,并且可以在节点移动的同时收发数据信息。其中任务管理平台用于管理多任务和资源共享。这个网络协议栈如图2-3所示:图2-3 WSN网络协议栈物理层 物理层的主要工作是负责频段的选择,信号的调制以及数据的安全处理等等。物理层的作用主要是信号的调制,包括信号的发送与接收。如果是远程通信,那么其成本和通信消耗会比较大,代价比较高。数据链路层 数据链路层主要负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制。该层用于解决信道的多路传输问题。通过数据链路层可以保证无线传感器网络中点到点或一点到多点的可靠连接。网络层路由的生成与路由的选择是由协议栈的网络层来实现的。应用层 根据应用的要求不同,应用层中可以添加不同的应用程序。应用层中可以包括一系列基于监测任务的应用软件。传输层 传输层主要用来数据传输,并控制数据流。该层用于维护传感器网络中的数据信息,来保证通信的服务质量。管理平台 管理平台包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台可以用来监控传感器网络中的能量利用、节点移动和任务管理。这些平台可以帮助传感器节点在较低能耗的情况下相互协作完成监测的任务。管理平台可以管理一个节点如何使用能量。§2.3 WSN的特点及性能评价§2.3.1 无线网络标准比较 目前应用比较广泛的无线网络标准67包括Wi-Fi、Bluetooth和ZigBee,下面表2-1给出了它们之间的性能参数对比。 表2-1 现存主要无线网络标准比较 Wi-FiBluetooth ZigBee 工作频率 2.4GHZ2.4GHz2.4GHz,868/915MHz 有效距离(m)25m100m10m左右10m100m 最大传输速率11Mbps1Mbps250kbps,20/40kbps电池寿命(天) 0.5至51至7 100至1000网络规模(个数) 327 255/65000 应用场合Email,Web,图像电缆替代品 控制,监测 性能评价灵活性,速度快方便,价格便宜低功率,可靠,成本低§2.3.2 WSN的网络特征 无线传感器网络12具有如下特点: 1节点硬件资源有限 由于节点体积小、价格高和功耗大等这些因素的限制,所以传感器节点的数据处理能力、存储空间和内存空间比一般的计算机要小很多。这就要求节点上运行的系统和程序不能太大太复杂。2 能量有限 节点自身携带电源能量有限,使用中不能通过更换电池或者充电的方式来提供能量,所以一旦电源能量耗尽,节点就失去了功能使用。 3 动态重构性及抗毁性 无线传感器网络可以动态重构。传感器节点可以随时加入或离开网络,任何节点的故障不会影响整个网络的运行,具有很强的抗毁性。 4 自组织性能 WSN的节点之间可以进行无线通信,节点之间遵循无线通信协议和算法协议来协调各自的行为,并且在通电的情况下能够快速的组成一个独立的网络系统。 5 通信能力有限 由于传感器网络所处的环境十分复杂,在应用中由于受到不可确定性的因素干扰很多,无线通信可能受到影响从而会频繁地出现通信中断的现象。 6 节点数量众多,分布密集在监测区域内,可以设置成千上万个传感器节点,通过设置分布密集的节点,利用节点之间连通性来保证系统的容错性能,减少误差和盲区。§2.3.3 WSN的性能评价 无线传感器网络的性能指标不仅是评价传感器网络的标准,也是传感器网络设计的优化目标。 1能源有效性:在有限的能源情况下,该网络能够处理的请求数量。 2生命周期:即工作寿命,从网络启动到无法为观察者提供所需信息为止所持续的时间。 3时间延迟:传感器网络的延迟时间是指当观察者发出请求到其接收到应答信息所持续的时间。 4感知精度:传感器网络的感知精度就是观察者接收到的感知信息的精度。 5可扩展性:传感器网络节点会由于外界的因素的干扰失去工作功能,这就要求这个网络能够让新部署的传感节点能够迅速加入网络,要求定位算法有可扩展的功能。 6容错性: 由于环境因素或者电源耗尽等原因,传感器网络节点会出现失效情况。由于传感器网络所处的环境特殊性或者其他原因,临时替换传感器节点往往是十分困难的,所以传感器网络的容错性也是一个重要的指标。§2.4 WSN的研究热点 随着传感器网络技术的迅速发展和技术越来越成熟,社会需求也随之增加。传感器节点的价格会越来越便宜,该技术的优势会显现出来的。从以上对无线传感器网络的描述来看,无线传感器网络技术会向以下两个方向发展:网络中的节点数目会越来越多。信息处理会向分散化趋势发展。 无线传感器网络的主要研究热点集中于包括时间同步、网络拓扑结构、定位技术、网络安全、数据融合、网络协议、嵌入式操作系统和应用层技术等方面。无线传感器网络技术有着广阔的研究前景,应用领域也会越来越广。§2.5 WSN的典型应用无线传感器网络技术与我们的生活密切相关。该技术已经广泛的应用到了军事、医疗、智能家居、环境以及其他商业用途,并且在深空探索、反恐和救灾等特殊的领域内有着独特的技术优势43。 1)军事应用方面 无线传感器网络在军事领域中应用很广泛。进入21世纪后,信息化成为各个国家发展军事重要的方面,谁在信息的获取、传输、处理上领先,谁就可以把握整个战争的主动权。 无线传感器网络有自组织网络的特性,可以在战场布置网络节点。这些节点自组网络,将战场的信息进行收集、传输和信息融合,然后将采集的信息作为情报信息参考。例如,布置节点到战场实现敌方地形和兵力及其装备信息侦查、战况实时监视、定位攻击目标、战场信息评估、核攻击检测和生物化学攻击等功能。 2)民用方面 随着信息技术的发展,无线传感器网络技术发展很迅速也越来越成熟。各种应用器件也发展很快,其成本也越来越低廉,并且这些器件的功能也越来越强大,使得该技术在民用领域方面也有很大的应用。在民用领域应用方面主要有: 1物联网 物联网通过各种信息传感设备来与互联网结合来组成一个巨大的网络。这其中也要用到传感器网络技术,实现各个传感设备自组网进行信息传递。 2 环境信息采集和观察 传感器网络可以在环境监测方面得到应用,用该技术可以来监测土壤的情况、水源灌溉的情况、森林防火、家禽生活状况和野生动物生活调查。 3 医疗护理 传感器网络在医疗领域可以对病人的病情变化进行监测,跟踪病者的行为,以及在医院的药物管理方面也有很大的应用。 4 家居智能 使用传感器网络技术将室内的电器、通信设备与安保防灾设备各自独立的功能进行综合为一体后,这样就形成了家居的智能化,能大大地改善我们的居住环境。 5 交通应用 无线传感器网络在交通领域的应用也很多。使用该技术可以实现随时检测车辆、道路车流量估算、路基路况探测等多方面的应用。无线传感网络在交通上的应用相对于传统的交通系统有着智能性和高效性的优势。 6 其他应用由于人类无法方便地在太空中对外星球表面进行实时监测,所以使用航天器在外星球表面布置大量的传感器节点从而可以能够实时的监测。另外无线传感器网络技术在反恐和救灾方面也发挥了自身独特的优势。 无线传感器网络越来越发挥其自身技术的优势,已经深入到了社会的各个方面。随着国家和社会对无线传感器网络技术的物质投入和人力投入,无线传感器网络技术的应用前景会越来越好。§2.6本章小结 文章首先介绍了无线传感器网络的体系结构,接下来分别对无线网络标准和传感器网络的特点进行了介绍,并在此基础上讨论了传感器网络的性能评价指标。最后,对传感器网络的研究热点及其典型应用做了简单介绍。第三章 无线传感器网络定位技术§3.1 WSN定位技术简介§3.1.1 基本概念 定位8就是确定位置。确定位置在实际应用中有两种意义,一种是确定自己在系统中的位置,另一种是确定目标在系统中的位置。在传感器网络中,节点定位技术就是无线传感器网络节点通过某种方法在基于已知节点位置信息的情况下来计算和确定未知节点或者目标节点的坐标位置的技术。在应用中,只有知道节点的位置信息才能实现对目标信息的监测,这就需要监测到该事件的多个传感器节点之间相互协作。只有正确的节点定位才是提供监测对象信息的前提。 在传感器网络应用场合中,节点的放置一般采取随机放置的方法。由于数目很多,不可能每个节点都要定位都要确定位置信息。所以我们一般采用对于其中的5%到10%节点使用定位系统,一般的方法是采用GPS定位设备来获得自身的精确位置。目前研究的主要方向包括两个方面,一个方向是利用锚节点基于定位算法来确认其他节点的位置,这些锚节点事先借助外部设备已经确定好了自身位置。另一个方向是事先设置好锚节点建立坐标系,其他节点随机摆放,然后再利用定位算法来计算未知节点的坐标位置。 我们传统的获得节点位置的方法是使用全球定位系统GPS来实现。但是GPS全球定位系统价格高、体积大、功耗大等因素制约,所以大规模应用十分困难。目前主要的研究工作是利用已知位置的锚节点通过定位算法来估算和确认其他未知节点的位置信息。§3.1.2 定位算法分类目前无线传感器网络自身定位系统和定位算法192442非常多,下面就对这些算法进行分类。 1 基于测距的定位和无需测距的定位 根据定位过程中是否需要测量节点之间的距离,把定位算法分为两类,一个是基于距离的Range-based定位算法,另一个是距离无关Range-free的定位算法。 基于距离的定位算法需要使用相邻节点之间的绝对距离,这就需要特殊的硬件系统来测量网络中的节点之间的距离,这是一个经济可行的定位方法。 距离无关Range-free的定位算法不需要测距,该算法仅仅依赖节点所接收到的通信信息,并且在锚节点的配合下利用包括质心算法、APIT算法、DV-Hop算法和Amorphous算法等算法来实现定位功能。 2分布式定位和集中式定位 分布式定位算法是将集中的计算量均匀分配给每个未知节点,这些节点通过和邻近节点的通信进行信息交换来估算自身的位置。集中式定位算法就是指在传感器网络中,中心节点(一般为计算机)来计算未知节点的位置,其他节点负责将数据信息发送到中心节点。 集中式定位算法相比分布式定位算法有着自身的优势,它可以从全局的角度来统筹规划,并且它的计算量和存储量没有限制,能够实现精确定位。但是它的缺点是由于通信能量消耗大,可能会造成节点能量过早消耗完,从而使得网络通信中断。而分布式定位算法实现了分布式计算,便于系统扩展。 3相对定位与绝对定位 相对定位通常是以无线传感网络中部分已知位置的节点为参考,建立整个网络的相对坐标系统。绝对定位和物理定位相类似,绝对定位的结果是一个精确的坐标位置,例如经纬度。绝对定位受节点移动影响较小,该技术有更广泛的应用领域。 4紧密耦合与松散耦合 紧密耦合定位系统指锚节点要被精确的部署在固定位置,并且他们要通过优先媒介连接到中心控制器,而松散型定位系统的锚节点就不需要中心控制器,采用分布式无线协调方式。§3.1.3 定位算法的评价标准 无线传感器网络定位技术的性能十分重要,我们是通过以下几个标准来评定定位技术的性能的。1定位精度 无线传感器网络定位技术首先要考虑到定位精度。比如,在基于距离定位的算法中,可以用定位坐标与实际坐标的距离来对比;在非距离定位的算法中,常用误差值和节点通信半径的比例来表示。2代价 定位算法需要很多代价,包括以下几个方面:(1)时间代价,包括一个系统的安装时间、配置时间、定位所需时间;(2)资金代价则包括实现定位系统的基础设施和节点设备的总费用;(3)硬件代价,包括一个定位系统或算法所需的基础设施和网络节点的数量、硬件尺寸等。 3规模 不同的定位算法适用的应用场合范围和规模也不同。大规模的定位算法可在大范围的场合应用,比如森林或者城市内;中等规模算法可在大型商场、小区和学校内可进行定位应用;小规模的定位算法只能在一栋楼内或者一个房间内实现定位应用。4定位覆盖率 在定位系统中,能够实现定位的未知节点的数目占整个未知节点数目的比例。5锚节点密度 锚节点通常需要人工部署,这些节点常常会受到网络部署环境的制约,会严重影响无线传感器网络应用的可扩展性。所以锚节点的密度严重影响整个传感器网络的