（计算机应用技术专业论文）基于zigbee的无线传感器网络定位算法的研究与应用.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 无线传感器网络集中了微机电、感知、嵌入式计算、分布式信息处理和无线通信 等技术，形成了一种全新的信息获取和处理模式。布局、覆盖、节点定位、网络通信 协议是传感器网络研究中的几个基本问题。其中，网络通信协议和节点定位问题是无 线传感器网络众多应用的前提，也是传感器网络研究中的热点问题之一。本文对基于 z i g b e e 协议的网络定位技术进行了研究。 首先，论文在分析无线传感器网络特点、体系结构的基础上，综述了z i g b e e 通信 协议的基本内容及其在组建无线传感器网络中的应用，阐明了z i g b e e 技术以其低功耗、 低成本、低速率等优点，成为了最炙手可热的无线通信技术之一，广泛应用于家庭智 能化、工业控制等众多领域。 其次，论文分析了当今主流的无线传感器网络定位算法的基本原理及其性能评价 标准和分类方法。对于通常的基于r s s i 的测距方法，着重分析了l q i 值对它的辅助作 用，采用二者相结合的方式进行测距。对于三边测量法计算复杂的情况，采用基于测 距的b o u n d i n g i n b o x 定位算法，并针对b o u n d i n g i n b o x 定位算法定位误差较大的情况 进行改进，改进出四信标节点b - b o x 加权质心定位算法，在m a t l a b 平台上进行仿真验 证，结果表明其平均定位误差有所下降。 最后，论文分析现有小区停车场管理系统对车辆位置监控的功能需求，以小区车 辆位置监控系统作为应用实例，在i a r 开发环境上利用c c 2 4 3 0 无线通信芯片实现了 传感器网络的组建，并在其上完成了改进算法的定位过程。测试结果表明，改进的定 位算法可以实现良好定位，精度较好。 关键词：无线定位算法，z i g b e e 技术，r s s i ，l q i ，b o u n d i n g i n b o x 定位，小区车辆位 置监控系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s tr a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n ) ，w h i c hi n t e g r a t et e c h n o l o g i e so fe m b e d d e dc o m p u t i n g ， d i s t r i b u t e di n f o r m a t i o np r o c e s s i n ga n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，l e a dt oan e wp a t t e r no f i n f o r m a t i o ng a t h e r i n ga n dp r o c e s s i n g t h ef u n d a m e n t a lp r o b l e m so fs e n s o rn e t w o r k sa r e d e p l o y m e n t ，c o v e r a g e ，l o c a t i o n sa n dn e t w o r k i n gp r o t o c o l s e s p e c i a l l y , l o c a t i o na n d n e t w o r k i n gp r o t o c o l sh a v eb e e nf o c u s e da st h eb a s i cp r o b l e m s ，a n dw e r ec o n s i d e r e dt ob e t h ep r e c o n d i t i o no fm a n ya p p l i c a t i o n so fs e n s o rn e t w o r k s t h ew s nn o d el o c a t i o n t e c h n o l o g yb a s e do nz i g b e ep r o t o c o li ss t u d i e di nt h i sp a p e r f i r s to fa l l ，o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h et r a i t sa n ds t r u c t u r eo fw s n ，t h et h e s i ss h o w s t h em a i nc o n t e n to fz i g b e ep r o t o c o la n di t sa p p l i c a t i o no nt h ec o n s t r u c t i o no fw s n t h e n t h et h e s i sa l s oe l a b o r a t e st h a tw i t ht h ea d v a n t a g e so fl o wp o w e r ，l o wc o s ta n dl o wr a t e ， z i g b e et e c h n o l o g yh a sb e e nt h eo n eo fv e r yh o tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，a n d h a sm a n ys o u n da p p l i c a t i o n ss u c ha si n d u s t r yc o n t r o la n d i n t e l l i g e n ti n d o o r ，e t c s e c o n d l y , t h i st h e s i sa n a l y z e st h ec u r r e n tm a i nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sb a s i c p r i n c i p l e s o fl o c a l i z a t i o n a l g o r i t h m ，a n d i t s p e r f o r m a n c e e v a l u a t i o ns t a n d a r d sa n d c l a s s i f i c a t i o nm e t h o d a st ot h el o c a t i o no ft h eu s u a l l yr s s im e t h o d s ，t h i st h e s i sa n a l y z e s t h ea u x i l i a r yf u n c t i o no ft h el q iv a l u e ，a n dp u t sf o r w a r dt h em e t h o do fc o m b i n i n gt h eb o t h r a n g e a st o t h ec o m p l e xc a l c u l a t i n gs i t u a t i o no ft h et r i l a t e r a t i o n ，t h i st h e s i su s i n gt h e b o u n d i n g i n b o xl o c a l i z a t i o na l g o r i t h mw h i c hb a s e do nt h el o c a t i o n a n dt h i s t h e s i s i m p r o v e st h es i t u a t i o no fl a r g ep o s i t i o n i n ge r r o ro fu s i n gt h eb o u n d i n g - i n b o xl o c a l i z a t i o n a l g o r i t h m b a s i n go nt h e s e ，t h i st h e s i sp u t sf o r w a r df o u rb e a c o nn o d eb b o xw e i g h t e d c e n t r o i dl o c a l i z a t i o na l g o r i t h m s ，t h e ne x a m i n e si t st r u eo rf a l s ei nm a t l a bs i m u l a t i o n p l a t f o r m ，t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ea v e r a g ep o s i t i o n i n ge r r o ri sd e c l i n e d f i n a l l y ，t h i st h e s i sa n a l y z e se x i s t i n gd i s t r i c tp a r k i n gm a n a g e m e n ts y s t e m sd e m a n d i n g f o rt h ef u n c t i o no f m o n i t o r i n gv e h i c l e ，a n dt a k e st h ed i s t r i c tv e h i c l em o n i t o r i n gs y s t e ma st h e p r a c t i c ea p p l i c a t i o ne x a m p l e ，t h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki se s t a b l i s h e dw i t ht h en o d eo f c c 2 4 3 0c o m m u n i c a t i o nc h i po nt h es o f t w a r ed e v e l o pe n v i r o n m e n to fl a r ，t h e nf i n i s h e dt h e i m p r o v e dl o c a t i o nt e c h n o l o g y t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h en e t w o r kn o d ec a nb ew e l l l o c a t e dw i t hg o o dp r e c i s i o nw i t ht h ei m p r o v e da l g o r i t h m k e y w o r d s ：l o c a t i o na l g o r i t h mf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，z i g b e et e c h n o l o g y ， r s s i ，l q i ，b o u n d i n g i n b o xl o c a t i o n ，d i s t r i c t v e h i c l e m o n i t o r i n g s y s t e m 西南交通大学曲南交迥大罕 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 权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密囱，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“v ”) 学位论文作者签名： 轩潺嚆 l、j 、j 日期：沙l 口年2 ) 丹i 目 指导老师虢砷终 日期六的智否月1 7 d 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 对z i g b e e 通信协议进行了系统研究，包括z i g b e e 协议的整体框架、协议栈各层 的特点、完整的协议栈结构等。针对市场上出现的各种协议栈，对t i 公司基于c c 2 4 3 0 芯片开发的精简版z i g b e e 通信协议栈进行深入研究，熟悉其中关键的网络通信原理以 及数据包处理机制； 着重分析了l q i 值对r s s i 测距方法的辅助作用，采用二者相结合的方式进行测距； 对于三边测量法计算复杂的情况，采用基于测距的b o u n d i n g i n b o x 定位算法，并针对 b o u n d i n g i n b o x 定位算法定位误差较大的情况进行改进，改进出四信标节点b b o x 加权 质心定位算法，并对改进后的算法优势进行仿真验证； 将z i g b e e 通信协议与改进的定位算法相结合，将其应用到定位系统的设计之中。 完成“小区车辆位置监控系统”的功能需求分析、系统的网络规划及相关软件的设计 与实现。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：专p 海瑙 日期：加i 口年占bi 弓& 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景 第1 章绪论 传感器技术、嵌入式计算技术和微机电系统等技术的进步，使得具有感知能力、 计算能力的微型传感器开始在世界范围内出现。微型传感器技术与飞快发展的无线通 信技术相结合，构成了无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) ，这引起了人 们的极大关注。无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理模式【1 】，它综合了传感器 技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感 知和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，在 获得详尽而准确的信息后，将其传送到需要的用户。由于无线传感器网络可以使人们 随时随地的获取想得到信息，所以它可以被广泛的应用到军事、环境监测和预报、健 康护理、智能家居、建筑物状态监控、机械监控、城市交通、空间探索等各种领域， 例如：在农作物生长环境监测中，可以将硬币大小的微型传感器模块布置在蔬菜大棚 的各个需要进行信息监测的位置，便可以方便的通过无线传感器网络，在农场办公室 实时监测大棚中农作物生长环境的各项参数。作为一个全新的研究领域，无线传感器 网络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的挑战性研究课题。 随着越来越多的科技人员开始对无线传感器网络产生更多的关注，很多挑战性的 课题被相继提出，定位技术就是其中的一种。在传感器网络的各种应用中，监测到事 件之后关心的一个重要问题就是该事件发生的位置1 2 j ，不知道传感器节点位置而感知的 数据是没有意义的。如对于突发的矿难事故，要知道下井人员的具体位置才能发起更 有效的营救；环境监测中要知道采集的环境信息所对应的具体区域位置。因此定位是 大多数应用的基础。 z i g b e e 是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它是一种介于无线标记技术 和蓝牙之间的提梨3 1 。其物理层和m a c 层协议采用了i e e e 8 0 2 1 5 4 协议标准，并在此 基础上进行了完善和扩展。其网络层、应用支持子层和a p i 的标准由z i g b e e 联盟制定。 近年来，国内越来越多的学校和公司开始关注这种短距离无线通信技术。 1 2 无线传感器网络概述 无线传感器网络就是通过人工布置、飞机布撒等方式，固定安放或随机部署传感 器节点到监测区域，各节点间相互通信自组织形成一个多跳的无线网络系统，从而协 作感知、采集和处理相应环境中感知对象的信息传送给监测者 2 1 。 无线传感器的体系结构通常由三部分组成：传感器节点、汇聚节点和管理节点。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 每个独立网络体系中可以有大量传感器节点及一个汇聚节点。在实际的监测环境中， 传感器节点相互之间通过多跳采集到的数据由汇聚节点传输到服务器上的管理节点， 供监测人员进行分析。 无线传感器网络有如下特征 4 j ：与无线网络有明显的区别，传统无线网络的设计主 要倾向于提高服务质量和高效带宽利用，而传感器节点存在电源能量有限、通信能力 有限及计算存储能力有限的特点，所以无线传感器网络主要考虑能源的高效利用。无 线传感器网络通常具有大规模网络、自组织网络、动态性网络、可靠性网络、应用相 关的网络及以数据为中心的网络等特点。 无线传感器网络可以应用在下面这些领域：军事应用、环境监测、预报系统、医 疗护理、智能家居和建筑物状态监控等方面。 1 2 1 无线传感器网络节点定位技术概述 传感器网络节点定位的目的就是通过对接收到的无线电波进行相关参数测量，再 根据特定算法给出各节点在平面或空间中的绝对或相对坐标【3 。全球定位系统( g l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) 5 是目前应用最广泛的定位系统，但g p s 定位成本比较高、 用户节点能耗比较大且需要在无遮挡的室外环境才能良好的工作。由于无线传感器网 络通常有大规模布撒、能量有限、体积及成本等条件的限制，在每个节点上都装备g p s 定位系统是不可行的。因此在传感器网络所在的复杂环境中必须研究采用特定的算法 进行传感器节点的自身定位。 近年来，无线传感器网络自身定位问题研究的进展十分可喜，取得了丰富的研究 成果。进入本世纪后，许多新颖的技术方案都能够解决无线传感器的自身定位问题。 但是每一种方案基本上都是针对不同的环境、不同的问题提出的，相互之间的通用性 较少，还需要我们不断的去开拓创新。总体上来看，定位技术仍存在下列一些问题： ( 1 ) 缺乏比较精确的测距方法。 ( 2 ) 定位的实时性较低。 ( 3 ) 存在误差现象，在大规模定位节点较多的情况下，误差将被放大。 ( 4 ) 传感器节点受距离、能量的限制，需要在算法复杂度与能量耗费之间寻求一种合理 的折中算法。 ( 6 ) 现今的定位研究大都是基于静态节点的研究，对于移动节点的定位研究较少。 ( 7 ) 目前的定位方法一般是基于二维平面的研究，应深入到三维或多维空间方向。 1 2 2zig b e e 的优势及应用 近年来，由于无线网络使用的方便特性，人们对短距离无线通信表现出极大的兴 趣，致使各种无线通信协议被相继提出。目前，成为业界谈论焦点的五种短距离无线 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 网络技术分别是z i g b e e 、无线局域网( w i r e l e s sf i d e l i t y ，w i f i ) t 引、蓝牙( b l u e t o o m ) 7 1 、 超宽频( u l n aw i d eb a n d ，u w b ) t 8 】和近距离无线传输( n e a rf i e l dc o m m u n i c a t i o n ，n f c ) 。 z i g b e e 是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它是介于无线标记技术和蓝牙之 间的提案，相对于其他几种技术有很多优势。z i g b e e 协议栈紧凑，具体实现要求很低， 只要8 位处理器再配上4 k br o m 和6 4 k br a m 等就可以满足最低需求，从而极大的 降低了成本。z i g b e e 无线网络平台最多可以容纳6 5 0 0 0 个无线网络节点。每个网络节 点间的通信距离可以从标准的7 5 m 扩展到几千米。节点模块之间具有动态组网的功能， 信息在整个z i g b e e 网络中通过自动路由的方式进行传输，从而使信息传输具有可靠性。 z i g b e e 网络同时支持a e s 1 2 8 加密，具有高保密性。 z i g b e e 技术填补了低成本、低功耗和低速率的无线通信市场的空缺，其成功的关 键在于丰富便捷的应用，而不是技术本身【3 】。z i g b e e 在工业控制、家庭网络、汽车自 动化、楼宇自动化、消费电子、医用设备控制等多个领域都有或将有广泛的应用，其 主要领域包括：建筑自动化网络；住宅安防系统，如火警的感测和通知系统、门禁系 统；工业控制网络，如生产机台之流程控制系统、无线仓库管理系统；远程抄表，如 小区水、电、气表的集抄系统；外设，如无线网卡、无线鼠标、无线键盘；信息家电， 如智能遥控器、智能空调系统一j 。 1 3 本文研究内容及结构安排 针对距离相关的传感器节点定位技术，新兴的z i g b e e 网络技术的优势以及基于 z i g b e e 技术的无线传感器网络定位系统的功能需求。本文做了相应的研究，主要工作 如下： 全面深入地对z i g b e e 通信协议做研究分析，包括z i g b e e 协议的整体框架、协 议栈各层的特点、完整的协议栈结构等。针对市场上出现的各种协议栈，对 t i 公司基于c c 2 4 3 0 芯片开发的精简版z i g b e e 通信协议进行深入研究，熟悉 及掌握其中关键的网络通信原理以及数据包处理机制。研究此部分的主要目的 是为设计定位系统中的网络结构和下位机软件做基础； 对无线传感器网络定位算法进行系统分析与研究，对各种距离相关的定位算法 进行全面比较分析，并进一步熟悉评价定位算法好坏的性能指标。在重点研究 距离相关定位算法的基础上，针对b o u n d i n g i n b o x 算法定位精度方面的不足进 行研究与改进，并对改进后的算法优势进行仿真验证； 将z i g b e e 通信协议与定位算法理论基础相结合，并将其应用到定位系统的设 计之中。完成定位系统的功能需求分析，完成系统的网络规划、下位机软件、 上位机软件及应用层软件的设计与实现，并将改进的算法融入到系统设计实现 中。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 尽量利用现有的各种设备环境，对定位系统的各个功能模块制定相应的测试方 案，并根据测试结果对各个模块进行一。1 。工4 - 台日匕v 评估和分析。 本文的组织结构如下： 第一章为本文的绪论部分，介绍了本文的背景知识和主要工作。 第二章为理论研究部分，首先系统介绍了传感器网络节点的定位算法，包括定位 算法的分类、基本原理和评价标准等；然后详细介绍了z i g b e e 技术的特点、协议栈规 范、组网原理和本文系统所采用的协议栈基础m s s t a t e p a n 协议栈应用程序。 第三章为定位算法改进部分，首先介绍了b o u n d i n g i n b o x 算法的基本思想，然后 着重分析了现有的距离测量技术，采用精度上稍有优势的r & l 测距方法，最后针对 b o u n d i n g i n b o x 算法的定位误差较大的问题，进行加权处理改进，改进出简便的四信标 节点b - b o x 加权质心定位算法，并对改进的优势进行了仿真验证。 第四章为定位系统的设计实现部分，首先进行功能需求分析，针对现有停车场管 理系统功能的不完善，在基于z i g b e e 基础的停车场管理系统上构建“小区车辆位置监 控系统”，然后，结合改进的定位算法对该系统进行了网络规划、下位机软件、上位机 软件及应用层软件的设计，并对各部分的实现进行了详细分析描述。 第五章为定位系统的功能测试部分，利用现有设备环境，对“小区车辆位置监控 系统”的各个模块制定相应的测试方案，并根据测试结果对各模块的性能进行评估与 分析。 最后，对本文进行总结，并提出有待解决的问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章无线传感器网络定位技术及z ig b e e 技术 2 1 无线传感器网络定位技术 2 1 1 无线定位相关的基本概念 信标节点( b e a c o nn o d e ) ：位置已知的节点，也称为锚节点( a n c h o rn o d e ) 。 未知节, 点( u n k n o w nn o d e ) ：位置未知的节点，也称为待定位节点( u n p o s i t i o n i n g n o d e ) 。 汇聚节点( s i n kn o d e ) ：将传感器网络节点发出的信息转发到传输介质上的节点。 邻居节点( n e i g h b o rn o d e s ) ：传感器节点通信半径内的所有其他节点。 跳数( h o pc o u n t ) ：两个节点间隔的跳段总数。 跳段距离( h o pd i s t a n c e ) ：两个节点间隔的各跳段距离之和。 连通( c o n n e c t i b l e ) ：节点间可以进行无线通信。 连通度( c o n n e c t i v i t y ) ：一个节点拥有的邻居节点数目。 信标节点密度( b e a c o nd e n s i t y ) ：无线传感器网络中信标节点数目与所有节点数目的 比值。 视距关系( 1 i n eo f s i g h t ，l o s ) ：两个节点间没有任何障碍物间隔，能够进行直接的 无线通信。 非视距关系( n o nl i n eo f s i g h t ，n l o s ) ：两个节点之间存在障碍物。 基于测距( r a n g e - b a s e d ) ：通过测量信号参数进行定位的方法。 非基于测距( r a n g e f r e e ) ：无需测量信号参数即可进行定位的方法。 2 1 2 无线定位算法的分类 无线传感器网络的定位算法可以按照不同的角度来进行分类，目前没有统一的标 准，下面列出的为当前经常采用的几种分类方法【1 0 。 1 ) 基于测距的定位和无需测距的定位 按照是否需要节点间的物理距离，定位方法可以分为基于距离的定位算法和距离 无关的定位算法【1 1 1 。前者需要测量节点间的绝对距离或方位，利用节点间的实际距离 来计算未知节点的位置，后者无需测量节点间的绝对距离或方位，而是利用节点间的 估计距离计算未知节点的位置。 2 ) 集中式计算和分布式计算 集中式计算是将所有计算位置需要的信息通过传感器节点采集后统一传送到中心 节点，然后在中心节点上进行计算，中心节点一般为服务器，在其上没有存储等性能 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 的限制，可以获得相对精确的位置估计【l2 1 。分布式计算是在节点间相互协调通信的基 础上，由节点根据得到的相关信息自行计算出自身位置的方式，不像集中式方法中靠 近中心节点的节点耗能过大，分布式定位算法有节点耗能均衡的优点，而且在有些情 况下由于条件限制，必须采用分布式定位方法。 3 ) 绝对定位与相对定位 绝对定位与相对定位的区别如同网卡的物理地址与口地址之分，前者的定位结果 为一个由经纬度表示的坐标位置，后者通常是以网络中的部分节点作为参考，建立整 个网络的相对坐标系统。例如，某个节点位于4 7 0 3 9 1 7 ”n ，1 2 2 0 1 8 2 3 ”w ，就是物理绝对 位置。而某个节点在某楼房的2 0 号房间，这就是相对位置。与绝对定位相比，相对定 位更适用于某些特定的应用场合，例如在安装有无线烟火传感器网络的智能建筑物中， 管理者更关心某个房间或区域是否有火警信号，而不是火警发生地的经纬度。 4 ) 递增式定位算法与并发式定位算法 根据节点定位的先后次序不同，把定位算法分为：递增式的( i n c r e m e n t a l ) 定位算法 和并发式( c o n c u r r e n t ) 定位算法。递增式的定位算法通常从信标节点，信标节点附近的 节点首先开始定位，依次向外延伸，各节点逐次进行定位，这类算法的主要缺点是定 位过程中累积和传播测量误差；并发式的定位算法中所有的节点同时进行位置计算。 2 1 3 无线定位技术的基本原理 对于不同的无线定位系统，测量的参数固然不同，实现定位的方法与技术也各异， 但从原理上来讲，无线定位机制一般由以下两个步骤组成：第一步，距离测量。直接 或间接测量节点之间的距离、方位或者其它连接性信息；第二步，空间位置的计算。 运用各种算法或技术来实现空间位置估计。在基于测距的定位方法中，两个步骤都是 不可缺的。在非基于测距的定位方法中，第一步通常可省略，或不需直接测量距离和 角度。 基于测距的定位方法中，常用的距离测量方式有四种，分别为基于接收信号强度 r s s i ( r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t o r ) 方法、基于到达时间t o a ( t i m eo fa r r i v a l ) 、基 于到达时间差t d o a ( t i m ed i f f e r e n c eo fa r r i v a l ) 和基于到达角度a o a ( a n g l eo f a r r i v a l ) ，通过此四种方法可以测得移动节点与参考节点之间的相对距离【1 3 】。 r s s i t l 4 】：已知发射功率，在接收节点测量接收功率，计算传播损耗，使用理论或 经验的信号传播模型将传播损耗转化为距离，该技术主要使用r f 信号。因传感器节点 本身具有无线通信能力，故其是一种低功率、廉价的测距技术，r a d a r 1 5 】、s p o t o n 1 6 】 等许多项目中使用了该技术。它的主要误差来源是环境影响所造成的信号传播模型的 建模复杂性：反射、多径传播、非视距、天线增益等问题都会对相同距离产生显著不 同的传播损耗。通常将其看作为一种粗糙的测距技术，有可能产生5 0 的测距误差 1 7 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 t o a 1 8 】：到达时间法通过测量信号传播时间来测量距离。若电波从信标节点到未 知节点的传播时间为t ，电波传播速度为c ，则信标节点到未知节点的距离为t c 。t o a 要求接收信号的节点知道电波开始传输的时刻，并要求节点有非常精确的时钟。使用 t o a 技术比较典型的定位系统是g p s ，g p s 系统需要昂贵、高能耗的电子设备来精确 同步卫星时钟。在无线传感器网络中，节点间的距离较小，采用t o a 测距难度较大。 同时节点硬件尺寸、价格和功耗也限制了t o a 技术在无线传感器网络中的应用。 t d o a ”】：该技术被广泛应用在无线传感器网络的定位方案中。无线传感器网络 在利用t d o a 技术测量节点间距时与蜂窝无线网络的移动台定位和机器人导航定位不 同，一般是在节点上安装超声波收发器和r f 收发器。测距时，在发射端两种收发器同 时发射信号，利用声波与电磁波在空气中传播速度的巨大差异在接收端通过记录两种 不同信号( 常使用i u 和超声波信号) 到达时间差异，基于己知信号传播速度，直接把时 间转化为距离。已有多种定位算法使用t d o a 实现测距。该技术的测距精度较r s s i 高 2 们，通常传播距离仅受信号传播的影响，可达到厘米级，但受限于超声波传播距离 有限( 超声波信号6 - 9 米，因而网络需要密集部署) 和n l o s 问题对超声波的影响，虽然 已有发现并减轻n l o s 影响的技术，但需要大量计算和通信开销，不一定适用于低功 耗的无线传感器应用。 a o a 1 2 】：该方法用角度测量代替距离测量。接收节点通过天线阵列或多个超声波 接收机感知发射节点信号的到达方向，计算接收节点和发射节点之间的方位或角度， 再通过三角测量法计算出节点的位置。如m i t 的c r i c k e tc o m p a s s 等项目【2 l 】中就利用 多个接收器提出了基于a o a 的硬件解决方案。a o a 技术虽然结构相对简单，但a o a 测距技术易受外界环境影响，且a o a 需要额外硬件，从硬件尺寸和功耗来看，不适用 于大规模的传感器网络。 基于测距的定位方法中，未知节点一般在获取自身到两个或三个以上信标节点的 距离后，就可以进行定位的第二步，进行空间位置的计算。比较常用的空间位置计算 方法【2 】有三角测量法( t r i a n g u l m i o n ) 、三边测量法( t r i l a t e r a t i o n ) 或极大似然估计法 ( m u l t i l a t e r a t i o n s ) 。 1 ) - - - 边测量法 在基于测距的定位算法中，三边测量法是计算坐标的基本途径。其主要原理是： 若未知节点m 到参考节点a 的距离为d l ，那么m 可能出现在以a 为圆心、d l 为半径 的圆上；若再知道m 到另一参考节点b 的距离d 2 ，那么m 可能出现在以b 为圆心、 d 2 为半径的圆上，m 可能出现在两圆相交的任意一个交点上；此时若再知道到m 第三 个参考节点c 的距离，在测距精确的前提下，以c 为圆心，d 3 为半径的圆一定与上述 两个圆交于一点，即可确定m 的坐标。三边测量法定位原理如图2 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 假设三个信标节点a 、b 、c 的坐标分别为( x l ，y 1 ) 、( x 2 ，y 2 ) 、( x 3 ，y 3 ) ，到未知节 点d 的距离分别为d l 、d 2 、d 3 ，假设未知节点d 的坐标为( x ，y ) ，根据二维空间距离 计算公式，可以获得方程组( 2 1 ) 。 l ( x 一一) 2 + ( y y 1 ) 2 = d i ( x - x 2 ) 2 + ( y - y 2 ) 2 = d 2 ( 2 - 1 ) l ( x 一屯) 2 + ( y 一儿) 2 = d 3 在方程组中，x 、y 是未知变量，这是一个非线性方程组，采用线性化的方法就可 以求解。由此解出d 的坐标( x ，y ) 如式( 2 - 2 ) ： ( ； = 2 ( x i - x 3 ；2 2 。( y y ：l - 一y 3 ) y 3 ，一( 要二薹2 ：蔓y 二y y ；：墨二凄d c 2 - 2 ， 2 1l z 。z ， l y )2 ( y 2 一 ) i z ；一x 3 +；一；+ d ；一；j 、7 三边测量法的缺点是：若在测距过程中存在误差，上述三个圆无法交于一点，以 存在误差的d 1 、d 2 、d 3 去解上述方程时便无法得到正确解。因此，在实际计算坐标时， 一般不采用上述解方程的方法，而采用极大似然估计或其他数值解法。 2 ) - - - 角定位法： 7 一、 、一b 、j 、一一。 、 ， 图2 - 2 三角定位法示意图 如图2 2 所示，已知a 、b 、c 三个节点的坐标分别为( x 。，y 0 、( x b ，y b ) 、( ) 【c ，y c ) ， 以及节点d ( x ，y ) 相对节点a 、b 、c 的角度分别为a d b 、a d c 、z b d c ，对于节 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 点a ，b 和a d b ，如果弧段a b 在a a b c 内，那么能够唯一确定一个圆，设圆心为 o l ( x o l ，y 0 1 ) ，半径为r l ，那么a = z ao , b = ( 2 万2 z a d b ) ，并存在下列方程组( 2 3 ) ： ( x 0 1 一x o ) 2 + ( 少。l y o ) 2 = ( 一) 2 + ( y 。l y b ) 2 = ( 2 3 ) i ( 屯一) 2 + ( y 。一) 2 = 2 ，i 2 2 2c o s a l 解之可得0 1 ( x o l ，y 0 1 ) 和r l ，同理可求得另外两个圆的圆一i i , 0 2 ( x 0 2 ，y 0 2 ) 、0 3 ( x 0 3 ， y o s ) 和半径r 2 、r 3 ，然后再利用三边测量法解算d 点坐标。 3 ) 极大似然估计法： 2 如图2 - 3 所示，己知n 个节点的坐标分别为( x l ，y 1 ) 、( x 2 ，y 2 ) 、( x 3 ，y 3 ) 、( x n ， f ( 五一工) 2 + ( y l y ) 2 = 砰 ； ( 2 - 4 ) i ( 一x ) 2 + ( y 。一y ) 2 = 彳= 雕，嚣m i 。2 22 。乏瑟m ( 2 - 5 ， 巾- z = 似。彳) 叫a 。b ( 2 6 ) 2 1 4 无线定位方法的评价标准 随着传感器网络研究的深入开展，其特点和优势日益显著，应用也越来越广泛， 定位算法的性能直接影响传感器网络的可用性，下面是在设计无线传感器网络定位算 法时需要考虑的一些问题 1 0 】： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 1 ) 定位精度 定位技术首要的评价指标就是定位精度，一般用误差值与节点无线射程的比例表 示，例如，定位精度为2 0 ，表示定位误差相当于节点无线射程的2 0 。 2 ) 规模 不同的定位系统或算法也许可在园区内、建筑物内、一层建筑物或仅仅是一个房 间内实现定位。另外，给定一定数量的基础设施或在一段时间内，一种技术可以定位 多目标也是一个重要的评价指标。 3 1 信标节点密度 信标节点定位通常依赖人工部署或g p s 实现。人工部署信标节点的方式不仅受网 络部署环境的限制，还严重制约了网络和应用的可扩展性。 4 ) 节点密度 在w s n 中，节点密度增大不仅意味着网络部署费用的增加，而且会因为节点间的 通信冲突问题带来有限带宽的阻塞。节点密度通常以网络的平均连通度来表示。 5 ) 容错性和自适应性 外界环境中存在严重的多径传播、衰减、非视距、通信盲点等问题。网络节点由 于周围环境或自身原因( 如电池耗尽、物理损伤) 而出现失效的问题。因此，定位系统和 算法的软、硬件必须具有很强的容错性和自适应性。 6 ) 代价 定位系统或算法的代价可从几个不同方面来评价。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。空间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。资金代价则包括实现一种定位系统或算法的基础设 施、节点设备的总费用。 7 ) 功耗 功耗是对w s n 的设计和实现影响比较大的因素之一。由于传感器节点电池能量有 限，因此在保证定位精度的前提下，降低功耗是比较重要的。 上述7 个性能指标不仅是评价w s n 自身定位系统和算法的标准，也是其设计和实 现的优化目标。为了实现这些目标的优化，有大量的研究工作需要完成。同时，这些 性能指标是相互关联的，必须根据应用的具体需求做出权衡，以选择和设计合适的定 位技术。 2 2zig b e e 技术 2 2 1z i g b e e 的起源及技术特点 近年来，随着人们对无线网络越来越多的要求，为了满足低功率、低价格无线网 络的需要，i e e e 标准委员会在2 0 0 0 年批准成立新的任务组，开始制定低速率无线个 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 人域v 习( l r w - p a n ) 标准。其目标是：在廉价的、固定或便携的、移动的装置中，提出 一个具有超低复杂度、超低价格、超低功耗、超低数据传输率的无线接入标准。这便 是i e e e 8 0 2 1 5 4 标准【2 】。它满足了低功耗、低成本的无线网络要求，制定了物理层和 媒质接入( m a c ) 层的规范。 在此基础上，为了在市场上使该技术有更广阔的应用，使不同厂家的设备能够遵 循一定的规范相互兼容，国际上几家大的电子设备制造商牵头，于2 0 0 1 年发起成立了 z i g b e e 联盟，旨在定义允许不同厂商制造的设备相互兼容的应用纲要，目前该联盟已 经拥有1 0 0 多家成员。z i g b e e 名称来源于蜜蜂的舞蹈，一群蜜蜂通过跳z i g z a g 形状的 舞蹈交换各种信息，蜂群里蜜蜂的数量众多，所需食物不多，与设计初衷十分吻合， 故命名为z i g b e e 2 2 j 。 z i g b e e 是z i g b e e 联盟建立的技术标准，实际上z i g b e e 和i e e e8 0 2 1 5 4 的关系， 有点类似于无线局域网和i e e e8 0 2 1 1 ，蓝牙和i e e e8 0 2 1 5 1 。“z i g b e e ”可以看作是 一个商标，也可以看作是一种技术，当把它看作一种技术的时候，它表示一种高层的 技术，而物理层和m a c 层直接引用i e e e8 0 2 1 5 4 事物是不断的发展变化的，尤其是 通信技术，可以想象将来的z i g b e e 可能不会使用i e e e8 0 2 1 5 4 定义的低层，就跟蓝 牙宣布下一代低层采用u w b 技术一样，但是“z i g b e e ”这个商标以及高层的技术还会 继续保留。 表2 1z i g b e e 主要技术指标 特性描述 数琶箕箩速 r 有2 0 k b s 到2 5 0 k b s ，专注于低传输应用 成本f 氐鼢乙出数据传输粹低协议镰髫大大刚盯成本。耻蟾渤议免 蜊氐 在低祧待机模式下淼誓篙粼牝年这也勉迢8 。e 时延短通常时延都在1 0 毫秒至3 0 毫秒之间 网络容量大 每爪z i g b e e 网络最多可支持2 5 潞篇嚣每爪z 适胝设备可以与另外 优良的网络 z i g b e e 具有组建星、树和丛网络结构的能力。z i g b e e 设备实际上具有无线网路自 拓扑能力 愈能力，能简单地覆盖广阔范围 有效删、有效覆盖胡1 0 - 聪7 5 尝篙嚣黧燃茹硼姚用模式 工作频段灵 使用的频段分别为2 4 g h z ( 全球) 、8 6 8 m h z ( g _ 炙洲) 及9 1 5 m h z ( 美国) ，均为免执照频 活段 害企 z i g b e e 提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用a e s 一1 2 8 ，同时可以灵活 一一 确常苴玄全属幛 z i g b e e 是一种工作在9 0