（计算机软件与理论专业论文）无线传感器网络rssi定位算法的研究与应用.pdf

摘要 无线传感器网络是2 1 世纪最重要的技术之一，利用传感器网络进行追踪和定位有 着重大的意义和广泛的应用，它被广泛地应用在军事侦察、环境监测、医疗健康、以及 工业商业等许多领域。定位技术是无线传感器网络的关键技术之一，对覆盖部署、拓扑 控制、路由通信和目标跟踪等影响甚大，贯穿了无线传感器网络各个环节。 本文以矿井安全监测系统为背景，详细地分析了r s s i 节点自定位算法在矿井环境 下存在多径效应、环境因子估计偏差、锚节点部署不均匀、定位算法重建关系数据库等 造成定位精度低和系统计算开销大等问题，并在基于r s s i 定位算法的基础上进行了改 进，融入了一维线性定位的思想，提出了距离比值计算法来对未知节点定位。改进算法 的主要原理是接收无线传感器节点信号强度，计算节点与基站间距离，采用距离比值进 行分析来反应出节点间的距离位置关系。改进算法采用了不同的计量方法，使得它更加 适合矿井井下巷道及开采面等一维线性环境。最后，在一维环境下进行了m a t l a b 算 法仿真和m i c a 2 节点实验工作，算法仿真和节点实验结果表明，改进算法对于环境更具 适应性，对于环境改变的情况，定位精度几乎不受影响，表现出了良好的可靠性和适用 性。 关键字：无线传感器网络，节点定位，距离相关，矿井安全 r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no nr s s il o c a l i z a t i o na l g o r i t h m f o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g i e si nt h e21s tc e n t u r y t h eu s eo fs e n s o rn e t w o r k sf o rp o s i t i o n i n ga n dt r a c k i n gh a sg r e a ts i g n i f i c a n c ea n daw i d e r a n g eo fa p p l i c a t i o n i ti sw i d e l yu s e di nm i l i t a r yr e c o n n a i s s a n c e ，e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g ， h e a l t h ，a n di n d u s t r i a lb u s i n e s sf i e l d s l o c a l i z a t i o nt e c h n o l o g yi so n eo ft h ek e ys u p p o r t t e c h n o l o g i e so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k , w h i c hh a sg r e a ti n f l u e n c ei nt h ed e p l o y m e n to f c o v e r a g e ，t o p o l o g yc o n t r o l ，r o u t i n gc o m m u n i c a t i o na n dt a r g e tt r a c k i n g a l s oi th a sp e r m e a t e d a l la s p e c t so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kt e c h n o l o g yr e s e a r c h b a s e do nt h eb a c k g r o u n do fm i n es a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e m ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h er s s i n o d es e l f - l o c a l i z a t i o na l g o r i t h mi nd e t a i l ，w h i c hh a st h e p r o b l e m so fm u l t i p a t he f f e c t ， e n v i r o n m e n t a lf a c t o r , e s t i m a t i n gd e v i a t i o n ，a n c h o rn o d e su n e v e nd e p l o y e da n dr e c o n s t r u c t i o n r e l a t i o n a ld a t a b a s e ，a l lo ft h i sr e s u l ti nl o wp o s i t i o n i n ga c c u r a c ya n dh i 曲c o s to fc a l c u l a t i o n t h i sp a p e ri m p r o v e st h er s s il o c a l i z a t i o na l g o r i t h m ，i n t e g r a t e st h ei d e ao fo n e d i m e n s i o n a l l i n e a rp o s i t i o n i n g ，a n dp r o p o s e st ou s ed i s t a n c er a t i om e t h o df o rl o c a t i n gu n k n o w nn o d e s t h e i m p r o v ea l g o r i t h m sm a i np r i n c i p l ei st or e c e i v es i g n a lo fw i r e l e s ss e n s o rn o d e st oc a l c u l a t e t h ed i s t a n c eb e t w e e nn o d e sa n db a s es t a t i o n sa n dc a r r yo u te m p i r i c a la n a l y s i so ft h ed i s t a n c e r a t i ot or e f l e c tt h ed i s t a n c eb e t w e e nt h en o d el o c a t i o n t h ei m p r o v e da l g o r i t h mu s e sd i f f e r e n t m e a s u r i n gm e t h o d s ，a n dm a k e s i tm o r es u i t a b l ei nm i n e r o a d w a ya n dm i n i n g f a c e o n e - d i m e n s i o n a ll i n e a re n v i r o n m e n t i nt h ee n d , o nt h ec o n d i t i o no fo n ed i m e n s i o n ，w ec a r r y o u tt h em a t l a ba l g o r i t h m se m u l a t ea n dm i c a 2n o d ee x p e r i m e n t ，a n dr e s u l t ss h o wt h a tt h e i m p r o v e da l g o r i t h mi sm o r ea d a p t i v et ot h ee n v i r o n m e n tc h a n g i n g t h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c y i sa l m o s tn o tc h a n g e dw h e nt h ee n v i r o n m e n tc h a n g e s t h er e s u l th a ss h o w ng o o dr e l i a b i l i t y a n da p p l i c a b i l i t y k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k , n o d el o c a l i z a t i o n , r a n g e b a s e d ，m i n es a f e t y i i 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学校 有权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。本人允许 论文被查阅和借阅。本人授权西北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。同时授权中国科学技术信息研究所等机构将本学位论 文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：指导教师签名 年月日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西 北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 ：凸： 恩。 学位论文作者签 西北大学硕士学位论文 第一章绪论 无线传感器网络技术是目前倍受关注的研究热点领域之一，其涉及多个学科并且知 识高度集成，它涵盖了微机电技术、嵌入式计算技术、自动化技术、无线通信技术、分 布式信息处理技术及现代网络技术等。无线传感器网络通过大量部署在监测区域内的各 种集成化的微小型传感器节点，它们进行协作实时监测、感知和采集各种信息，并且能 够在网内实现发送和接收信息，且有综合分析处理的能力，最终将分析处理后的信息通 过多跳无线通信的方式传送给终端用户，从而实现物理世界、计算世界、及人类社会的 相互连通，提高了人类认识自然和改造自然的能力。 1 1 研究课题来源及背景介绍 无线传感器网络的诞生是在上世纪7 0 年代，那时出现了传统的无线传感器网络， 它是采用点对点传输的方式连接起来的网络，这种简单的传输网络构成了传感器网络的 最初的模型。无线传感器网络技术作为一项新型的信息采集以及信息处理技术越来越被 国内外的专家学者和科研工作者所重视【l 】。无线传感器网络通过由大量具有通信能力和 计算能力的传感器节点单元组成，以多跳无线通信方式构成自组织网络系统，传感器节 点比较密集地散布在需要感知环境的监测区域中，它能智能的感知和采集监测区域的信 息。然后把这些信息进行分析处理并且传送，最后发送到远程，最后提交给终端用户， 为终端用户提供详尽而准确的信息【2 】。无线传感器网络带来了一种全新的信息获取和采 集技术，它广泛的应用在国家安全、医疗卫生、工农业控制及防灾反恐等领域，具有良 好的前景1 3 5 j 。 无线传感器网络先进的理念和很有潜力的应用前景受到了全球学术界和工业界的 广泛关注，其中1 9 9 9 年美国的商业周刊和2 0 0 3 年m i t 的技术评论1 3 】分别将无 线传感器网络技术评为2 1 世纪最重要的技术和将改变世界的1 0 大新技术之一。从2 0 世纪9 0 年代以来，无线传感器网络的发展经历了从最初的节点研制，紧接着是网络通 信协议设计，经过不断的发展，到现在智能群体研究阶段，它逐渐变为国内为的一个新 的科研热点，这就使得大量的科研工作者对其展开了全方位的研究，并且取得了多方面 的进展( 包括大量的节点平台和比较多的通信协议) 【9 16 1 。相关科研文献学术资料显示， 从2 0 0 0 年起国内外开始逐渐的出现有关无线传感器网络研究进展情况说明，接着在 2 0 0 3 年开始出现了大量的关于无线传感器网络的国际学术会议和期刊杂志，随后国内外 第一章绪论 开始建设比较专业的无线传感器实验室和期刊杂志社。 随着无线传感器网络技术的不断发展和它在现实生活中的应用越来越重要，关于它 研究不仅仅得到学术界的关注，同时得到了各国政府部门和各大商业公司的极大重视与 支持，并投入大量的资金。其中比较著名的有美国自然科学基金会投资3 , 5 0 0 万美元来 支持相关无线传感器网络的基础理论和基本技术的研究与应用。美国国防部的s e n s l t 项目1 1 0 ，微软公司2 0 0 0 年投入5 0 0 0 万美元用于研究编写大型无线传感器网络系统。 国内在传感器网络方面的研究起步较晚，上个世纪8 0 年代以来国内的一些研究机 构和大学展开了对无线传感器网络的基础理论和应用的研究工作，进行无线传感器网络 相关研究的国内机构包括中科院软件所、计算所、电子所、西北大学、沈阳自动化所、 以及哈尔滨工业大学、西北工业大学俄、国防科技大学等院校。2 0 0 4 年3 月，中科院和 香港科技大学共同组建了联合实验室，两个科研机构联合开展无线传感器网络的研究工 作，这就是比较著名的b l o s s o m s 项目，其主要目标是开展包括无线传感器网络从基 础层到应用层的研究。中国国家自然科学基金委员会在2 0 0 3 、2 0 0 4 设立了无线传感器 网络相关研究课题。从2 0 0 4 年起有更多的院校和科研机构加入到无线传感器网络的研 究工作中来，从目前国内对无线传感器网络的研究来看，大部分研究的理论和技术都取 得了一系列的发展，并且得到了有效的应用。 无线传感器网络在信息采集技术和信息传输方面具有明显的优势和巨大的应用前 景，但是由于其自身的特点，大量资源受限使传感器节点在网络设计和信息处理等诸多 技术领域面临着巨大挑战，而且目前还没有形成一整套完整的理论体系和技术准则来支 撑这一领域，因此，无线传感器网络给国内外学者和科研工作者提供了巨大的研究空间， 有待于更深层次的研究及应用。 1 2 无线传感器网络发展历程介绍 纵观无线传感器网络发展的历程，可以将它分为三个研究和发展阶段。 第一阶段主要是对无线传感器网络节点和平台的功耗、成本进行研究和开发，经过 大量的研究和开发出现了一系列的传感器节点和开发平台，其中最具有代表性的节点为 u cb e r k e l e y 的m o t e s 节点、m i t 研制的a m p s 节点等等。最为广泛应用的为m o t e s 硬 件平台和t i n y o s 操作系统。它们的组合使用给无线传感器网络的发展带来了更近一步 提升。 2 西北大学硕士学位论文 第二阶段主要是把无线传感器网络作为通信网络的特性研究，这个阶段设计和实现 了比较典型的通信协议为m a c 协议。相关资料和文献表明，无线传感器网在第一阶段 使用的通信协议为i e e e 8 0 2 1 1 ，并且在第一阶段对i e e e 8 0 2 1 1 协议进行了改进和发展 应用，使得它可以很好的支持节点能耗有效性能低和计算开销大等无线传感器网络应用 中的不足；在无线传感器网络发展的第二阶段，国内外研究人员和科学工作者们提出并 设计了大量的适应无线传感器网络特点的通信协议，例如：m a c 协议、路由协议、节 点传输协议等等。 第三阶段着重是对中间件的研究，中间件是在无线传感器网络应用中进行翻译和解 释工作的过程软件。这个阶段还包括对群体智能行等的研究。由于后期大量的资金投入， 基础理论的不断发展和应用领域的拓宽，使得无线传感器网络得到了飞速的发展，促进 了无线传感器网络这个专业领域在实际生活中的应用普及。 1 3 研究内容和主要工作 无线传感器网络具有非常广泛的应用前景，特别是应用在环境监测领域。将无线传 感器网络部署在矿井井下巷道及开采面上，可以实时对井下人员统计、定位和对井下高 危环境实时监测等。 本文重点研究无线传感器网络在矿井安全监测系统中的节点自定位算法。对二维环 境下的r s s i 定位算法进行了优化和改进，融入了一维线性定位的思想，采用了不同的 计算定位的方法( 距离比值计算定位法) ，首先接收到的无线传感器节点发送的信号强 度，然后通过对数距离衰减模型来计算未知节点与基站之间的距离，最后进行距离比值 计算，分析处理计算结果达到节点的定位。r s s i 定位算法在节点定位时，基站接收到 节点的信号强度受环境的影响比较大，在环境改变的情况下，接收到的信号强度值波动 比较大，所以r s s i 定位算法的准确性和定位精度不高。改进算法是采用距离比值计算 进行定位的，它的定位精度受环境的影响比较小，而且不需要建立关系数据库，大大地 节省了系统的计算开销、定位时间、和节点功耗，改进算法中添加测距校正，这样就提 高了计算距离的准确性，进而提高了算法的定位精度。由于改进算法是针对矿井井下巷 道和开采面上，节点分布一般为带状，因此改进算法是基于一维线性环境的定位算法。 改进算法是采用m a t l a b 来进行算法仿真分析和m i c a 2 节点实验来模拟实地实验 的，经过多次试验，得出改进算法对环境的变化几乎没有影响，平均定位误差远远小于 r s s i 定位算法，体现了改进算法的对矿井井下环境良好的适应性和优越性，挺高了算 3 第一章绪论 法的精度。 无线传感器网络r s s i 改进算法的具体算法思想，定位精度、节点误差分析、及实 验模拟分析、将在后续章节中阐述。 1 4 论文的主要内容 全文共分为六章，具体内容如下： 第一章绪论阐述了本文的课题背景和研究内容，分析了无线传感器网络在现今网 络技术中的重要性，介绍了本文的主要工作。 第二章整体介绍了传感器网络的体系结构、节点结构和限制、无线传感器特点及 应用领域。并且对矿井安全监测系统进行了简要的介绍。 第三章综述了无线传感器网络定位算法和系统的基本概念、基本原理以及计算方 法，对目前提出的节点定位算法进行了分类，并且对典型的自定位算法进行了原理介绍 和分析比较。最后简单的介绍了对定位算法的性能评价标准。 第四章主要是对基于r s s i 定位算法进行了改进，阐述了改进算法的基本模型，提 出了改进算法的定位方法，证明了改进算法的理论正确性，分析了改进行算法的理论误 差，总结除了改进算法的优点。 第五章首先通过采用m a t l a b 仿真软件对改进算法和r s s i 定位算法仿真分析， 然后进行了m i c a 2 节点，分析和总结实验结果。并将其结果在定位误差、系统计算开销、 锚节点密度、功耗等方面进行比较。 第六章对整篇文章进行了总结并提出了今后的工作展望。 4 西北大学硕士学位论文 第二章无线传感器网络简介 2 1 无线传感器网络体系结构 2 1 1 传感器网络结构 无线传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和任务管理节点( 终端节点) 对象。这三种节点在无线网络中有着不同的分工和作用。且各个传感器网络节点相互协 作( 收发数据信息) 共同构成了无线传感器网络的物理层支持平台，它们通过相互通信 共同完成传感器网络的定位和监测任务。通常情况下，全部或者绝大部分无线传感器节 点随机部署在监测区域内。在监测区域进行节点任务时，无线传感器网络的节点根据 m a c ( m e d i a , 4 c c e $ sc o n t r 0 1 ) 协议和相关的路由协议将物理数据采集得到并且通过 数据通信传送到终端节点，普通节点在信息通信过程中，把采集的信息都先传递给汇聚 节点，汇聚节点在传输给终端节。，最后通过i n t e m e t 或其它通讯设备传送到系统管理中 心，系统管理中心进行信息处理分析，总结出有效的监测结果。实质上讲，传感器节点 通常是一个微小型嵌入式智能系统，由于硬件的限制或受环境等的影响，所以它的数据 计算处理能力、存储能力、和通信的能力相对比较弱，通过携带有限能量的电池供电而 导致节点发射信号和接受信号的能力一般比较弱，这样就使得传感器节点相互通信时， 节点间的距离不能太远，节点间的通信通常为相邻节点，通过多跳路由的方式对数据进 行传输和转发。相对于普通节点而言，它可以被看做节点数据传输过程中的中间站，汇 聚节点的计算、存储、通信能力较强，它连接传感器网络与万维网等外部网络，通过对 传输协议翻译和解释，从而实现不同协议栈之间的相互通信协议转换，与此同时，它接 收到任务管理中心的任务信息并且发布监测任务，并把从普通节点收集的数据信息转发 到外网到任务管理节点。图2 1 描述了无线传感器网络的基本体系结构，如果是特定的 应用环境，或者是需要特殊的网络条件，网络的结构可以有所不同。 5 第二章无线传感器网络介绍 感器节点 图2 1无线传感器网络的基本体系结构 图2 2 表示的是无线传感器网络协议层次结构【 】。在这个无线网络的层次结构中， 无线传感器网络各层都有三个管理任务，它们分别为：能量管理、移动管理和任务管理。 由于各个网络层次的应用管理协议和分工不同，各有各的管理侧重点，并且相互协作管 理。这就使得各层之间更好的达到和谐管理。其中应用层主要实现任务管理，当然也实 现其它管理，传输层主要考虑移动管理等。而能量管理则主要由数据链路层与网络层来 实现完成。各层没有特定的管理功能，比如应用层和传输层都可实现移动管理。 应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 能 且 里 管 理 掣 理 图2 2 无线传感器网络协议结构 2 1 2 传感器节点结构 传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块以及能量供应模块相互协作 组成。他们各负其责，发挥自己的作用，实现自己的模块功能，无线传感器节点结构图 如图2 3 所示。其中传感器模块负责信息采集和数据转换，它把采集到得物理信息转化 为数字或模拟信息，把这些数据信息交给处理器模块，为处理器模块处理和存储数据提 供方便，处理器模块处理发来的数据，并且它控制整个无线传感器网络节点的操作，它 主要是对节点自身存储或转发的数据信息进行处理分配。无线通信模块主要负责节点与 6 西北大学硕士学位论文 其它设备或和与之相连通的传感器节点进行无线信息通信，能量供应模块为传感器节点 提供运行所需的能量，保证以上三个模块正常的工作，目前来看，无线传感器网络节点 一般都采用体积比较微小的电池或其它供电设备。 传感器模块处理器模块 无线通信模块 f 1 懒怄一恻伽丑叵陋 j x 千 l 能量供应模块 图2 3 无线传感器节点体系结构 2 1 3 传感器网络节点硬件结构 随着无线传感器网络的不断发展，新的传感器节点硬件大量涌现，无线传感器的硬 件的设计也略有不同，因而使得无线传感器网络节点有着不同的硬件结构和层次，通常 情况下，但节点的硬件可以分为最主要的四个部分，它们分别为：数据采集、数据处理、 数据传输和电源。 数据采集由传感器和模数转换器两个部分，当首先传感器用于感知、采集外部区域 的有效信息，然后通过模数转换器把物理信息转换成数字信号，它的类型是由被监测物 理信号的形式来决定了。数据处理部分主要有两部分组成，它包括嵌入式微处理器、存 储器，嵌入式微处理器负责协调处理节点各部分的工作，存储器负责存储处理器在处理 过程和完毕之后的数据信息。传感器节点一般选用的嵌入式微处理器有a t m e i 公司的 a t m e g a l 2 8 l 、m o t o r o l a 的6 8 h c l 6 8 、a r m 等等。数据传输单元主要负责与其他传感 器节点的通信，它由低功耗、短距离的无线通信模块以及天线组成，比如c h i p c o n c h i p c o n 公司的c c l 0 0 0 等。电源是为传感器提供正常工作所必需的能源。图2 4 描述了节点硬 件的组成。 7 第二章无线传感器网络介绍 图2 4 无线传感器节点硬件构成图 2 2 无线传感网络的特征 2 2 1 与现有无线网络的区别 由于无线传感器网络有很多自身的提点和它提出了一种新的数据采集和传输的通 信机制，并且能够在比较复杂的环境中进行信息采集和处理。下面我们以无线传感器网 络和移动自组网络a d h o c 做比较，体现出无线传感器网络的是一种比较优秀的无线传 输网络。 移动无线自组网( m o b i l ea d h o cn e t w o r k ) 是一个一般由几十个到上百个节点组 成、采用动态组网、无线通信方式的多跳路由的移动对等网络，它与无线传感器网络相 比，无线传感器网络的部署的节点要远远多于a d h o c 网络，无线传感器网络节点一般 由几万到几十万个传感器网络节点够成，数据通信和计算量相当的大，它是由无线通信、 控制和监测相互协作而集成的自组织网络系统，在传感器网络节点数量比较庞大且它们 是随机部署的，这样就会导致传感器节点分布比较稠密，从而由于容易受到环境影响以 及自身能量的限制，传感器节点很容易出现故障，导致节点离开整个无线传感网络；如 果传感器网络受到环境的干扰或者自身节点出现故障，那样就会容易造成网络拓扑结构 的变化；在大多数情况下，传感器网络节点位置是固定不变的。在设计传统无线网络时， 一般情况下，最先考虑的是提供高质量的服务和比较高的设备利用率，然后才考虑节能，； 如a d h o c 网络，而设计无线传感器网络时，设计者们最先考虑的可行性分析是能量的 利用率、节点的功耗问题。因此，它作为与先前网络最大的不同之处，同时也是我们将 来研究的方向【1 引。 2 2 2 无线传感器节点的限制 任何研究热点在研究以及应用时都存在理论和实践的差异，无线传感器网络研究也 8 西北大学硕士学位论文 不例外，它在具体实践和现实实施时，主要会出现以下的一些可行性约束。 1 电源能量有限 由于传感器节点是一个微小型智能节点，而且它所携带的电池的能量十分有限；一 般情况下，要求传感器节点个数比较多，节点越小而导致整个无线网络的造价小。无线 网络部署区域比较广泛，而且通常情况下无限传感器网络部署是在相对比较复杂的环境 区域中，所以，节点能量有限的情况下，想通过更换传感器节点电池的方式来给传感器 节点补充能量是不切合实际的。传感器节点中有三个主要消耗能量的模块，它们分别是 传感器模块、处理器模块以及无线通信模块，其中无线通信模块消耗了绝大部分能量来 用于收发信号。 2 计算能力和存储能力有限 无线传感器节点在设计和应用中，大多数情况下，主要要求它价格低、功率小节点 消耗能量小，这些实际应用中的要求和限制必然导致节点所携带存储器容量小，这就使 得无线传感器网络的处理器处理能力相对比较弱。而在实际监测应用中，传感器节点需 要完成监测数据的采集和模式转换、数据的管理和分析处理、应答汇集节点的任务请求 和完成节点控制等工作，都需要有比较快速的计算和存储能力，这样就显示出了无线传 感器网络的不足，确定今后无线传感器网络发展的方向。随着低功耗电路和系统设计技 术的不断提高，到目前为止，国内外已有大量的超低功耗的微处理器，处理器不仅可以 降低在处理过程中的绝对功耗，而且还可以支持动态频率调节和模块化供电功能。因此， 利用处理器的这些特性，传感器节点的操作系统设计简单的可以分为两个动态模块，它 们分别为动态能量管理模块和动态电压调节模块，动态能量处理模块通过传感器节点的 工作状态智能的分配能量，当需要接收和发送节点信号时，分配比较充足的能力用以完 成这项任务，无线传感器节点比较空闲时，动态能量管理使得传感器节点模块组件关闭 或调到跟为低能耗的状态。当计算负载较低时，动态电压调节通过降低微处理器的工作 频率和工作电压来调低处理能力，进而节约微处理器的功耗和能耗；当节点周围没有网 络感兴趣的事件发生时，大部分的模块处于空闲状态，这两个模块可以更为高效地利用 传感器节点资源。 3 通信能力有限 无线通信的能量消耗与通信距离的关系为公式( 2 1 ) ； e = k d 刀 ( 2 1 1 9 第二章无线传感器网络介绍 公式2 1 中e 为消耗的能量，k 为系数，d 为通信距离，参数嚣满足2 n 4 。r 的取 值受外部环境的影响，当无线传感器节点的摆放靠近地面时，由于受到地上的复杂环境 的影响，使得，z 值比较大，值得注意的是，天线质量对信号发射质量的影响也很大。综 合考虑诸多的外部因素，一般将刀取值为3 。因此随着无线网络的通信距离的增加，能 耗也将呈三次方急剧增加。在满足通信连通度的前提情况下，传感器节点应该尽可能的 增多跳变的通信距离。无线传感器节点的无线通信带宽有限，一般节点的带宽只有几百 k b p s 。由于受节点能量的变化及复杂监测环境的影响，节点的通信性能会不断的变化， 在这些对无线传感器实现功能不利的情况下，无线网络节点通信可能会频繁出现信号中 断，造成整体网络性能下降。在现有节点有限的通信能力通信环境、以及考虑到无线传 感器网络应用在相对比较复杂环境下，如何设计一个良好的网络通信机制来满足传感器 网络的相对比较稳定信息通信的无线传感器网络是今后主要研究的重点，同时也给无线 传感器网络的发展所带来了的重大挑战。 2 2 3 无线传感器网络特点 无线传感器网络除了有传统无线网络的通信能力、电源有限之外，还有很多自身的 特点，例如，节点数量大，节点能源有限等。 线传感器网络具有以下特点： 1 多跳路由。在无线传感器网络中，各节点通信距离的很有限，节点只能与它的 相邻的邻居节点直接通信。无线传感器网络与固定网络相比较时，它一般采用特定或专 门的路由设备，是由普通网络节点的接收和转发完成多跳路由的，从而就使任何一个传 感器节点既是所采集和传播信息的来源，同时也是和相邻节点信息传递的中间站。 2 动态拓扑。无线传感器网络是一个动态的网络，网络中的节点可以随处移动； 当节点移动时就会导致网络拓扑的变化，这样就影响了整个网络。影响网络拓扑的几个 因素为：节点故障或可能会因为受环境的影响而失效，进而退出整个网络运行；在这些 情况下，都会使无线传感器网络的拓扑结构随时就会发生变化，同时，这样无线传感器 的自组织性要能适应网络拓扑的变化。 3 硬件资源有限。节点由于无线网络固有的那些限制，它的计算能力、通信能力 比较弱。因此，在设计无线传感器网络节点操作系统时，协议层次通常不能太复杂。如 果太复杂，就会影响整个系统的效率。 4 电源容量有限。在无线传感器网络中，节点由电池供电，从前面的分析中，节 1 0 西北大学硕士学位论文 点的电池的容量通常比较小。其特殊的应用环境和领域决定了在使用网络的过程中，不 能给电池充电或更换电池，当电池中的能力耗尽时，节点也就随即离开了网络，因此在 传感器网络研究和设计过程中，节能是最为重要的前提和标准。 5 无中心。在无线传感器网络中，节点在通信过程中没有一个严格的设备或节点 是众多节点的控制管理中心，所有网络节点的地位都是平等，是一个平行的对等式网络。 当节点失效时可以离开或有新的节点是也可以随时加入，当任何一个节点出现故障时， 都不会影响到整个网络的正常运行，它具有很强的抗毁性和容错性。 6 节点数量众多，为了获取精确信息或者为了对一个区域执行监测任务，传感器 节点往往有成千上万，甚至更多，所以，一般情况下在未知监测区域节点密度是相对比 较大的。 7 自组织。在传感器网络中，一般情况下传感器节点被放置在没有任何基础结构 的地方，各节点的位置不能预先确定，节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为， 能够自动进行配置管理，可以快速、自动地组成一个独立的网络。 2 3 无线传感器网络在矿井安全监测系统中的应用 2 3 1 矿井安全监测介绍 随着我国经济的迅速发展，能源的需求量增大，煤炭事业的迅猛发展，煤炭行业的 重要性和不可替代性也日益凸现，日益增多的矿井和随之而来矿井事故，使得依靠更多 人力来进行矿井监测的时效性和准确性已无法达到矿井安全标准。怎样提供更高效的安 全性和实时性成为了急需解决的问题。利用矿井安全监测系统来提高矿井井下环境、人 员的安全性，己经是我国矿井监测系统的发展方向。 矿井监测系统通过将信息技术、无线传感器网络技术、自动控制理论、运筹学、人 工智能等有效地综合运用。使矿井安全监测系统实现智能化。实现“监测员一设备一井 下环境一井下工作人员的密切结合，从而可以极大的提矿井井下环境和人员的安全性、 系统的工作效率、环境质量和能源的利用率。 矿井监测系统是在传统系统的基础上发展起来模型，主要由以下几部分系统功能组 成： 1 井下巷道的干道和支道地图查询系统 根据采矿的需求，井下巷道的规划，以井下巷道的干道及支道路径绘制地图，然后 模拟量化存入数据库用于数据分析。井下巷道的具体布局能够以地图形式展现出来，并 第二章无线传感器网络介绍 且具放大、缩小、标尺测距、视野控制、地图打印等功能。 2 节点定位系统 主要采用r s s i 经验模型定位算法对井下巷道环境进行实时监测、井下人员的实时 定位及查询监测，以便管理控制系统制定高效的安全策略，定为过程与微软公司在2 0 0 1 年开发的基于r s s i 定位算法的室内定位系统r a d a r 类似。r s s i 定位算法的定位过程 为：在监测区域总部署三个基站，基站和用户节点均配有无线网卡，接收并测量信号的 强度，用户节点定期发送信号分组，其发射信号强度已知，各基站在实际定位前，在待 定位环境内选取若干个锚节点( 信标节点) ，锚节点地位置坐标己知，记录在这些锚节 点在各基站接受到的信号强度和坐标并建立关系数据库，定位时，基站根据接收到未知 节点的信号强度并且数据库中的锚节点进行比较分析，得出和未知节点接收信号强度平 均差值最小的那个锚节点的坐标即为未知节点坐标。本文主要针对该定位算法即r s s i 定位算法进行了改进。 3 实时报警系统 通过对接收信号强度的分析，实时的判断环境的安全情况，如通过传感器节点得到 数据表明井下缺氧、瓦斯浓度过高、井下工作人员被困等，经过节点过数据分析实时得 出结果，及时报警。 2 3 2 无线传感器网络的应用领域 无线传感器网络的用途很广，主要的应用有如下的几个领域。 1 军事领域 传感器网络具有可快速部署、自组织性、隐蔽性强和高容错性的特点，因此它非常 适合于军事应用，而且传感器网络研究最早起源于军事领域。 用于军事领域的无线网络部署比较困难，一般通过飞机撒播或炮弹直接将传感器节 点播撒到敌方阵地内部，收集到有用的微观数据，及时提供情报信息，有利于正确防范 和实施有效的攻击。 2 医疗应用 无线传感器网络在医疗方面也有很重要的应用，采用它在医院病房实时监测，对医 药实验进行跟踪和实时监测人体的各种生理数据等。在病人身上采用专用的医疗无线传 感器设备可以实时的测量病人的血压和心率等等，主治医生或专家可以及时的进行分析 和救治。 1 2 西北大学硕士学位论文 3 环境科学应用 自从上个世纪8 0 年代以来，人类看到了环境对生存生活得重要性。随环境科学所 涉及的范围越来越广泛，人类对环境的研究也越来越细致，但是通过传统方式采集原始 数据是一件比较困难的工作。根据无线传感器网络自身的特点，传感器更好的应用在了 环境领域，例如，传感器网络在环境研究方面可用监视土壤空气情况、家禽的环境状况等。 基于传感器网络的a l e r t 系统中就有数种传感器来监测降雨量和土壤水分等，并依此 预测爆发山洪的可能性等气象研究【1 9 1 。 4 空间探索应用 探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想，在太空中或外部星球上布撒的传感器网 络节点来实现对太空或外部星球表面长时间的监测，从目前来看，这是一种在技术在实 际的科学探测中起到了巨大的重要，一定程度上促进了科技的发展，和人类对宇宙空间 的探索。 5 其它商业应用 传感器网络的特点决定了它在商业领域应该也会有不少的发展机会。如城市车辆监 测、智能交通以及跟踪系统中成功地应用了无线传感器网络。世纪各国都对传感器网络 进行了大量的资金投入，促进了其商业化得进程。无线传感器网络将会孕育出全新的设 计和通信模式【2 0 】来更好的增大商业的用途。 2 4 本章小结 本章对无线传感器网络做了全面地介绍。首先对无线传感器网络的概念、体系结构 作了详细的论述，分析了传感器网络的特点，然后介绍了无线传感器网络在矿井安全监 测中的应用。最后详细的介绍了无线传感器网络主要应用领域。 1 3 第三章无线传感器网络节点定位算法介绍及分析 第三章无线传感器网络节点定位算法介绍及分析 本章首先描述了无线传感器网络节点定位算法的基本原理、分类和计算方法、以及 定位技术中的关键问题，作为后续章节讨论的基础。然后描述和分析了几种典型的无线 传感器网络定位算法和系统，并且进行了比较分析。最后总结出了算法系统的性能评价 标准。 3 1 无线传感器网络节点定位的基本原理 获得传感器节点位置信息的直接想法是使用全球定位系统( g p s ) 来实现。但是，由 于传感器节点的数量非常大，达到几千甚至数万，成本非常高。另外，传感器节点是采 用电池供电，其能量不仅非常有限，而且无法补充。因此，不适宜在每个节点都装备高 能耗的全球定位系统设备。目前的主要解决方法是利用少量已知节点( 采用g p s 定位 或者预先放置的节点) ，利用节点定位算法，通过与未知节点进行数据收发来获得节点 的位置信息。 3 1 1 基本概念描述 在传感器网络节点定位技术中，根据节点的位置是否已知，可将传感器节点分为未 知节点“u n k n o w nn o d e ”和锚节点“a n c h o r ，其中未知节点为传感器网络中待确定位置 的节点，也可以称为待测节点；锚节点也称为信标节点“b e a c o n ，也可以称为参考节 点，一般地，它是通过人工部署，并能帮助未知节点达到定位。考虑无线传感器网络成 本造价以及能源功耗等的限制，锚节点在网络节点中所占的比例通常很小。图3 1 为无 线传感器网络中的锚节点和未知节点位置示意。 锚节点。未知节点 图3 1 无线传感器网络中的锚节点和未知节点 一般地，邻居节点是指在一个节点通信半径内与之相连通或通信可达的那些传感器 1 4 西北大学硕士学位论文 节点。在实际应用中，节点通过发射信号设备发射信号，它的无线射程用尺表示。测距 误差和定位误差一般用误差值的大小比上r 来表示。跳数表示两个节点间间隔的跳段总 数。 3 1 2 无线传感器网络定位算法分类 迄今为止，国内外学者仍旧没有制定出一个统一的标准用来刻画无线传感器网络自 身定位算法和系统得分类。基于具体的要求，虽然也相继提出了一些分类方法，但都存 在不同程度的缺陷。在实际的开发中，往往只能根据实际情况来选择合适的算法以及定 位系统，以便达到相对最优的效果。下面本文首先介绍目前主流的分类方法，如下： 1 基于测距的定位与无需测距的定位 根据在定位过程中是否测量节点间的距离或角度( 方位) ，将定位算法分为距离相 关( r a n g e - b 弱e d ) 定位算法和距离无关( r 加g e f r e e ) 1 6 1 定位算法。距离相关定位算法在进行 节点定位时，必需测量出未知节点与相邻节点间的绝对距离或方位，并且利用节点间的 实际距离来计算未知节点的位置；而距离无关定位算法在进行节点定位时，不需要测量 出节点间的绝对方位或距离，而是利用节点间的估计距离计算节点位置。 2 绝对定位与相对定位 顾名思义，所谓绝对定位就是指对传感器网络中的节点的定位结果是一个标准的坐 标位置，而相对定位的定位结果是一个相对于参考节点的相对坐标位置。两者各有优缺 点，绝对定位算法受节点移动性影响较小，对不规则网络拓扑结构有更强的适应性，但 节点间通信开销大。目前，主流的传感器定位系统都提供绝对定位服务系统。相对定位 算法虽然存在节点依赖性太强的缺陷，但是在相对坐标系统中的节点间通信开销要小得 多。典型代表有s p a ，l p s ，s p o t 等。结合两者的优缺点，取长补短，国内外学者提出 了改进的定位算法m d s m a p ，其提供了两种定位机制，并能根据网络配置和环境自动 选择合适的定位机制。 3 集中式计算与分布式计算 根据是否需要依赖中心节点进行通信可将定位算法和系统分为两大类：集中式计算 定位技术和分布式定位技术。前者是基于中心节点来定位未知节点，后者采用自行计算 的定位方式；前者具有定位精确、存储量大，实现简单等优点，后者通信效率高，能实 现实时定位和节点通信；前者的典型代表包括凸规划、m d s m a p 等，后者的典型算法 包括d h l l e 等。 1 5 第三章无线传感器网络节点定位算法介绍及分析 4 紧密耦合与松散耦合 所谓紧密耦合( t i g h t l yc o u p l e d ) 型定位系统的只要特点是锚节点不仅被仔细地部 署在固定的监测区域的位置上，同时通过有互联网或通信卫星连接到中心控制器，这样 就使得网络节点可以相互协调控制通信。 典型的紧密耦合定位系统包括御r & t 的a c t i v eb a d g e 2 5 1 、s m a r tf l o o r l 2 6 】等。 松散耦合是牺牲节点的节点定位的精确性来达到节点的定位的，它依赖锚节点和未 知节点间的协调和信息交换实现无线传感器网络的节点定位。如最近提出的a h l o s i r a 这种分类方法与基于基础设施和无需基础设施的分类方法非常相似。 5 粗粒度与细粒度 粗粒度( c o a r s e g r a i n e d ) 和细粒度定位技术( f i n e g r a i n e d ) 在形势是借助于粒度大小进 行分类，实质上两者是依据对锚节点距离度量不一致来进行区分的。粗粒度定位技术是 利用与锚节点的接近度( p r o x i m i t y ) 来度量即利用某种物理现象来判断未定位节点是否已 接近某己知节点的位置。常用的