（农业机械化工程专业论文）无线传感器网络中节点定位及其在农业上的应用.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 无线传感器网络是综合了传感器、嵌入式计算、网络及无线通信等技术的一 种全新信息获取和处理技术。无线传感器网络的大量应用都依赖于节点的位置信 息，如战场侦察、生态环境监测、目标跟踪以及现场监控等应用中，都需要先知 道传感器节点的位置信息。因而，节点定位问题是传感器网络进行目标识别、监 控、跟踪等众多应用的前提，也是无线传感器网络重要支撑技术之一。随着“数 字农业”发展，无线传感器网络在农业工程中得到广泛应用。针对无线传感器资 源有限及在农业工程中应用对定位算法要求，开展基于多维定标无线传感器网络 定位算法研究具有理论意义和实用价值。 本文在现有计量多维定标和无线信号强度指示值的定位算法( m d s r s s i ) 基础 上，提出了非计量多维定标和无线信号强度指示值的定位算法帅s r s s i ： n o n m e t r i cm u l t i d i m e n s i o n a ls e a l i n g 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 i o n ) 。n m d s - r s s i 定位算法直接对无线信号强度指示值运用非计量多维定标算法来重构节点坐标， 取代了m d s r s s i 定位算法利用节点间的测距来重构节点坐标，这样省去了 m d s r s s i 定位算法中必须先把无线信号强度转换为距离再进行定位所带来的计 算误差和计算量。针对n m d s r s s i 定位算法采用集中式定位计算复杂度高、可扩 展性差的缺陷，提出了分布式n m d s r s s i 定位算法。分布式n m d s r s s i 定位算 法结合网络分簇的思想，先把网络中的节点通过分成不同的簇来进行局部定位， 再由若干局部相对坐标图合并成全局相对坐标图，从而降低了定位算法的复杂度， 增强了定位算法的可扩展性。 在实际环境中由于多径、绕射、障碍物等因素会出现r s s i 值的偏离情况，理 论分析说明，定位算法中采用的非计量多维定标技术对此有一定的容忍性。从仿 真实验和真实传感器节点上采集的r s s i 值进行实验结果表明，n m d s r s s i 算法 对无线信号强度出现的这种不良特性具有较好的健壮性，取得了较好的定位效果。 无线传感器网络无论是在国防军事还是国民经济各个领域均有着广阔的应用 前景，尤其在温室环境测量、精准农业、大田灌溉、畜牧养殖、林业等大农业中 都有很大的应用前景和推广价值。对该技术的深入研究与推广应用将推动我国农 村信息化建设的进程，极大地带动相关产业和学科的发展，从而进一步提升我国 的综合国力。最后本文介绍了无线传感器网络技术在农业中的应用。 关键词：无线传感器网络；定位算法；多维定标；接收信号强度；农业 江苏大学硕士学位论文 w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) ，w h i c hi sm a d eb yt h ec o n v e r g e n c eo fs e n s o r , e m b e d d e dc o m p u t a t i o n ，n e t w o r k sa n dw 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 i e s , i san o v e l t e c h n o l o g ya b o u ta c q u i r i n ga n dp r o c e s s i n gi n f o r m a t i o n m a n ya p p f i c a t i u no fw i r e l e s s s e h s o rn e t w o r k sa r eb a s e do n $ c n s o rs e l f - p o s i t i o n i n g , s u c ha sb a t t l e f i e l ds u r v e i l l a n c e ， e n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g ，o b j e c tt r a c k i n ga n do t h e r , w h i c hd e p e n do nf i r s tk n o w i n gt h e l o c a t i o no fs e n s o rn o d 鼯t h n s t h ep r o b l e mo fn o d el o c a l i z a t i o ni st h ep r e c o n d i t i o no f m a n ya p p l i c a t i o n so f s e n s o rn e t w o r k s , a n di sa l s oo n eo ft h ef o u n d a t i o nt e c h n o l o g i e so f w i r e l e s sn e t w o r b an m d s - r s s i ( n o n m e t r i cm d sa n dr 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 i o n ) l o c a l i z a t i o na l g o t i t h mi sp r e s e n t e d ，w h i c hn m sn o n m e t i cm d so nr s s ib e t w e e nn o d e s i n s t e a do fd i s t a n c et ol o c a l i z a t i o n , s oi ta v o i d st h ep r o c e s so ft r a n s f o r m i n gr s s ii n t o d i s t a n c eb yo t h e rl o c a l i z a t i o na p p r o a c h e sb a s e dr s s la n dc a l lr e d u c ee r r o r sa b o u t w h i c ht h i sk i n do ft r a n s f o r m a t i o nb r i n g s t h el o c a l i z a t i o na l g o r i t h mn m d s - r s s ii nt h i s p a p e rp r e s e n ta r ec o n s i s to fc e n t r a l i z e da n dd i s t r i b u t e d t h ed i s t r i b u t e dn m d s r s s i l o c a l i z a t i o na l g o r i t h mi sj o i n e dc o n g l o m e r a t i o na n t i l o g y , a n dt h en o d e si nn e t w o r ka i e d i v i d e di n t ov a r yc o n g l o m e r a t i o n t h e n , t h e s ec o n g l o m e r a t i o n sc a r r yt h r o u g hl o c a l l o c a l i z a t i o n a n dt h e s el o c a lr e l a t i v e l yg r a p h i c sa r ei n c o r p o r a t c di n t oe n t i r e t yr e l a t i v e l y g r a p h i c , i nt h i sw a y , a l g o r i t h m 啪r e d u c et i m ec o m p l e x i t yi np l e n t yo fd e g r e e a n dc 姐 e n h a n c et h ea l g o r i t h m e n l a r g e m e n t b yu s i n gn o n m e t r i cm d s ，t h el o c a l i z a t i o na p p r o a c hp r o v i d e sr o b u s tl o c a l i z a t i o n t h r o u g hs i m u l a t i o n sa n dr e a lm o t ee x p e r i m e n t s ，e v e ni nt h ep r e s e n c eo fr a n d o mr s s i f l u c t u a t i o n sd u et om u l t i - p a t hf a d i n ga n ds h a d o w i n g w i r e l e s s8 e l i s o rn e t w o r k sh a sw i d e l ya p p l i c a t i o ne v e ri nn a t i o n a ld e f e n c eo ro t h e r f i e l d s e s p e c i a l l yi ng r c e a l a o u s e ，p r e c i s i o nf r a m i n g , i r r i g a t i o ni nf a r m l a n d ，p a s t u r a g ea n d b r e e da q u a t i ca g r i c u l t u r ea p p l i c a t i o nh a sg r e a tv a l u eo fa p p l i c a t i o na n de x t e n d t i o n t h e s t u d yo ft h i st e c h n o l o g yw i l ld r i v et h et e n o ro f0 1 1 1 c o u n t r y t si n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o n a n da d v a n c e st h ed e v e l o p m e n to ft h er e l a t e dd o m a i na n ds u b j e c t s ，a n ds t e p so u r c o u n t r y sn a t i o n a lp o w e r a n di nt h ee n d ，t h e s i si n t r o d u c et h ea p p l i c a t i o no na g r i c u l t u r e 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 ；l o c a l i z a t i o na l g o r i t h m ；m u l t i d i m e n s i o n a ls c a l i n g ； 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 i o n ；a g r i c u l t u r e 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。本人授权江苏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 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密a 。 学位论文作者签名：美腭 工。7 年占月如日 人 珍 彳售日 ： 动 名 月 签 b 师 e 撕 产 导 指 上 独创性声明 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。除文中己注明引用的内容以外， 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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：瑚7 年占月加日 、卫茸彳_i 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 国际农业的发展大致经历了原始农业、传统农业和现代农业几个主要发展阶 段。人类使用石器农具从事简单生产劳动是原始农业的主要特点之一。在传统农 业阶段，人类发明了铁器，开始利用铁木制农具进行生产提高了劳动效率，人类 社会进入了自给自足的自然经济时代。而在现代农业阶段，农民利用先进的农业 机械从事生产，使农业经济实现了质的飞跃。那么当代农业发展以什么为特色， 当代农业应该如何发展呢? 毫无疑问，农业信息化是当代农业的基本特色，而信 息化又是以信息的数字化为实现手段的。 随着现代科学技术的迅速发展，信息时代的经济也就打上了数字化的烙印， 具有明显的数字经济的特征。2 0 世纪末，世界上兴起以生物技术和信息技术为主 导的新的农业科技革命浪潮一数字农业。数字农业反映了农业现代化大趋势，成 为2 1 世纪我国农业发展的指导思想之一。加入w r o 以后，我国农业生产面临更 为激烈的国际竞争，实现农业产业化己经迫在眉睫，数字农业毫无疑问是提高我 国农业生产国际竞争力的关键。 1 9 9 7 年，由美国科学和工程两院院士讨论提出了“数字农业”( d i 西t a l a 酬t l e ) 的概念，它是指在地学空间和信息技术支撑下的集约化和信息化的农 业技术。1 9 9 8 年1 月3 1 日美国副总统戈尔在加里福尼亚科学中心发表了题为“数 字地球2 1 世纪认识地球的方法”的演讲，提出“数字地球”i g i t a le a r t h ) 的概 念，同时把数字农业定义为：数字地球和智能农机技术相接合产生的农业生产和 管理技术。1 9 9 8 年6 月1 日，江泽民同志在接见出席中科院第九次和工程院第四 次院士大会时提出了发展“数字中国”的战略，由此引出了中国“数字农业”一 词。“数字农业”是指将信息技术、生物技术与农业相关的基础学科结合起来，以 农业生产数字化为特色，建成融数据采集、数字传输网络、数据分析处理、数控 农业机械为一体的数字驱动的农业生产管理体系，最终实现农业的数字化、信息 化、网络化和自动化。具体地讲数字农业就是运用数字地球技术，包括各种分辨 率的遥感，遥测技术，全球定位系统，计算机网络技术、地理信息技术等技术结 江苏大学硕士学位论文 合的高新技术系统。 由于各部门和地区在实施“数字农业”时考虑的重点不一样，对“数字农业” 内容的理解也有所不同。就应用领域而言，。数字农业”应分为宏观和微观两个方 面。宏观领域的应用主要是指农业行政管理和规划部门应用现代计算机和网络技 术以及g i s 技术等对农业生产进行宏观管理；微观方面主要是指“精准农业”等 技术在农业田间操作领域的应用。 事实上，数字农业是多领域、多学科技术综合利用的产物，它不仅包含现代化 农业中使用的土壤成分分析技术、高效节能灌溉技术、机械化耕作和科学种植技 术、更重要的是应用了3 s 技术、计算机网络技术、i n t e m e t 等高科技手段，实现农 业生产从微观( 土壤、水分、养分等) 到宏观( 大面积作物估产、虫害监测或中长期 天气预报等1 的管理与监测，从而实现农业生产的综合管理，达到增产增收增效的 目的。数字农业与“生态农业”和“绿色农业”有所不同，他主要从宏观出发， 以高科技手段为支撑，实现信息化和集约化经营。同时在宏观指导下，又包括了 精细农业的内容，如精细加工、精细经营、精细管理等，它不仅存在于农业生产 的农、林、牧、渔各大产业之间，而且还存在于种、植、养、收、储、销等各业 环节之中。 数字农业借助于3 s 技术一遥感系统( r e m o t es e n s i n g ) 、地理信息系统( g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m ) 和全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) 这_ - - 完整体系，对农业 生产的资源环境、生产状况、气象和生物性灾害等进行有效测报，指导人们根据 各种情况实时实地采取相应的科学管理，以提高农业的稳定性和可控程度。数字 农业的主要内容包括：数据仓库建设、元数据标准建设、监测系统建设、预测决 策系统建设和信息发布系统建设等，其关键技术是：全球卫星定位系统( g p s ) 。在 “数字农业”中g p s 系统可用于农田土壤、苗情、病虫害信息采集等。地理信息 系统i s ) 。g i s 技术作为用于存储、分析、处理和表达地理空间属性数据的计算 机软件平台，技术上已经成熟，并获得广泛应用。在“数字农业”中g i s 系统主 要用于建立农田土地管理、土壤数据、自然条件、作物苗情、病虫害发生发展趋 势、作物产量的空间分布等的空间数据库和进行空间信息的地理统计处理、图形 转换与表达等，为分析差异和实施调控提供处方信息。它将纳入作物栽培管理辅 助决策支持系统，作物生产管理与长势预测模型、投入产出分析模型和智能化作 2 江苏大学硕士学位论文 物专家系统一起，并在决策者的参与下，根据产量的空间差异性，分析原因，做 出诊断，提出科学处方，落实到g i s 支持下形成的田间作物管理处方图，指导科 学的调控操作。遥感技术( r e m o t es e n s i n g ) 。r s 在“数字农业”中是获得田间数 据的重要来源，它可以提供大量的田间时空变化信息。2 0 世纪7 0 年代以来，r s 在作物产量预测等方面做出了重要贡献。由于卫星遥感数据己达到必要的空间分 辨率和提供满足作物需要的实时性，目前可以用于作物生产的精细管理。元数据 管理技术。元数据是关于数据的采集，是数据的说明或描述。元数据是一种数据 共享机制，通过它可以实现数据的透明访问。对一个系统来说，元数据可以起到 提高系统的查询检查速度、提高系统分析效率的作用。在“数字农业”实施过程 中，通过元数据可以清晰有序地组织异地数据，元数据的建设、管理成功与否决 定着“数字农业”建设的效率问题。计算机宽带网络技术和虚拟现实技术。“数字 农业”大量数据是在网上传输的，由于数据量巨大，这个网络应是高速宽带网， 功能强、效率高。“数字农业”的建设需要对整个地球进行无缝连接，从全球到局 部的任意漫游和放大，构建三维虚拟现实。因此，需要计算机宽带网络技术和虚 拟现实技术。 数字农业技术系统以大田耕作为基础，定位到每一寸土地。它从耕地，播种， 灌溉，施肥，中耕，田间管理，植物保护，产量预测到收获、存储、管理的全过 程实现数字化，网络化和智能化。应用遥感，遥测，遥控，计算机等先进技术， 以实现农业生产的信息驱动，科学经营，知识管理，合理作业。它以促进农业增 产为目的使每一寸土地都得到最优化使用，形成一个包括对农作物，土地和土壤 从宏观到微观的监测预测，农作物生产发育状况以及环境要素的现状和动态分析 在内的信息农业技术系统。 “数字农业”正在使人们对科学利用农业资源潜力的认识和作物生产管理观念 产生深刻的变革。它促进农业科技界突破传统的以单学科研究为主的工作方式， 通过多学科的融合和协调，将多种科技成果组装集成，自觉为农业生产的持续发 展服务。 我国是农业大国，但是我国的农业科学技术研究及应用还比较落后，人口多， 土地资源有限，农业生产仍以传统的生产方式为主，自然灾害频繁都是我国的基 本国情。为此，党中央多次提出要加速我国农业信息化进程，保障我国粮食安全， 3 江苏大学硕士学位论文 推动农业科学技术发展、促进传统农业向现代农业转变，推动粗放生产向集约经 营转变。“数字农业”是农业信息化的核心和具体表现形式，是“数字地球”“数 字中国”的最重要组成部分。而“数字地球”、“数字中国”也推动着“数字农业” 工作的深入发展，进而推动农业技术革命，促使农业的两个转变和农业的新发展。 因此，“数字农业”是“数字中国”和“数字地球”的切入点之一，数字化是实现 我国农业信息化的基础。 我国对数字农业的认识尚处于启蒙阶段，数字农业建设也处于理论研究阶段， 但我国政府对此己高度重视。“数字农业工程技术体系及其发展”是国家“十五” 科技攻关计划资助项目和国家“8 6 3 ”高新技术发展计划资助项目。1 9 9 9 年1 2 月， “数字地球”国际会议在我国召开，作为数字地球的主要应用领域之一的“数字 农业”成为大会讨论的主要内容之一。在我国2 0 0 0 年发布的农业科技发展纲要 中，将“数字农业”放在了十分突出的位嚣。近年来，与“数字农业”技术体系 有关的理论基础和应用技术研究，己经成为主要发达国家发展高新技术农业的侧 重点，成为极其活跃的科技创新领域。预计2 1 世纪“数字农业”将有一个大发展， 呈现出一个崭新的面貌。 传感器技术、微机电系统、嵌入式计算技术和无线通信等技术的不断进步和 日益成熟，使得同时具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器节点开始 在世界范围内出现。无线传感器网络就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。这个网 络系统既综合了传感器技术、微机电系统、嵌入式计算技术和通信技术又融合了 现代网络技术和分布式信息处理技术，因此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，传送到需 要这些信息的用户。i n t e m e t 构成了逻辑上的信息世界，影响着人与人之间的沟通 方式，而无线传感器网络是将客观上的物理世界和逻辑上的信息世界进行了融合， 影响人类与自然界的交互方式。由于无线传感器网络可以使人们在任何时间、地 点和环境条件下获取大量详实而可靠的信息。因此，这种网络系统可以被广泛地 应用于国防军事、国家安全、生态农业、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造 业、反恐抗灾等领域。美国商业周刊和m 吸麻省理工) 技术评论在预测未来技术发 展的报告中，分别将无线传感器网络列为2 1 世纪最有影响力的2 1 项技术和改变 4 江苏大学硕士学位论文 世界的1 0 大技术之一。无线传感器网络、塑料电子学和仿生人体器官又被称为全 球未来的三大高科技产业。 2 0 世纪9 0 年代末，美国发端了具有现代意义的无线传感器网络技术。无线 传感器网络是一种无中心节点的全分布系统，传感器节点之间通过无线信道连接， 自组织网络拓扑结构，经过多跳路由实现远距离通信。c r o s s b o w t e c l m o l o g i e 甚是 首家提供商用无线传感器节点的公司，并且，由美国军方资助、加州大学伯克利 分校主持的低功耗的无线传感器节点系列也已经推出。在这一方面，美国的加州 大学洛杉矶分校和c o r n e l l 大学等也开始有很丰富的研究成果。农业是无线传感器 网络使用的一个重要领域，英特尔率先在俄勒冈州建立了第一个无线葡萄园，无 线传感器节点被分布在葡萄园的每个角落，每隔一分钟检测一次土壤温度，以确 保葡萄可以健康生长，进而获得大丰收。 无线传感器网络与传统的无线网络( 如w l a n 和蜂窝移动电话网络1 有着不同 的设计目标，后者首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用，其次才考虑 节约能源。而无线传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节 点数目更为庞大，节点分布更为密集。通常情况下，除了少数节点需要移动以外， 大部分节点是固定不动的，并且它们经常运行在人无法接近的恶劣，甚至危险的 远程环境中。另外，传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等 都十分有限，所以，其主要的设计目标是能源的高效利用。与传统的无线网络相 比，这些独特的要求和制约因素为传感器网络的研究提出了新的技术问题。 在无线传感器网络中，位置信息对传感器网络的监测活动至关重要，没有位 置信息的监测消息是毫无意义的。在无线传感器网络的各种应用中，监测到事件 后关心的一个重要问题就是该事件发生的位置，因此事件发生的位置或获取信息 的节点位置是传感器节点监测消息中所必须包含的重要信息。这是传感器网络最 基本的功能之一，对传感器网络应用的有效性起着关键的作用，也是进一步采取 措施和做出决策的基础。 无线传感器节点通常随机部署在不同的环境中，以自组织方式相互协调工作， 执行各种监测任务。随机部署的无线传感器节点无法事先知道全部节点的位置， 因此无线传感器节点必须能够在部署后实时地进行定位，根据少数已知位置的节 点，按照某种定位机制确定自身的位置。在无线传感器网络中，无线传感器节点 5 江苏大学硕士学位论文 自身的正确定位是提供监测事件位置信息的前提。 全球定位系统g p s 是目前应用得最为广泛的最成熟的定位系统。它利用精确 的同步卫星时钟提供授时和测距以对用户节点进行定位，具有定位精度高、实时 性好、抗干扰能力强等优点，但是g p s 定位仅适应于无遮挡的室外环境，其用户 设备通常能耗高体积大，成本也较高，这使得它不适用于低成本自组织的无线传 感器网络。在传感器网络中，传感器节点能量有限、可靠性差、网络规模大且节 点随机布放、无线模块的通信距离有限，对定位算法和定位技术提出了很高的要 求。因此，必须针对无线传感器特有的特点和限制设计有效的具有自组织性、健 壮性、能量高效、分布式计算特点的低功耗算法。 统计学中的多维定标技术是一种把实体间的相关性转换为空间坐标的数据分 析技术，它是利用节点间的相关信息来确定节点的空间坐标。基于多维定标的定 位算法是无线传感器网络定位算法中的一种新思路。针对无线传感器资源有限及 在农业工程中应用对定位算法要求，开展基于多维定标的无线传感器网络定位算 法研究是一创新新颖的课题。 1 2 国内外研究现状 由于无线传感器网络巨大的科学意义和应用价值，它己经引起了世界发达国 家的学术界、军事部门和工农业界的极大关注。传感器网络最初来源于美国先进 国防研究项h 局( d a r p a , d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y ) 的- - 个研究 项目 1 1 1 2 3 1 ，最初由于当时各种条件的限制，使得传感器网络的应用只能局限于军 方的一些项目中，难以得到推广和发展。近年来随着无线通信技术、m e m s 、片 上系统的发展，使得传感器网络的理想蓝图能够得以实现，其应用前景越来越广， 引起人们的广泛关注。 但是，目前大部份研究尚处于起步阶段，少数投入实用的商业产品距离实际 需求还相差甚远，为了加快其实用化进程，国外建设了很多演示系统，相关的理 论研究成果也很多 4 1 1 5 1 1 6 。其中比较重要的研究计划：p i c o r a d i o 7 1 ，w i n s i s ，s m a r t d u s t 9 ，c a m p s l l o l ，s c a d d s 1 1 l 等。 我国在传感器网络方面的研究相对较少，但近年来，国内一些高等院校和研 究机构也开始展开了无线传感器网络的理论和应用的研究工作【1 2 】【1 3 1 1 1 4 1 ，主要有清 华大学、中科院软件所、浙江大学、中科院自动化所、哈尔滨工业大学等。到现 6 江苏大学硕士学位论文 在为止，传感器网络的研究大致经过了两个阶段。第一阶段主要偏重利用e m s 技术设计小型化的节点设备，其代表性的研究项目有w i n s 和s m a r td u s t 。对网络 本身问题的关注和研究则可以认为是传感器网络研究的第二个阶段，这也是当前 的研究热点嗍。除了网络自身的问题以外，还有许多关键问题也引起了研究者广 泛的兴趣，如传感器节点的定位问题【1 6 1 ，动态功率管理【埘，时钟同步【堋，软、硬 件的设计和制造【1 9 1 等。 从a t & tl a b o r a t o r i e sc a m b r i d g e 于1 9 9 2 年开发出室内定位系统a c 曲eb a d g e 至今 2 0 1 1 2 ，研究者们一直在致力于开发能够自定位的系统和算法。最近已经有一 些应用于无线传感器网络的定位系统被提出，其中较有代表性的研究成果包括 r a d a r 2 2 1 ，叠嵋惦v eb a t t 2 3 1 ，a c t i v eb a d g e ，r a d i oc a m e r a 2 4 1 ，a c t i v eo f f i c e 2 5 1 ， e a s yl i v i n g 2 6 1 ，s p o t o n 【m ，h i b a u t r a c k e d 2 8 l ，p a r c t a b 2 9 l ，s m a r t p l o o r 刚，s m a r t r o o m s 3 1 】，3 d i d 3 2 1 ，w h e r e n e t 3 3 】等，文献【3 4 1 【3 5 1 中对这些系统作了比较详细的描 述。 事实上，经过这些年的努力，目前一些技术和处理算法都能够在一定程度上 解决无线传感器节点的自身定位问题，但每一种不同的处理方法或算法都是用来 解决不同的问题或支持不同的应用，它们在用于定位的物理现象、传感器设备的 组成、能量需求、基础设施和时空的复杂性等多方面都有不同。研究者们针对不 同的环境要求提出各种各样的解决方案，在相对的条件下很多都能达到很好的效 果，但真正的应用还很少，而且一般条件限制都是很严格的。因此，该领域还有 待更多的人提出更好的办法，以求解决好定位问题。 这一领域的研究在国内才刚刚起步，目前国内对基于无线传感器网络的定位 技术研究还不多，史龙p 叼等人在综合分析大量无线传感器网络定位算法的技术文 献和最新研究结果的基础上，从测距技术和算法两方面阐述了定位机制的局限性， 着重论述和比较了现有的六种定位算法。马祖长p _ 7 】等提出了无线传感器网络的一 种节点定位算法，使用平均每跳距离乘以节点之间的跳数代替实际的距离测量， 利用多信标节点的冗余位置信息，实现了节点的可靠定位。而王永才p 川等人介绍 了在无线传感器网络系统中，应用t d o a 测距技术和基于几何关系的节点自身定 位算法，并在m i c a 2 系统上实现了该算法。孙学斌阴等人提出了一种无线传感器 网络中的目标定位算法，用以获取在无线传感器网络监视下的地理区域中移动目 标的位置。该算法首先找到一个曾监测到目标的节点，然后利用相邻节点间的本 7 江苏大学硕士学位论文 地消息跟踪目标的运动轨迹。 在可以查得文献资料来看，基于多维定标无线传感器网络中的定位问题研究 还很少见。因此，深入研究基于多维定标的无线传感器网络定位问题是十分有价 值意义的。 1 3 研究内容与论文组织 定位技术的研究在许多领域都是一个比较热门却又富有挑战性的问题( 如在机 器人研究领域中、，很多研究者们都提出了各种各样的方法以解决各领域的定位问 题，并且取得了很多进展。同样，在传感器网络中，定位问题也是一个亟待解决 的问题，因为很多无线传感器网络的具体应用都要涉及到各节点的位置问题。作 为重要的支撑技术之一，无线传感器网络的自身定位问题研究极具研究价值。 本课题在现有计量多维定标和无线信号强度指示值的定位算法( m d s r s s o 基 础上，提出了非计量多维定标和无线信号强度指示值的定位算法( n m d s r s s i ) ， 并结合无线网络的特点来进行定位，使得定位算法在减少计算代价的同时能达到 较好的定位精度，并且对无线网络实际可能出现的不良特性具有更好的健壮性。 本文的结构概括如下： 本文首先综述了无线传感器网络及其定位技术的研究现状、研究动向，以及 该问题的研究意义。整体介绍了无线传感器网络的概念、体系结构、参考模型、 特点、应用，并且对无线传感器网络定位技术进行了分类，阐述了计算节点位置 的基本方法。概括了无线传感器网络自身定位算法和系统的性能指标，探讨了近 年来该领域具有代表性的定位算法及系统的原理和特点。然后详细描述了本文提 出的基于非计量多维定标的无线传感器网络节点定位算法n m d s r s s t ( q ，并对算 法进行了仿真实验，根据实验结果和性能评价指标对算法进行分析。接着详细描 述了改进后的分布式n m d s r s s i ( d ) 定位算法，并对算法进行了仿真实验，根据 实验结果和性能评价指标对算法进行分析。并给出了与现有的几种典型定位算法 的比较结果。然后介绍了无线传感器网络节点及相关的软硬件环境，并在真实传 感器网络节点上做了一些实验，进一步验证了算法的有效性。最后介绍了无线传 感器网络技术在农业中的一些应用。结论部分对整个论文的工作进行了全面总结， 并展望了未来所要进行的工作。 8 江苏大学硕士学位论文 1 4 本章小结 本章简要分析了无线传感器网络定位技术的研究背景、国内外研究现状和发 展趋势；介绍了本课题研究的主要内容；并阐述了本课题的学术价值以及目的意 义。 9 江苏大学硕士学位论文 第2 章无线传感器网络及定位技术 2 1无线传感器网络概述 无线传感器网络被认为是2 1 世纪最重要的技术之一，它将会对人类未来的生 活方式产生深远影响。2 0 0 3 年2 月份的美国技术评论杂志 4 0 l 评出对人类未来 生活产生深远影响的十大新兴技术，无线传感器网络即被列为第一。 微电子技术、计算机技术和无线通信等技术的进步，推动了低功耗多功能传 感器的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等 多种功能。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 kw s 就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。这里的传感器节点，并不是传统意义上的单纯的对物理信号进行感知并 转化为数字信号的传感器，它是将感应模块，数据处理模块和无线通信模块集成 在一块很小的物理单元上，功能比传统的传感器大了许多，不仅能够对环境信息 进行感知，而且具有数据处理及无线通信的功能，可以完成复杂的监控任务。 无线传感器网络典型工作方式如下：使用飞行器将大量传感器节点( 数量从几 百到几千个1 抛撒到感兴趣的区域，节点通过自组织快速形成一个无线网络f 4 1 1 1 4 2 1 。 节点既是信息的采集和发出者，也充当信息的路由者，采集的数据通过多跳路由 到达网关，再经由网关与外部进行通信。 2 1 1 无线传菘器网络体系结构 传感器网络结构如图2 1 所示，传感器网络系统通常包括传感器节点( s e n s o r n o d e ) 、网关节点( s i n k n o d e ) 和管理节点。传感器网络就是由大量的传感器节点通过 自组织方式构成的网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域 中感知对象的信息。传感器节点将监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传 输，在传输过程中可能被多个节点处理，经过多跳后路由到基站，最后通过互联 网或卫星发布给监控中心。监控中心也可以通过管理节点对传感器网络进行配置 和管理，发布监测任务以及收集监测数据【4 3 l 。 其中，网关节点连接传感器网络与i n t e m e t 等外部网络，实现两种协议栈之间 江苏大学硕士学位论文 的通讯协议转换。因此它必须具有较强的处理能力、存储能力和通信能力，既可 以是一个具有增强功能的传感器节点，也可以是一个没有监测功能仅带有无线通 信接口的网关设备。 传感器节点 图2 1 传感器网络体系结构 传感器节点的结构示意图如2 2 所示。传感器节点由传感器模块、处理器模块、 无线通信模块和能量供应模块四部分组成，实现对数据的采集、处理和传输。 图2 2 传感器节点体系结构 2 1 2 无线传感器网络参考模型 在传统有线网和无线网中，有两种参考模型：o s i 参考模型和t c p 参考模型， 如果将无线传感器网络参照o s i 网络体系结构进行划分，可将无线传感器网络划 1 1 江苏大学硕士学位论文 分为物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层和能源管理平台，移动管理 平台和任务管理平台的三维立体参考模型。无线传感器网络参考模型如图2 3 所 示。其中，各层的功能和作用见表2 1 。 图2 , 3 无线传感器网络的参考模型 表2 1 协议栈中各层协议与平台的功能 物理层 提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术 链路层负责数据成帧，帧检测、媒体访问和差错控制 数据网络层 负责路由生成与路由选择 传输层负责数据流的传输控制，提供可靠、高质量的数据传输服务 应用层一系列基于监测任务的应用层软件 能量管理平台管理传感器节点如何使_ j 能源，在各个协议层都需要考虑们拒 移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到网关节点的路由 任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务 2 1 3 无线传骸器网络的特点及关键技术 传感器网络除了具有a dh o e 网络的移动性、自组织性、电源能力有限等共同 特征以外，还具有很多其它鲜明的特点 4 4 1 1 4 5 1 1 4 6 1 。 1 传感器数量大、分布范围广：这个特点使得网络的维护十分困难甚至不可 维护，传感器网络的软、硬件必须具有高强壮性和容错性。 2 硬件资源有限：在无线传感器网络中，节点的计算能力、存储空间和内存 空间受到种种限制，如价格、体积，最主要的是能耗。因此，相对于普通计算机， 它们的功能要弱很多。 江苏大学硕士学位论文 3 电源容量有限：在网络中节点采用电池作为能量来源，而由于其特殊的应 用领域，决定了电池在使用过程中既不能接受充电也不能被更换，这就使得电池 能量完全决定了节点的寿命。为此，网络节点硬件设计方面一定要考虑最大限度 节电，而软件设计方面各层协议也要将节能置于重要地位，必要时甚至可以为节 能而牺牲其他网络性能指标，尽可能地提高节点的工作寿命，从而延长整个网络 的工作时间。 4 无中心：网络中没有严格的控制中心，一般情况下所有节点位置平等f 也有 可能在网络中有些节点由于携带特殊模块而居于更为重要的地位1 ，属于对等式网 络。节点加入网络或从网络中分离可以随时发生，而一个节点的故障也不会导致 整个网络崩溃，这也决定了其极强的抗破坏性与抗毁灭性。 5 i + 1 组织：由于网络开始架构时节点是从飞行器上被抛散出去的，不依赖于 任何预先设定的网络设施。节点通过分层协议与分布式算法协调各自的行为，快 速组成一个独立网络。 6 多跳路由：由于网络中节点通信半径有限，故要想与更多的节点交换信息， 就必须通过中间节点进行路由。无线传感器网络的路由无法像固定网络一样通过 网关与路由器，而只能通过普通节点对信息的发送与转发完成。 7 动态拓扑：毫无疑问无线传感器网络是动态网络，因为在网络中节点可以 随处移动，网络中随时可能发生节点加入或退出网络的事件，这样会使网络的拓 扑结构随时发生变化，故网络应具有动态拓扑组织功能。 无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点，涉及多学科交叉的研究领 域，有非常多的关键技术有待研究，下面仅列出部分关键技术1 4 7 1 1 4 s 1 4 9 1 1 5 0 。 1 网络拓扑控制：对于无线自组织形式的传感器网络而言，网络拓扑控制具 有重要的意义：通过拓扑控制自动生成良好的网络拓扑结构，能够有效地提高链 路层协议和路由协议的效率，可为上层的数据融合、时间同步、目标定位等许多 应用奠定基础，有利于整个网络的负载均衡，从而节省节点的能量来延长整个网 络的生存期。拓扑控制是无线传感器网络研究的核心技术之一。 2 时间同步：时间同步问题是传感器网络各节点在进行协同工作时需要面临 的一个关键问题。现有的同步机制尚无法满足传感器网络低功耗、低成本的要求。 针对无线传感器网络，目前提出三个基本时间同步机制，分别为r b s 、 哪僵佃旺s y n c 和t p s n 。r b s 机制是基于接收者接收者的时间同步：一个节 江苏大学硕士学位论文 点广播时钟参考分组，广播域内的两个节点分别采用本地时钟记录参考分组的到 达时间，通过交换记录时间来实现它们之间的时钟同步。t i n y m i n i s y n c 是简 单的轻量级的同步机制：存在节点的时钟漂移，假设它遵循线性变化，那么两个 节点之间的时间偏移也是线性的，可通过交换时标分组来估计两个节点间的最优 匹配偏移量。t p s n 采用层次结构实现整个网络节点的时间同步：通过基于发送者 接收者的节点对方式，每个节点能够与上一级的某个节点进行同步，从而实现所 有节点都与根节点的时间同步。 3 数据融合与数据管理：由于传感器网络对目标的观察存在数据冗余，若这 些冗余数据不加任何处理就传送给观察者，将会带来巨大的网络流量，从而带来 急剧的能量消耗；另一方面，这种流量通常都是不均衡分布的，靠近观察者的节 点非常容易因快速的能量消耗而失效。因此在各节点收集数据的过程中，即可进 行数据的融合，在数据融合的过程中也滤除了部分噪声，提高了信息的准确度。 传感器网络的数据管理与传统的分布式数据库有较大差别。传感器节点数量 庞大，且传感器节点产生的是无限的数据流，节点能量受限，容易失效，数据管 理系统必须尽量在减少能量消耗的同时提供有效的数据服务。而且，对传感器网 络数据的查询经常是连续的查询或随机抽样的查询，这些都使得传统分布式数据 库的数据管理技术不适用于传感器网络。 4 定位技术：位置信息是传感器节点采集数据中不可缺少的部分，没有位置 信息的监测消息通常毫无意义。确定事件发生的位置或采集数据的节点位置是传 感器网络最基本的功能之一。为了提供有效的位置信息，随机部署的传感器节点 必须能够在布置后确定自身位置。由于传感器节点存在资源有限、随机部署、通 信易受环境干扰甚至节点失效等特点，定位机制必须满足自组织性、健壮性、能 量高效、分布式计算等要求。 5 网络协议：由于传感器节点的计算能力、存储能力、通信能量以及携带的 能量都十分有限