本科生毕业论文（设计）
中文题目：基于超宽带的无线传感器网络定位算法研究
英文题目：Research of Wireless Sensor Network Location Algorithm Based on UWB
学生姓名班级19 学号
学院通信工程
专业通信工程
指导老师王雪职称讲师
摘要
摘要
近些年以来，无线传感器网络得到了业界广泛的关注，因而在其发展的道路上势头正猛。无线传感器网络在很多方面得到了非常广泛的应用，例如医疗救援、军事作战指挥、环境变化检测、生态系统监测、目标位置确定以及追踪等。我们知道，无线传感器网络的关键技术就是网络中未知节点的位置确定。因此，我们可以利用脉冲超宽带技术（IR-UWB，Impules Radio Ultra Wideband）来对某一个未知的节点进行高精度的物理层定位；与此同时，我们还可以对该节点的时间矢量进行分辨，进而得到该节点在二维坐标轴中的具体坐标。凭借超宽带技术的诸多优点，超宽带能够被广泛地应用到无线传感器网络的物理层的定位研究中。
由于长时间的宣传导致，对于定位技术的作用，人们的认知仅仅限于交通导航等方面，对于该技术在室内领域的运用，诸如室内某一物体的位置的确定，对于两个目标之间距离的测量等等的运用方式都还无所知晓。通过理想环境与复杂环境的网络定位联合协作，来实现信号准确的定位是未来无线定位技术的发展趋势。但是，信号的无缝连接以及准确的定位在现有的技术下是不能够完全独立的实现。在一般情况下超宽带技术不容易受到环境干扰，并且在功率消耗方面比传统技术更具有优势，最重要的是超宽带技术在多径干扰的情况下相比于传统技术提供了更加精准的定位。因此，相比于众多传统的网络定位技术，基于超宽带的无线传感器网络定位成为了未来无线定位技术研究的风向标。从理论上可以知道，超宽带信号具备着厘米级精度的测距能力，利用这样一种精确的测距技术，能够实现节点之间的相对定位，这也就说明，脉冲超宽带技术能够充分的满足无线传感器网（WSN ，Wireless Sensor Network) 的网络定位的各种需求。
本文简要介绍了超宽带技术与无线传感器网络，分析和总结超宽带技术在无线传感器网络定位算法中的作用，在传统的无线传感器网络定位算法的基础上，提出了TOA算法与三边测量法的联合定位的想法。
关键词无线传感器网超宽带节点定位测距
ABSTRACT
ABSTRACT
In recent years, wireless sensor network is developing very quickly, in medical and military aspects, environment detection, target tracking, ecology research aspects and so on each domain has been very widely used. As we know, the key technology of wireless sensor network node localization is. Moreover, due to the pulse UWB technology (IR-UWB, Impules Radio Ultra Wideband) has the strong ability of time-resolved, nodes can be used for high precision positioning, therefore, ultra-wideband technology can be widely applied to the physical layer of wireless sensor network localization.
In addition to the Positioning System in the outdoor environment of node localization of applications, people on indoor Positioning, short distance applications such as don't know. Can be predicted that the future trend of wireless location technology is combined by the orientation of indoor and outdoor, in order to realize the seamless, accurate positioning. However, our existing network technology also can't fully meet the stringent requirements, and because of uwb technology has high safety, low power consumption, resistance to multipath effect is good, can provide the advantages of accurate positioning, low system complexity and so on, based on many of ultra-wideband technology network positioning technology in the wireless location technology, becoming one of the highlights in agro-scientific research in the wireless location technology in the future. Ultra-wideband signal can theoretically that the cm-level precision ranging ability, take advantage of such a precise distance measurement technology, can realize relative positioning between nodes, this also means that, pulse uwb technology can fully meet the Wireless Sensor Network (WSN, Wireless Sensor Network) Network positioning of the various requirements.
This paper introduces the ultra-wideband technology and wireless sensor networks , analyze and summarize the ultra-wideband technology in the wireless sensor network localization algorithm role in the traditional wireless sensor network localization algorithm based on the proposed algorithm and trilateral TOA measurement method the idea of co-locating .
Keywords Wireless sensor network Ultra-wideband Node positioning Ranging
目录
目录
第1章绪论.............................................................................................................. - 1 -
1.1 基于超宽带的无线传感器网络概述 ............................................................ - 1 -
1.2 基于超宽带的无线传感器网络定位技术 .................................................... - 7 - 第2章基于超宽带的无线传感器网络定位技术研究 ......................................... - 10 -
2.1 基于超宽带的无线传感器网络的定位概述 .............................................. - 10 -
2.2 定位技术分类模型....................................................................................... - 10 -
2.3 本章小结....................................................................................................... - 16 - 第3章基于超宽带的测距算法和联合估计方法 ................................................. - 17 -
3.1 基于超宽带的测距算法概述....................................................................... - 17 -
3.2 联合估计算法的概述................................................................................... - 18 -
3.3 本章小结....................................................................................................... - 24 - 第4章全文总结与展望.......................................................................................... - 25 -
4.1 主要工作与总结........................................................................................... - 25 -
4.2 展望............................................................................................................... - 25 - 参考文献.............................................................................................................. - 27 - 致谢........................................................................................................................ - 28 -
第1章绪论
1.1 基于超宽带的无线传感器网络概述
1.1.1 脉冲超宽带技术
脉冲超宽带同时也被人们称为超宽带脉冲无线电，脉冲超宽带是一种通过发送亚纳秒量级的窄脉冲以实现极高速率的数据传输的通信技术。UWB-IR通信系统通过改变突发式脉冲的极性、幅值、位置以携带比特信息束，因此，脉冲超宽带的信号带宽非常的宽。UWB-IR通信系统所使用脉冲信号的宽度可以达到纳秒级甚至亚纳秒量级，也就是说，脉冲超宽带的信号带宽可以达到GHz的数量级。脉冲超宽带技术具备着以下的优势：极高的数据传输速率和相当大的用户容量；设备的体积较小以及其传输功耗低；穿透障碍物的能力非常的强；定位精确准度较高以及能够与现有的窄带通信系统实现频谱的共享。然而，要实现UWB-IR系统的无线通信仍然面临着诸多的挑战。面临的这些挑战中，要在多径的信道环境下，实现低复杂度的同时必须保证信号同步的高精确度以及多径信道的估计，这些出现的问题就显得尤为突出。
相比于一些传统的无线通信技术，超宽带技术存在着许多不同点，这些不同点导致在一些常见的环境条件下，超宽带技术体现出了传统无线通信技术不拥有的优势。最重要的一点，超宽带技术使用的信号形式不同于传统无线通信所使用的载波，因而，在很多方面，超宽带技术凭借其特殊的信号方式体现出了巨大的优势。打个比方，传统的无线通信技术所使用的信号方式即载波就像是利用水管进行浇灌，它是通过抖动水管而产生上下波动的水流，而超宽带技术是在短时间内发射非正弦波窄脉冲来进行信号传输的，这一特点就像是利用旋转的喷射器不断喷射出短促的水流。通过这个形象的比方可以看出，两种无线通信技术拥有迥然不同的信号发射方式。利用发射信号短且密集这种特点，在无线局域网和个人域网方面，超宽带技术为其信号接收提供了一种低发射能量消耗、超宽的信号带宽以及技术操作简单的应用方法。在信号传播过程中，超宽带信号在信道衰落方面不易受到干扰而导致信号能量衰落，并且超宽带信号的功率频谱与普通的噪声相似，能隐藏在其他信号或噪声中而不被发现，因此超宽带信号具备非常好的抗干扰能力和隐蔽性。超宽带系统的结构组成比较简单，并且它的定位精度可以达到惊人的厘米级。这些优点都很好的解决了传统无线技术多年以来难以解决的问题。在应用领域方
面，由于超宽带技术发送的信息是由大量短并且传输速度非常快的能量脉冲构成，这些能量脉冲具备着精确计时的特点，每一个脉冲的大小达到了毫微秒级，这样短并且计时精确的能量脉冲可以覆盖很大的区域。在室内环境或者是干扰较强的复杂环境下，利用超宽带技术的特点，可以很好的进行信号的发射与接受，尤其是在军事作战方面，超宽带技术很好的克服了传统无线通信技术精度差、隐蔽性差、系统复杂以及抗多径能力差的难题。
超宽带系统在从时域方面就与传统的通信系统有着很大的不同。传统的通信系统是通过发射载波信号进行通信的，而超宽带系统则是利用信号起落点的时域脉冲直接进行信号的传输的。超宽带信号的传输调制过程在非常宽的频带上进行，调制过程中信号持续的时间决定了其所占带宽的频率范围。超宽带系统在局域网进行运用时，其传输功率在一定程度上会受到限制，它在局域网的有效传输距离在十米左右，因而，在个人应用方面，超宽带技术的应用也比较普遍。
传统的窄带宽带与超宽带所定位的带宽是不同的。传统意义上，窄带是指相对带宽(信号带宽与中心频率之比) 小于1% ，宽带是指相对带宽在1% 到25% 之间的。而超宽带的带宽大于25%并且其中心频率大于500HZ。
超宽带技术的基本原理是发送和接受严格受控的高斯短周期能量脉冲，因为短时的单周期脉冲的特点，信号的带宽比较宽，这样在信号的接受时，利用一级前端交叉相关器就可以将能量脉冲直接转化成基带形式的信号，这种信号转换方式不需要传统通信技术中必须要使用中频级转换信号，在设备的复杂性上，超宽带系统就显得简单得多。
与传统的通信系统相比，超宽带系统的工作原理是完全不同的，因而，超宽带系统具备了传统通信系统无法比拟的技术特点：
(1) 系统结构简单：传统的无线通信技术利用载波来进行通信，我们知道，载波是连续的电波，它的频率和功率不是一直不变的，传统的无线通信技术就是利用载波状态变化来进行信号的传输。超宽带系统利用的纳秒级的能量脉冲决定了其发射器不需要传统发射器必须具备的上变频，也不需要功率放大器来放大信号，因此，超宽带系统的信号发射器成本很低。而在超宽带系统的接受器中不需要对信号进行中频处理，省去了传统通信系统中必须要有的中频处理器。
(2) 数据传输的速率高：由于超宽带技术拥有比较宽的带宽，信号在传输过程中，不需要占用其他的频率资源，通过共享其非常宽的频率宽带实现了数据的高速传输。在民用方面，由于信号传输的有效范围本来就很小，超宽带技术可以使信号的传输速度达到500Mbit/s，这样的
传输速度可以使超宽带技术在民用的互联和互通上得到很好的利用。而在军事方面，高速率的信号传播能在军事指挥上实现远距离高效率的信息交换。
(3) 消耗的功率较低：超宽带系统利用间断的短促能量脉冲发射信号，能量脉冲一般在0. 20ns～1. 5ns之间，因而信号的占空因数比较低，系统的耗电量也因此做到很低。在民用方面的超宽带系统的耗电量是移动电话的百分之一左右，是普通蓝牙设备的耗电量的百分之二十左右。在军用方面，利用超宽带技术的军用电台所需要的功率是普通电台的一半。因此，超宽带系统能增加电池寿命以及减少电磁辐射，这一点是传统无线设备无法做到的。
(4) 较强的安全性能：UWB的信号能量处在一个很宽的频带范围，它的信号能量散布很广，因而UWB信号的功率谱密度与白噪声信号的功率谱密度很接近，能够隐藏于噪声信号中而不被一般的信号接收机轻易捕捉到。如果对UWB信号脉冲的参数进行随机化伪装后，其脉冲能量的隐蔽性会变得更好。
(5) 在多径下的时间分辨能力强：传统的通信系统发射的信号大多为连续信号，它的持续时间远远大于多径传播时间，由于多径传播效应，传统的通信系统的信号传输质量和信号传输速率难以保证。而超宽带系统发射的信号是短促的单周期能量脉冲，脉冲的占空比较低，在多径下的时间是可以分离的，通过分离出的多径矢量，很好的节约了发射信号的能量，避免了无线电信号的衰落过大。实验表明，超宽带信号的多径衰落最多只有5dB，是传统无线电信号多径衰落的一半甚至低至六分之一。
(6) 定位精度高：短促的单周期脉冲有很高的穿透能力，能够穿透墙壁等其他障碍物，常规的无线电信号很难做到这一点。正是因为超宽带无线电的高穿透能力，使得在室内环境下超宽带信号的定位精度很高，它的定位精度可以达到厘米级，像其他传统的无线技术由于容易受到环境的影响，其信号的能量逐渐变小，导致测量的误差偏大。
(7) 成本较低：在实际应用上，UWB技术比其他传统技术更容易实现，这是因为UWB系统构成简单、所需要的设备成本低、技术依靠全数字化。UWB只需要产生短促的脉冲信号，然后对信号进行简单的调制就可以了，这些都可以以电路的方式集中到较小的集成设备上来实现，例如晶体芯片。因此UWB系统的设备成本很低廉。
鉴于以上介绍的诸多优点，相比于一些传统的无线通信技术，超宽带技术拥有比较好的发展前景。在互联网逐渐渗透到人们生活的时代，物联网等短距离通信应用的兴起，导致无线通信技术的更新换代。超宽带技术而生，解决了许多传统技术在物联网应用方面难以解决的难题，
为物联网的推广提供了更高的平台，同时也为该技术的广泛运用提供了一个良好的契机。由于超宽带技术的穿透能力强的特点，在雷达探测、监控系统、成像系统等方面，主要就是超宽带技术作为主导技术而被运用。例如，在反恐、灾情救援、资源探测上，利用UWB穿墙成像技术能够更快更好的进行目标追踪以及定位。在精确度要求比较高的情况下，例如汽车的防碰撞雷达，超宽带技术因其分辨力强分辨率高的特点，能够在精确测量领域得到很好的运用。
现在我们所称的超宽带技术最早出现在二十世纪六十年代。1970年后，在通过美国的一些研究机构的深入研究后，超宽带技术得到了较为快速的发展。当时UWB技术主要是运用在雷达探测系统中。到了80年代末，美国国防部正式将该技术称为“超宽带”，而这一术语的提出，标志着超宽带技术开始正式迈入实用阶段。美国于2002年正式将室内通信的超宽带信号带宽范围规定为 3.1GHZ-10.6GHZ，这标志着超宽带技术取代传统无线技术正式开始使用于民用的无线电通信。紧跟着美国在超宽带技术方面的研究步伐，欧盟、日本和新加坡等国家也开始进入民用超宽带技术领域，这些国家在确定了本国的超宽带信号频谱标准与规划后，开始了超宽带技术多方面发展及研究。在超宽带技术研究方面，中国的起步较晚，但是在2006年之后，国内的超宽带技术研究日新月异，在超宽带技术应用到军事民用等方面得到了突飞猛进的进展。2008年12月12日，中国发布了自己的超宽带频谱规划，为之后的超宽带技术研究指明了方向。目前，在中国政府的支持下，众多企业、研究机构和高校开始联合进行对超宽带技术进行标准化正规化的工作。
目前，UWB技术的潜力还没有被完全发掘，除了利用其关键技术之外，它还拥有着人们所未发现的研究方向，相信在不久的将来，UWB技术能够更好更广的运用到人们的日常生活中。
1.1.2 无线传感器网络概述
进入20世纪，人们对计算机技术开始了更加深入的研究，传感器技术开始进入人们的生活之中，无线通信技术开始得到普及，微电子技术在其他技术的支持下也得到了快速的发展，在这一系列的技术发展的背景下，无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）技术开始进入人们的视野。21世纪，人们提出了嵌入式计算机技术，与此同时，分布式信息处理方式的提出加速了现代网络技术的发展，这些技术的提出都推动无线传感器网络技术开始应用于工业、农业以及商业等方面。
无线传感器是由多个传感器组合而成的有线或无线的网状结构，这些传感器以Adhoc形式结合在一起，通过收集无线传感器网络中感知对象的信息数据，进行数据的处理分析进而发送
给观察者。无线传感器网络的信息获取方式是全新的，它的信息处理方式也是传统技术不具备的。无线传感器网络的主要组成有传感器、微电子系统和无线网络，通过下图，我们可以初略的了解无线传感器网络的体系结构和工作原理。
图1 无线传感器网络的系统结构
在监控区域，部署多个传感器节点，这些传感器节点相互协作对监控区域内的各种信息进行感知采集以及处理，之后将这些信息数据发送到基站，从而帮助人们掌握信息世界的细微变化。无线传感器网络中的传感器节点一般具备体积较小、价格低廉、能进行数据的采集分析处理的特点，因此对于一些人员不能到达的区域，无线传感器节点的特点能得到充分的利用。在民用方面，恶劣环境中的监控利用无线传感器网络就能很好的实现，例如人员不能到达的火灾现场、地震现场等，通过散布传感器节点来接受灾情现场的信息保证了救援人员对现场情况的充分了解。在军事领域，无线传感器网络可以运用的地方更多，如敌对区域的监测、生化攻击或者核攻击下的区域监测。
从上文可以看出，在一些人员不能到达的区域，无线传感器技术能发挥巨大的作用，它不仅节约了人力资源，并且能更客观全面的提供物理世界的各种信息，该技术在物理世界与信息
世界起到了非常好的沟通作用。并且，利用无线传感器网络技术能够解决线路老化、布线复杂、易受损坏等其他的技术无法解决的问题。
无线传感器网络的特点可以总结为：传感器网络选取的节点数量较大，导致其容易失去效应，但是它具有自我适应性；传感器的节点体积较小，但是它的计算能力是有限的；通信的范围半径较小，传感器空间传输容量在无线通信过程中显得非常重要；电源的能量是无线传感器网络的寿命的关键点之一；传输中的数据管理与数据处理是无线传感器网络的核心技术。
鉴于无线传感器网络的诸多优点，无线传感器被应用到各个领域。一般的，无线传感器网络的应用可以体现在以下几个方面：
(1) 军事指挥。无线传感器网络节点部署快速，可以直接通过飞机将传感器节点以空投的方式散布至监控区域。无线传感器网络的隐蔽性强，不易被敌方发现，其高容错性也为军事指挥中信息的交换提供了便利。
(2) 农业或环境监测。无线传感器网络可以通过对温度、湿度、大气变化、土壤成分等信息的监测，实现对农作物生长的实时监控。利用无线传感器网络也可以对河水水位增长情况进行监控，从而避免洪水灾害的爆发。
(3) 医疗监护。无线网络正在逐步运用到室内环境中，因此无线传感器网络在医疗护理方面能起到很大的作用。这些作用主要体现在远程信息获取，病人的生理状况的实时采集能保证对其健康的监控做到最好。
(4) 家居智能化。通过无线传感器网络可以将住房中的各种电子设备联系在一起，利用无线传感器节点收集室内信息并传送给各个设备，各个设备相互协作、自动运行，为居住着提供智能化的家居环境。另一方面，将室内的无线传感器与网络连接，可以对家居设备进行远程的操作。
(5) 交通管理。将传感器节点部署在交通路口，可以对实时的路面交通情况进行监测。也可以将传感器节点部署在车辆上，传感器节点采集车辆信息就可以对车辆的各个部件的情况进行分析，从而避免车辆功能性障碍的出现。
1.1.3基于超宽带的无线传感器网络技术
超宽带脉冲无线电技术和无线传感器网络是近期出现的两个新兴的热点研究课题，两者可以形成天然的结合，从而具备着一些传统无线传感器网络无法比拟的优势。两者结合的优势主要体现在以下几点：
(1) 信号传输速度快。利用超宽带无线传感器网络技术，信号在短暂传输过程中，其传输的速度可以达到数百兆每秒。
(2) 系统构成简单。由于系统的构成中不需要变频器，这在某种程度上减少了系统的构成成分，因此信号的发射与接受的设备成本显得比较低廉。
(3) 系统兼容性较好。由于超宽带宽频谱的特点，在信道的容量上，其具备很大的优势。由于系统发射信号的功率频谱很低，这样就很好的兼容了窄带无线通信系统。
(4) 系统隐蔽性高。由于传统的信号接收机的局限性，UWB传输的信号的频谱比一般信号低，能够很好的隐藏在其他信号或者噪声之中，不容易被其接受。
(5) 较低的功率消耗。UWB发射信号时，其信号扩频处理能力越来越强，导致了信号发射或者传输所消耗的功率较低。
(6) 在复杂的多径条件下受到的影响较小。UWB信号脉冲的占空比率比传统信号低，在多径条件下，它的分辨力就显得比较强，因此，其可以分辨的多径数目比较高。
(7) 节点定位能力强。分辨信号的能力是与信号的带宽息息相关的，我们知道，UWB信号的带宽比较窄，因此，系统在网络中的距离定位分辨能力可以达到厘米级，在定位或者信号捕获方面，具有传统技术不能达到的高点。
基于无线超宽带技术的无线传感器网络具备的优势是一些传统无线传感器网络无法企及的，特别是在代价、设备大小、兼容性、网络定位、信号安全性、空间含量等方面具有着明显的优势，因而具备着广阔的应用前景。基于无线超宽带技术的无线传感器网络将会成为下一代无线传感器网络的发展方向。我们相信超宽带无线电传感器网络的研究和开发应用，终将会成为必然的发展方向。
1.2 基于超宽带的无线传感器网络定位技术
1.2.1研究的背景及意义
在科技高速发展的21世纪，人们的生活越来越离不开计算机、无线通信和智能化操作。高速的无线通信，短距离的无线操控是实现设备智能化的关键点。超宽带技术为实现局域网信息高速交流提供了可能，无线超宽带技术则为实时的信息获取与实时操控提供便利。就目前的技术而言，基于超宽带无线传感器网络的信息获取、信息处理和信息传输的实现是可以实现的。
无线通信技术、数字信号处理以及微电子技术的高速发展为基于超宽带的无线传感器网络技术的应用提供了有力的技术支持。
我们知道，无线传感器网络可以检测网络部署区域内的各种信息，但是离开了传感器节点的位置信息，无线传感器网络就没有了利用价值。这表明，节点的定位是无线传感器网络应用的基础条件之一。例如，在火灾救援中，只有将节点的位置信息与获取的环境信息联系在一起，才能更好的进行救援工作。这就需要我们在无线传感器网络技术应用的同时加入另一项无线通信技术。超宽带技术在众多无线通信技术中脱颖而出，基于超宽带的无线传感器网络技术也就成为了现在无线通信技术的研究热点之一。由于市场需求的不断增加，超宽带技术与无线传感器网络技术的日益成熟，在不久的将来，精确的超宽带无线传感器网络定位必将成为主流的网络定位技术。
1.2.2国内外研究现状
国外的网络定位技术起步较早，早在20世纪90年代，无线传感器网络定位就开始使用于军事领域。90年代末，在美国军方和一些跨国企业的支持下，美国对无线传感器网络的研究以及军事开发就已经初现成就。其中，比较有代表性的项目有93年到99年加州大学洛杉矶分校负责开发的WINS项目，这项项目由美国国防部高级研究计划署资助，为无线传感器网络应用于民用领域铺平了道路。在学术界，无线传感器网络定位研究也有突飞猛进的进展。2000年，质心算法的提出，为无线传感器网络定位提供了有力的支持，美国南加州大学的NiruPama、B ulusu教授等人功不可没。同年，麻省理工学院的Priyantha.N教授研究开创出了基于室内定位的Criket系统。除此之外，加州大学伯力克分校于2000年提出了“凸集”的概念；2003年，A PIT算法被验证可行，进一步扩充了网络定位算法；2004年，分布式定位算法与无锚节点的分布式定位算法弥补了无线传感器网络定位算法在分布式概念上的空白。在随后的几年里，国外的研究热潮依旧不减，更多更便利的网络定位算法逐渐出现。
虽然在无线传感器的研究方面，国内的起步比较晚，但是在中国科学院、国家“863”计划基金的支持下，国内的一些研究机构、企业和高校也开始掀起了无线传感器网络领域的研究热潮，包括中国科学技术大学、清华大学、中科院计算所、上海微系统所、沈阳自动化所以及合肥智能所等研究单位都参与到无线传感器的研究中。1998年，中国科技院电子所在基础无线传感器技术的研究方面起到了非常重要的作用，其位于上海的微系统研究所在无线传感器技术研究方面为国内对该技术的研究起到了奠定基础的作用。同年，沈阳自动化研究所从无线传感器
的控制技术方面开创了该技术的新的研究方向。2006年，完全基于网络的连通性的非测距技术的分布式定位算法由中南大学的赖旭芝等人提出，这种算法弥补了国内的无线传感器网络定位算法的空白，在国际上也引起了广泛的关注。在2008年，一种分布式节点自身定位算法即著名的NCL算法由武汉理工大学的刘新华等人提出，这种算法属于非测距算法，它是利用节点通信范围内邻居节点的数量来进行网络节点定位。
第2章基于超宽带的无线传感器网络定位技术研究
2.1 基于超宽带的无线传感器网络的定位概述
对网络中的节点进行定位的最简单方法就是为每个节点装载GPS接受器，通过GPS的定位来确定节点的位置。但是，这种方法在现实环境中是不可能实现的，这是因为成本过高、节点能量消耗过大以及GPS接收器部署环境的限制要求过于苛刻等原因。因此，一般情况下，我们是通过无线传感器网络定位算法来实现节点的定位或追踪。无线传感器网络的节点定位涉及很多方面的内容，包括节点定位精度、已知节点的部署、网络的容错性、功率的消耗等方面，如何在这些限制因素的影响下，实现节点的定位是目前所面临的关键问题。可以说，无线传感器网络节点的自身定位很大程度上决定了无线传感器网络的应用前景。因此，研究节点定位问题是关键并重要的
2.2 定位技术分类模型
无线传感器网络的定位算法有很多，可以根据数据采集和数据处理方式的不同来进行分类。在数据采集方式上，不同的算法需要采集的信息有所侧重，如距离、角度、时间或者周围节点的信息，其目的都是采集与定位相关的数据，并使其成为定位计算的基础。在信息处理方式上，无论是自身处理还是上传至其他处理器处理，计算原理都是将采集的数据转换为坐标，完成对节点的定位。
一般情况下，我们是根据距离测量与否来划分节点定位算法的。需要距离测量的方法统称为测距算法，这类算法是对距离进行直接测量。而不需要对距离进行测量的方法，我们称之为非测距算法，这类算法是依靠网络连通度来实现节点定位的。测距法的精度一般比非测距算法的精度高，但是，由于测距法对节点本身的硬件要求高，因此在一些特定的环境下，如在一个规模较大并且已知节点稀疏的网络中，未知节点无法与足够多的已知节点进行直接的信号交流，普通的测距法很难对其进行定位，此时就需要使用非测距算法来进行节点定位估算。由此可见，两种算法由于其自身的特点都有其自身的局限性。
2.2.1基于测距的定位算法
1. 到达角度(AOA)
图2 AOA算法网络定位解析图
虽然AOA估算法的实现原理比较简单，但是在实际环境中的应用也存在许多缺点。从算法机制上看，AOA算法属于比较容易实现的一种算法，但是由于AOA定位算法对发射信号的天线有很苛刻的要求，基站中的天线阵必须同时具备高灵敏度和高分辨力，这样就会加大AOA 算法的设备成本。此外，AOA定位算法的准确度极不稳定，虽然在一般环境下，AOA算法的精度高于其他算法，但是在障碍物较多的情况下，该算法的精度非常低。因此在山川较多的地区、建筑物密集的城区及室内环境下，使用AOA算法得到的测距误差非常大。虽然在目前的技术条件下，可以利用智能天线在一定程度上减少多径影响带来的误差，但是天线阵的节点耗能大、设备体积大以及节点成本过高，不满足无线传感器低成本、低耗能的特点，以致AOA 算法在实际中的应用并不广泛。
2. 到达时间差(TDOA)
为了确定一个正在位移的移动设备的位置，我们可以测量这个正在位移的移动设备到达两个基站接收设备的传送时间延迟定位法，我们称这种定位算法为到达时差算法(TDOA，Time Difference of Arrival)。这种时差定位方法的优点在于不必使位移的设备和基站的时间一致：因为不需要将时间标记加入到上行信号中，这就可以去除目标位移终端和基站之间因为信道因素造成的不准确。如下图所示的定准位方程式中，在两个已知节点为对准点的两条曲线程式上定准位目标位移节点。确立两个双曲线方程式(至少两个以上已确定的节点)来确立目标位移节点的二元坐标，在二维几何图上，一个双曲线就是一个方程式，假如可以做到详细的测量参数，相当于几乎没有差错的情况下，这样，得到的双曲线对准点就是要求得的未知节点坐标。可是，因为时间因素，非视距干扰和多径效应，时间延迟等使得这个时差算法参数存在一定的数据差
错，很有机会导致无解方程的出现。这种定位算法同时也受限制于超声波传播距离有限和NLOS 对于超声波信号的影响。
TDOA 算法参数估计的计算公式为：
21212211,)()()()(y y x x y y x x R R R i i i i -+---+-=-= i=2,…,N （1） 未知节点的坐标表示为(x i ，y i )，已知节点的坐标表示为(x ，y)， N 为定位节点的数量，由这些条件来建立方程组进而进行计算。
图3 TDOA 的双曲线图解
3. 到达时间算法(TOA)
确定利用这个TOA 算法时，第一个要做到的就是将通信系统进行时间方面的同步。时间到达算法预估的基础模型：从一个发射设备发出的信号为s(t)，在此过程上信号源的多径数目为L ，这个过程中经历的时间为t ，接收的信号为 y(t)
)()()(1
0t n t s a t y j L j j +-=∑-=τ （2）
s(t)表示的是附加的噪声，经过第j 个信道后这个信号将会被减弱为α，那么这个过程的第j 个时延为τ，在这之中τ表示直接到达的信号传播时间延迟。这个信道的到达时间相当于传播时间延迟τ与将信号发出的时间t 的总和，在一个信道，这个信道特点是正在衰落，α是因时间变化而变化的，并且α服从(0,2π]内的均匀分布。到达时间预估算法的目标是先收到信号为了来预估多径信号的时间相对差，进而利用时间来计算距离。
图4 TOA 模型
通过估算信号传播的速度与到达时间的乘积的值就可以得到已知节点与未知节点的估算距离。当使用这种方法得到多个已知节点到未知节点的距离值，再利用三边测量法等能准确定位的计算方法后，就得到未知节点在二维坐标轴中的具体坐标。
图5 TOA 定位原理图解
4. 信号强度算法（RSSI ）
一个无线设备发出的信号传输期间，因为碰到多径干扰、阻挠传播物、噪声干扰等不同种环境方面的干扰，那么这个信号的强度会因为传播路程的增大而慢慢地减弱。假如一个发送节点发送信号的大小是已经知道的，接受节点因为接受到信号的大小，凭借传播信号的数学化模型，这样就将传送期间的损耗化转为路程信息，从而根据路程数据得出不确定节点的位置坐标。
信号强度算法（RSSI ）具体的实现公式为：
()()ζ+???
? ??-=d d 00d n l g 10d PL PL （3） n 表示的是环境因素，环境因素是与干扰物的结构和材质相关的，它表示路径的长度和路径的
消耗的比例因数，它一般是在2到4之间取值的；PL (d)是离发射信号距离为d处所接收的信号强度，PL (d0)表示距离在d0时接收到的信号的能量强度，一般情况下，我们定d0的数值为1m，PL的单位为dB；ζ为遮蔽的因素，它是一个与传播经过的距离没有关系的随机数值。
图4 信号强度衰减模型
通过以上的算法的介绍，我们可以得出几种算法的优缺点。相比较而言，TOA算法运算比较简单，但是它需要另外的一个硬件设备协助做到时间上同步进行，并且做到同步时间的要求十分难；到达时间算法的同步时间不必很完整，但是该算法容易受到超声波传播的影响；而信号强度算法的成本非常低，不必配置额外的硬件设备并且信号强度算法的运算简单，但是因其在大范围的定位中精准度太低导致其在实际环境中的运用不是很广泛。
2.2.2非测距定位算法
无需测距的定位算法相跟以测算距离为基础的测定位置算法，由于节点处的硬件设备的要求被降低了，那么这种测定位置的位差会随之增加。这种很简陋的测定位置算法大致满足无线传感器网络的某些特定的应用场景。目前为止，提到的不必需要测定距离的测定距离的算法囊括起来有两种：一种是提前对未确定节点和已确定节点之间的路程来预估，接着使用坐标计算方法确定未确定节点的坐标；另一种是在节点之间互相确立联系来确定而减小包括未确定节点的地方，在得到最小区域时，将这个地方的质心作为所要得到的不确定节点的坐标。不需要进行测算距离而确定位置的算法主要由质心算法、DV-Hop 算法、Amorphous 算法、APIT 算法等构成。
1. 质心算法
质心算法最早是由卜璐苏和黒德曼提出的，质心算法的计算经过为：在网络中的确定节点
按一定频率地向旁边节点广泛传播含有自己的标识号ID 和位置信息(xi ，yi)的信息包，不确定的节点收到来自不一样的确定节点的消息包，在收到的信息报数目超过某个固定值k 时，来算定已确定节点所构成的多边形的质心，并将该质心坐标作为未知节点的坐标。
()???
? ??++++++=k ......k ......y y y x x x y x k 21k 21est est ，，
(4)
图5 质心定位算法原理图
2. DV-Hop 算法
DV-Hop （Distance Vector-Hop ）定位算法也被称作距离向量跳段定位算法，该算法是能充分体现非测距算法特点同时也是使用率比较高的一种非测距方法。DV-Hop 定位算法的执行过程可分为四步。
第一步：网络数据重新设定。已知节点周期性地向邻居节点发送消息束，每个消息束都至少包含了自身的位置坐标 (x i ，y i )以及传播的次数h i （h i 初始化为0）。
第二步：计算信息传播的最小跳的次数。在网络中所有节点接受信息束后，记录下每一个节点接受信息束的最小跳数。具体的记录方式为，如果节点首次接受到某一个节点发射的信息束，那么就记录下信息h i 的值，然后h i 的值加1转发到下一个节点；如果该节点再次接收到其他节点的信息，将这个信息中的h i 的值与之前接受的h i 的值进行比较，如果大于之前接受的h i 的值，那么忽略掉该h i 值，如果小于原h i 值，将原来记录的数据换成现在的h i 的值，加1后将这个信息数据发射给下一个节点。
第三步：计算每跳距离的平均值。在记录好网络中每一个节点之间相互发射信息束的最小跳数值h i 后，通过公式将最小跳数值h i 代入计算已知节点的每一跳的平均距离值。
第四步：具体坐标估算。以上三步可以通过计算或者记录得到节点之间的最小跳数h i 的值和相对应的平均每跳的距离值。根据下面的公式，将记录的数据代入就可以计算出各个已知节点之间的距离，然后再利用位置估算算法来计算出已知节点与未知节点的位置关系，从而确定未知节点的具体位置信息即未知节点的坐标值。 ()()∑∑
--≠≠+=i j j
i j 22i h y y x x i z e op j i j i S H (5)
图6 DV-Hop 算法流程
2.3 本章小结
本章首先通过无线传感器网络定位的基础知识的介绍，阐述了无线传感器网络定位的概念，然后就无线传感器网络定位技术现有的分类进行了介绍。通过本章，我们了解了基于测距的算法和非测距的定位方法，同时就基于AOA 、基于TDOA 、基于TOA 以及基于RSSI 的测距定位方法，无需测距定位方法中的质心算法和DV-Hop 算法进行了简单的介绍以及对这些算法的初步分析。
南京航空航天大学 硕士学位论文 基于无线传感器网络的环境监测系统设计与实现 姓名：耿长剑 申请学位级别：硕士 专业：电路与系统 指导教师：王成华 20090101
南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种集成了计算机技术、通信技术、传感器技术的新型智能监控网络，已成为当前无线通信领域研究的热点。 随着生活水平的提高，环境问题开始得到人们的重视。传统的环境监测系统由于传感器成本高，部署比较困难，并且维护成本高，因此很难应用。本文以环境温度和湿度监控为应用背景，实现了一种基于无线传感器网络的监测系统。 本系统将传感器节点部署在监测区域内，通过自组网的方式构成传感器网络，每个节点采集的数据经过多跳的方式路由到汇聚节点，汇聚节点将数据经过初步处理后存储到数据中心，远程用户可以通过网络访问采集的数据。基于CC2430无线单片机设计了无线传感器网络传感器节点，主要完成了温湿度传感器SHT10的软硬件设计和部分无线通讯程序的设计。以PXA270为处理器的汇聚节点，完成了嵌入式Linux系统的构建，将Linux2.6内核剪裁移植到平台上，并且实现了JFFS2根文件系统。为了方便调试和数据的传输，还开发了网络设备驱动程序。 测试表明，各个节点能够正确的采集温度和湿度信息，并且通信良好，信号稳定。本系统易于部署，降低了开发和维护成本，并且可以通过无线通信方式获取数据或进行远程控制，使用和维护方便。 关键词：无线传感器网络，环境监测，温湿度传感器，嵌入式Linux，设备驱动
Abstract Wireless Sensor Network, a new intelligent control and monitoring network combining sensor technology with computer and communication technology, has become a hot spot in the field of wireless communication. With the improvement of living standards, people pay more attention to environmental issues. Because of the high maintenance cost and complexity of dispose, traditional environmental monitoring system is restricted in several applications. In order to surveil the temperature and humidity of the environment, a new surveillance system based on WSN is implemented in this thesis. Sensor nodes are placed in the surveillance area casually and they construct ad hoc network automatieally. Sensor nodes send the collection data to the sink node via multi-hop routing, which is determined by a specific routing protocol. Then sink node reveives data and sends it to the remoted database server, remote users can access data through Internet. The wireless sensor network node is designed based on a wireless mcu CC2430, in which we mainly design the temperature and humidity sensors’ hardware and software as well as part of the wireless communications program. Sink node's processors is PXA270, in which we construct the sink node embedded Linux System. Port the Linux2.6 core to the platform, then implement the JFFS2 root file system. In order to facilitate debugging and data transmission, the thesis also develops the network device driver. Testing showed that each node can collect the right temperature and humidity information, and the communication is stable and good. The system is easy to deploy so the development and maintenance costs is reduced, it can be obtained data through wireless communication. It's easy to use and maintain. Key Words: Wireless Sensor Network, Environment Monitoring, Temperature and Humidity Sensor, Embedded Linux, Device Drivers
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
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
基于无线传感器网络的桥梁安全检测系统 摘要 根据桥梁监测无线传感器网络技术的桥梁安全监测系统，以实现方案的安全参数的需要；对整个系统的结构和工作原理的节点集、分簇和关键技术，虽然近年来在无线传感器网络中，已经证明了其潜在的提供连续结构响应数据进行定量评估结构健康，许多重要的问题，包括网络寿命可靠性和稳定性、损伤检测技术，例如拥塞控制进行了讨论。 关键词：桥梁安全监测；无线传感器网络的总体结构；关键技术 1 阻断 随着交通运输业的不断发展，桥梁安全问题受到越来越多人的关注。对于桥梁的建设与运行规律，而特设的桥梁检测的工作情况，起到一定作用，但是一座桥的信息通常是一个孤立的片面性，这是由于主观和客观因素，一些桥梁安全参数复杂多变[1]。某些问题使用传统的监测方法难以发现桥梁存在的安全风险。因此长期实时监测，预报和评估桥梁的安全局势，目前在中国乃至全世界是一个亟待解决的重要问题。 桥梁安全监测系统的设计方案，即通过长期实时桥跨的压力、变形等参数及测试，分析结构的动力特性参数和结构的评价科关键控制安全性和可靠性，以及问题的发现并及时维修，从而确保了桥的安全和长期耐久性。 近年来，桥梁安全监测技术已成为一个多学科的应用，它是在结构工程的传感器技术、计算机技术、网络通讯技术以及道路交通等基础上引入现代科技手段，已成为这一领域中科学和技术研究的重点。 无线传感器网络技术，在桥梁的安全监测系统方案的实现上，具有一定的参考价值。 无线传感器网络（WSN）是一种新兴的网络科学技术是大量的传感器节点，通过自组织无线通信，信息的相互传输，对一个具体的完成特定功能的智能功能的协调的专用网络。它是传感器技术的一个结合，通过集成的嵌入式微传感器实时监控各类计算机技术、网络和无线通信技术、布式信息处理技术、传感以及无线发送收集到的环境或各种信息监测和多跳网络传输到用户终端[2]。在军事、工业和农业，环境监测，健康，智能交通，安全，以及空间探索等领域无线传感器网络具有广泛应用前景和巨大的价值。 一个典型的无线传感器网络，通常包括传感器节点，网关和服务器，如图1
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.doczj.com/doc/b510272842.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].
一、课题研究目的 针对目前中国的交叉路口多，车流量大，交通混乱的现象研究一种控制交通信号灯的基于无线传感器的智能交通系统。 二、课题背景 随着经济的快速发展，生活方式变得更加快捷，城市的道路也逐渐变得纵横交错，快捷方便的交通在人们生活中占有及其重要的位置，而交通安全问题则是重中之重。据世界卫生组织统计，全世界每年死于道路交通事故的人数约有120 万，另有数100 万人受伤。中国拥有全世界1. 9 %的汽车，引发的交通事故占了全球的15 % ，已经成为交通事故最多发的国家。2000 年后全国每年的交通事故死亡人数约在10 万人，受伤人数约50万，其中60 %以上是行人、乘客和骑自行车者。中国每年由于汽车安全方面所受到的损失约为5180 亿(人民币)，死亡率为9 人/ 万·车，因此，有效地解决交通安全问题成为摆在人们面前一个棘手的问题。 在中国，城市的道路纵横交错，形成很多交叉口，相交道路的各种车辆和行人都要在交叉口处汇集通过。而目前的交通情况是人车混行现象严重，非机动车的数量较大，路口混乱。由于车辆和过街行人之间、车辆和车辆之间、特别是非机动车和机动车之间的干扰，不仅会阻滞交通，而且还容易发生交通事故。根据调查数据统计，我国发生在交叉口的交通事故约占道路交通事故的1/ 3，在所有交通事故类型中居首位，对交叉口交通安全影响最大的是冲突点问题，其在很大程度上是由于信号灯配时不合理(如黄灯时间太短,驾驶员来不及反应)，以及驾驶员不遵循交通信号灯，抢绿灯末或红灯头所引发交通流运行的不够稳定。随着我国经济的快速发展，私家车也越来越多，交通控制还是延续原有的定时控制，在车辆增加的基础上，这种控制弊端也越来越多的体现出来，造成了十字交叉路口的交通拥堵和秩序混乱，严重的影响了人们的出行。智能交通中的信号灯控制显示出了越来越多的重要性。国外已经率先开展了智能交通方面的研究。 美国VII系统(vehicle infrastructure integration)，利用车辆与车辆、车辆与路边装置的信息交流实现某些功能，从而提高交通的安全和效率。其功能主要有提供天气信息、路面状况、交叉口防碰撞、电子收费等。目前发展的重点主要集中在2个应用上: ①以车辆为基础; ②以路边装置为基础。欧洲主要是CVIS 系统(cooperative vehicle infrastructure system)。它有60 多个合作者，由布鲁塞尔的ERTICO 组织统筹，从2006 年2 月开始到2010年6月，工作期为4年。其目标是开发出集硬件和软件于一体的综合交流平台，这个平台能运用到车辆和路边装置提高交通管理效率，其中车辆不仅仅局限于私人小汽车，还包括公共交通和商业运输。日本主要的系统是UTMS 21 ( universal traffic management system for the 21st century , UTMS 21)。是以ITS 为基础的综合系统概念,由NPA (National Police Agency) 等5个相关部门和机构共同开发的，是继20 世纪90 年代初UTMS 系统以来的第2代交通管理系统，DSSS是UTMS21中保障安全的核心项目，用于提高车辆与过街行人的安全。因此，从国外的交通控制的发展趋势可以看出，现代的交通控制向着智能化的方向发展，大多采用计算机技术、自动化控制技术和无线传感器网络系统，使车辆行驶和道路导航实现智能化，从而缓解道路交通拥堵，减少交通事故，改善道路交通环境，节约交通能源，减轻驾驶疲劳等功能，最终实现安全、舒适、快速、经济的交通环境。
《无线传感器网络》 一、填空题（每题4分，共计60分） 1.传感器网络的三个基本要素：传感器、感知对象、用户(观察者) 2.传感器网络的基本功能：协作式的感知、数据采集、数据处理、发布感知信息 3、 3.无线传感器节点的基本功能：采集数据、数据处理、控制、通信 4.无线通信物理层的主要技术包括：介质选择、频段选取、调制技术、扩频技术 5.扩频技术按照工作方式的不同，可以分为以下四种：直接序列扩频、跳频、跳时、宽带 线性调频扩频 6.定向扩散路由机制可以分为三个阶段：兴趣扩展阶段、梯度建立阶段、路径加强阶段 7.无线传感器网络特点：大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、 应用相关的网络 8.无线传感器网络的关键技术主要包括：网络拓扑控制、网络协议、时间同步、定位技术、 数据融合及管理、网络安全、应用层技术 9.IEEE 标准主要包括：物理层。介质访问控制层 10.简述无线传感器网络后台管理软件结构与组成：后台管理软件通常由数据库、数据处理 引擎、图形用户界面和后台组件四个部分组成。 11.数据融合的内容主要包括：多传感器的目标探测、数据关联、跟踪与识别、情况评估和 预测 12.无线传感器网络可以选择的频段有：_800MHz___915M__、、___5GHz 13.传感器网络的电源节能方法：_休眠（技术）机制、__数据融合 14.传感器网络的安全问题：(1) 机密性问题。 (2) 点到点的消息认证问题。 (3) 完整 性鉴别问题。 15.规定三种帧间间隔：短帧间间隔SIFS，长度为 28 s a)、点协调功能帧间间隔PIFS长度是 SIFS 加一个时隙(slot)长度，即78 s b)分布协调功能帧间间隔DIFS ，DIFS长度=PIFS +1个时隙长度，DIFS 的长度为 128 s 16.任意相邻区域使用无频率交叉的频道是，如：1、6、11频道。 17.网络的基本元素SSID标示了一个无线服务，这个服务的内容包括了：接入速率、工作 信道、认证加密方法、网络访问权限等 18.传感器是将外界信号转换为电信号的装置，传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电 路三部分组成 19.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 20.物联网是在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术，构造一个覆盖 万物的网络。RIFD无线识别、嵌入式系统技术、能量供给模块和纳米技术列为物联网关键技术。 二、基本概念解释（每题5分，共40分） 1.简述无线网络介质访问控制方法CSMA/CA的工作原理 CSMA/CA机制: 当某个站点（源站点）有数据帧要发送时，检测信道。若信道空闲，且在DIFS时间内一直空闲，则发送这个数据帧。发送结束后，源站点等待接收ACK确认帧。如果目的站点接收到正确的数据帧，还需要等待SIFS时间，然后向源站点发送ACK确认帧。若源站点在规定的时间内接收到ACK确认帧，则说明没有发生冲突，这一帧发送成功。否则执行退避算法。
文章编号:1004-9037(2009)02-0254-05 基于无线传感网络的大型结构健康监测系统 尚 盈 袁慎芳 吴 键 丁建伟 李耀曾 (南京航空航天大学智能材料与结构航空科技重点实验室,南京,210016) 摘要:针对大型碳纤维复合材料机翼盒段壁板结构,实现了基于无线传感网络的多点应变结构健康监测系统,采用自组织竞争神经网络成功判别了集中载荷模拟的损伤位置。本系统由传感采集子系统、无线传感网络子系统和终端监控子系统三部分组成。为了降低系统网络功耗及成本,提高系统的稳定性和可靠性,改善传感网络的实时性和同步性,设计了可直接配接无线传感网络节点的低功耗多通道应变传感器信号调理电路和基于无线传感网络的层次路由协议,开发了多通道应变数据采集、网络簇头转发和中继节点接收等主要软件模块。实验证明,相比于传统有线的监测方法和数据采集系统,基于无线传感网络的结构健康监测系统具有负重轻、成本低、易维护和搭建移动方便等优点。 关键词:无线传感网络;结构健康监测;层次路由协议;自组织竞争网络中图分类号:T P2;T P9 文献标识码:A 基金项目:国家“八六三”高技术研究发展计划(2007AA 032117)资助项目;国家自然科学基金(60772072,50420120133)资助项目;航空基金(20060952)资助项目。 收稿日期:2007-09-05;修订日期:2008-04-17 Large -Scale Structural Health Monitoring System Based on Wireless Sensor Networks S hang Ying ,Yuan Shenf ang ,Wu J ian ,Ding J ianw ei ,L i Yaoz eng (T he A ero nautic Key La bo rat or y o f Smart M ater ial and Str uct ur e,N anjing U niv ersit y o f Aer onautics and A str onautics,N anjing,210016,China) Abstract :Aimed at the large-scale structure and anisotropy nature o f the carbon fiber compos-ite material w ing box ,a large-scale structural health m onitoring system based on w ireless sen-sor netw orks is presented .A kind of artificial neural netw ork is designed to distinguish the damag e locatio n simulated by the co ncentrated load .The sy stem co nsists o f the sensor data ac-quisition,the w ireless sensor netw or ks,and the terminal monitoring sub-sy stem s.To im pro ve the performance o f the system ,the signal conditio ning circuit and the hierarchical routing pro -to col are designed based o n w ireless sensor netw orks ,the prog rams of data acquisition and Sink node are ex ploited.Experimental result pro ves that the system has advantag es of flexibili-ty o f deplo yment,low maintenance and deploym ent costs . Key words :w ir eless senso r netw or ks ;str uctural health monitoring ;hierarchical routing ;self -org anizing com petitive netw o rk 引 言 结构健康监测技术是采用智能材料结构的新概念,利用集成在结构中的先进传感/驱动元件网络,在线实时地获取与结构健康状况相关的信息(如应力、应变、温度、振动模态、波传播特性等),结 合先进的信号信息处理方法和材料结构力学建模 方法,提取特征参数,识别结构的状态,包括损伤,并对结构的不安全因素在其早期就加以控制,以消除安全隐患或控制安全隐患的进一步发展,从而实现结构健康自诊断、自修复、保证结构的安全和降低维修费用[1]。 无线传感网络节点具有局部信号处理的功能, 第24卷第2期2009年3月数据采集与处理Jour nal of D ata A cquisition &P ro cessing Vo l.24N o.2M a r.2009
无线传感网络定位算法 目录 一、常用定位技术 (2) 1.1 GPS与A-GPS定位 (2) 1.2 基站定位（cell ID定位） (3) 1.3 Wifi AP定位 (3) 1.4 FRID、二维码定位 (3) 二、定位算法研究的目的和意义 (4) 三、WSN定位算法分析 (5) 3.1 基于锚节点的定位算法 (5) 3.1.1 距离相关定位算法 (5) 3.1.2 距离无关定位算法 (6) 3.2 基于移动锚节点的定位算法 (8) 3.2.1 基于移动锚节点的距离相关定位算法 (9) 3.2.2 基于移动锚节点的距离无关定位算法 (11) 四、总结 (13) 附：组员及分工情况..................................................................................... 错误！未定义书签。
一、常用定位技术 1.1 GPS与A-GPS定位 常见的GPS定位的原理可以简单这样理解：由24颗工作卫星组成，使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。在整个天空范围内寻找卫星是很低效的，因此通过GPS 进行定位时，第一次启动可能需要数分钟的时间。这也是为啥我们在使用地图的时候经常会出现先出现一个大的圈，之后才会精确到某一个点的原因。不过，如果我们在进行定位之前能够事先知道我们的粗略位置，查找卫星的速度就可以大大缩短。 GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P（Y）码。民用精度约为10米，军用精度约为1米。GPS的优点在于无辐射，但是穿透力很弱，无法穿透钢筋水泥。通常要在室外看得到天的状态下才行。信号被遮挡或者削减时，GPS定位会出现漂移，在室内或者较为封闭的空间无法使用。 正是由于GPS的这种缺点，所以经常需要辅助定位系统帮助完成定位，就是我们说的A-GPS。 例如iPhone 就使用了A－GPS，即基站或WiFi AP 初步定位后，根据机器内存储的GPS 卫星表来快速寻星，然后进行GPS 定位。例如在民用的车载导航设备领域，目前比较成熟的是GPS + 加速度传感器补正算法定位。在日本的车载导航市场是由Sony 的便携式车载导航系统Nav-U1 首先引入量产。例如在增加了三轴陀螺仪的iphone4里可以利用三轴陀螺仪来辅助完成定位，具体可以参见这篇文章的介绍，不过三轴陀螺仪定位的误差会随着时间逐渐积累。
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
无线传感器网络的定位 摘要 无线传感器网络节点自身定位至关重要,在军事和民用领域中有着广泛的应用前景.目前的定位算法主要分为两种类型,即基于距离的定位算法和距离无关的定位算法.这两种类型的算法各有优势和不足.考虑了两种算法的优缺点,为了有效抑制复杂环境对无线传感器网络节点定位精度的影响,以三边定位算法为基础,提出了三边质心定位法, DV-HOP改进法两种较为精确的改进算法. 对于问题一,为了改进三边测距法,我们引进质心法,建立基于三边测距法、质心法的三边质心定位法(通过计算相交圆的交点,在每两个圆相交产生的两个交点中找到与另一个圆距离较小的点,共可找到三个点,用这三点所确定的区域的质心来估计未知节点的坐标),在此基础上我们继续运用加权补偿法,对区域定位误差加以考虑,求得更准确的未知节点的坐标. 对于问题二,我们采用DV-HOP改进法,首先确定各节点之间的最小跳距即最小跳数,由此估算出各节点之间的距离,再结合三角测量法,三边算法,多次计算取平均值,最终确定各未知节点的坐标. 对于问题三:针对本问,我们采用三边测量法、三边质心定位法、DV-HOP测量法,分别对已知仿真算例中的未知节点进行定位运算,同时借助MATLAB软件进行求解,最后得出由未知节点实际坐标,结果见附表二. 对于问题四,首先,我们将通过三种方法求出的各未知节点坐标值与附件中所给出的数据进行对比观察,然后由此总结分析三种方法的合理性和优缺点,比较三种算法的优劣. 鉴于所给出的三种算法,基于本问题所给出的信息量(未知节点到周围三个信标节点的距离,各信标节点的坐标,各未知节点的真实坐标,仿真算例),DV-HOP改进法所得结果较为精确. 关键词:无线网络定位三边质心定位法加权补偿法DV-HOP改进法