无线传感网络中的通信与定位技术研究

总第２４７期　

２０１０年第５期　计算机与数字工程　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ＆Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖｏ１．３８　Ｎｏ．５　１１　

无线传感器网络定位技术探析　

李建＂　韩忠　

（河南工程学院计算机科学系　郑州４５１１９１）（河南省开封人民警察学校　’　开封４７５００１）　

摘要传感器网络中的节点定位问题因为与实际的很多应用直接相关而尤为受到关注，其中主要分为两种类型算　

法，分别为ｒａｎｇ－ｆｒｅｅ和ｒａｎｇ－ｂａｓｅｄ，这两种类型的定位算法各有优势和不足之处。为了研究算法发展趋势，文章通过比较几　

种典型的定位算法，指出了各自的优缺点。　

关键词无线传感器网络；节点定位；算法　

中图分类号ＴＰ３９３．０３　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＬＯｃａｌｉｚａｔｉＯｎ　ｏｆ　Ｗｉｒｅｌｅｓ　ｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ　

Ｌｉ　Ｊｉａｎ　Ｈａｎ　Ｚｈｏｎｇ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｈｅｎａｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ”，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　４５１１９１）　

（Ｋａｉｆｅｎｇ　Ｐｏｅｐｌｅ’Ｓ　Ｐｏｌｉｃｅ　Ｔｒａｉｎｉｎｇ　Ｓｃｈｏｏｌ　，Ｋａｉｆｅｎｇ　４７５００１）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｎｏｄｅ　ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ａ　ｔｏｐｉｃ　ｏｆ　ａｃｔｉｖｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｉｎ　ｒｅｃｅｎｔ　ｙｅａｒｓ．Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｉｓ　ａｎ　ｅｓｓｅｎｔｉａｌ　ｔｏｏｌ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　

ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｌｏｗ－ｃｏｓｔ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ｆｏｒ　ｕｓｅ　ｉｎ　ｌｏｃａｔｉｏｎ－ａｗａｒｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｕｂｉｑｕｉｔｏｕｓ　ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ．Ｔｈｅｒｅ　ａｒｅ　ｔｗｏ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ，ｒａｎｇｅ－ｂａｓｅｄ　ａｎｄ　ｒａｎｇｅ－ｆｒｅｅ，ｗｈｉｃｈ　ｈａｖｅ　ｔｈｅｉｒ　ｏｗｎ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ．Ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　

毕业论文任务书

通信工程本科专业（11级）

题目：基于TDOA算法的水下无线传感器网络定位技术研究学生姓名：张龙班级：通信4班学号：11250422题目类型：科学研究（K）指导教师：薛建彬

一、论文目的和意义

无线传感器网络(wirelesssensornetwork，WSN)是指由大量成本低廉的、

尺寸小的、具有感知能力、计算能力和无线通讯能力的传感器节点组成的网络；

综合了现代传感技术、微电子技术、通信技术、嵌入式计算技术和分布式信息处

理技术等多个学科，是一个新兴的交叉研究领域。随着嵌入式技术、微传感器技

术、微机电系统制造技术以及无线通信技术的发展，具有采集、计算、存储和通

信等综合能力的无线集成传感器得到了各领域大规模的应用。其中，水下无线传

感器网络就凭借各种传感器节点感知周围环境信息，如酸碱度、温度、水位、压

力、流速等，水下节点之间依靠声波通信进行自组网，最终通过漂浮在水面的节

点，依靠电磁波与陆地通信网络连接起来，把水下采集到的数据发送给观测者。TDOA定位是基于测距的无线传感器网络定位方法中的一种，也被广泛的

应用在蜂窝网络定位中。TDOA定位通常是通过记录两种不同信号(常使用无线

电信号和超声波信号)的到达时间差异，根据已知的两种信号的传播速度，直接

把时间差转化为距离。由于基于TDOA的WSN定位精度相对较高，并且不需要

全局时间同步，时间差(TDOA)测距技术在无线传感器网络定位方案中得到了较

多的应用。由于这种方法不是采用到达的绝对时间来确定节点的位置，降低了对

时间同步的要求，而且定位精度高，易于实现，在非理想环境下性能相对优越。

本次毕业论文要求在查阅大量参考资料的基础上，学习和分析水下无线传感

器网络的基本概念、原理和方法；掌握水下无线传感器网络定位的基本方法；了

解水下无线传感器网络的测距方法；在此基础上，重点研究基于测距的水下无线

传感器定位算法，探讨水下无线传感器网络定位系统的设计与Matlab验证。

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Electronic Technology & Software Engineering 󰀡电子技术与软件工程

• 5【关键词】无线传感网络 TDOA 测距 节点1 引言大量无线、多跳方式的通信传感器节点构成了无线传感网络，这些节点一般由传感器、无线通信、处理器以及能量供应四大模块组成。它们分别完成本地处理感测数据、消息交换、能量供应以及最关键的感测环境的各项功能。节点一般会采用随机投放的方式，在某个特定的监控区域密集布设，因此节点的网络拓扑结构是自组织的。由于节点数量巨大且密集度高，且各自应用类型不同及对应工作环境复杂性，而计算、存储及通信带宽都属于有限资源，故节点必须协同工作，全局任务必须通过局部单个节点的采集、预处理及融合数据来完成。无线传感网络节点的位置信息对于目标问题的追踪、选定特定节点以完成指定任务、智能设定任务完成路由等，具有非常重要的意义，而对节点的准确位置信息的获取是WSN的研究和应用的基础，精确定位节点对网络的性能和优化至为关键。目前的节点定位算法主要有两大分支，静态与动态定位算法。其中，静态定位算法又分为测距与非测距两种。测距算法节点位置稳固不变，对硬件要求比较高，定位精度较高，通信量与计算量较大。本文讨论的TDOA算法即为WSN的静态测距算法。2 TDOA算法的性能改进方向TDOA定位不需要精确的时间同步，但结果精度高，而且操作方便、实现简单，其实现定位主要利用距离相关性，即需测量待定位节点与附近3个或以上节点间的距离，通过三角测量、三边测量或极大似然估计等坐标计算方法，算出待定位节点的相对坐标信息，最后结合辅助信息修正坐标计算结果，降低测量误差。2.1 改进参照节点的选择方法无线传感网络的TDOA节点定位算法文/覃琪 谭松鹤 何传波由于无线传感网络中大部分节点的随机性，它们的定位信息能够准确地反应监测对象发生事件的具体位置。基于测距的TDOA（Time Difference of Arrival）节点定位算法以其高定位精度、快速定位及强抗干扰的特点，在WCDMA 技术、蜂窝定位系统、路基多点定位、无线测距雷达等定位系统中得到广泛应用。本文分析总结了现阶段对TDOA算法性能改进方向，指出了一些缺点。摘 要此方法主要考虑到算法中的参照节点选择对定位系统实际运行的效率及消耗的影响。TODA算法需要多个节点协同工作来实现定位，这些参照节点的数量是庞大的。而被定位目标节点的移动特性，使其与参照节点之间的位置不断变化，出于最优节点网络布局考虑，往往选择的参照节点也不停随之发生改变，旧组合中的节点被抛弃，利于定位的新节点被引入。且由于受到节点支撑能源、带宽和网络寿命的限制，导致在节点选择上的消耗反而增加了系统的复杂程度，对改善定位性能并无帮助。必须结合目标节点的移动轨迹，改进节点的选择以求定位精度与系统消耗之间的平衡。在不同的场景中，节点选择可以有不同的优化途径。但面向TDOA的定位系统中，其目标与参照节点间构成的是非线性关系，因此不能通过启发式凸优化方法等线性系统的节点选择方法来达到目的。目前行之有效的方法包括通过泰勒级数展开线性化节点间的非线性关系，再基于贪婪算法优化结果，或者通过加权最小二乘WLS算法伪线性化节点关系，同时构建非凸节点的最小化定位误差协方差矩阵，优化节点选择。2.2 提升TDOA测量误差的协方差矩阵的准确性在TDOA定位算法中，噪声的协方差矩阵的准确性对算法性能有很大影响。它可以通过单位矩阵乘以噪声的标准差，或者使用对角线元素均匀分布的对角阵来生成。目前算法中的估计误差取决于目标信号带宽B及接收信噪比SNR两个参数，难点在于要利用最佳接收信噪比必须考虑目标信号带宽不可控性，且定位节点到目标源的几何距离及几何构型也决定了SNR。因此，改善TDOA算法，可以从噪声的协方差矩阵入手，充分考虑目标源和定位节点之间的距离的因素。2.3 减少求解目标源的计算量TDOA 算法通常由节点发送两种速度不同的测量信号，例如，电磁波和超声波，利用这两类信号到达接收节点的时间差及传播速度，估算出发射节点与接收节点之间的距离。文献[5]提出在目标源与周边节点距离不大于 100 m时，考虑到电磁波速度几近光速，可认为此信号为计算过程中的同步信号，那么仅需计算超声信号的到达时间，从而可以减少计算量。同时为提升定位性能，可以采用ⅡR滤波处理结合信号幅值分析算法，通过带通滤波、低通滤波和幅值分析进行计算，降低对硬件的依赖性。2.4 通过补偿式估值计算提升定位精度前文提到，TDOA可以通过发射节点同时向两个接收节点发射无线电波信号，通过信号到达两个接收节点的时间差，进行节点间的测距。而当两个定点距离之差的绝对值为定值时，这些点构成的轨迹恰恰就是几何双曲线。因此，多个距离相同的接收节点就可以形成多组双曲线，从而测得相应的坐标位置。受功耗、多径效应、反射、硬件内部晶振质量等影响，双曲线方程组有可能出现无兼容解的情况，即多组双曲线并不会出现交点，而且误差会随着接收节点数量增多而量级增加。可以考虑逼近及简化求解交点值，即使用最小二乘法跟踪接收节点间的频差漂移，用估值补偿初始TDOA，提升定位精度。3 结语目前TDOA算法改进已经有很多研究结果，但是多数建立在某些假设下，对算法的实际应用有一定程度的限制。如很多算法中假定时钟同步在接收节点之间已经存在，但此条件本身即为WSN需要解决的问题之一，而达到实用要求节点时钟同步必须达到纳秒级别。或者相对复杂的算法在提升了定位精度的同时，增加了节点能量消耗，没有得到两者的合理折衷。而且大多数文献只有仿真，缺乏实验验证性能，虽然已经有很多不同场景的仿真实验，但大多未能真正投入实际应用，这说明实际的TDOA定位算法还存在更多的改进方向，如解决大规模无线传感网络的累积误差问题、减少节点定位时信息传输的消耗、准确获得节点的时钟同步等。参考文献[1] 陈世文,刘睿强,王一男.改进的无线传感定位系统的设计与研究[J].现代电子技术,2016(39):54-57.[2]滕国栋.无线传感网络节点定位算法的研究[D].杭州:浙江大学,2010．[3]郝本建,王林林,李赞,赵越.面向TDOA被动定位的定位节点选择方法[J].电子与信息学报,2019(41):1-5.[4]尚志军,曾鹏,于海斌.无线传感器网络节点定位问题[J].计算机科学,2004(35):35-38.[5]张会新,陈德沅,彭晴晴,史磊.一种改进的TDOA无线传感器网络节点定位算法[J].传感技术学报,2015(03):412-415[6]陈辉.基于TDOA的无线传感器网络时钟同步与定位技术研究[D].长沙：国防科学技术大学,2015.作者简介覃琪（1981-），女，讲师。主要研究方向为传感网络系统，操作系统技术等。谭松鹤（1982-），男，讲师。主要研究方向为无线传感网络。何传波（1988-），男，讲师。主要研究方向为无线传感网络。作者单位河池学院 广西壮族自治区河池市 546300●基金项目：广西壮族自治区中青年基础能力提升项目（编号KY2016YB382）。

无线传感器网络在工业领域中的应用研究

一、引言

随着现代工业技术的不断发展，越来越多的企业开始借助无线传感器网络实现工业自动化和物联网化。本文将重点阐述无线传感器网络在工业领域中的应用。

二、无线传感器网络介绍

1.无线传感器网络定义

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由多个可以自主感知、信息处理、通信的微型无线传感器节点组成的一种多信号探测、信息采集与处理、无线网络传输，协同工作的分布式计算环境。

2.无线传感器网络特点

①微型化：WSN节点具有体积小、重量轻、低功耗等特点；

②分布式：单个节点不能完成任务，必须依靠节点之间进行合作；

③自适应：WSN可以通过感知环境变化，在无人干预的情况下实现自适应和优化； ④实时性：WSN需要快速响应环境变化，保证数据准确性和时效性；

⑤灵活性：WSN具有部署、移动、网络结构调整等灵活性；

⑥安全性：WSN需要对数据传输进行加密和身份认证，确保数据隐私和网络安全。

三、无线传感器网络在工业领域中的应用

1.工业自动化监测

WSN可以对工艺过程进行实时监控和数据采集，对生产环节进行自动化控制。例如，在钢铁、水泥、化工等行业中，无线传感器网络能够实时监测温度、湿度、压力、气体浓度、振动等参数的变化，提高生产效率和生产质量。

2.机器诊断与保养

通过对WSN数据的分析和处理，可以实现对机器的诊断功能，识别异常情况，提前预警，减少机器停机时间，从而提高生产效率和机器的使用寿命。

3.物流管理

基于WSN的无线节点，可以对工厂内部的货物流动和运输过程进行实时监测，减少手工作业繁琐，提高仓储效率。此外，在冷链物流管理中，WSN能够及时监测货物运输中的温度、湿度等情况，保证货物质量。

4.环境监测

WSN可以实现对环境声、温、湿度、光照等指标的实时监测，用于环境监测、气象预报、灾害响应等领域，提高生态环境保护。

5.其他领域应用