（通信与信息系统专业论文）基于zigbee的无线传感网室内定位技术研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 基于z i g b e e 的无线传感网室内定位技术研究 摘要 近年来，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 ) 因其低功耗、低成本、布 设方便等特点被广泛应用在军事、民用等各个领域。其中获取传感器节点的位置信息是这 些应用得以推广的重要前提，因此对无线传感器网络环境中更有效、更可靠的定位算法的 研究成为当今的一个研究热点。通过对无线传感器网络及其节点定位算法的学习和研究， 本文主要做了以下工作： 首先，论文在查阅大量相关文献的基础上，综述了无线传感器网络的体系架构及其主 要应用。介绍了z i g b e e 通信协议以及无线传感器网络定位系统和算法的性能评价标准和 分类方法，着重综述了近年来该领域具有代表性的算法及系统的原理和方法。 然后，重点对具有低功耗、高精度的基于接收信号强度值( r s s i ) 测距的方法进行了 研究，并对常见的基于r s s i 测距模型上的几种定位算法进行详细的分析。基于r s s i 测距 的定位方法需要一个精确的测距模型，因此在对各定位算法进行研究前先利用基于z i g b e e 技术的c 5 1 r f w s n 平台来实测实验室中特定距离处的接收信号强度值，并采用高斯滤波 来减小偶然误差对测量r s s i 值的影响，然后利用线性回归分析优化测距模型中a ，n 的值。 通过实际测量发现信号在各方向上的衰减具有不规则性，为了建立更精确的测距模型，通 过对传统的测距模型添加d o i 值来优化，从而得到更精确的室内测距模型。 其次，在建立的测距模型基础上，利用m a t l a b 对无线传感器网络环境进行模拟并 分别对三边测量定位法、极大似然估计法和最小最大定位法进行仿真。通过分别改变锚节 点比率、节点总数和d o i 值来分析各算法的扩展性和适应性。对其中具有较大定位误差的 最小最大定位法原理进行分析发现其特有的定位实现方法对处于定位区域边缘的未知节 点会产生较大的定位误差，文中使用了矩形边缘越界检测法来改进这种定位方法。通过仿 真验证了改进的最小最大定位法在局部和总体上都比传统最小一最大定位法的定位精度有 较大提高。 关键词：无线传感器网络，z i g b e e 技术，节点定位，测距，接收信号强度值 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho fi n d o o rl o c a t i o nt e c h n o l o g y b a s e do nz i g b e ew l r e l e s ss e n s o r n e t w o r k a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki sw i d e l ya p p l i e di nm i l i t a r y ，c i v i la n do t h e rf i e l d s f o rt h ew s nn o d e sa r ef e a t u r e da sl o wi np o w e r ，c o s t - e f f e c t i v e n e s sa n dc o n v e n i e n tt op l a c e i t s v e r yi m p o r t a n tt ok n o w nh o wt oo b t a i nt h es e n s o rn o d e s p o s i t i o nb e f o r et h ew s nb ew i d e l y a p p l i e di ns u c hf i e l d s ot h er e s e a r c ho nm o r ee f f i c i e n ta n df a s tl o c a l i z a t i o na l g o r i t h mo fw s n i s r e a l l yap o p u l a rt o p i c f i r s to fa l l ，t h es y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dm a i n l ya p p l i c a t i o nf i e l d sf o rw s na r es u m m a r i z e d b a s e do nt h es t u d yo fal o to fr e l a t e dl i t e r a t u r e s i nt h i st h e s i s ，t h ec r i t e r i o no fp e r f o r m a n c e e v a l u a t i o na n da l g o r i t h m s ，t h et a x o n o m yf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sl o c a l i z a t i o ns y s t e m sa r e d e s c r i b e d ，t h ep r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fr e c e n tr e p r e s e n t a t i v el o c a l i z a t i o na p p r o a c h e sa r e s e c o n d l y , w ef o c u s e do nt h er a n g e b a s e dl o c a l i z a t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h er e c e i v e d s i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t o r ( r s s i ) f o ri t sl o wp o w e ra n dh i 曲p r e c i s i o n , a n dt h e na n a l y s e ss e v e r a l n o d el o c a l i z a t i o na l g o r i t h m sb a s e do nr s s ir a n g i n gm o d e li nd e t a i l w ea p p l i e dc 51r f w s n p l a t f o r mt oe s t a b l i s h i n gap r e c i s ed i s t a n c em e a s u r e m e n tm o d e l ，g a u s s i a nf i l t e ri su s e dt or e d u c e i m p a c to ft h ea c c i d e n t a le r r o ro fm e a s u r e dr s s iv a l u ei ns p e c i f i cd i s t a n c e ，a n du s i n gl i n e a r r e g r e s s i o na n a l y s i st oo p t i m i z et h ev a l u eo fa ，ni nt h er a n g i n gm o d e l t h r o u g ht h e o r ya n da c t u a l m e a s u r e m e n ti ts h o w st h a ts i g n a la t t e n u a t i o np a r t i e su pi r r e g u l a r i t i e s ，t h a tw eh a dt oa d da p a r a m e t e ro fd e g r e eo fi r r e g u l a r i t y ( d o i ) i no r d e rt oe s t a b l i s ham o r ep r e c i s ei n d o o rr a n g i n g m o d e l f i n a l l y , w es i m u l a t e da n da n a l y z e dt r i l a t e r a t i o np o s i t i o n i n gm e t h o d ，m a x i m u ml i k e l i h o o d e s t i m a t i o nm e t h o da n dm i n - m a xl o c a t i o nm e t h o dt h r o u g hm a t l a bt om o d e lt h ew i r e l e s s s e n s o rn e t w o r ke n v i r o n m e n tb a s e do nt h er a n g i n gm o d e l a n db ya l t e r i n gt h er a t i oo fa n c h o r n o d e ，t h et o t a ln u m b e ro fn o d e sa n dt h ev a l u eo fd o i ，t h es c a l a b i l i t ya n da d a p t a b i l i t yo ft h e s e a l g o r i t h ma r ea n a l y z e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w st h a tm i n m a xp o s i t i o n i n ga l g o r i t h mh a sl a r g e r p o s i t i o ne r r o ro nt h ee d g eo fc r o s sb o r d e ra n df o u n dt h a tw a sc a u s e db yt h eu n i q u ep r i n c i p l e w e p r o p o s et h ec r o s sb o r d e rd e t e c t i o nm e t h o dt or e s o l v et h ep r o b l e mt h a tt h eb l i n dn o d e sa r o u n dt h e e d g eo fl o c a l i z a t i o nr e g i o nh a v el a r g e rp o s i t i o n e r r o r t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h e i m p r o v e dm e t h o dc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h ep o s i t i o na c c u r a c y o fb l i n dn o d e sa r o u n dt h e l o c a l i z a t i o ne d g 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 ，z i g b e et e c h n o l o g y , 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 ， r s s i 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 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 ) 是伴随着计算机与通信技术、半导 体与微电子技术、人工智能与自动控制技术等学科的发展而出现的一种新型数据采集与监 控网络，是由许多集传感、计算、驱动控制、通信功能于一身而资源受限的嵌入式节点， 通过无线方式相互联系起来的网络。因其具有低功耗、低成本、可扩张性强和易部署等 特点，可广泛应用于环境、军事、安防、抢险、城市智能交通和远程控制等领域，美国权 威杂志m i t 技术评论在2 0 0 3 年2 月份的一次评选中将w s n 列为对世界产生深远影响 的十大新兴技术之首。2 0 0 4 年6 月，美国商业周刊更将无线传感器网络列为2 1 世纪 最有影响力的2 1 项技术之一，并认为w s n 将伴随各种短距离通信技术( 如b l u e t o o t h ， u w b ，z i g b e e ，红外等) 和传感技术的发展掀起新一轮的产业浪潮，从而引发新的信息技 术革命。 无线传感器网络因其巨大的应用价值得到了很多国家工业界、学术界和军事部门的关 注【5 1 。其最初是由美国国防部高级研究计划局( d a r p a ) 为了军事方面的应用而发起的， 并在1 9 9 8 年9 月h o u s es c i e n c ec o m m i t t e e 上被称为是美国的一项重大科技突破，为了确 保美国在这一技术领域的优势地位，美国国防部于同年在c 4 1 i s r 基础上提出了c 4 1 i s r 计划，特别强调其对战场中敌军情报的感知能力、信息的获取和处理能力，并将w s n 单 独作为一个研究领域设立众多军事传感网络研究项目；美国自然科学基金委员会( n s f ) 也在2 0 0 3 年提出传感器网络方面的研究，并投资3 4 亿美元用来与之相关的基础理论研究； 同年，美国能源部也投资1 千多万美元赞助三个无线传感技术在改善能源利用和提高工业 效率等方面的研究项目。当然，大量类似的项目也在日本和欧盟出现，比如欧盟的s e w i n g 系统【1 2 j 和e y e s 计划等。在政府资助和商业需求驱动下，国外各大公司( 如i b m ，i n t e l 和微 软等) 和众多高校都投入到了各类研发计划中。 1 2 课题研究目的及意义 随着现代移动通信技术和无线网络的飞速发展，人们对无线定位的需求也与日俱增。 简单来说，无线定位服务就是通过无线终端和无线网络之间的配合，来确定移动用户的实 浙江工业大学硕士学位论文 际位置，从而提供用户所需的与位置和方向等有关信息的服务。1 9 9 6 年，美国联邦通信委 员会( f c c ) 在全美推广e 9 1 1 服务【2 1 ，要求所有无线通信运营商在用户发出紧急呼叫时 必须向公共安全服务部门提供该用户的地理位置信息和移动终端号码，以便于对该用户进 行紧急救援。1 9 9 9 年f c c 又对e 9 1 1 法进行修订，对定位精度提出了更高的要求，这极 大的促进了l b s ( l o c a t i o nb a s e ds e r v i c e ) 产业的发展。此后，德国、瑞典、芬兰、日本等国 也相继推出了各种特色的商用定位服务系统。目前应用最广泛的定位系统当属g p s 全球定 位系统，该系统通过卫星对用户进行定位，具有极高的定位精度和实时性，且抗干扰能力 强，但是g p s 只适用于室外环境，在室内精度急剧下降，且其所需的成本和能耗较高，不 适合应用于低成本低功耗的无线传感器网络。因此对适用于无线传感器网络的定位算法的 研究是具有很高价值的。 现有的定位算法很多，分类也各不相同。按需不需要测距可以分为两大类，一种是无 需测距的定位算法，一种是基于测距的定位算法。其中常见的无需测距的定位算法有凸规 划定位、质心( c e n t r o i d ) 定位、g r i ds c a n 定位、a m o r p h o u s 定位、d v - h o p ( d i s t a n c ev e c t o r h o p ) 定位、a p i t ( a p p r o x i m a t ep i tt e s t ) 定位和m d s m a p 定位等。基于测距技术的定 位算法往往需要利用节点之间的距离信息或角度信息，并通过三边测量法、最大似然估计 法、三角测量法或m i n m a x 方法来估计节点的位置，常见的基于测距的定位算法有基于到 达时间定位( t o a ) 、基于到达时间差定位( t d o a ) 、基于接收信号强度定位( r s s i ) 和 基于到达角度定位( a o a ) 。当然，还有一些混合定位方法也被证实能有效提高定位精度。 这么多定位算法分别有什么优势，适用于什么场合，能不能做一些改进等等很多问题都非 常具有研究意义。这些问题的解决也有助于提高获取无线传感器网络节点位置信息的精确 性，将加速对无线传感器网络在生活、生产活动中的大规模应用。 1 3 定位算法的研究现状 无线传感器网络研究定位技术作为无线传感器网络众多研究热点之一受到国内外很 多高校和企业的关注，如美国的麻省理工学院、加州大学伯克利分校、加州大学洛杉矶分 校等都对无线传感器网络节点定位技术进行了很多研究；国内包括清华大学、浙江大学、 中国科技大学、西安电子科技大学等一批高校也加入到了这个领域。有了这么多高校和企 业的加入，无线传感器网络节点定位技术的研究取得了很大的进展。特别是近1 0 年以来， 很多新颖的思想和解决方案的提出都被证明能从一定程度解决一些难题。但是不同的算法 和系统都是用于解决不同的问题，它们在用于定位的物理现象、能量需求、传感器设备组 浙江工业大学硕士学位论文 成、时空复杂度和基础设施等方面都是不同的。总的来说，现有定位技术仍然存在下列一 些问题： ( 1 ) 测距精度有待提高，测距误差对后期定位算法的精度影响是非常大的，提高测 距精度是进行精确定位的前提。 ( 2 ) 如何减少节点定位过程所需的通讯开销。不同的定位算法所需的计算量不同， 尤其是复杂度较高的定位算法更需要消耗能量，所以在满足定位精度的同时，应尽量选择 计算量小的定位算法。 ( 3 ) 如何减少节点完成定位所需时间，提高实时性。同样的，一个复杂的定位算法 需要很长的计算时间，而节点计算能力有限，只有提高定位算法的效率才能解决实时性问 题。 ( 4 ) 大规模部署时无线传感器网络中经常出现的误差累积问题难以消除。有些算法 采用多跳路由来计算距离，这样进行定位时带来的误差是非常大的。而以此结果作为其他 节点的信息带来的误差累积就更大了。 ( 5 ) 对于资源有限的传感器节点，往往需要在算法复杂度与资源消耗之间的进行合 理取舍。到目前为止还没有一个定位算法能够适用于所有场合，只能根据不同的硬件资源、 所处环境等因素来合理选取合适的定位算法。 ( 6 ) 目前的大部分新型研究成果都是基于理论下的仿真，定位算法在实际环境中的 定位效果还不明确。 总体来说，现在对无线传感器网络定位算法的研究水平还不太高，现有的研究工作不 断为该领域提出很多需要解决的问题。本文认为除了对各种定位算法本身进行研究外，其 他可能的研究热点应该包括以下几点：应该建立一个标准的仿真系统对定位算法进行模拟 实现；对定位算法的性能评价应该模型化和量化：在移动的网络环境下具有自调整性定位 算法的实现；大规模无线传感器网络节点定位问题的实现，当然要在实现较高定位精度的 要求下尽量降低成本和功耗。 1 4 论文的研究内容和组织结构 本文在详细分析无线传感器网络的基础上重点研究了其节点定位技术，对一完整的定 位系统从测距模型的建立到定位算法的实现各个阶段分别进行讨论。重点研究了基于r s s i 的测距模型，在此模型上对常用的几种定位算法从有效性和可靠性两方面进行比较，并进 行仿真分析，提出各种算法的优势及适用场合，并对最小最大定位法在定位边缘区域未知 浙江工业大学硕士学位论文 节点的定位精度不足提出了一种改进方法，理论分析及仿真结果表明改进方法能有效提高 最小最大定位法在定位边缘区域的定位效果，从而整体上提高最小最大定位法的性能。 本章各章节安排如下： 第一章绪论。阐述了课题的研究背景与目的意义，并对无线传感器网络节点定位算法 的研究现状进行讨论。最后对本课题的主要工作进行了总结。 第二章对本课题研究相关技术进行分析。包括无线传感器网络及其定位技术的基本概 念、应用及发展趋势做了详细的介绍。并对z i g b e e 技术应用于w s n 中的优势进行分析， 并对其协议栈各层功能和常见的数据帧格式进行简单的介绍。 第三章对无线传感器网络节点定位技术的分类进行介绍。并重点以基于测距和无需测 距对定位技术进行分类并分别对该类型下常见的定位算法进行分析，最后确定以基于r s s i 测距的定位方法作为主要研究对象，并对基于r s s i 测距方法下的几种常见定位算法原理 进行详细分析。 第四章建立基于r s s i 测距的实验室环境中测距模型，并采用高斯滤波来避免偶然误 差对测量r s s i 值的影响，最后利用线性回归分析对测距模型参数a ，n 值进行优化。通过 实际测量发现信号在各方向上的衰减具有不规则性，为了建立更精确的测距模型，通过对 传统的测距模型添加d o i 值来优化，得到更精确的室内测距模型。 第五章在测距模型基础上分别对三边测量定位法、极大似然估计法和最小一最大定位 法进行仿真。从有效性和可靠性两方面来比较各算法优劣势，并通过分别改变锚节点比率、 节点总数和d o i 值来分析各算法的扩展性和适应性。最后使用矩形边缘越界检测法来改进 具有较大定位误差的最小一最大定位法，并通过仿真比较改进方法的定位性能。 第六章首先对论文的研究工作及成果进行总结，并对未来研究方向及需要改进 的地方做一个展望。 4 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章无线传感网定位技术 2 1 无线传感器网络 2 1 1 无线传感器网络简介 无线传感器网络的概念诞生于二十世纪七十年代，其最早是由美国政府应用于军事， 如预警及战场监测等领域而产生的。1 9 8 0 年，美国国防部高级研究计划局( d e f e n s e a 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 ，d a r p a ) 发启的分布式传感器网络项目( d i s t r i b u t e d s e n s o rn e t w o r k s ，d s n ) 开展了现代传感器网络的研究【4 】，此后传感器网络便得以在军事 领域扩展开来，并且产生了“超视距”战场监测概念。随着对w s n 研究的逐渐深入，很 多相关的基础性问题也被发现并被广泛研究，无线传感器网络巨大的应用前景也慢慢得到 肯定和大力发展。随着大量高校和企业的加入，无线传感器网络的更多问题得到解决，许 多应用出现重大进展。 我国在无线传感网络及其应用上的研究几乎与发达国家同时进行。国内也有很多高校 投入到无线传感网络相关问题的研究中，如清华大学、北京邮电大学、哈尔滨工业大学、 南开大学、天津大学、浙江大学、上海交大等知名高校早就开展了无线传感器网络的研究。 在政府项目资助方面，尤其是从2 0 0 2 年开始，随着国家自然科学基金的大力引导，国内 也掀起了对无线传感器网络从理论到实际应用进行研究的热潮，2 0 0 5 年到2 0 0 6 年随着国 家发改委专项项目及国家9 7 3 基础研究计划的相继进行，国内不管是高校还是企业都对 w s n 的研究充满热情。当然总体上来看，国内在研究w s n 相关问题的深度和科研力量的 投入上跟欧美等发达国家还是有一些差距的，并且国内无线传感网络的研究大部分是在跟 踪国外机构的一些研究热点，包括以节能为目的的路由协议、m a c 层协议及拓扑结构控 制和管理，以及相应的支撑技术，比如定位、时钟同步、数据管理系统等方面的理论分析 和算法仿真，因此存在理论与实际应用脱节，理论成果的实用性能不佳等问题，尤其是对 整个系统的创新性研究方面进展不足，并且具有自主知识产权的内容不多。 2 1 2 无线传感器网络特点 无线传感器网络是作为一种新型的无基础设施网络，除了具有a d h o e 网络移动性、 浙江工业大学硕士学位论文 可容错、电源受限等共性外，它还有一些独有的特点【l o 】。 1 大规模部署 传感器节点通常都是大规模部署在监测区域，并且为了确保节点获取信息的准确性及 降低能耗，无线传感器网络节点的通信半径和传感半径都设置为十几米范围左右，这样在 较大监测区域通常需要部署大量传感器节点，有时数量可能高达数万甚至几十万上百万； 另一方面，监测区域内部署大量的传感器节点可以提高获取的监测数据的准确性，同时降 低对其中单个节点的要求。 2 自组织性 在实际应用中，传感器节点经常是被放置在没有固定网络设施支持的地方，如对山地、 洞穴、森林等环境的监测。这样，很多传感器节点的位置随机布置，不能预先确定的且节 点间的邻居关系也不知道。w s n 往往是一个没有确定的控制中心，由相互平等的节点组成 的对等网络，这要求传感器节点能够自行配置和管理，及具有自组织能力。 3 动态性网络 上面说过无线传感器网络是一个动态变化的网络，节点数量随时可能变化，节点位置 也可能变动，因此网络的拓扑会经常改变，导致拓扑变化的因素包括：节点电池能量耗尽 或故障，退出网络；节点由于工作的需要加入网络；传感器、监测对象或观察者的移动。 这些因素都可能改变网络拓扑，这就要求无线传感器网络能够实时快速的响应网络的变 化，并重构网络。 4 多跳路由 由于节点通信距离一般在几十米范围内，而可靠的通信范围更短，在l o 几米左右， 因此在有限的射频范围内不会有很多的传感器节点，如果要与更远距离外的节点通信的 话，就需要中间路由节点的作用。w s n 的多跳路由只需要普通的传感器节点就可以实现， 不要有专门的路由设备。多跳路由技术是无线传感器网络的一大特色，利用多跳路由可以 轻松实现低功耗的数据传输。 5 可靠的网络 无线传感器网络能够在露天的环境中，甚至遭到人为或动物破坏情况下依然能够继续 工作；并且传感器节点经常是无规律随机部署，如监测某个岛上的温度变化等，这些应用 场景都要求传感器节点具备极强的生命力，坚固且不易损坏。通常传感器节点数量非常多 并且受到监测区域恶劣环境的限制，人工对传感器节点进行维护基本上不可能的。传感器 网络还必须防止监测到的数据被盗取或监测数据被截获伪造，其具有极高的通信安全性和 浙江工业大学硕士学位论文 保密性。因此，要保持传感器网络的可靠运行，其软硬件都需要具备很高的鲁棒性和容错 能力。 2 1 3w s n 体系结构 一个完整的w s n 系统结构一般由传感器节点( s e n s o rn o d e ) 、汇聚节点( s i n kn o d e ) 、 用户界面和互联网等部分组成，如图2 1 所示。其中传感器节点按照是否知道自身的位置 来分的话可分为两类：知道自身位置的节点一般叫锚节点( a n c h o rn o d e ) 或参考节点 ( r e f e r e n c en o d e ) ；不知道自身位置的节点一般叫未知节点( u n k n o w nn o d e ) 或盲节点 ( b l i n dn o d e ) 。这些传感器节点都是任意无规律部署在监测区域，各个节点之间一般是通 过无线自组织方式形成网络。节点间相互传递监测到的数据，最终将数据传输到汇聚节点， 汇聚节点将数据传递给通信网络，最后经过互联网络送达数据处理中心进行管理，用户通 过管理中心来配置和管理传感器网络【6 】。 图2 1w s n 体系结构 2 1 4 传感器节点结构 常见的传感器节点如图2 2 所示，主要是由供电模块、数据传输模块、数据处理模块 和数据采集模块四部分组成。供电模块通常是由电池组成，给传感器节点提供能量；数据 传输模块负责跟其他传感器节点进行通信并且收发采集到的数据或交换控制信息；数据采 集模块通常由包含特别功能的传感器组成，专门负责监测区域内的信息，并采集和转换数 据；数据控制模块作为节点的核心部分，负责存储和处理传感器节点采集到的数据及别的 传感器节点传来的数据。 浙江工业大学硕士学位论文 图2 2 传感器节点体系结构图 2 1 5w s n 未来发展趋势 作为信息技术领域一项重要的前沿技术，w s n 的应用和发展被寄予厚望。但是，在当 前情况下，w s n 的产业化发展与成熟还离不开以下几个重要的前提，对于w s n 的未来发 展还有以下几个问题需要解决。 1 更成熟的技术 技术优势一直是无线传感器网络的核心优势，其所涉及的学科种类非常多，且其组网 形式也非常复杂，往往节点资源( 如能量、处理、存储等) 又是非常有限的，现在还有很 多无线传感器网络相关的核心技术没有解决，如节点制造、网络协议、节能及供电设计等。 2 更低廉的造价 w s n 最初是应用于军事目的，在军事和民用等很多领域都得到广泛的应用。对于民用 而言，成本及效益是无线传感器网络得以大规模应用的重要考虑因素，此外，还有其技术 成熟度、社会需求的迫切性也是重要考虑因素。组建w s n 的造价与节点的制造水平( 如 软硬件技术、节能与供电技术等) 有关，还与产品的应用范围及市场规模有关，相信不久 的将来随着相关技术的成熟与发展，以及市场概念的引入，这一目标很快就会实现。 3 技术标准化 统一的技术标准是规范无线传感器网络产业稳步、有序、良性发展的重要保证。可 惜的是，现在无线传感器网络的标准化程度还不是很高，常见的只有i e e e 8 0 2 1 5 4 、 z i g b e e 、i e e e l 4 5 1 标准等。由于无线传感器网络涉及技术广泛，且受到工作环境复杂 等因素影响，以至于技术标准化工作一直难以完成，但技术标准化仍然是今后无线传感 器网络工作开展的重要任务。 浙江工业大学硕士学位论文 4 成熟的应用模式 虽然w s n 具有广阔的应用前景，但是至今还没有具有出现较大市场规模的行业，大 部分应用还处于探索阶段，当然政府也在更积极的开展示范系统的开发和应用以推动无线 传感器网络产业的快速发展。可喜的是现在已经有研究机构( 如英特尔公司) 在应用实验 等方面开展了较多的工作，如老年人健康监护、智能农业、监测机器的工作状态等。 2 2 节点定位技术 2 2 1 节点定位技术概念 简单来说，节点定位就是确定节点所在的位置。确定位置在实际应用中有两种意义： 确定节点自身在系统中的位置；确定目标节点在系统中的位置。比如人使用眼睛和蝙蝠通 过超声波来定位自身或其他目标就包含这两种定位。很多人造的定位系统，没有这种以自 主的方式建立参考系并且定位自身和目标的能力。当然，大部分定位系统是通过设定锚节 点( 即知道自身位置的节点) ，并利用锚节点的测量位置或角度信息来确定目标节点在坐 标系中的位置。 因此，无线传感器网络的定位可以分成两类：节点自身定位或目标定位。节点自身定 位是确定网络中未知节点( 不知道自身位置) 的位置的过程，目标定位就是确定网络覆盖 范围内的某个事件或某个目标的位置。简而言之，节点自身定位是对节点在网络中自身属 性的确定过程，可以人工标定或者通过节点自定位算法来完成。而目标定位就是利用位置 已知的网络节点作为锚节点来确定事件或者目标在网络中所处的位置。 2 2 2节点定位技术应用 无线传感器网络节点定位技术除了可以用来监测事件发生的地点或方位外，还具有以 下用途【8 】： 导航：导航是无线传感器网络节点定位技术最基本也是最有前景的应用。导航就是确 定移动物体在坐标系中的位置，并且感知其所处的环境，并进行路径规划，指引移动物体 快速成功的到达目的地。现在应用最多的定位系统是g p s 导航系统，其在空旷的户外具有 很高的精度，已经成功应用在车辆船舶等交通工具中。但是在室内定位效果不理想甚至完 全失效，且其高成本高能耗也不适合在无线传感器网络中推广。 协助路由：有了节点的位置信息，可以利用路由算法进行路由选择，如地理路由协议 就是节点的位置信息进行网络路由选择的。优化的路由可以提高系统安全性、性能，节省 q 浙江工业大学硕士学位论文 更多资源。 定向信息查询：可以通过管理节点发布监测任务来查询某一监测区域内节点的状态， 并判断是否有事件发生。如果有突发状况或不明情况，可以把信息汇报给管理中心，管理 中心可以及时作出反应。 目标跟踪：跟踪是快速增长的应用，包括人员的跟踪和物品的跟踪。如人员跟踪可以 应用访问控制、照顾儿童等场合。在超级市场和游乐场等地方有了跟踪儿童位置的标签可 以帮助人们快速找到走失的孩子。通过检测到目标物品的行动轨迹，对目标下一步前进轨 迹进行预测。 2 3 z i g b e e 技术 2 3 1 z i g b e e 技术发展历程 当今世界通信技术迅猛发展，作为一种新兴的短距离无线通信技术，近年来z i g b e e 技 术的发展极大的推动了低速率无线个域网( l o w r a t ew i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k l r - w p a n ) 的发展。z i g b e e 是完全符合i e e e 8 0 2 15 4 标准并致力于无线控制与监测领域 的无线通信标准，非常强调低功耗( 电池寿命长) 、低速率( 一般低于2 5 0 k b p s ) 、近距离 ( 室内6 0 米左右) 、简单易用且廉价的市场定位，这都与w s n 的特点相匹配，因此得以 广泛应用于w s n ，且在工业控制、家庭自动化、医疗护理、智能农业、消费类电子中得到 大力推广，应用前景非常广阔。 蓝牙技术虽然得到广泛使用，但是人们发现蓝牙技术尽管有其特有的优点，同时也存 在诸多缺陷。如对家庭自动化、工业控制和遥控遥测等领域而言，蓝牙技术就显得太过复 杂，功耗也较大，且通信距离太近，不能大规模组网等，而工业自动化等领域对短距离无 线通信的需求却越来越多。为此经过人们长期努力，2 0 0 4 年正式制定了z i g b e e 协议规范， 其中物理层和m a c 由i e e e 所制定，而z i g b e e 联盟在此基础上制定了网络层和应用层。 z i g b e e 组网规模大，最多可由6 5 0 0 0 个无线数据传输节点一起组成一个超大型无线数 据传输罔络平台，这就像现在的移动通信网，其中的每个网络节点类似于移动通信网络中 的一个基站，在通信网络覆盖范围内，网络节点之间可以相互通信；每个节点的通信距离 可以从7 0 米左右扩展到几百米甚至上千米；最后，整个z i g b e e 节点组成的网络还可以通 过信号转换设备与其他网络连接。这样方便无线传感器网络向更大规模进行扩展。 2 0 0 2 年，美国m o t o r o l a 公司、荷兰的p h i l i p s 公司、日本的三菱电气公司以及英国的 英维思公司共同宣布加盟“z i g b e e 联盟”，并参与研发叫做“z i g b e e ”的下一代全球性的无 1 n 浙江工业大学硕士学位论文 线通信标准，这一事件加速了z i g b e e 技术的发展。到目前为止，已有上百家无线设备开发 商、芯片公司和制造商加入z i g b e e 联盟，其中包括i p 服务提供商、半导体生产商、o e m 商和消费类电子厂商等。目前已有许多生产商推出了自己的基于z i g b e e 协议的芯片和开发 系统，如f r e e s c a l e 的m c l 3 1 9 2 ，j e n n i c 的j n 5 1 2 1 ，韩国r a d i o p u l s e 公司的m g 2 4 5 5 以及 t i 公司的c h i p e o n 系列c c 2 4 3 0 、c c 2 4 31 。本文在建立r s s i 测距模型阶段就是利用基于 c c 2 4 3 0 芯片基础上的开发板进行的。 2 3 2 z i g b e e 与其他无线技术的比较 常见的无线短距离通信技术有红外( i r d a ) 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 、w i f i 、超宽带( u w b ) 和z i g b e e 等【1 6 】。下面对这几种技术简单分析一下。 ( 1 ) 红外技术只能用于两个设备在短距离( 通常1 米左右) 进行定向通信，且通信过 程不能移动，如遇到障碍物则极有可能导致通信中断。但是其通信速率已经从原先的 115 2 k b p s 发展到4 - - 6 m b p s ，现在主要应用于手机和电脑等电子设备中。 ( 2 ) 蓝牙技术是1 9 9 8 年由诺基亚、爱立信、i b m 等公司一起推出的短距离无线通信 技术，其工作在2 4 g h z 的i s m ( 工业、科学、医疗) 免费频段，采用1 6 0 0 次秒扩展调频 技术。通信距离在1 0 c m l o m 之间，利用放大器可以增加到1 0 0 m 左右，传输速率是 l 2 m b p s ，其只能组成点对点的星型网络，并且最多只能配置7 个节点，这很大程度上制 约了蓝牙技术在大规模传感器网络中的应用，目前主要应用在无线耳机和i o 设备中。 ( 3 ) w i f i 是i e e e 8 0 2 1 1 标准的统称，工作在2 4 g h z 频段，是目前应用较广的一种 无线传输协议之一。其传输速率可达1 1 m b p s ，传输半径大多是9 0 m 左右，采用直接序列 扩频技术( d s s s ) 。其网络架构十分简单，但是相对z i g b e e 技术来说其技术标准复杂，且 至今没有统一的技术标准，并且其高速率也是以高功耗为代价换来的，不适合追求低功耗、 低成本的无线传感器网络。 ( 4 ) 超宽带适合用于小范围、穿透性强的图像系统和雷达及需要大容量数据传输的家 用消费电子中。其传输速率在5 0 - - 4 8 0 m b p s 之间，工作于3 1 1 0 6 g h z 频段，且安全性高、 成本低、功耗小，但利用u w b 技术的节点只能在1 0 米内进行通信，对于需要大规模部署 的w s n 来说显然1 0 m 的通信距离是太短了。 通过上述分析可知，z i g b e e 技术具有网络规模容量大、协议简单、低功耗、低成本、安 全性高等优势。这使其能够很容易的应用于传感器网络、工业监控、家庭监控、医疗、 安全系统等诸多领域。 浙江工业大学硕士学位论文 表2 1 常见无线短距离通信技术性能比较 i i _ _ _ _ - _ l _ _ _ _ - - _ _ _ _ l l i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ l i _ _ _ _ _ _ _ 标准 i r d ab l u e t o o t h w i f iu w b z i g b e e 2 3 3 z i g b e e 协议 z i g b e e 协议的体系结构如图2 3 所示，相对来说是比较简单紧凑的，主要包括物理层 ( p h y ) 、媒体接入控制层( m a c ) 、网络层( n w k ) 及应用层( a p l ) 。 应用层( a p l ) z i g b e e 联盟制定 图2 3z i g b e e 协议结构图 其中下面两层，即物理层和m a c 层采用的是i e e e 8 0 2 1 5 4 协议，网络层和应用层是 由z i g b e e 联盟制定的，各层都存在一个管理实体接e l 和数据服务接e l 1 。7 1 ，且各层之间通 过这些接口相互通信。下面分别对各层协议的主要功能进行介绍。 1 物理层：i e e e 8 0 2 1 5 4 协议定义了两个物理层，分别工作在低频8 6 8 9 1 5 m h z 和高 频2 4 g h z 上。其中8 6 8 m h z 是欧洲专用频段，9 1 5 m h z 是澳大利亚与美国等使用的，2 4 g h z 是全球通用频段。i e e e8 0 2 1 5 4 协议总共只分配了2 7 信道，其中8 6 8 m h z 频段只有1 信 浙江工业大学硕士学位论文 道，传输速率为2 0 k b p s l l 8 】；9 15 m h z 频段分配了l0 个信道，传输速率为4 0 k b p s 2 4 g h z 频段中包含了1 6 个信道，传输速率为2 5 0 k b p s 。 这些信道的中心频率按如下方式定义( k 为信道数) ： c = 8 6 8 3 m h z ，( 七= 0 ) c = 9 0 6 m h z + 2 ( 七一1 ) m h z ，( 后= 1 ，2 ，1 0 ) ( 2 1 ) c = 2 4 0 5 m h z + 5 ( k - 1 1 ) m h z ，( 后= 1 1 ，1 2 ，2 6 ) 可以按不同地区、不同应用在这2 7 个信道中任意选择一个作为工作信道。从能量和 成本效率看，各种不同的数据速率可以为不同的应用提供较好的选择。 物理层服务主要包括以下几个方面： ( 1 ) 节点能量检测； ( 2 ) 数据的收发功能； ( 3 ) 进行信道空闲评估； ( 4 ) 数据包的链路质量指示； ( 5 ) 激活或休眠射频无线收发器。 2 媒体接入控制层：媒体接入控制层( m a c ) 负责处理所有物理层无线信道的接入。 m a c 层有2 种信道访问机制：标识使能( b e a c o n e n a b l e d ) 网络和无标识( n o n b e a c o n ) 网 络。其中标识使能网络是采用超帧结构，一方面是为了有专用的带宽和低反应时间，另一 方面可以利用网络协调器在预定的时间间隔内对标识进行传输。无标识网络采用的是标准 方式，节点接收信息包产生一个积极的回应。m a c 层的功能主要包括以下几个方面： ( 1 ) 确保无线通信信道的安全； ( 2 ) 支持时槽保证( g t s ) 机制； ( 3 ) 使用c s m a c a 机制访问信道； ( 4 ) 支持m a c 层各实体之间的可靠传输； ( 5 ) 支持个域网的关联( a s s o c i a t i o n ) 和取消关联( d i s a s s o c i a t i o n ) 操作： ( 6 ) 协调器产生并发送信标帧( b e a c o n ) ，其他设备通过b e a c o n 与协调者同步。 3 网络层：网络层是位于m a c 层与a p l 层之间的协议层，其功能主要分为两点