无线传感器网络的dv-distance定位技术与仿真研究毕业设计论文(编辑修改稿)

无线传感器网络的dv-distance定位技术与仿真研究毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

为无固定设施的网络或自组织网络，它能够快速、灵活和方便地自动组网。 无线传感器节点分布在需要监测的区域，监测特定的信息、物理参量等；网关节点将监测现场中的许多传感器节点获得的被监测量数据收集汇聚后通过传输网络传送到远端的监控中心。 传输网络为传感器之间、传感器与监控中心之间提供通畅的通信，可以在传感器与监控终端之间建立通信路径。 无线传感器网络中的部分节点或者全部节点可以移动，但网络节点 发生较大范围内的移动，势必会使网络拓扑结构发生动态变化。 节点间以 Ad Hoc 的自组网方式进行通信，网络中每个节点既能够对现场环境进行特定物理量的监测，又能够接收其他方向传感器送来的监测信息数据，并通过一定的路由选择算法和规则将信息数据转发给下一个接力节点。 网络中每个节点还具备动态搜索、定位和恢复连接的能力。 无线传感网络的感知对象具体地表现为被监控对象的物理量信息，如温度、湿度、速度和有害气体的含量等。 无线传感器网络的特点 无线传感器网络（简称 WSN）是一门融合多种新科技并具有鲜明跨学科特点 的新技术。 无线传感器网络特点如下。 自组织方式的组网。 组网不依赖任何固定的网络设施，传感器节点通过分布式网络协议形成自组织网络，能够自动调整来适应节点的移动、加入和退出，网络中多个激活节点可以快速、自动地组成一个独立的网络。 无中心结构。 网络中所有节点地位对等，并构成一个对等式网络。 节点可以随时加入或者离开网络，网络中的部分节点发生故障不影响整个网络的运行。 网络有动态拓扑。 无线传感器网络中的节点可能由于电池能量耗尽或故障从网络中退出，也可能是按照设定的程序从网络运行中退出；网络外的无线传感器节 点可以沈阳理工大学学士学位论文 6 随时加入到网络中；传感器节点具有移动属性。 除节点移动以及节点的加入和退出导致网络拓扑变化外，环境因素或者节点能量耗尽等因素也能导致节点故障或失效。 为增强监测精度而新加入节点，对节点的功率和能耗进行控制使节点进入睡眠状态等，均能导致网络拓扑结构动态变化。 采用多跳路由进行路由接力传递。 无线传感器网络中的节点通信距离较短，节点只能与相邻节点直接通信。 要实现在网络覆盖范围之内的较远节点通信，需要通过中间节点进行路由接力传递数据。 无线传感器网络中的多跳路由是由普通网络节点完成的，每个节点既能发送信息，又 能转发信息，节点采用多跳接力来完成各个传感器节点向 sink 节点的数据发送。 WSN 的空间位置寻址。 WSN 中的传感器节点一般不要求拥有全球唯一的标识，数据采集发生在某一节点，用户关注的是数据所属的空间位置可采取空间位置寻址方式。 高冗余。 由于大型的无线传感器网络节点数量众多，因此要使无线传感器网络具有较高的节点、网络链路以及采集数据的冗余特性，来保证整个系统的工作高可靠性和容错能力。 硬件资源及功能有限。 无线传感器节点由于受价格、体积和携带能源的限制，其计算、数据处理能力、存储空间有限，决定了在节 点操作系统设计中，协议层次及内容不能过于复杂。 电源续航能力较小。 网络节点由电池供电，电池的续航能力较小。 在许多应用场所中，无法对电池充电或更换电池，当传感器节点电能用完，该节点就失去了作用。 所以进行无线传感器网络设计时，始终关注传感器节点的节能，并采取一定的技术方法来实现。 无线传感器网络 的 体系 结构 传感器节点的体系结构 在不同的应用环境中，无线传感器网络的组成是基本相同的，但各部分的实现形式可以多种多样，如传输网络部分、网关节点部分和无线传感器节点等。 无线传感器节点沈阳理工大学学士学位论文 7 一般由 传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块组成。 传感器网络节点的组成如图 所示： 图 传感器网络节点组成示意图 传感器节点中各个单元模块功能如下： 传感器模块用于感知、获取被监测区域内的被监测对象的信息及相关的物理量，将其转换为数字信号。 不同的物理量及环境因素决定了传感器的类型。 处理器模块并由嵌入式系统构成，用于处理存储传感器采集的信息数据并负责传感器节点各部分的工作。 处理器模块还具有控制电源工作模式的功能，实现节能。 处理器模块中还负责处理由其他节点发来的数据。 电源模块为传感器 中其他几个模块提供工作电源。 在不同应用环境和不同应用目的的情况下，电源模块可以采取多种灵活的组态。 无线通信模块的基本功能是讲处理器输出的数据通过无线信道及传输网络传送给远程的监控中心。 一般情况下，无线通信模块具有低功耗、短距离通信的特点。 无线传感器 网络体系结构 支持动态协议栈结构。 这种体系结构是指允许应用程序根据应用环境和实际需求动态加载协议栈，目的是解决节点资源有限问题。 自适应体系结构。 自适应体系结构应用了信息交换服务的思想，将分立的协议传感器 AC/DC 传感器模块 网络 MAC 收发器 无线通信模块 处理器 存储器 处理器模块 电源模块 沈阳理工大学学士学位论文 8 组件有机的连接，可以通过跨层设计的思 想优化资源配置及应用，提高网络的生命周期。 可编程的体系结构。 可编程的体系结构注重网内数据处理，通过数据共享与融合，简化部分机制协议、算法，提高网络性能。 自管理的和自恢复的体系结构。 这种体系结构将传统的管理和服务功能融为一体，提高了网络的工作效能。 支持多任务的结构。 支持多任务的体系结构在网络层和应用层引入了状态层，根据网络环境及具体应用目的和应用需求对网络节点进行功能性划分。 基于代理的体系结构。 这种体系结构便于应用程序的设计，同时支持多功能和多任务并采用代理的方式提高网络的可扩展性。 在进行无线传感器网络体系结构设计时，着重考虑以下一些方面的内容。 （ 1）对节点资源高效率的利用。 （ 2）支持网内数据处理。 （ 3）支持协议跨层设计。 （ 4）支持多协议。 （ 5）支持多种有效的资源发现机制。 （ 6）支持可靠的低延时通信。 （ 7）支持容忍延时的非面向连接通信。 （ 8）具有良好的开放性。 （ 9）使网络具有较好的安全性。 沈阳理工大学学士学位论文 9 3 无线传感器网络节点定位技术 网络中节点定位是无线传感器网络应用的基础，传感器节点必须明确自身位置才能为用户提供有用的信息，实现对目标的定位和追踪。 另 一方面，了解传感器节点位置信息还能提高路由效率，为网络提供命名空间，向部署者报告网络的覆盖质量，实现网络的负载均衡以及网络拓扑的自配置。 无线传感器网络中位置信息的获取对传感器网络的监测活动至关重要。 事件发生的位置信息和采集事件信息数据的传感器节点位置信息都是传感器网络工作时不能离开的重要基本内容。 在一些应用场合，传感器节点被随机的散布在特定的区域，事前无法知晓这些传感器节点的地理位置，部署后还要通过定位技术才能较为准确的获取其位置信息。 无线传感器网络的定位机制作为无线传感器网络中的主要技术之一，在应用中有 着非常重要的作用。 无线传感器网络中的定位机制包括节点自身定位和外部目标定位两部分内容。 节点定位算法又是无线传感器网络定位机制的核心内容。 通过少数已知节点的未知信息来确定节点自身的位置，是传感器节点的自身定位，这也是提供监测事件位置信息的基础。 在目标追踪、预测目标的行动轨迹；协助路由，为路由协议的实现提供基础信息；为网络拓扑控制及各种算法的实现提供基础信息；为网络覆盖及覆盖控制各种算法的实现提供基础信息；网络的有效管理等方面内容，都要以传感器节点的定位为基础。 传感器网络的定位算法一般要具备以下特点： 自组织性。 在大量应用场合中，无线传感器网络几点的部署是随机，因此不能通过依靠全局的基础设施来实施定位，只能通过自组织的方式获取定位信息。 容错性好。 由于传感器节点及网络整体的能量耗用是传感器网络设计、组织中主要考虑的问题，而在此情况下，通信及位置的测量必然会产生一定的误差，定位技术必须能够很好地与之适应。 只能采用分布式计算的结构。 最大限度的节约能量要求在定位机制中只能采用分布式计算的结构，而不是将监测区域中各区域节点采集的信息全部送给某一节点集中统一处理。 必须遵循能量高效的原则。 沈阳理工大学学士学位论文 10 节点定位技术简介 节点定位的几个基本概念 在无线传感器网络定位过程中 ,通过配备 GPS 定位设备或手工配置等方式预先获得位置信息的节点，被称为描节点 (Anchor Node)，如图所示 ,节点 N N3为锚节点，其在网络中所占比例很小，除了锚节点外，就是未知节点 (Unknown Node)，如节点 U UN1等，其不能预先获得自身位置信息。 我们研究定位技术的目的就是为了通过利用己知位置信息的锚节点，根据一定的算法获得未知节点的位置。 图 无线传感器网络示意图 无线传感器网络定位技术中的基本术语 : 邻居节点：对于一个传感器节点，如果在其无线通信半径范围内，存在一些能与其直接通信的节点，就称这些节点为该传感器节点的邻居节点，如节点 N１ N２ N３ 为节点 U１ 的邻居节点； 连通度：包括节点连通度和网络连通度两种含义。 节点连通度是指某个节点通信覆盖区域的邻居节点个数，如节点 U１ 的节点连通度为 3；网络连通度也称作网络密度，它是网络中所有节点的邻居节点数目的平均值，反映了传感器节 点配置的密集程度； 跳数：指两个节点之间的跳段总数，如节点 U１ 到节点 U２ 的跳数为 3； 跳距：指两个节点之间的各跳段距离之和，如节点 U１ 到节点 U２ 的跳距为 3 + 2 + 2 Unknown node Anchor node （ 3,5） 3 U2 2 2 N1 U1 N3(5,4) N2(6,8) 沈阳理工大学学士学位论文 11     222323222322212323212321132323131 )(2)(2 )(2)(2rryyxxrryyxxyyxxyyxxyx= 7； 基础设置：在无线传感器网络中用来帮助传感器节点定位且自身位置信息已知固定设施，称为基础设施，如无线通信的基站、提供远程通信能力的卫星和有固定位置的AP 接入点等； 到达时间：信号从节点 A 传送到节点 B 所需要的时间称为到达时间； 到达时间差：通过两种不同的通信传输介质完成将信号从节点 A 传送到节点 B 所出现的时间差称为到达时间差； 接收信 号强度指示：传感器节点接收到的无线信号的强度值称为接收信号强度指示； 节点位置计算方法 无线传感器网络的部署区域主要是立体区域即三维区域，在很多具体的应用中，常常把三维问题转化为平面二维问题进行研究和解决。 三边测量法 全球定位系统中确认三维空间中某点的坐标。 如果知道了一个点到其他 4 个已知参考节点的距离，就可以确定该点的坐标。 在传感器网络部署中大多数情况都采用平面部署，属于二维分布部署的问题，因此只要知道了一个点和其他 3 个已知参考节点的距离就可以将各节点精确定位。 假设三个参考节点 的位置坐标分别是： A（ x１ ， y１ ）， B（ x２ ， y２ ）， C（ x３ ， y３ ），待确定节点 M 的位置坐标为 M（ x， y）。 M 点到三个参考节点的距离分别是 r１ 、 r２ 、 r３。 有方程组如下： （ ） 解得 M 的位置坐标为： （ ） 三边测量法相比较其他定位计算方法来说，算法的复杂度较低，由于基于测距技术，232332222221211)()()()()()(yyxxryyxxryyxxr沈阳理工大学学士学位论文 12 2211221122122112211221)(2)(2)(2)(2nnnnnnnnnn ddyyyyyxxxxx ddyyyyyxxxxx实现起来也比较容易，不需要附加额外的硬件设备。 但是在三边测量法中，不能保证三个圆一定交于一点，导致无法得到正确的解，产生定位误差。 三角测量法 三角测量法是根据三角形的几何关系进行位置估算。 前提是已知参考节点数，可进行“点在三角形中”的测试，即任意选取三个参考节点组成三角形，以测试节点是否落在该三角形内。 根据测试结果的交集，大致确定节点位置。 因此测试次数越多，位置估算的精度越高。 三角测量法也可结合角度测量，即通过方向性天线 ，利用 AOA 测量的角度值来定位。 确定二。