基于RSSI的WSN定位算法優(yōu)化及定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

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1、-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文第1章緒論1.1課題背景及研究目的和意義1.1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetworks，WSN）將監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)數(shù)量眾多的傳感器節(jié)點(diǎn)按照自組織的方式構(gòu)成，動(dòng)態(tài)的協(xié)同感知監(jiān)測(cè)對(duì)象，節(jié)點(diǎn)間通過無線通信技術(shù)以單跳或者多跳交換信息[1]，是一種將感知、采集、處理和傳輸信息集于一身的無線網(wǎng)絡(luò)[2]。一方面給用戶提供在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)感知和采集到的監(jiān)測(cè)對(duì)象的實(shí)時(shí)信息，另一方面，可根據(jù)用戶指令對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制。WSN起源于冷戰(zhàn)時(shí)期美國(guó)軍方為了監(jiān)視敵方艦艇的研究項(xiàng)目[3]。眾所周知，無線傳感器技

2、術(shù)的發(fā)展，得益于集成電路技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)、片上系統(tǒng)、傳感器技術(shù)和無線通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域交叉合作。近年來，WSN良好的靈活性、容錯(cuò)性、抗毀性、動(dòng)態(tài)拓?fù)?、低能耗的特點(diǎn)，以及隨著技術(shù)水平提高，WSN成本逐步降低，使其在眾多新型網(wǎng)絡(luò)中脫穎而出，應(yīng)用于軍事國(guó)防和日常生活都成為可能，得到各國(guó)政府、公司和研究機(jī)構(gòu)的高度重視和大力投入，廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，如表1-1所示[4]。不愧被美國(guó)權(quán)威期刊評(píng)為“對(duì)人類生活生產(chǎn)影響深遠(yuǎn)的新興技術(shù)”[5]和“未來將掀起產(chǎn)業(yè)浪潮的高新技術(shù)”[6]，美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室甚至斷言：“IT時(shí)代正從‘計(jì)算機(jī)即網(wǎng)絡(luò)’轉(zhuǎn)

3、變?yōu)椤畟鞲衅骷淳W(wǎng)絡(luò)’”[7]。表1-1WSN主要應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用場(chǎng)合國(guó)防軍事獲取情報(bào)、跟蹤目標(biāo)、裝備管理環(huán)境監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)、洪水監(jiān)測(cè)；土壤濕度監(jiān)控工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化生產(chǎn)、倉庫管理醫(yī)療衛(wèi)生藥物管理、遠(yuǎn)程服務(wù)日常生活智能家居、空間探索地下、宇宙探索其他方面商店人流控制、交通管理無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-1，傳感器節(jié)點(diǎn)（SensorNode）、網(wǎng)關(guān)—匯聚節(jié)點(diǎn)（SinkNode）、用戶端—任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)（ManagerNode）[8]。監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，傳感器節(jié)點(diǎn)自組織形成網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)多跳通信將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)[9]，通過互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星或者移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)送到任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)[

4、10]。一般來說，傳感-1-----哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文器節(jié)點(diǎn)處理能力較弱，是一個(gè)微型嵌入式系統(tǒng)，具有終端和路由器的功能；匯聚節(jié)點(diǎn)處理、通信能力較強(qiáng)[11]，連接傳感器網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換[12]。GPRS/Internet/衛(wèi)星CD匯聚節(jié)點(diǎn)ABE傳感器節(jié)點(diǎn)任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域圖1-1WSN系統(tǒng)組成傳感器節(jié)點(diǎn)主要由數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸以及電源四個(gè)模塊構(gòu)成，還可以附加其他系統(tǒng)，例如節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)和移動(dòng)系統(tǒng)等，如圖1-2。節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)移動(dòng)系統(tǒng)處理器傳感器AD轉(zhuǎn)換器存儲(chǔ)器射頻收發(fā)器數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)處理模塊數(shù)據(jù)通信模塊電源及管理電路圖1-2

5、WSN節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)WSN受到各界的青睞正是因?yàn)樗c眾不同的特性：WSN將感知、處理和傳輸融為一體，同時(shí)實(shí)現(xiàn)集成化和微型化；節(jié)點(diǎn)眾多，具有較高容錯(cuò)性；網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)地位平等，可隨時(shí)加入或離開，無控制中心，既靈活又有較強(qiáng)的抗毀性；動(dòng)態(tài)拓?fù)?；網(wǎng)絡(luò)布置不依賴其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，快速獨(dú)立建立網(wǎng)絡(luò)；采用多跳傳輸，每個(gè)節(jié)點(diǎn)既能接收信息也能轉(zhuǎn)發(fā)信息。但另外一些劣勢(shì)也是我們研究中應(yīng)該盡量克服的，如硬件資源有限、電源有限等。-2- -------- ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- --------哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文1.1研究目的和

6、意義可以說WSN大多數(shù)應(yīng)用都依賴于傳感器節(jié)點(diǎn)的位置信息，即獲取到的數(shù)據(jù)如果沒有對(duì)應(yīng)的位置信息則沒有任何意義。節(jié)點(diǎn)只有明確自身位置，才能與其他節(jié)點(diǎn)協(xié)作處理、傳遞信息，讓用戶更好的了解了在什么位置或區(qū)域發(fā)生了什么特定事件，從而用戶可以及時(shí)采取有效的措施和控制。另外，傳感器節(jié)點(diǎn)位置信息還能夠提高路由效率，對(duì)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡調(diào)節(jié)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥耘渲闷鸬疥P(guān)鍵性作用。實(shí)時(shí)、精確的定位技術(shù)成為WSN發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)和瓶頸。定位，即位置感測(cè)[13]，主要包括兩層含義：節(jié)點(diǎn)自我定位與移動(dòng)目標(biāo)定位跟蹤。前者是屬于網(wǎng)絡(luò)中間件的技術(shù)研究范疇，為網(wǎng)絡(luò)的路由層和應(yīng)用層提供節(jié)點(diǎn)位置信

7、息的服務(wù)；后者屬于WSN應(yīng)用層的技術(shù)研究范疇，以節(jié)點(diǎn)定位為基礎(chǔ)，利用協(xié)同信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的定位跟蹤。目前已經(jīng)被廣泛使用的定位技術(shù)主要有全球定位系統(tǒng)（GlobalPositioningSystem,GPS）[14]和GSM、CDMA蜂窩無線通信網(wǎng)定位系統(tǒng)。前者依靠24顆人造衛(wèi)星和地面站組成全球無線導(dǎo)航與定位系統(tǒng)，提供全球、全天候、三維實(shí)時(shí)的高精度、強(qiáng)抗干擾能力的定位服務(wù)；后者根據(jù)用戶在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所處的小區(qū)或基站，標(biāo)識(shí)移動(dòng)終端位置，精度取決于小區(qū)的大小。但這兩種技術(shù)不能直接用于WSN。因?yàn)檫@兩種技術(shù)接收機(jī)體積大、功耗大，不滿足WSN節(jié)點(diǎn)微型化、低功耗

8、的特點(diǎn)；成本高，不能在WSN數(shù)量龐大的節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)；某些場(chǎng)合易被摧毀，如戰(zhàn)場(chǎng)。除此之外，日益增長(zhǎng)的室內(nèi)定位需求，諸如醫(yī)院門診