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无线传感器网络
摘要
无线传感器网络（WirelessSensorNetworks，WSNs）是由大量散布的传感器节点通过一定方式构成的无线网络。
传感器节点通过相互之间的分工协作，可感知、监测和采集分布区域内的移动对象或周围环境的信息。
MUTE定位系统:
一个无线传感器网络技术、传感器技术、数据处理技术的实验开发平台。
本系统主要基于TOA（timeofarrival）测距定位原理，与GPS定位原理相似。
本论文描述了系统的总体结构框架设计，包括硬件、软件、数据结构以及通讯接口，以及开发过程包含的软硬件工具。
关键词:
无线传感器网络室内定位超声波传感器阵列
Abstract
WirelessSensorNetworks（WSNs）iscollectedbyanumberofsensornodeswhichhavecertaintopology.Nodeswhichcooperatewitheachothercansense,measure,andobtaintheinformationofenvironmentandmobiletargetinthearea.
MUTElocalizationsystemplatformwhichbasedonWSNstechnology,ultrasonicsensortechnology,anddataanalysistechnology.MUTEusesTOA（timeofarrival）technology,likeGPSlocalization.Thisthesiswilldescriptarchitectureanddesignofthissystem,whichcontainhardware,software,datastructureandinterface,andtools.
Keyword:
WirelessSensorNetworks;indoorlocalization;ultrasonicsensorarray
第一章绪论
1.1研究背景
传感器网络是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域，是信息采集和环境感知的一场革命，被认为是21世纪最重要的技术之一，将会对人类未来的生活方式产生深远影响。
传感器网络作为“无处不在”思想衍生的产物，可以被广泛地应用在抢险救灾，搜索救援[1][2]飞行机器人导航[3]、路径规划[4]、跟踪运动物体[5]、环境监测[6]、交通管理[7]、医疗卫生[8]等领域，拥有巨大的应用价值。
从目前国外的研究进展来看，虽然传感器网络的应用前景十分美好，但由于仍然面临很多技术难题，还不能走向广泛应用。
1.2设计目标
本论文对比国内外室内定位跟踪系统，对无线传感器网络环境下的室内移动目标定位进行了研究，提出了基于无线传感器网络的室内定位系统设计框架，MUTE系统的设计目标是通过预先实现定位，然后逐步实现目标跟踪以及导航。
1.3国内外研究现状
国内当前对传感器网络的研究才刚刚起步，还处在概念、理论和技术跟踪研究的初级阶段，研究的范围也主要是在高校和研究所范围内。
但是传感器网络是一个新兴技术，国内与国际水平的差距并不很大，及时开展这项对人类未来生活影响深远的前沿科技的研究，对整个国家的社会、经济将有重大的战略意义。
基于不同的应用目的，实现目标和技术方法，目前国外已有一些利用基于测距技术实现的室内定位跟踪系统，他们各自有不同的优点和使用环境，其中有的系统已经实现了商业化。
1.3.1Cricket定位支持系统
Cricket定位支持系统[9][10]采用TDOA原理测距，提出了利用传感器网络来支持定位的方法。
它由散布在建筑物内位置固定的锚节点和需要定位的人或物体携带的未知节点（称为Listener）组成。
锚节点随机地同时发射RF和超声波信号，RF信号中包含该锚节点的位置和ID。
未知节点使用TDOA技术测量其与锚节点的距离，当它能够获得3个以上锚节点距离时即使用三边测量法提供物理定位，否则就以房间为单位提供符号定位。
Cricket的系统只支持位置信息获取，并不能做追踪以及导航，而且因为传感器节点作为信标需要不断广播无线信号和超声波信号，会大大的增加网络整体能耗，降低节点的工作寿命。
1.3.2Bat定位系统
AT&T的ActiveBat系统通过有线介质连接到中心控制器.特点是适用于室内环境，具有较高的精确性和实时性，时间同步和锚节点间的协调问题容易解决.但这种部署策略限制了系统的可扩展性，代价较大，无法应用于不适合布线的环境[11]。
1.3.3ActiveBadge定位系统
ActiveBadge定位系统[12]是BAT定位系统的前一版，主要目的是定位办公室内人员的位置。
因此需要的精度并不需要很高。
ActiveBadge的中文翻译意思是活动徽章，在他们的论文描述中，室内的人员每个佩戴一个徽章，由徽章上的红外传感器发射信号给标签传感器。
每隔15秒发射100毫秒的红外信号。
标签传感器接收到红外信号后将信息传递给中央处理器，集中处理后再把计算结果通知用户。
1.3.4RADAR定位系统
RADAR定位系统是一个利用无线信号强度进行距离估计，然后再利用多个距离值估算出目标位置坐标的系统。
RADAR属于紧密耦合型。
系统需要建立一个环境中各处RF信号强度的数据库。
正常状态下，各个节点向中央处理器汇聚数据，然后通过与数据库中的内容比较得出结果[13]。
1.3.5Constellation追踪系统
Constellation追踪系统为一种室内精确定位系统[14]。
Constellation追踪系统不仅使用了超声波传感器而且还增加了多种传感器来辅助提高定位的精度，例如红外传感器，陀螺仪。
他与Cricket系统一样，都采用布置在天花板上的超声波发射器做信标。
接收器通过红外传感器与超声波信号的时间差来计算距离。
1.3.6其他定位技术
除了文中上述的典型室内定位系统以外，还有一些定位技术被关注。
超宽带无线传感器网络采用新开放的频率，在做定位方面的应用近来被研究者关注，在国外已经有产品上市，但是实际成本目前还比较高。
在中等规模的定位中，基于无线信号强度的位置估计被提出，其利用低成本传感器节点的无线信号，优点在于可以做到低成本的解决方案，其定位范围小于手机网络。
GPS定位在传感器网络定位研究之初就被提出，在室外大范围传感器网络定位应用中是目前使用得最多的技术手段。
利用现有无线电话网络开发基于定位的应用，也是一种低成本的解决方案。
1.4本文的研究内容和结构安排
位置感知是无线传感器网络重要的基础性支撑技术之一。
本文主要的研究内容为通过传感器网络感知特征信息，经过分析处理从而得的目标的位置，通过本次研究探索为无线传感器网络—发射源系统构建一个模块化，可重构的控制框架;为传感器节点开发、传感器网络协议研究、传感器数据融合技术提供一个实验平台。
本论文的工作是围绕无线传感器网络室内环境下移动目标定位展开的，主要以数据获取，数据传输，数据分析为主脉络，结构安排如下:
第一章介绍了本文的设计目的，研究背景，设计动机;介绍了国内外同类型研究的成果；第二章介绍了超声波定位基本概念及原理；第三章阐述了本研究相关的概念和原理，并且大体描述了一些需要用到的软硬件开发工具和协议;第四章围绕超声波定位传感器阵列的开发，研究了数据获取模块的内部构成，相互关系；第五章总结全文，并展望未来工作。
第二章超声波定位基本概念及原理
2.1定位基本概念
定位就是确定位置，其包含两种含义：
一种是确定自己在系统中的位置，另一种是确定目标在系统中的位置。
位置信息的类型包括物理位置和符号位置。
物理位置指物体在特定坐标系下的位置数值，表示目标的绝对或相对位置；符号位置指在移动节点与一个信标节点或多个信标节点接近程度的信息，表示移动节点与信标节点的连通关系，提供目标大致所在的范围。
2.2室内定位相关技术指标
（1）IEEE802.11
IEEE802.11[15][16]是无线局域网通用的标准，它是由IEEE所定义的无线网络通信的标准，美国电气和电子工程师协会公告的无线区域网路标准，适用于有线站台与无线用户或无线用户之间的沟通连结。
（2）位置信息的精确程度
精确程度包含两个方面：
一方面是绝对精度，即以长度为单位度量的精度。
另一方面是相对精度，即以节点之间距离的百分比来定义。
（3）覆盖范围
覆盖范围是另一个重要的技术指标，它和精度是一对矛盾，相关数据如下：
超声波定位精度为分米级，覆盖范围为十多米；Wi-Fi和蓝牙的定位精度为3米，覆盖范围为100米；GSM系统精度为100米，覆盖范围为公里级。
2.3定位算法的主要种类
在传感器网络定位技术中，主要分为两种：
基于信标的定位技术和无需信标的定位技术。
前者需要测量相邻节点间的绝对距离或者方位，并利用节点间的实际距离来计算未知节点的位置；后者无需测量节点间的绝对距离或方位，而是利用节点间的估计距离计算节点位置。
2.3.1基于信标的定位技术
其方法分包括信号强度（RSS）、信号传播时间/时间差（TOA/TDOA）及接收信号角度定位（AOA）。
（1）TOA定位的原理需要已知测量信号的传播速度，利用信号的到达时间计算出节点之间的距离，然后根据已经设定的公式计算出节点的位置。
（2）TDOA定位的原理为由发射节点同时发射两种传播速度不同的信号，根据接收点接收到两种不同传播速度信号的时间差计算出两个节点之间的距离，再通过公式计算出节点的位置。
发射节点同时发射无线电信号（无线射频信号）和超声波信号，接收节点记录两种信号到达时间T
，T
，已知无线射频信号和超声波传播速度为
，
，那么两点之间的距离为（T
-T
）S，其中
（2-1）
（3）基于信号强度的定位原理为已知发射节点的发射信号强度，在接收节点根据接收到的信号强度，计算出信号的传播耗损，利用理论和经验模型将传输损耗转换为距离，再利用已有的三边位置算法计算出节点的位置。
（4）接收信号角度定位的原理
图2-1接收信号角度定位的原理图
已知两个顶点和夹角的射线，其中
坐标为
，与水平方向夹角为
；
坐标为
，与水平方向夹角为
，则节点N的坐标为
（2-2）
图2-2接收信号角度定位的原理图
已知三点和三个夹角确定一点，其中
坐标为
，
坐标为
，
坐标为
，夹角如图所示，则节点N的坐标计算公式为
（2-3）
2.3.2无需信标的定位技术
无需信标的定位技术分为质心算法、APIT算法、DV-HOP算法、Amorphous算法等。
（1）质心算法
质心算法是一种基于网络连通性的室外定位算法。
信标节点周期性的向邻近节点广播信标分组，信标分组中包含信标节点的标识号和位置信息。
当未知节点收到来自不同信标节点的信标分组数量超过某一门限或接收一定时间后，就确定自身位置为这些信标节点所组成的多边形的质心。
（2）APIT定位算法
APIT定位算法的理论基础是最佳三角形内点测试法PIT。
PIT测试原理是假如存在一个方向，未知节点沿着此方向移动会同时远离或接近三个信标节点，那么未知节点位于三个信标节点构成的三角形的外部；否则，未知节点位于三角形内。
（3）DV-HOP定位算法
DV-HOP定位算法利用距离矢量路由和GPS定位的思想提出的一种方法由三个阶段组成：
首先，使网络中所有节点获得距离信标节点的跳数；其次，当获得其他信标节点位置和相隔跳距后，信标节点计算网络平均每跳距离，赋予其生存期，然后将这个带有生存期的校正值在网络广播。
未知节点仅记录先收到的第一个校正值，并转发给邻近节点。
（4）Amorphous算法
该算法采用与DV-HOP类似的方法获得距信标节点的跳数。
然后假设网络中节点的通信半径相同，平均每跳距离为节点的通信半径，未知节点计算到每个信标节点的跳段距离。
最后利用三边测量或极大似然估计法计算未知节点的位置。
2.4本章小节
本章主要介绍了超声波定位基本概念及原理距离。
目前提出的定位机制主要有信号强度、传播时间/时间差、DV-Hop、质心算法、APIT和Amorphous算法等。
基于信节点间标定位的算法，能得到节点间比较精确的距离，但对于节点硬件的要求也很高，消耗能量也比较多，且容易受到温度、障碍物等环境因素的影响，给具体应用带来了麻烦。
信标无关定位算法不需要知道未知节点到信标节点的距离，或者不需要直接测量此距离在成本和功耗方面具有优势。
本文选择使用基于信标的定位机制当中的基于TOA定位算法进行深入研究。
第三章MUTE室内定位系统及其体系结构
3.1MUTE系统概述
MUTE系统是一个无线传感器网络环境下高精度的室内移动目标定位系统。
系统的网络拓扑结构如图3-1所示。
整个网络的结构是一种簇状型结构，每一簇覆盖一个区域，新覆盖区域以增加簇的方式通过一簇头节点加入网络。
图3-1MUTE系统网络拓扑结构
如图3-2所示的是MUTE系统使用示意图。
通信节点具有RSSI（ReceivedSignalStrengthIndication接收的信号强度指示）和通过辅助传感器感测移动节点的功能。
在网络覆盖范围内的移动节点都将与周围通信节点产生信息和信号的联系，通过TOA技术可以测量得到移动节点与通信节点的距离。
本文系统中的节点使用方式如图3-2所示。
信标节点作为主节点被放在天花板，移动发射源载着一个发射节点作为被定位的目标。
根据需要在适当的地方还可以灵活的增加辅助节点，辅助节点与主节点都属于信标节点。
信标节点为被动式工作。
传感器节点的工作模式采用被动式，只有达到超声波传感器的触发条件，节点才工作。
被动式工作比主动式工作更能节约传感器节点的能源，以及减少无线通讯的数据量。
根据现场实际需要，每隔一定距离（发射节点的超声波信号覆盖范围内）在天花板顶部设置一个信标节点（采用电池驱动），同时在需要网络连接的地方安置一个网络模块，网络模块具有sink节点，簇头，网关的功能。
为了避免室内环境中各种电器设备对无线信号的干扰，所有无线网络模块使用的都是抗干扰的直序扩频通信方式，此外，每个模块都有接收信号强弱指示功能（RSSI）。
在精确的距离信息不够的时候，RSSI可以起到辅助估算位置的作用。
图3-2MUTE系统使用示意图
如图3-3所示，本定位系统利用每个节点的计算能力将信标节点与移动节点的距离分布式计算，将数据获取，数据传输，定位算法划分为3个独立的模块，在下面的章节将按照这样的划分进行描述。
图3-3系统定位计算原理
最初的无线信号和超声波信号被信标节点采集到后，信标节点会根据定时值计算出距离，然后通过网络将数据传递给定位算法模块，同时传递的数据中还包括信标节点的位置信息。
定位算法模块在具有高处理能力的计算机上运行，这样做可以采用一些复杂的计算方法，减少与硬件的耦合，使开发的软件代码和工具通用性、可重用性更好，并且能够直观的显示过程结果。
3.3MUTE系统的结构和接口
MUTE系统的一个最明显的特点就是:
在布置的时候，信标节点作为传感器信号的接受者，而移动节点作为传感器信号的提供者。
超声波发射传感器阵列应用在移动节点上，移动节点是被定位的对象。
信标节点的超声波传感器是被动感应的接收器。
之所以这样设计，是考虑到节点的资源受限问题，MUTE系统采用的无线传感器网络具有如下的特点：
l）微型化。
应用中的传感器节点要高度集成化，微小型的体积可以让节点易于嵌入式使用和布置。
2）低功耗。
在大多数情况下网络将一次性布置，无人职守。
因此对节点有严格的能源要求。
3）节点能力受限。
节点大多数使用嵌入式处理器以及大量使用片上系统，处理能力和存储容量有限。
4）通信能力受限。
受前面几点的要求影响，节点的发射功率和通讯范围都会受到限制。
超声波传感器模块作为数据获取模块具有一定程度的独立性，它独立开发并且具有对传感器的操作接口，通过函数调用可以定义传感器的工作规则，这样做的好处是可以根据传感器灵活配置。
数据处理主要以库的形式提供定位算法的封装，调用相关函数可以实现类似Matlab函数的计算效果。
数据处理一般在运算速度比较快的处理器上运行。
3.3主要的电子元件、硬件工具和设备
本节简单介绍各层模块实现所需要的相关电子元件、硬件工具和设备。
数据获取主要实现模块是超声波定位传感器阵列。
其硬件设计与实现主要所用到:
超声波传感器元件、DC-DC直流稳压芯片、AVR单片机、ISP程序下载线。
数据传输主要实现是MICAz节点其设计实现主要用到:
各种传感器元件、CC2420无线射频芯片、AVR单片机。
使用Mib510程序下载器可以将在计算机上生成的hex文件下载到MICAz节点。
数据处理主要在计算机上实现，主要为软件开发。
3.4本章小结
本章描述了MUTE室内定位系统的体系结构和无线数据传输网络平台的各个功能模块，包括网络结构的特点和功能、系统应用方式、定位方法、节点的功能定义、接口等。
第四章本系统中超声波传感器设计及其误差分析
作为系统的数据获取部分，超声波传感器阵列处于系统的底层，主要功能是完成数据的收集，并且保证经过初步的过滤后传给无线节点的是正常范围内的测量距离值。
4.1超声波定位传感器设计
4.1.1低功耗设计
作为主要设计目标之一的低功耗电路设计一直是重点考虑的问题。
取名叫无线传感器网络环境下定位超声波传感器，主要原因也是因为该超声波传感器的应用方向是针对无线传感器网络定位。
降低功耗的主要方法有两条:
一是尽量减少元件耗能，在保证功能的情况下减少耗能元件就是降低了能量的消耗;二是尽可能减少耗能元件的工作时间，节点最大的功耗在处理器上，在无须工作的状态下休眠是最好的解决方法。
在以上两条思路的指导下研究降低功能的方法，主要面临的问题是:
l）如何选择器件。
2）如何设计能够正常工作的电路。
3）如何设计电路的工作指标。
4）如何选择电路的工作方式。
移动节点作为被定位的节点可以与移动发射源结合使用，因此我们的主要目标放在尽可能的降低信标节点的能耗上。
实验测得的结果在室内环境温度26摄氏度，3.3v/5v电压，全速工作，MICAz节点的功耗达到了120mw，超声波传感器模块功耗<50mW。
4.1.2信号延迟
由于使用操作系统的原因造成数据传输有延迟现象发生。
因此，从节点1通过串口发送一帧消息，到节点2接收到并且从串口输出该消息，中间的时间间隔差别较大，实验测得的延迟时间为t=1~4ms。
对于使用TOA原理的超声波测距来说，t时间的延迟足够带来136cm的误差。
对于最大测量距离设计为300cm的目标来说，这显然不可接受。
分析其原因应该与节点的设计有关，节点通过带宽为250Kbps无线接收到消息，经过软件协议处理，然后从带宽为56Kbps的串口传出。
这个过程主要是网络协议的处理引入了消息传递的随机性延迟。
为避免由于网络结构带来的协议处理延迟的方法之一是改变传统认为的如图4-1的方式，MUTE系统使用的测量方式，如图4-2所示。
传统的测量距离方式如图4-1所示的结构，由移动节点直接发出广播，但是对信标节点来说时间为t的随机延迟使得这种方式不可接受。
本文的MUTE系统距离测量方案在网络中有一个sink节点。
sink节点的作用在于提供一个共同的时间基准，起到同步的作用。
移动节点的工作方式改为:
由移动节点向sink节点发起请求，当sink节点接收到移动节点的请求后发出组内（将一簇划分为一组）广播，将广播的消息当作时钟基准。
使用这个结构，可以使移动节点在需要位置信息时请求sink节点做一次组内广播（以下将简称组播）。
利用sink节点的信号做时间基准，以决定移动节点的超声波发射时刻和信标节点的传感器打开接收时刻。
如此可以避免前面所述的节点收到消息随机性延迟t的问题，经过实验观察目标节点和信标节点接收到无线信号并且输出所花费的时间长度一样。
图4-1传统测量距离的原理
图4-2MUTE系统测量距离的原理
4.1.3测距精度
在目前众多的定位方法中，在室内，基于视觉和基于信标两种方法的精度是最好的。
本文采用的是基于信标计算位置的方法。
在数据获取阶段，测得的距离值是基本数据，后面阶段的算法使用都要基于此结果，经过比较分析利用超声波比无线信号的传输慢的原理可以在简单的线性计算模型下获得较高的测量精度。
4.1.4定位速度
如果定位一个移动的节点需要引起室内所有节点的工作，这样就会面临无效数据过多的问题，从而引入复杂的数据融合要求。
面对这个问题，本系统在设计的时候考虑将超声波发射器装载在移动节点上，也就是只有在超声波信号覆盖的小范围内的信标节点才工作，这样不仅大大减少了无效的数据，而且提高了整个系统的响应速度，在单移动节点定位时，目前只需要100ms，大大小于ActiveBadge定位系统所需要的15s。
4.1.5移动sink节点
前面所述的是静态的sink节点，主要的功能是完成组内信息的收集，并传递到网络上的计算机。
实际上在移动机器人定位中，机器人本身就有需要装载一个sink节点，以机器人强大的计算能力，通过传感器网络获得周围的特征信息。
因此，在与计算机相连的静态sink节点之外，本系统还设计有移动的sink节点，它的功能主要是收集传感器网络的信息翻译给机器人，同时将机器人的指令翻译成与传感器网络节点通讯的信号。
4.2开发工具
在完成超声波传感器节点的设计过程中，需要一系列的开发工具辅助。
这一节将主要介绍本系统开发中工具配置。
4.2.1硬件
无线传感器网络环境下超声波定位传感器阵列设计采用Atmel公司的AVR8位RISC单片机Atmega8L，Atmel公司的AVR8位RISC单片机是一种非常普通的单片机.它是一个具有电擦写可编程只读存储器（EEPROM），随机访问存储器（RAM），模数转换器，大量的输入和输出线路，计时器，RS-232通讯接口UART以及其他很多功能的单片集成电路。
超声波传感器节点的开发过程中还应用了crossbow公司的传感器网络开发硬件实验平台，主要用到MICAz和mib510。
4.2.2软件
安装，配置和使用WinAVR可以建立一个低成本，使用开源免费软件的程序开发环境，为开发工作提供了不可缺少的帮助。
采用GNUC语言开发环境需要下列软件:
WinAVR，PonyProg2000，AVRStudio4.12，UEStudio。
4.3传感器电路
超声波传感器阵列模块分为:
超声波发射模块、超声波接收模块、AVR单片机控制板三部分。
图4-3是超声波定位传感器阵列照片。
图4-3超声波传感器定位模块
4.3.1信号处理电路
超声波模块主要信号分为接收信号和发射信号，其分别由接收电路和发射电路处理。
如图4-4所示，接收电路和发射电路都比较简单，这样能保证低功耗的设计，接收和发射都需要经过信号放大的过程，但是二者的要求电路并不同。
接收电路需要将微弱的传感器信号放大到处理器可以识别的电平，而发射电路则是将处理器输出的电平信号增幅后再通过传感器发射出去因此
（1）和
（2）的传感器端电压相差非常明显。
图4-4超声波传感器模糊信号处理电路
4.3.2AVR单片机控制板
超声波定位传感器模块作为数据获取这一环的独立性表现在它可以通过一块由AVR单片机为控制核心构成的控制板获得直接操作传感器硬件的接口。
如图4-5所示，通过对控制板上的单片机接口进行编程调用，可以获得在底层观察访问多个资源的能力。
图4-5超声波传感器主要组成部分
AVR单片机控制板主要由一块ATmega8L低功耗单片机构成，其结构非常精简，除了
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