1、毕业论文 文客久久 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： WSN的多目标定位设计 学 院： 学生姓名： 专 业： 电子信息工程 班 级： 指导教师： 起 止 日期： 毕业论文 文客久久 WSN 的多目标定位设计 摘要 无线传感器网络技术 (wireless sensor networks WSN)以其独特的优势和潜力 ，已经 被确定为人类 在 21 世纪中最重要的技术之一。在无线传感器网络的许多应用领域里 ,往往还需要 进行定位和跟踪监测区域中的特定物理目标 。由于传感器节点 有限，传感器网络 处理能力以及 能量 的携 带都 有限 ,因此 ，我们需要设计出一种有利于延长传感器网络寿命和加强传感
2、器网络功能的定位算法，具有十分重要的意义。 本文主要 是对 无线传感器网络的目标定位算法 进行研究 。文章首先 讨论 了无线传感器网络的 背景和 研究意义以及国内外的研究现状 ,然后 简单的介绍 了几 个 最基本 和 最常见的定位算法的性能和 应用要求。这篇文章是 在基于加权的单目标定位算法的基础上 ,提出了一种基于概率加权的 新的 多目标定位算法。该算法 可以根据需要进行二次定位， 当目标出现时，基站首先对目标进行第一次的定位，然后根据每个目标的定位精度要求，可以选者进行第二次的定位。这种定位方法 的复杂度较低 ,适用于传感器节点 的覆盖范围 ,能在 不需要 测距技术 的 条件下 ,同 时
3、定位探测区域内的多个目标 。 仿真结果表明 ,本文提出的多目标定位算法具有定位精度 高 ,在不增加传感器节点的情况下调整定位的准确性 ,是一种有效的定位算法。 关键词： 无线传感器网络；目标定位；概率加权；仿真分析毕业论文 文客久久 Abstract With its unique advantages and potentials, the technology of wireless sensor networks (WSN) has been identified as one of the most important technologies in the 21st century.
4、 In many applications of wireless sensor networks often need to be specific physical target positioning and tracking and monitoring in the region. Due to limited sensor nodes, sensor network processing capabilities and energy to carry is limited, so we need to design a climate conducive to prolong s
5、ensor network lifetime and to strengthen the function of the sensor network localization algorithm has a very important significance. Of this paper is to study the targeting algorithm for wireless sensor networks. The article first discusses the background and significance of the wireless sensor net
6、works at home and abroad of the status quo, and then a brief introduction of several the most basic and most common location algorithm performance and application requirements. This article is on the basis of the single target localization algorithm based on weighted, based on probability-weighted m
7、ulti-targeting algorithm. The algorithm needed a second positioning base station is the first target when the target appears, the first positioning, then each target positioning accuracy requirements, you can choose the second position. Lower the complexity of this positioning method, applicable to
8、the coverage of the sensor nodes do not need ranging conditions, while positioning multiple targets within the detection area. The simulation results show that the proposed multi-targeting algorithm has a high positioning accuracy and positioning accuracy of the adjustment does not increase the sens
9、or nodes, is an effective localization algorithm. Keywords: wireless sensor networks; targeting; probability-weighted; simulation analysis 毕业论文 文客久久 目录 摘要 . I Abstract . II 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题的背景与研究意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 1 第 2 章 无线传感器网络概述 . 2 2.1 无线传感器网络体系结构 . 2 2.2 无线传感器网络的特征 . 3 2.3 无线传感器网络的应用领域 . 4
10、 2.4 无线传感器网络关键的技术和研究热点 . 5 第 3 章无线传感器网络中的定 位技术 . 7 3.1 无线传感器网络目标定位的基本过程 . 7 3.2 基于距离的定位 . 8 3.3 基于距离无关的定位 . 9 第 4 章 基于概率加权的多目标定位算法 . 10 4.1 假设条件 . 10 4.2 节点探测模型 . 10 4.3 定位过程 . 10 4.4 算法的流程图 . 14 第 5 章 基于概率加权的多目标定位仿真 . 15 5.1 定位仿真分析 . 15 5.2 性能分析 . 16 总结与展望 . 18 致谢 . 19 参考文献 . 20 毕业论文 文客久久 第 1 章 绪论
11、1.1 课题的背景与研究意义 无线传感器网络是综合了传感器网络、微机电系统、片上系统、无线通信和低功耗的嵌入式计算技术而快速发展起来的，并且它具有低成本、低功耗、自组织和分布式的这些优点，这给信息技术带来了一场巨大的革命。 无线传感器网络 其实 就是由 分布在给定的区域范围内，由足够多的节点组成的一种新型的获取信息的网络。 无线传感器网络是一种特殊的多跳自 组织网络，具有非常广阔的应用前景，它的发展和应用，将会给人们的生活和生产等各个领域带来不可替代的影响。它可以应用到那些敌对的区域进行探测信息，可以到那些受污染比较严重的地方去采集数据，当发生自然灾害或通信网络受到破坏时起到不可替代作用。它具
12、有快速的展开，较强的抗毁性，并不需要有固定的网络支持等优点，可广泛应用于军事、国家安全、交通管理、医疗卫生、环境科学、城市信息等领域，已经受到了非常广泛的注意。 1.2 国内外研究现状 目前无线传感器网络尚处于研究阶段，为了加快其实用化进程，国外建设了很多演示系统，相关的 理论研究成果也很多。近年来，国内一些科研院所和高校也开展了无线传感器网络理论和应用的研究。美国商业周刊和 MIT 技术评论在预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感器网络列为 21 世纪最有影响的 21 项技术和改变世界的 10 大技术之一 2。 现在，美国已有很多大学开展了关于无线传感器网络方面的研究。如：加州伯克利分校（
13、 University of California,Berkeley）研制的传感器系统 Mica、 Mica2、 Mica2Dot 已被广泛地用于低能无线传感器网络的研究和开发。哈佛大学（ Harvard University）研究无线传感器网络中通讯的理论基础。麻省理工学院 (Massachusetts Institute of Technology)致力于无线传感器网络的信号处理技术等。在其他国家和地区，如加拿大、英国、日本、澳大利亚也开展了不少关于传感器网络的研究工作。目前中科院、哈工大、清华大学、浙江大学、上海交大等高校纷纷从不同的角度对无线传感器网络开展研究。 随着对无线传感器网络的
14、深入研究，无线传感器网络定位问题的研究已经有了可喜的成果，但目前移动信标节点定位和移动 WSN 定位还存在一些问题，有待进一步深入 研究、改进和提高，如在保持现有定位精度的情况下如何进一步减少计算量和通信量，从而延长网络的使用寿命。随着 MEMS 技术的发展、传感器节点成本的降低与实际应用的迫切需要， WSN 将得到更快的发展与应用。 毕业论文 文客久久 第 2 章 无线传感器网络概述 无线传感器网络是一种多跳的自组织网络。综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些数据进行处理，获得详尽而
15、准确的信息，并传送给需要这些信息的用户。 2.1 无线传感器网络体系结构 无 线传感器网络与传统的无线网络有着不同的设计目标，后者在高度移动的环境中通过优化路由和资源管理策略最大化带宽的利用率，同时为用户提供一定的服务质量保证。而在无线传感器网络中，除了少数节点需要移动以外，其他大部分节点都是静止的。一个典型的无线传感器网络结构如图 2.1 所示，主要由传感器节点、无线传输信道、汇聚节点、因特网或无线通信网络和信息处理中心等部件组成 1。 图 2.1 无线传感器网络体系结构图 传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它处理的能力、存 储能力和通信能力相对较弱。在不同的具体应用中采用的传感器节点不
16、尽相同，一个典型的传感器节点由能量供应模块、无线通信模块、处理器模块、传感器模块以及其它辅助可选模块等部分 组成，如图 2.2所示 传感器节点 传感器节点 传感器节点 监测区域 汇聚节点 卫星 互联网 移动通信网络 管理节点 终端用户 毕业论文 文客久久 图 2.2 传感器节点结构 （ 1）能量供应模块。能量供应模块负责整个节点运行所需要的能量供应和部分节点包含的辅助模块。 （ 2）无线通信模块。无线通信模块主要负责与其他节点之间的数据、控制信息、无线通信。 （ 3）处理器模块。处理器负责整个节点的存储、操作和处理自己节 点采集的信息以及其他节点采集、转发信息等等。 （ 4）传感器模块。根据不
17、同的应用需要，配置不相同的传感器以及采集不同类型的数据，如：湿度、温度、声音能量等。 2.2 无线传感器网络的特征 无线传感器网络是一种独立的计算机网络，是由大量传感器节点通过无线通信技术自组织构成的网络。传感器网络可实现数据采集量化 、处理融合和传输应用，它是信息技术中的一个新领域，具有以下特点 5： (1)传感器节点体积小，能量有限。由于传感器节点数目庞大 、分布区域广，而且部署环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，无法通过更换电池 的方式来补充能量，所以，在考虑传感器网络结构体系以及各层协议设计时，节能是设计的主要考虑目标之一。 (2)计算和存储能力有限。由于无线传感器网络应用的特殊性，要
18、求传感器节点的价格低 、功耗小，这必然导致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小。因此，如何利用有限的计算和存储资源，完成诸多协同任务，也是无线传感器网络技术面临的挑战之一。事实上，随着低功耗电路和系统设计技术的提高，目前已经开发出很多超低功耗的微处理器，同时，一般传感器节点还会配上一些外部的存储器，目前的 Flash 存储器是一种可以低电压操作、多次 写、无限次读的非易失存储介质。 (3)通信半径小，带宽低。无线传感器网络是利用“多跳 ” 来实现低功耗下的数据传输，因此，其设计的通信覆盖范围只有几十米。和传统的无线网络不同，传感器网络中传输的数据大部分经过节点处理过的数据，因此流量较小。
19、 时间同步 定位发现 节点移动 传感器 处理器 AD 转换 无线通信模块块 储存单元 能量供应模块 能量再生 毕业论文 文客久久 (4)无中心和自组织。在无线传感器网络中，所有节点的地位都是平等的，没有预先指定的中心，各自节点通过分布式算法来相互协调，可以在无需人工干预和任何其他预置的网络设施的情况下，节点自动组织成网络。正是由于无线传感器网络中没有中心，所以网络不会因为单个节点的损坏而损毁，这使 得网络具有较好的鲁棒性和抗毁性。 (5)网络动态性强。在无线传感器网络主要由三个要素组成，分别是传感器节点 、感知对象和观察者。这三个要素都可能具有一定的移动性，并且经常有新节点加入或已有节点失效。
20、网络的拓扑结构动态变化，传感器、感知对象和观察者三者之间的路径也随之变化，网络必须具备有可重构和自调整性。因此，无线传感器网络具有很强的动态性。 (6)传感器节点数量大且具有自适应性。无线传感器网络中传感器节点密集，数量巨大，可以达到几百 、几千，甚至更多。此外，无线传感器网络可以分布在很广泛的地理区域，网络的拓扑 结构变化很快，而且网络一旦形成，人很少干预其运行，因此，无线传感器网络的软、硬件必须具有很高的鲁棒性和容错性，相应的通信协议必须具有可重构和自适应性。 (7)以数据为中心的网络。对于观察者来说，传感器网络的核心是感知数据而不是网络硬件。以数据为中心的特点要求传感器网络的设计必须以感
21、知数据的管理和处理为中心，把数据库技术和网络技术紧密结合，从逻辑概念和软 、硬件技术两方面实现一个高性能的以数据为中心的网络系统，使用户如何使用通常的数据库管理系统和数据处理系统一样自如地在传感器网络上进行感知数据的管理和处理。 2.3 无线传感器网络的应用领域 无线传感器网络是由大量价格低廉的传感器节点组成的无线网络，它具有分布式处理带来的高监测精度 、高容错性、大覆盖区域、可远程监控等众多优点，这使得它在军事、智能农业和环境监测、医疗健康、紧急和临时场合、家庭、空间探索等领域具有很广阔的应用前景 19。 （ 1） 军事领域 由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶
22、劣的战场环境中，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。美国国防部远景计划研究局已投 资几千万美元，帮助大学进行 “智能尘埃 “传感器技术的研发。哈伯研究公司总裁阿尔门丁格 说 ：智能尘埃式传感器及有关的技术销售从 2004 年的 1000 万美元增加到 2010 年的几十亿美元。 （ 2） 环境的监测和保护 随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。比如，英特尔研究实验室研究人员曾经将 32 个小
23、型传感器连进互联网，以读出缅因州 “ 大鸭岛 ” 上的气候，用来评价一种海燕巢的条件。无线传感器 网络还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。此外，它也可以应用在精细农业中，来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。 （ 3） 医疗护理 无线传感器网络在医疗卫生和健康护理等方面具有广阔的应用前景，包括对人体生理数据的无线监测 、对医院医护人员和患者进行追踪和监控、医院的药品管理、贵重医疗设备放置场所的监测等，被看护对象也可以通过随身装置向医护人员发出求救信号。 毕业论文 文客久久 无线传感器网络可应用于对住院患者的管理中。首先在病房部署传感器
24、节点以实现对整个病房的覆盖，患者可根 据病情携带具有检测能力的无线传感器节点。通过传感器网络对患者必要的生理指标进行实时监测，同时还可以充分允许患者在一定范围内自由活动，这不仅有利于患者的身体机能的恢复，还有助于让患者保持良好的情绪，从而使病情尽快得到康复。无线传感器网络还为未来的远程医疗提供了更加方便、快捷的技术手段。 （ 4）空间探索 人类对空间的探索和研究走过了漫长的道路，取得了丰硕的成果。在过去的半个世纪里，人类通过空间科学探测活动，了解地球空间环境，探索太阳系中的行星和卫星，对宇宙起源和星系演化做出了更加科学的解释。随着人类对空间探索的 不断深入，要获取的数据越来越多，成本较低的传感
25、器节点将在其中发挥更加重要的作用。 （ 5） 其他用途 无线传感器网络还被应用于其他一些领域 。 比如一些危险的工业环境如井矿 、 核电厂等，工作人员可以通过它来实施安全监测。也可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具。此外和还可以在工业自动化生产线等诸多领域，英特尔正在对工厂中的一个无线网络进行测试，该网络由 40 台机器上的 210 个传感器组成，这样组成的监控系统将可以大大改善工厂的运作条件。它可以大幅降低检查设备的成本，同时由于可以提前发现问题，因此将能够缩短停机时间，提高效 率，并延长设备的使用时间。尽管无线传感器技术目前仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用价值 ， 相信随着相
26、关技术的发展和推进 ， 一定会得到更大的应用。 2.4 无线传感器网络关键的技术和研究热点 无线传感器网络作为一种新兴的网络形态，同时又是传感器技术、通信技术、微机电技术、嵌入式技术以及分布式计算技术等多学科交叉的领域，有很多关键的技术有待我们去发现和研究，目前研究的难点有很多，主要涉及到管理、组网、通信以及分布式信息处理等多方面 20。 （ 1）网络拓扑控制 自动生成网络拓扑以后，可以在满足网络连通度的情 况下，以较低的代价实现对邻近区域的有效覆盖。良好的网络拓扑结构能够有效的提高链路层协议和路由协议的效率，可以为上层的数据融合、目标定位、时间同步等许多应用奠定基础，有利于整个网络的负载均衡
27、，从而节省节点的能量用来延长整个网络的生存时期。 （ 2）网络协议 特指数据链路层和网络层协议，网络拓扑结构发生动态变化，对网络协议提出了更高的要求。 MAC 协议首先要考虑节省能量和可扩展性，其实才考虑到公平性、信道利用率以及实时性等：在保证拓扑结构适应性、低开销的同时，要考虑到整个网络的流量均衡。 （ 3）节点定位技术 节点定 位功能在无线传感器网络的很多应用中都起着至关重要的作用。位置信息是传感器节点采集数据中不可或缺的一部分，由于传感器节点存在资源有限、随机部署、通信易受环境干扰甚至节点失效的特点，定位机制必须满足能量高效、健壮性、自组织性、分布式计算等要求。 （ 4）时间同步 毕业论
28、文 文客久久 时间同步是无线传感器网络个节点在进行协同工作时需要面临的一个关键问题。同样，到现在为止同步机制也还不能满足传感器网络低功耗、低成本的要求。 （ 5）网络安全 无线传感器网络需要实现一些最基本的安全机制：机密性、点到点的消息认证、完整性鉴别、新鲜性、认证广播 以及安全管理。除此之外，为了确保数据融合后数据源信息的保留，水印技术也成为无线传感器网络安全的研究内容。 （ 6）无线通信技术 无线传感器网络需要低功耗短距离的无线通信技术，要求信道衰减小、发射信号功率谱密度低、系统复杂度低、能耗低的特点，目前主要的研究热点集中在超宽带技术上。 （ 7）数据融合 若数据未加处理就在网络中传送，将带来巨大的网络流量，从而带来巨大的能量消耗：另一方面，流量不均衡，有些节点通常容易因为快速的能量消耗而失效，因此，在节点收集数据过程中，可以进行数据融合来提高信息的准确度。 （ 8）嵌入式 操作系统 传感器节点是一个微型的嵌入式系统，只能携带非常有限的硬件资源，需要操作系统能够节能高效的使用其有限的内存、处理器以及通信模块，并且能够对各种特定应用提供最大的支持。因此，无线传感器网络节点的操作系统应满足小代码量、模块化、低功耗和并发操作等要求。
