无线传感器网络定位技术研究

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无线传感器网络定位技术研究

摘要

无线传感器网络融合了传感器技术、嵌入式技术、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、感知和采集各种环境或者监测对象的信息，并

且对其进行处理，传送给所需要的用户。

作为无线传感器网络的主要支撑技术之一，节点定位技术是大多数应用的前

提和基础。节点定位技术即利用少数已知位置的节点，按照某种定位机制确定盲

节点的位置。只有在节点自身正确定位之后，才能确定传感器节点监测到的事件

的具体位置。因此，研究无线传感器网络节点定位技术具有十分重要的理论和实

际意义。

本文重点研究了无线传感器网络节点自身定位技术，为以后的应用开发和研

究打下了基础。论文所做的主要工作如下：

（1）分析了目前现有的定位技术并分类介绍各种定位算法的原理和性能，重

点讨论了基于距离的定位算法，包括三边定位和多边定位方法。利用 Matlab 仿真

了多种定位算法，并分析了定位算法的性能。

（2）详细介绍了节点定位系统的设计和实现方法，包括两种方案。第一种方

案是利用 TI 生产的射频芯片 CC2430/CC2431 作为硬件平台，使用 TinyOS 操作系

统作为软件平台开发参考节点、盲节点和命令节点的程序，该方案是利用芯片

CC2431 定位引擎实现节点定位。第二种方案是在 CC2430 上通过软件设计实现节

点定位，设计了基于 RSSI 测距的定位系统。

（3）使用实际系统对基于 RSSI 测距定位方法的定位精度进行了测试，分析

了测试数据，并对现有的 WSN 定位技术进行了总结。

关键词：无线传感器网络节点定位距离相关 ZigBee TinyOS

RSSI

ABSTRACT

Wireless Senor Network is integration of sensor techniques, nested computation

techniques, distributed computation techniques and wireless communication techniques.

It can be used to testing, sensing, collecting and processing information of monitored

objects and transferring the processed information to users.

The performance of node localization which is regarded as one of the sustainable

techniques in WSN has been the basis of most applications in WSN. Self-localization of

senor is to get the position information of node by using information of some known

nodes and some special mechanisms. Correct self-localization of sensor nodes in the

promotion of monitoring events normally. Therefore, the study of node location

technology of wireless sensor network has important theoretical and practical

significance.

This thesis focuses on the problem of self-localization in WSN and makes

foundation on the research and application of the self-localization in WSN ．The

concrete content is as follows：

(1) This thesis introduces the existing localization technology and classifies various

localization algorithms, and range-based methods are carefully given. The node location

calculation can adopt trilateral method or multilateral method. Use Matlab to simulate

some localization algorithms, and analyzes the performances of some localization

algorithms.

(2) This thesis carefully introduces the designing of the node localization system,

including two ways. The system adopts the hardware platform based on the RF chip

CC2430 / CC2431 based on ZigBee of TI to design, use the operating system TinyOS as

the software platform to develop reference node, blind node and command node. The

node localization can use the localization engine of the chip CC2431.The second way is

that the thesis also gives how to achieve the node localization based on the chip

CC2430.The localization system is based on range-based methods of the localization

algorithm, and use a location algorithm based on RSSI.

(3) Based on the RSSI, the system gives experiments. This thesis analyzes the test

data and summarizes the system

Keywords ：wireless sensor network, node location, range-

based，ZigBee, TinyOS, RSSI

目  录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪论..........................................................1
§1.1 研究背景....................................................1
§1.2 无线传感器网络定位技术......................................1
§1.3 论文的组织结构..............................................3
第二章 无线传感器网络................................................4
§2.1 无线传感器网络概述..........................................4
§2.2 WSN 的体系结构..............................................4
§2.2.1  WSN 的网络结构........................................4
§2.2.2  WSN 的节点结构........................................5
§2.2.3  WSN 的协议栈..........................................6
§2.3 WSN 的特点及性能评价........................................7
§2.3.1 无线网络标准比较......................................7
§2.3.2 WSN 的网络特征.........................................7
§2.3.3 WSN 的性能评价.........................................8
§2.4 WSN 的研究热点..............................................9
§2.5 WSN 的典型应用..............................................9
§2.6 本章小结...................................................10
第三章 无线传感器网络定位技术.......................................11
§3.1 WSN 定位技术简介...........................................11
§3.1.1 基本概念.............................................11
§3.1.2 定位算法分类.........................................11
§3.1.3 定位算法的评价标准...................................12
§3.1.4 WSN 的定位技术应用....................................13
§3.2 基于距离的（range-based）定位算法..........................14
§3.2.1 多边定位法和三边定位法...............................14
§3.2.2 常用的测距技术.......................................16
§3.3 定位算法仿真实现...........................................19
§3.3.1 仿真平台 Matlab 简介..................................19
§3.3.2 定位算法实现流程.....................................20
§3.3.3 实验验证.............................................22
§3.4 本章小结...................................................25
第四章 无线传感器网络定位系统的设计与实现...........................26
§4.1 WSN 定位系统的实现.........................................26
§4.1.1 ZigBee 解决方案.......................................26
§4.1.2 系统结构和工作原理...................................27
§4.1.3 定位系统硬件平台......................................28
§4.1.4 软件开发平台.........................................30
§4.2 无线传感器网络操作系统 TinyOS..............................30
§4.2.1 TinyOS 框架..........................................31
I

§4.2.2 硬件平台抽象.........................................32
§4.2.3 调度机制.............................................33
§4.2.4 Nesc开发语言.........................................34
§4.3 WSN 定位系统设计...........................................35
§4.3.1 嵌入式软件系统结构...................................35
§4.3.2利用 RSSI方法测距的定位机制.........................36
§4.3.3 CC2431 定位软件的实现.................................38
§4.3.4 基于 CC2430 定位软件设计..............................41
§4.4 WSN 定位系统实验...........................................44
§4.4.1 节点布置.............................................44
§4.4.2 测试结果与分析.......................................45
§4.5 本章小结...................................................46
第五章 总结和展望...................................................47
§5.1 设计总结...................................................47
§5.2 展望.......................................................47
参考文献............................................................48
II

第一章绪论

§1.1 研究背景

人类进入 21 世纪以来，微电子机械系统 (MEMS，micro-electro-mechanism

system)、传感技术、集成电路、片上系统和网络通信等技术的快速发展，加速了具

有现代意义的无线传感器网络[1][2](WSN，Wireless Sensor Networks)的产生和发展，

使得传感器本身的传感手段更丰富、处理能力更强、体积更趋小型化和微型化、系

统组织形式网络化，同时功耗和成本显著降低，从而使无线传感器网络在军事、

民用和工业生产等领域具有广阔的应用前景。现在，互联网为人们提供了快捷的

通信平台，极大地方便了人们的信息交流。无线传感器网络丰富了人们的信息获

取能力，将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，在下一代互联网中将为

人们提供最直接、最有效、最真实的信息。1999 年的商业周刊和2003 年的MIT 技

术评论分别将其列为2l 世纪最重要的技术和 10 个将改变世界的技术之一。美国在

20 实际 90 年代就开始了传感器网络的研究工作，并首先在军方应用和推广。民用

领域中，Crossbow 公司的MICA 系列无线传感器平台也已产品化和系列化。

我国目前对于无线传感器网络技术[12]的研究也投入了很大资金和人力，在

《信息产业科技发展“十一五”计划和2020 年中长期规划（纲要）》中将智能信息

处理和物与物通信网络技术确定为网络与通信领域 11 个主要技术领域之一，把该

技术确定为我国需要重点研究的技术，在纲要中其发展目标包括“重视RFID、传

感器网络等物与物通信网络技术的研发，形成自主知识产权的核心技术和产品，

打造完善的产业链，推广 RFID 和传感器网络技术在全社会的应用，形成一大批

有示范效应的应用范例，为无处不在、人与物共享的网络应用奠定基础”。国家自

然科学基金委员会也十分重视无线传感网络技术的发展，并且已经审批了无线传

感器网络相关的多个重点课题。

§1.2 无线传感器网络定位技术

无线传感器网络的定位技术[12]是无线传感器网络[3]的研究热点之一。在无线传

感器网络应用领域，我们有时候需要知道节点的坐标位置信息。位置信息对于无

线传感器网络的监测十分重要。传感器节点监测的信息要和其坐标信息对应才算

完成了一个监测对象的确认，所以确认事件发生的位置是传感器网络中最基本的

功能之一。但是受到节点价格、体积、功耗以及硬件性能等因素的限制，造成了节

点自身定位仍然是一个问题。这也成为了制约无线传感器网络技术发展的瓶颈。

在传感器网络发展起来前，传统的定位方法是用 GPS 系统实现定位。GPS 系

统需要接收机和空中几个卫星进行通信，GPS 接收机通过接收的卫星信号来估算

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摘要：

无线传感器网络定位技术研究摘要无线传感器网络融合了传感器技术、嵌入式技术、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、感知和采集各种环境或者监测对象的信息，并且对其进行处理，传送给所需要的用户。作为无线传感器网络的主要支撑技术之一，节点定位技术是大多数应用的前提和基础。节点定位技术即利用少数已知位置的节点，按照某种定位机制确定盲节点的位置。只有在节点自身正确定位之后，才能确定传感器节点监测到的事件的具体位置。因此，研究无线传感器网络节点定位技术具有十分重要的理论和实际意义。本文重点研究了无线传感器网络节点自身定位技术，为以后的应用开发和研究打下了基础。论文所做的主要工作如下：（1）分...

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