无线传感器网络（一）基于无锚节点的WSN系统设计
一、簡介
??????? 節點定位是WSN的重要支撐技術之一。無錨節點定位具有使用方便，應用范圍廣，可適應惡劣環境等特點。我們以戰場偵察為背景，將基于無錨節點定位的WSN應用于戰場情報收集，設計基于無錨節點的WSN系統。
?????? 我們討論的主要內容有：
1）通過對當前WSN的相關技術進行分析比較，設計系統方案。無線組網，節點定位，時間同步，能量管理等是WSN完成任務的關鍵，通過對這些技術進行分析比較，選取合適的技術方案
2）將UWB高精度測距技術應用于節點定位（ultra wide band,超寬帶，是一種無線載波通信技術，利用納秒級的非正弦窄脈沖傳輸數據，所占的頻譜范圍很寬；UWB系統復雜度低，發射信號功率譜密度低，對信道衰落不敏感，截獲能力強，定位精度高等優點，適用于室內等密集場所的高速無線接入）。
3）分析AHLos(Ad Hoc locali zation system)算法，在其基礎上進行改進。AHLos算法通過原子式多邊算法，協作式多邊算法和迭代式多邊算法實現系統定位 。
?? （1）原子式多邊算法：當帶定位節點相鄰的信標節點數為3或3個以上是，使用最大似然估計法，這里的信標節點數是指WSN部署完畢后初始的情況，即還沒有執行過定位算法之前的情況，只要執行了定位算法，一部分待定節點就看轉化成了信標節點
?? （2）迭代式多邊算法：當待定節點相鄰的信標節點個數小于3時，與之相鄰的信標節點通過廣播自身的位置信息并被待定節點接受，經過這些信息運算處理后，確定自身的位置，也成為信標節點，當未知節點的相鄰信標節點的數量達到3個或3個以上時，使用最大似然估計法完成未知節點的定位計算
?? （3）協作式多邊算法：經過多次迭代定位后，待定位節點的鄰居節點數量仍然不足3個，此時要依托多跳的局部信息來計算自身位置
AHLos通過以上三種算法實現系統定位，但是定位精度受測距誤差影響較大，且需要較多的錨節點。針對以上缺點，設計基于AHLos的無錨節點定位算法，通過設置參考節點建立本地坐標系，采用卡爾曼濾波，牛頓迭代法以及最大似然估計法來實現節點高精度定位，建立盲區坐標系統來拓展協作式多邊定位算法的應用范圍
4）針對ZigBee執行的基于AODV按需路由在進行多跳路由時存在路徑查找時間長和延時不穩定的缺點，設計環形路由，該路由算法能夠使中心節點無需路徑查找即可與任意節點相互通信；
5）設計節點時間同步和備份通信路由
6）實用MSP430作為主控芯片，CC2530射頻芯片作為無線通信平臺，采用UWB測距模和備份通信模塊完成系統硬件設計
MSP430系列單片機是一種16位超低功耗，具有精簡指令集RISC的混合信號處理器，混合信號處理器，是針對實際應用需求，將多個不同功能的模擬電路，數字電路模塊和處理器集成在一個芯片上，以提供“單片機”解決方案。該系列單片機多應用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中。
CC2530芯片是片上系統SoC，它能夠以非常低的總材料成本建立強大的網絡節點
二、緒論
??????? WSN是以無線通信技術，無線網絡技術，片上系統，傳感器等技術為核心，推動了WSN從原始意義上的信息采集和處理向小型化，智能化，集成化，網絡化方向發展，實現了數據采集，數據處理，數據傳輸功能。WSN，計算機技術，通信技術共同構成信息技術。
?????? WSN是有大量傳感器節點，通過自組織的形式將各個節點收集到的信息匯集在一起，并傳遞給用戶，WSN擴展了人與自然進行遠程交互的能力，將人類與現實世界緊密的聯系到了一起，在不需要人類的參與下，WSN實現對自然界信息的獲取，極大的擴展了人與自然交互的方式。如：將帶有各類傳感器的WSN節點部署到火星，不需要人工登錄就可以大規模檢測火星溫濕度，電磁，土壤成分等；將帶有溫濕度，PM2.5的WSN布置在城市周邊在極少人的參與情況下，為人們提供與健康密切相關的環境參數，給人們生活帶來便利。WSN具有廉價，體積小，可擴展性強，低功耗，可快速部署及可適應惡劣環境等特性。可應用于智能家居，國防，監測，醫療等各個領域。典型的工作方式是使用飛行器將大量WSN節點部署到目標區域，被拋灑的傳感器節點利用網絡的自組織特性快速組成一個無線網絡，節點獲取周邊的聲音，光電，震動，移動物體的速度和方向等信息，這些信息經網絡進行數據處理，并傳遞給sink節點。sink節點再通過無線或者有線等通信方式，將收集到的信息傳遞給后臺服務器供人員參考。這種方式不需要人的參與即可完成對目標區域信息的快速獲取，可用于人類不宜到達的惡劣環境，保證人類的安全。
????? WSN研究領域包括WSN網絡，節點定位，路由算法，時間同步，能量管理等多個方面。節點定位是指利用網咯的連通性或節點間距離和角度等信息，確定WSN中傳感器節點的絕對地理位置或相對地理位置，通過定位技術獲得的節點位置信息在信號采集處理過程中有很重要的作用。首先，采集的信息只有與位置結合在一起才有實際的意義；將節點的位置用于路由協議，時間同步等算法，可以改善通信質量，避免不必要的消息轉發和降低網絡能量消耗的目的。
????? 無錨節點定位技術主要利用網絡的連通性或節點間距離角度信息，不需要GPS或人工標定節點就可以實現網絡局部坐標系下的定位。常見的算法有KPS，ABC，AFL和SPA等算法。
????? SPA算法采用TOA測距算法，定位過程中包括建立和整合全局坐標系兩個階段；????
????? 聚類SPA算法選用通過分簇及坐標轉換，降低了通信計算開銷，但在節點密度低的情況下存在無法定位的節點；
?三、國內外研究現狀
?????? WSN是繼互聯網之后的全球第二大網絡，對人類產生了深遠的影響，曾被評為十大興新技術之首。2001年美國國防部高級研究計劃部署將WSN作為了優先級最高的研究計劃， 并在各高校和研究機構展開研究。歐盟提出了EYES計劃，2006年我國將智能感知和自組網技術確定為信息技術的前沿方向。
??????? 2014年，印度IM等人設計了一種無錨節點定位系統，每個節點配備測距和測角能力，能夠自主測量相鄰節點的距離和方位，各節點的位置計算不需要兩個或更多的相鄰節點，甚至可以用單個鄰居來實現。
? ? ?? 2016年，首爾大學JG等人提出一種無錨節點室內定位技術，該技術基于加權子圖匹配算法，將節點已獲得的RSSI值與預先調查的數據進行對比，并根據節點的速度，利用遞歸濾波的方法來確定節點的預期位置區域。
?????? 2018年JK等人利用了無線信號的多路徑效應來確定節點位置，通過節點間的相互協作實現了移動節點在室內的跟蹤。
?????? 2012年，重慶大學王圣超將無錨節點定位技術應用于戰場傷員的定位，采用了五錨節點順序多維定標定位算法確定士兵的位置，定位效果較好。
???? 2016年南京大學劉暢等人提出一種基于用戶腳步感知的無錨節點定位系統，通過將帶有加速度計和陀螺儀的傳感器嵌入用戶的鞋子，實現了對用戶移動軌跡的實時測量。
四、系統總體設計
??? 根據應用場景余需求，系統設計主要從以下方面考慮：
??? 1）系統可靠性
??? 2）系統功能的擴展
??? 3）大規模與低功耗
??? 4）信息采集高效與節點可控
????? ? 為了完成信息采集和傳遞以及系統協調等工作，系統必須具備通信組網和節點定位等功能。此外，為了滿足低功耗，系統可靠等特點，系統還必須具備時間同步，能量管理，備份通信與備份定位的能力。
?????? ? 通信與組網技術是系統實現的基礎，節點定位技術是在通信與組網技術的基礎上，利用了網絡連通性或節點間距離信息，來確定節點的絕對位置或相對位置，為傳感器采集的數據提供了位置信息，提高了采集數據的利用價值。
??????? 時間同步技術為網絡提供了一個統一的時間標準，可以確定網絡中事件發生的前后順序及因果關系，方便網絡管理。
??????? 能量管理的設計目標是提高能量利用率，延長整個網絡生存周期，解決傳感器網絡的能量約束問題。
??????? 在系統工作過程中可能出現很多問題，如節點故障使工作中斷，某些節點失去定位能力，因地形或通信距離等原因導致節點孤立等異常，為了使系統不因某一故障而停止運行，各個問題都要有合理有效的解決辦法
??????? 無線組網技術方案選擇：
??????? 目前可以實現組網的無線網絡協議有wifi，藍牙和ZigBee等。
?1）wifi
??????? wifi能夠支持圖像，語音和多媒體等多種數據傳輸，并且傳輸速率可以達到54Mb/s，在幾百米的范圍內能夠讓接入者接收到網絡無線電信號。wifi技術的特點如下:
???????? 傳輸范圍廣：wifi的電波覆蓋半徑可以達到100M,
???????? 傳輸速度快：54Mb/s的最高傳輸速率，遠超藍牙和ZigBee的傳輸速度，WiFi的最高傳輸速率還在不斷的提高，可以滿足信息化發展的需求
???????? 普及應用高：目前將wifi作為主流標準配置的移動電子設備越來越多，如：手機，平板電腦，MP4等
2）藍牙
???????? 藍牙是指擁有藍牙的兩個設備之間進行的對稱鏈接，兩個設備采用最簡單的配置進行鏈接。藍牙4.0提出藍牙低功耗技術，藍牙mesh網絡，隨著這些技術的不斷提出，藍牙不再局限于設備間的對稱連接，為低功耗，mesh網絡設計開發提供了新的技術選擇。藍牙的特點如下：
??????? 穩定性好：藍牙采用的是24位的循環冗余校驗CRC技術，來保證所有數據包在受到干擾時能達到最大穩定度
??????? 安全度高：AES-128加密技術為數據封包提供高密度加密性及認證度
?????? 設備連接數量少：藍牙連接設備能力相比其他技術比較差，理論上分析其可連接8臺設備，但是工程上一般只能達到6至7個設備
?? 隨著M2M的發展，藍牙因復雜度高，組網規模小的缺點逐漸暴露
3）ZigBee
?????? ? ? ZigBee 專門為M2M網絡設計，主要適用于自動控制和遠程控制領域
????????? 它在復雜系統中具有一些顯著的優勢，提供低功耗操作并且可擴展性高，節點數量多，高安全性和魯棒性。ZigBee是一個由最多可以是65000個無線模塊聯合構成的一個無線數傳網絡平臺，提供128位AES加密，支持mesh網絡，通信的方式選擇為自組網技術。在WSN中，當某條通信鏈路中斷，路由則會重新選擇一條鏈路，從而保證信息的可靠傳遞，ZigBee的主要優勢如下：
????? 地復雜性：Z協議的大小一般大小32KB，而藍牙和wifi協議的大小一般都超過了100KB
????? 低功耗：低功耗是ZigBee的最大特點之一，其功耗一般為5mA，wifi功耗為10-50mA ,藍牙介于兩者之間
????? 組網能力強：ZigBee最多可以包含65000個節點，單個節點最多可以與254個設備相連接，支持星型網絡，樹型結構，網狀結構
?????? 安全，可靠：引入 CSMA-CA 機制，減少了網絡中消息碰撞的幾率；為避免競爭，節點還可以單獨申請一個信道，保證了信息的可靠傳輸；采用了傳遞反饋機制，發送節點會收到目標節點的反饋信息，從而保證數據能夠正確傳輸
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總結
以上是生活随笔為你收集整理的无线传感器网络（一）基于无锚节点的WSN系统设计的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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