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，應用範圍廣，可適應惡劣環境等特點。我們以戰場偵察為背景，將基於無錨節點定位的wsn應用於戰場情報收集，設計基於無錨節點的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於節點定位（ultra wide band,超寬頻，是一種無線載波通訊技術，利用納秒級的非正弦窄脈衝傳輸資料，所佔的頻譜範圍很寬；uwb系統複雜度低，發射訊號功率譜密度低，對通道衰落不敏感，截獲能力強，定位精度高等優點，適用於室內等密集場所的高速無線接入）。
3）分析ahlos(ad hoc locali zation system)演算法，在其基礎上進行改進。ahlos演算法通過原子式多邊演算法，協作式多邊演算法和迭代式多邊演算法實現系統定位 。
（1）原子式多邊演算法：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，這裡的信標節點數是指wsn部署完畢後初始的情況，即還沒有執行過定位演算法之前的情況，只要執行了定位演算法，一部分待定節點就看轉化成了信標節點
（2）迭代式多邊演算法：當待定節點相鄰的信標節點個數小於3時，與之相鄰的信標節點通過廣播自身的位置資訊並被待定節點接受，經過這些資訊運算處理後，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）協作式多邊演算法：經過多次迭代定位後，待定位節點的鄰居節點數量仍然不足3個，此時要依託多跳的區域性資訊來計算自身位置
ahlos通過以上三種演算法實現系統定位，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，設計基於ahlos的無錨節點定位演算法，通過設定參考節點建立本地座標系，採用卡爾曼濾波，牛頓迭代法以及最大似然估計法來實現節點高精度定位，建立盲區座標系統來拓展協作式多邊定位演算法的應用範圍
4）針對zigbee執行的基於aodv按需路由在進行多跳路由時存在路徑查詢時間長和延時不穩定的缺點，設計環形路由，該路由演算法能夠使中心節點無需路徑查詢即可與任意節點相互通訊；
5）設計節點時間同步和備份通訊路由
6）實用msp430作為主控晶元，cc2530射頻晶元作為無線通訊平台，採用uwb測距模和備份通訊模組完成系統硬體設計
msp430系列微控制器是一種16位超低功耗，具有精簡指令集risc的混合訊號處理器，混合訊號處理器，是針對實際應用需求，將多個不同功能的模擬電路，數位電路模組和處理器整合在乙個晶元上，以提供「微控制器」解決方案。該系列微控制器多應用於需要電池供電的可攜式儀器儀表中。
cc2530晶元是片上系統soc，它能夠以非常低的總材料成本建立強大的網路節點
二、緒論
wsn是以無線通訊技術，無線網路技術，片上系統，感測器等技術為核心，推動了wsn從原始意義上的資訊採集和處理向小型化，智慧型化，整合化，網路化方向發展，實現了資料採集，資料處理，資料傳輸功能。wsn，計算機技術，通訊技術共同構成資訊科技。
wsn是有大量感測器節點，通過自組織的形式將各個節點收集到的資訊匯集在一起，並傳遞給使用者，wsn擴充套件了人與自然進行遠端互動的能力，將人類與現實世界緊密的聯絡到了一起，在不需要人類的參與下，wsn實現對自然界資訊的獲取，極大的擴充套件了人與自然互動的方式。如：將帶有各類感測器的wsn節點部署到火星，不需要人工登入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引數，給人們生活帶來便利。wsn具有廉價，體積小，可擴充套件性強，低功耗，可快速部署及可適應惡劣環境等特性。可應用於智慧型家居，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，被拋灑的感測器節點利用網路的自組織特性快速組成乙個無線網路，節點獲取周邊的聲音，光電，震動，移動物體的速度和方向等資訊，這些資訊經網路進行資料處理，並傳遞給sink節點。sink節點再通過無線或者有線等通訊方式，將收集到的資訊傳遞給後台伺服器供人員參考。這種方式不需要人的參與即可完成對目標區域資訊的快速獲取，可用於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網路，節點定位，路由演算法，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資訊，確定wsn中感測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資訊在訊號採集處理過程中有很重要的作用。首先，採集的資訊只有與位置結合在一起才有實際的意義；將節點的位置用於路由協議，時間同步等演算法，可以改善通訊質量，避免不必要的訊息**和降低網路能量消耗的目的。
無錨節點定位技術主要利用網路的連通性或節點間距離角度資訊，不需要gps或人工標定節點就可以實現網路區域性座標系下的定位。常見的演算法有kps，abc，afl和spa等演算法。
spa演算法採用toa測距演算法，定位過程中包括建立和整合全域性座標系兩個階段；
聚類spa演算法選用通過分簇及座標轉換，降低了通訊計算開銷，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是繼網際網路之後的全球第二大網路，對人類產生了深遠的影響，曾被評為十大興新技術之首。2023年美國國防部高階研究計畫部署將wsn作為了優先順序最高的研究計畫， 並在各高校和研究機構展開研究。歐盟提出了eyes計畫，2023年我國將智慧型感知和自組網技術確定為資訊科技的前沿方向。
2023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。
2023年，首爾大學jg等人提出一種無錨節點室內定位技術，該技術基於加權子圖匹配演算法，將節點已獲得的rssi值與預先調查的資料進行對比，並根據節點的速度，利用遞迴濾波的方法來確定節點的預期位置區域。
2023年jk等人利用了無線訊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。
2023年，重慶大學王聖超將無錨節點定位技術應用於戰場傷員的定位，採用了五錨節點順序多維定標定位演算法確定士兵的位置，定位效果較好。
2023年南京大學劉暢等人提出一種基於使用者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感測器嵌入使用者的鞋子，實現了對使用者移動軌跡的實時測量。
四、系統總體設計
根據應用場景餘需求，系統設計主要從以下方面考慮：
1）系統可靠性
2）系統功能的擴充套件
3）大規模與低功耗
4）資訊採集高效與節點可控
為了完成資訊採集和傳遞以及系統協調等工作，系統必須具備通訊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，備份通訊與備份定位的能力。
通訊與組網技術是系統實現的基礎，節點定位技術是在通訊與組網技術的基礎上，利用了網路連通性或節點間距離資訊，來確定節點的絕對位置或相對位置，為感測器採集的資料提供了位置資訊，提高了採集資料的利用價值。
時間同步技術為網路提供了乙個統一的時間標準，可以確定網路中事件發生的前後順序及因果關係，方便網路管理。
能量管理的設計目標是提高能量利用率，延長整個網路生存週期，解決感測器網路的能量約束問題。
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，因地形或通訊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執行，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路協議有wifi，藍芽和zigbee等。
1）wifi
wifi能夠支援影象，語音和多**等多種資料傳輸，並且傳輸速率可以達到54mb/s，在幾百公尺的範圍內能夠讓接入者接收到網路無線電訊號。wifi技術的特點如下:
傳輸範圍廣：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，遠超藍芽和zigbee的傳輸速度，wifi的最高傳輸速率還在不斷的提高，可以滿足資訊化發展的需求
普及應用高：目前將wifi作為主流標準配置的移動電子裝置越來越多，如：手機，平板電腦，mp4等
2）藍芽
藍芽是指擁有藍芽的兩個裝置之間進行的對稱鏈結，兩個裝置採用最簡單的配置進行鏈結。藍芽4.0提出藍芽低功耗技術，藍芽mesh網路，隨著這些技術的不斷提出，藍芽不再侷限於裝置間的對稱連線，為低功耗，mesh網路設計開發提供了新的技術選擇。藍芽的特點如下：
穩定性好：藍芽採用的是24位的迴圈冗餘校驗crc技術，來保證所有資料報在受到干擾時能達到最大穩定度
安全度高：aes-128加密技術為資料封包提供高密度加密性及認證度
隨著m2m的發展，藍芽因複雜度高，組網規模小的缺點逐漸暴露
3）zigbee
zigbee 專門為m2m網路設計，主要適用於自動控制和遠端控制領域
它在複雜系統中具有一些顯著的優勢，提供低功耗操作並且可擴充套件性高，節點數量多，高安全性和魯棒性。zigbee是乙個由最多可以是65000個無線模組聯合構成的乙個無線數傳網路平台，提供128位aes加密，支援mesh網路，通訊的方式選擇為自組網技術。在wsn中，當某條通訊鏈路中斷，路由則會重新選擇一條鏈路，從而保證資訊的可靠傳遞，zigbee的主要優勢如下：
地複雜性：z協議的大小一般大小32kb，而藍芽和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 ,藍芽介於兩者之間
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個裝置相連線，支援星型網路，樹型結構，網狀結構
安全，可靠：引入 csma-ca 機制，減少了網路中訊息碰撞的機率；為避免競爭，節點還可以單獨申請乙個通道，保證了資訊的可靠傳輸；採用了傳遞反饋機制，傳送節點會收到目標節點的反饋資訊，從而保證資料能夠正確傳輸
關於無線感測器網路
自從研一開始研究無線感測器網路 wireless sensor networks,wsn 到現在已經過了1年多的時間了。一年多的時間，說長不長，說短不短，有些心得體會，覺得有必要記錄下來 不記得在什麼地方上看過，無線感測器網路的提出 改變了我們感知世界的方式 在這個以資料為中心的網路中，充斥著被監控...
基於無線感測器網路的水文監測系統
以前的一位同事要拉專案，大上週臨時幫她寫了個方案框架。結果她說我寫的太快了，懷疑是抄的，要不然怎麼上午10點寫，還不到中午就寫完了。懶得跟她解釋，她不願意用就算了，我自己貼部落格吧。其實仔細看就發現了，沒怎麼太多東西，最佔時間的是畫前面那兩張圖 基於無線感測器網路的水文監測系統 1 基於自組網的資料...
無線感測器的網路定位
首先來說一下無線感測器網路目標定位方式主要分為主動模式 被動模式 基於聲波衰減模型的定位三種 無線感測器網路目標定位方式主要如下 1 主動模式 基於距離的定位 測量節點間距離或方位時採用的方法有 到達時間t0a toa，time of arrive 到達時間差tdoa，到達角度aoa，接收訊號強度指...