基于zigbee的无线传感网络井下矿工定位方案综述.pdf

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1、 基于基于 ZigBeeZigBee 的无线传感网络井下矿工定位的无线传感网络井下矿工定位方案综述方案综述 文档撰写人：陈飞文档撰写人：陈飞 指导老师：赖晓晨指导老师：赖晓晨 大连理工大学大连理工大学 Dalian University of TechnologyDalian University of Technology 1 基于基于 ZigBeeZigBee 的无线传感的无线传感网络网络井下矿工井下矿工定位定位方案综述方案综述 文档说明文档说明 撰写人：陈飞 主要面向阅读对象：对基于 ZigBee 的无线传感网络定位技术感兴趣的初学者 内容简介：本文以循序渐进的顺序首先介绍了无线传感网络

2、的定义、结构、特点、应用，然后详细说明了 802.15.4/ZigBee 技术的原理结构和技术优势以及社会应用。接下来重点分析了无线传感网络定位算法以及其分类与评价，然后具体给出了基于 ZigBee 的井下矿工位置定位系统的解决方案。接着总结了当前无线传感网络技术难点以及无线传感网络的研究进展。最后展望了无线传感器网络未来的发展。本文旨在使对无线传感网络及其定位技术感兴趣的同学对这方面的知识有个初步的了解。由于水平的限制，本文在很多细节上会存在错误或者不准确的地方，希望您能提供宝贵的修改建议。欢迎您对这篇文章提出任何看法、建议及意见。您可以发送邮件到 超链接超链接 表示超表示超链接链接 修改记

3、录修改记录 2010 年 10 月 3 日 0.1 版 陈飞 完成文档结构目录 2010 年 10 月 6 日 0.2 版 陈飞 完成主体文档 2010 年 10 月 7 日 0.3 版 陈飞 修改文档内容 2010 年 10 月 8 日 0.5 版 陈飞 修改文档格式 2010 年 10 月 11 日 0.7 版 陈飞 完善文档内容 2010 年 10 月 14 日 0.75 版 陈飞 添加超链接和完善资料来源 审核记录审核记录 审核人 审核版本 审核意见 赖晓晨 0.5 目录格式混乱，产品应用方面内容需添加 2 目录目录 1 背景介绍.4 1.1 发展矿工定位技术的社会背景.4 1.2 井

4、下无线通讯定位技术的发展现状.4 1.3 几种常见的矿井人员定位技术.4 1.3.1 有线传输网络+RF ID 卡(射频标识卡)的矿井人员定位系统.4 1.3.2 基于漏泄电缆+RF ID 卡的矿井人员定位系统.5 1.3.3 基于 PHS 小灵通定位技术的井下人员定位管理系统.6 1.3.4 基于 ZigBee 技术的矿井人员定位系统.6 2 基于 802.15.4/ZigBee 的无线传感网络定位简介.7 2.1 无线传感网络.7 2.1.1 无线传感网络定义.7 2.1.2 无线传感网络的由来.8 2.1.3 无线传感网络的结构.9 2.1.4 无线传感网络的研究热点.11 2.1.5

5、无线传感器网络的主要特点.13 2.1.6 无线传感网络的行业应用.13 2.2 802.15.4/ZigBee 介绍.15 2.2.1 802.15.4.15 2.2.2 ZigBee.17 2.3 无线传感网络定位介绍.23 3 无线传感网络定位算法介绍、分类与评价.24 3.1 基于测距的定位算法.24 3.1.1 基于 TOA 的定位算法.24 3.1.2 基于 TDOA 的定位算法.24 3.1.3 基于 AOA 的定位算法.24 3.1.4 基于 RSSI 的定位.25 3.2 基于基于无测距的定位算法.25 3.2.1 质心定位算法.25 3.2.1 DV-Hop 算法.26 3

6、.2.3 Amorphous 算法.26 3.2.4 APIT 算法.27 3.2.5 DVdistance 算法.27 3.3 无线传感网络定位算法分类.28 3.3.1 锚点分类.28 3.3.2 计算方式分类.28 3.3.3 节点移动性分类.29 3.3.4 测距分类.29 3.4 目前定位算法的缺陷与改进方向.30 3.4.1 算法的缺陷.30 3.4.2 算法的改进方向.30 4 基于 ZigBee 的井下矿工位置定位系统解决方案.31 4.1 系统的总体设计.31 3 4.1.1 系统工作原理.31 4.1.2 系统组成.32 4.1.3 系统结构.33 4.2 zigbee 网

7、络节点的硬件结构设计.34 4.2.1 微处理器模块.35 4.2.2 数据采集模块.36 4.2.3 电源显示模块.36 4.3 系统软件设计.37 4.3.1 环境设计.37 4.3.2 与现有系统的接口设计.38 4.3.3 与地理信息系统的集成设计.38 4.3.4 软件模块设计.39 4.4 基于 ZigBee 的井下矿工位置定位系统的功能特点.40 5 当前无线传感网络技术难点.41 5.1 传感器节点制作工艺和成本.41 5.2 传感器节点的功率和睡眠控制.41 5.3 传感网络的传输协议.41 5.4 数据的管理、查询、分析和挖掘.41 6 无线传感网络的研究进展.42 6.1

8、 网络通信技术的研究进展.42 6.1.1 物理层研究进展.42 6.1.2 数据链路层研究进展.42 6.1.3 网络层路由协议的研究进展.42 6.1.4 传输层协议研究进展.42 6.2 基础设施的研究进展.43 6.2.1 拓扑控制的研究进展.43 6.2.2 时间同步的研究进展.43 6.2.3 传感器节点定位的研究进展.43 6.2.4 网络安全的研究进展.43 6.2.5 QoS 管理的研究进展.44 6.3 中间件技术的研究进展.44 6.4 数据管理关键技术.44 7 无线传感器网络现在和未来.45 7.1 无线传感网络技术的市场及其产品介绍.45 7.2 无线传感网络在我国

9、将来的发展应用.45 7.3 无线传感网络技术的未来展望.46 附录 A 专业名词解释.47 附录 B 引用、参考及资料来源.50 4 1 1 背景介绍背景介绍 1.1 1.1 发展矿工定位技术的社会背景发展矿工定位技术的社会背景 近年来,随着对煤炭需求的高速增长,煤炭工业也得到很大发展,但是煤矿重大、特大事故时有发生,仍未实现对灾害事故的有效控制。事故发生后,准确判定井下生产作业人员的受困位置、遇险人员撤退路线、井下的环境监测情况以及及时准确地制定救援方案,这对事故的救援是十分重要的,也是十分紧迫的任务。另一方面，通过井下人员定位系统，地面工作人员掌握井下情况，可以通过地面控制台向井下人员发

10、送信号，实现人员的调度和分配，提高工作效率。因此发展矿工井下定位技术是很有必要的，而基于ZigBee的无线传感网络定位技术就是在此背景下进行研究与开发的。1.21.2 井下井下无线通讯无线通讯定位定位技术技术的的发展发展现状现状 针对井下的恶劣环境,现有的井下无线通讯技术主要有红外线、超低频通信、漏泄系 统、双音多频和ZigBee技术等。红外线技术是应用于矿井下最早的技术之一，也相对成熟，主要用于井下地表温度及瓦斯浓度的测量。由于它的传输距离较短(通常只有310 m)，不适合人员的定位需求。漏泄系统是井下较好的一种通信方式，它结合有线和无线通信2种方式。首先，在矿井的巷道内布置同轴电缆，在同轴

11、电缆的周围借助电缆可以实现无线通信。缺点是无线通信离不开有线电缆，离电缆的距离也不能太远。而最新的基于802.15.4/ZigBee的无线通讯技术是短距离、低功耗、低成本、低速率的无线通信技术，在网络通信距离和组网规模上不仅可用到家庭网络上，也适合应用在矿井下，和其他通讯技术相比具有众多优势，这方面的内容将在下面详细介绍。1.3 1.3 几种常见的矿井人员定位技术几种常见的矿井人员定位技术 1.3.11.3.1 有线传输网络有线传输网络+RF ID+RF ID 卡卡(射频标识卡射频标识卡)的矿井人员定位系统的矿井人员定位系统 RFID 即“无线射频识别”,是“Radio FrequencyId

12、entification”的缩写,它实际上是自动识别技术在无线电技术方面的应用与发展。该技术利用射频信号对目标进行非接触性5 的识别和相关数据的读写,可以实现快速读写、非可视识别、移动识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理等。系统主要由安装在安全帽上的Tag、矿井专用处理传输基站(包括天线和目标识别器)、数据传输接口、地面中心站软件组成。当人员经过井下巷道安装有发射天线的工作区时,基站获取人员携带的标签信息,系统自动采集该人 员经过的时间、地点信息,并传送到地面的管理数据库。地面中心站接收来自井下专用处理传输分站上的编码信号,实现对井下人员跟踪定位信息的采集、分析处理、实时显示、历史数据存储报表

13、、查询打印等功能。1)RF ID电子标签。RF ID电子标签中存储有能够识别目标的信息,由耦合元件及芯片组成。2)读写器。查阅RFID电子标签中当前贮存的数据信息;向空白RFID电子标签中写入预贮存的数据信息;修改RFID电子标签中的数据信息;与后台管理计算机进行信息交互。3)发送接收信号的天线。是标签与阅读器之间传输数据的发射、接收装置。4)通信网络系统。包括数据库服务器和其他信息系统。数据库服务器负责处理读写器传送过来的信息,并进行信息处理。将重要信息存储在数据库中。其他信息系统根据需要向读写器发送指令,对标签进行相应操作。基于有线传输网络+RF ID卡(射频标识卡)的矿井人员定位系统组成

14、,如图1所示。RF ID是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,可工作于各种恶劣环境,识别高速运动物体并同时识别多个标签,操作快捷方便。利用射频方式进行非接触双向通信,能实现对人员、设备或其他物品自动识别和数据交换的技术。与接触式识别技术不同点在于RF ID系统的电子标签和读卡器之间不用接触就可以完成识别。RF ID系统如果不采用光纤总线,系统安装的安监点数就会受到限制,覆盖面有限,无法满足大型、特大型煤矿的全矿井巷道监测的要求。1.3.21.3.2 基于漏泄电缆基于漏泄电缆+RF ID+RF ID 卡的矿井人员定位系统卡的矿井人员定位系统 漏泄通信是利用无

15、线电波在媒质作用下沿直线传播,在屏蔽电缆上每隔一段距离开一个小口,使基站发射出来的无线电波在空中传播出去以供移动设备接收,从而实现异地间的相互通信联络。煤矿井下漏泄通信系统是由漏泄电缆、监控主机、定位器、RF ID卡等构成。漏泄电缆:漏泄电缆是在同轴电缆的纵向上每隔一定的距离开一个小口,用以释放一定的无线电波信号,使移动接收设备接收到或供移动发射设备发射出来的电信号将此信号传送给基站,它相当于一个很长的天线。定位器:通过漏泄电缆与监控主机通信。RF ID卡:RF ID6 卡中存储有能够人员的信息,由耦合元件及芯片组成,通过定位器把目标的信息与传输到主机,从而实现矿井人员的定位。1.3.31.3

16、.3 基于基于 PHSPHS 小灵通定位技术的井下人员定位管理系统小灵通定位技术的井下人员定位管理系统 基于PHS小灵通定位技术的井下人员定位管理系统包括基站控制器、基站、基站延伸器、PHS定位终端、定位服务器、定位客户端等组成部分组成。井下小灵通系统覆盖区域一般为煤主巷、辅运巷、进风巷、胶运巷、综采面、变电所等。基于PHS小灵通定位技术的井下人员定位管理系统组成。中心控制器:在网络中的位置类似于传统的PBX,该系统直接配置在企业内,上行采用PR I接口或FXO接口和PSTN网络连接,提供语音业务。下行FXS接口,为企业提供内部固定分机接入,BR I接口为企业提供专用无线通信基站的接入,从而提

17、供内部无线分机。企业型基站:企业型基站(简称基站)是无线通信系统中的RF设备,由中心控制器传来的ADPCM信号及电源馈电,通过一对双绞线传入基站的接口,信号通过基站的射频调制波发射,与手机间构成无线链路。基站线路延伸器:安装在中心控制装置和基站之间,可有效、简单地解决延伸距离的问题,简化了网络结构,降低了投资。PHS终端:包括定位手机和定位器,是专用无线系统的无线电终端设备。信号通过基站的射频调制发射,与PHS终端之间构成无线链路,从而实现无线通信。定位客户端:是用户用来设置、管理和维护定位系统的图形操作界面。PAS应用于煤矿井下通信时,其速度和井下的覆盖范围都不太理想,一个基站只能覆盖几百米

18、。如果要实现井下任何地方的无缝链接,则需要建很多的基站,不但成本造价高,而且维护量大,系统可靠性较低。1.3.41.3.4 基于基于 ZigBeeZigBee 技术的矿井人员定位系统技术的矿井人员定位系统 ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输。也可实现周期性、间歇性和低反应时间等数据的传输。基于ZigBee技术的矿井人员定位系统在主巷道中铺设CAN总线网络,并安置基于CAN总线传输的传感器节点。在不便与铺设总线的采空区、综采工作面等地采用ZigBee无线传感器7 网络。网络节点可通过

19、自动读取移动目标的信息和信号强度,并以此来确定移动目标的位置信息,网络定位节点在已有通信电缆的地方直接通过RS-232接口与CAN总线或现有的通信电缆相连接,再通过交换机将信息上传至终端管理计算机,通过井下人员跟踪定位软件系统处理,实现人员跟踪定位。ZigBee通信网络:包括固定定位识别基站和定位标签两部分。ZigBee无线网络技术的读写器(网络模块)安装在人员出入的井口及井下沿坑道每隔200m,工作面每隔50m的适当位置。每个网络模块自动组成1个ZigBee通信网络,这个通信网络实际是1个定位网络,每1个网络节点就是1个定位基站,内嵌在人员的安全帽或腰带上的定位标签以及安装在井下设备上的定位

20、标签,定时发射一定频段的射频信号,实现定位信息的登记。信息处理中心:主要负责各网络传输节点所发信息的存储,并能对信息进行分析处理和显示,将信息以网络形式供其它有权限的成员查阅。浅析矿井人员定位系统中的定位技术浅析矿井人员定位系统中的定位技术 2 2 基于基于 802.15.4/802.15.4/Z ZigigB Beeee 的无线传感网络定的无线传感网络定位简介位简介 2.12.1 无线传感网络无线传感网络 2.1.12.1.1 无线传感网络定义无线传感网络定义 无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Network）即是由大量传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络

21、系统，它能够实现数据的采集量化、处理融合和传输。传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素，无线传感网络综合了微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等先进技术。它能够协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息并对其进行处理，处理后的信息通过无线方式发送，并以自组多跳的网络方式传送给观察者。具体的来讲，WSN 兼具感测、运算与网络的能力，通过传感器来侦测周围环境如温度、湿度、光照、气体浓度、震动幅度等，并由无线网络将搜集到的信息传送给监控者，监控者解读报表信息后便可掌握现场状况进而维护和调整相关系统。8 图图 1 1 一种简单的无线传

22、感网络一种简单的无线传感网络 2.1.22.1.2 无线传感网络的由来无线传感网络的由来 WSN(无线传感网络)的构想最初是由美国军方提出的，美国国防部高级研究所计划署(DARPA)于 1978 年开始资助卡耐基梅隆大学进行分布式传感器网络的研究，这被看成是无线传感器网络的雏形。从那以后，类似的项目便在全美高校间广泛展开，比较著名的有 UC Berkeley 的 Smart Dust 项目，UCLA 的 WINS 项目，以及多所机构联合攻关的 SenslT 计划等。从无线传感网络的发展来看有其形成的社会和技术基础：1）由于国防、工业、农业、商业、环保、医疗、卫生等发展的需要，以及人们对环境保护

23、和社会安全的日益重视，再加上人们生活质量的不断提高。这样一来就需要寻求一种技术能在一定的范围内方便地进行实时监测、感知和采集各种信息并进行处理，从而监控者可以采取适当的措施加以控制，这是无线传感网络形成的社会基础。2）由于 WSN 是一种跨学科的技术，因此当现代传感器技术、微机电系统、微电子技术、无线通信技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和人工智能发展到一定程度并开始相互融合的时候 WSN 才应运而生，这是无线传感网络形成的技术基础。另外，政府部门的大力支持也对无线传感网络的发展起到了很大的推动作用。美国能源部在 2002 发布的“面向 21 世纪的工业无线技术”白皮书中首次提出将 WS

24、N 应用于工业自动化领域，其中将适合在恶劣的工业现场环境使用，具有很强的抗干扰能力、超低能耗、实时通信等特点的一类特殊的 WSN 称为工业无线技术，并指出它是到 2020 年美国实现工业整体能耗降低 5%目标的重要手段。同时，2003 年 MIT 技术评论在预测未来技术发展的报告中将无线传感网络列为改变世界的十大新技术之一。与国外相比，我国的无线传感网络研究首次正式出现于 1999 年中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的一项“重点地区灾害实时监测、预警和决策支持示范系统”报告中。2006 年 4 月，国家“十一五”规划和国家中长期科学与技术发展规划纲要将“传感网络及信息处理”列入其中。在国

25、家“863”计划和“973”计划中，也将 WSN 列为支持项目予以资助，并由相关的研究所和高等院校承担研究。2009 年 8 月 7 日，温总理在中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心考察时指示7：一是把传感系统和 3D 中的 TD 技术结合起来；二是在国家重大科技专项中，加快推进传感网发展；三是尽快建立中国的传感信息中心。有理由相信这一系列的举措必然会推动我国无线传感网络的快速发展。9 2.1.32.1.3 无线传感网络的结构无线传感网络的结构 无线传感器网络系统通常由全功能设备(Full Function Device，FFD)节点、精简功能设备(Reduced Function Dev

26、ice，RFD)节点、协调节点(Coordinator)和路由节点(Router)组成。大量的微型传感器节点分布在监测区域的内部或附近，并且能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测到的数据沿着其他传感器节点逐步跳跃地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网络到达管理节点。具体的来说无线传感网络可以分为两个组成部分：传感器节点和传感器网络。图图 2 2 目前已开发出的用于无线传感网络的节点传感器（目前已开发出的用于无线传感网络的节点传感器（nodenode）传感器结点：传感器结点：无线传感器网络是由传感器网络节点构成的，应用和监测物理信号的不同

27、决定了传感器的类型，从而节点的功能和性能也不尽相同。无线传感器网络节点一般由传感器模块、处理器模块、无线通讯模块和能量供应模块 4 个模块单元组成，如图 3 所示。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。传感器节点在无线传感网络中可以作为数据采集者、数据中转站或者是簇头节点（Cluster-Headnode）。作为数据采集者，数据采集节点收集周围环境的数据，通过通信路

28、由协议直接或间接将数据传输给远方基站（Base Station）或 Sink 节 10 传感器模块能量供应模块无线通讯模块处理器模块 图图 3 3 传感器节点结构图传感器节点结构图 点；作为数据中转站，节点除了完成数据采集任务外，还要接收邻居节点的数据，将其转发给距离基站更近的邻居节点或者直接转发到基站或 Sink 节点；作为簇头节点，节点负责收集该簇内所有节点采集的数据，经数据融合后，发送到基站或 Sink 节点。传感器网络：传感器网络：无线传感网络系统结构的一般形式如图 4 所示，一个典型的传感器网络的体系结构主要包括传感器节点、Sink 节点、互联网和用户界面等。无线传感器网络的拓扑结构

29、有 3 种：星状网、网状网和混合网，每种拓扑结构都有各自的优缺点。在传感器网络中，传感器节点通过飞机撒播、人工布置等方式大量部署在感知对象内部或者附近。这些节点通过自组织方式构成无线传感网络以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中特定的信息，系统可以实现对任意地点信息在任意时间的采集、处理和分析并以多跳中继方式将数据传回 Sink 节点（汇聚节点）。Sink 节点的发射能力较强，具有较高的电能可以将整个区域内的数据通过传感器网络网关和数据传输网络传送到远程控制中心进行集中处理。11 图图 4 传感器网络结构图传感器网络结构图 2.1.42.1.4 无线传感网络的研究热点无线传感网络的研究热点

30、 在查阅了一些关于无线传感器网络的理论研究文献之后，我发现当前国内对无线传感网络的研究主要集中在三个方面：对节点本身的研究、对节点定位跟踪算法的研究和对节点组网的研究。下面就我所收集的资料并从中选出具有代表性的文章来对这三个方面进行一些说明。对节点本身的研究对节点本身的研究：对节点本身的研究我主要阅读了两篇文章：在学者韩现会等的文章中，设计了对身体进行健康监护的无线传感器网络节点，他们利用新一代基于 IEEE 802.15.4 协议的无线传感器网络 SOC 芯片设计的节点体积非常小，传感器也体积很小，非常适合身体无线传感器网络的应用。文章还通过初步的试验证明了设计的心电图、加速度、血压等节点的

31、可行性和实用性。而魏志刚等在其论文中结合移动机器人技术和无线传感网络技术，在差分驱动的机器人运动学模型基础上设计并实现了移动节点原型样机 RacemoteZ。该节点由 Mica2 作为主控系统，集成了传感、通信、导航及定位模块，具有体积小，成本低，响应速度快和健壮性等特点。与韩现会的文章相比较，魏志刚的文章更侧重于对节点自身的平面运动、导航定位和自主性等性能的优化研究。对节点本身的研究除了不断将理论研究转化为现实之外，其研究也在不断地朝着实用和高效的方向发展。对节点定位跟踪算法的研究对节点定位跟踪算法的研究：首先在山东大学徐增友的硕士论文中，他对无线传感网络的定位技术进行了全面深入的分析。他将

32、定位算法分为无需测距的定位算法、基于测距的定位算法、非视距环境下的无线定位算法和基于残差检测的定位算法这四大类算法来进行研究，最后通过算法的仿真分析对不同的算法进行了性能比较和评价。而在梁华为的博士论文中基于 Chipcon(TI)CC2431 研制了一种通用无线传感器网络节点，利用 CC2431 内嵌的定位引擎实现了节点的定位功能；另外此节点有效地运用了他提出的能量均衡路由算法，合理的使用了无线传感器网络的能量，延长了导航系统的寿命。比较相关文章之后，关于无线传感网络的定位跟踪研究的比较新颖的技术方法有：（1）基于微粒群算法的群集智能技术。本算法结合了无线传感器技术和群集智能技术两者的优势，

33、其基本思想是：机器人在前进过程中设计导航控制器以安全快速地达到目的地。导航控制器依据关于当前局部环境的已知或部分已知信息建立概率地图，设置由规划出的路径作为参看路径计算出的最优路径，根据由无线传感器获得的实时空间信息生成有效的运动控制命令。实验证实此算法提高了智能导航的整体性能，满足了在复杂环境未知障碍物下的实时和有效性要求。12 （2）多点协作跟踪簇算法。多节点协作跟踪簇算法主要就是用节点间的相互协作对目标进行跟踪，通过簇成员节点的汇报数据，簇首节点进行数据聚合，预测下一时刻位置以唤醒邻居信标节点参与跟踪，从而达到跟踪定位的功能。实验证明多节点协作跟踪簇算法比一般的分布式预测跟踪算法更加精确

34、，并且能够保障跟踪精确度的前提下有效降低节点间的数据通信量，从而节省节点能量和通信带宽。（3）基于分簇的能量有效目标跟踪算法。此算法与一般的能量有效地无线传感网络节点跟踪算法的主要区别是本算法在改进了当前时刻的状态估计方法。算法的具体思路是：先根据信号强度以及剩余能量的多少选择簇头节点，而剩余节点则根据与该簇头节点的跳数是否在一跳范围内判断是否为簇员节点，被选中的簇员节点再根据其自身的剩余能量、与簇头节点的距离和自身能量消耗的速度等因素来计算自己的权值。接着由在该簇上运行无迹粒子滤波算法以及后验卡尔曼滤波获得当前时刻状态估计，并将该时刻的分布拟合成高斯混合模型参数；接着将此模型的参数传递给下一

35、个簇头节点（下一时刻信号强度最大的节点），下一个簇头节点根据参数信息重新模拟粒子分布，进行簇员选择，数据采集，重复上一个阶段的算法流程即可对下一时刻的状态进行估计。实验证明该算法由于受到信号干扰及节点计算能力低等因素的影响，定位存在一定的误差，但是能有效的减少节点的能量消耗。（4）综合 RSSI 算法和切圆圆心法的 RCM（接收信号强度指示与切圆圆心混合定位算法）算法。接收信号强度指示与切圆圆心混合定位算法的基本原理是利用 RSSI 粗略测量各个锚节点到移动节点的距离，即用锚节点到移动节点之间的信号衰减来获取不很精确的距离信息，然后根据获得的距离信息，以锚节点为圆心，以 RSSI 测得的距离为

36、半径，建立若干个圆，最后在这些圆相交的公共区域内做一个外切圆(或者内切圆)，切圆的圆心即为所求未知移动节点的位置，从而实现作为移动节点的星球机器人在外星球表面的定位。经仿真分析证实在 RSSI 测距误差散布达到 50时，该算法的定位误差可降到 10以内。对节点组网的研究对节点组网的研究：节点组网的研究我也主要参看了两篇文章：在林祝亮的硕士论文中，他针对基于基本粒子群算法和粒子进化的多粒子群算法设计的无线传感网络覆盖策略的不足，而将基本粒子群算法和与拟物力算法相结合设计了拟物力导向的无线传感网络覆盖优化策略，并经实验比较证明了此混合算法的优越效果。在李建波的博士论文中21，他主要研究了能量有效的

37、拓扑控制算法；应用于静态密集部署传感网络的一种基于完全图的分簇算法；一种在上述分簇算法基础上加入移动节点担当网关的算法；应用于稀疏移动传感网络的传输功率控制算法；应用于大规模部署移动传感网络的分簇算法，同样的最后他通过仿真实验证明了其算法具有减少消息个数和延长系统寿命的优点。以上这三个无线传感网络的研究集中点知识理论性较强，对于刚开始涉及此领域的初学者来说可能存在一定困难，而且有许多理论在国内还没有实际的应用。但是理论创新是技术创新的先导，相关的理论研究还必须不断地扩展和深化。13 2.1.52.1.5 无线传感器网络无线传感器网络的主要特点的主要特点 作为一种新型网络，相比传统的无线网络，无

38、线传感器网络具有如下特点：1)大面积的空间分布 比如在军事应用方面，可以将无线传感器网络部署在战场上跟踪敌人的军事行动，智能化的终端可以被大量装在宣传品、子弹或炮弹壳中，在目标地点撤落下去，形成大面积的监视网络。2)能源受限制 网络中每个节点的电源是有限的，网络大多工作在无人区或者对人体有伤害的恶劣环境中，几乎不可能更换电源，这要求网络功耗小，以延长网络的寿命。而且要尽最可能节省电源消耗。3)网络自动配置，自动识别节点 包括自动组网、对入网的终端进行身份验证泐止非法用户入侵。相对于那些布置在预先指定地点的传感器网络而言，无线传感器网络可以借鉴Ad hoc 方式来配置，当然前提是要有一套合适的通

39、信协议保证网络在无人干预的情况下自动运行。4)网络的自动管理和高度协作性 在无线传感器网络中，数据处理由节点自身完成，以数据为中心的特性是无线传感器网络的又一特点。每个节点仅知道自己邻近节点的位置和标识，传感器网络通过相邻节点之间的相互协作来进行信号处理和通信，具有很强的协作性。5)传感器网络的拓扑结构变化快 传感器网络自身的特点使得传感器网络的拓扑结构变化很快，这对网络各种算法的有效性提出了挑战。此外，如果节点具备移动能力，也有可能带来网络的拓扑变化。2.1.62.1.6 无线传感网络的行业应用无线传感网络的行业应用 无线传感网络具有无需固定设备支撑的特点，可以快速部署同时具有易于组网、不受

40、有线网络的约束，使其适合应用于难以使用传统有线通信机制的恶劣环境，比如一些危险的工业环境如煤矿、核电厂等，工作人员可以通过它来实施实时、高效的安全监测；同时无线传感器可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏，因此可以被应用于水资源、大气等环境检测；随着无线终端设备的广泛使用，无线传感网络利用无线通信技术高效的进行异构传感网络互连，数据处理和融合，可被广泛的应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车问和仓库管理，以及机场、大型工业园区的安全监测等领域。下面就几个主要的应用方面进行详细说明：军事领域：军事领域：14 因为传感器网络

41、是由密集型、低成本、随机分布的节点组成的，自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃。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。在军事应用中，与独立的卫星和地面雷达系统相比，传感器网络具有高信噪比、强抗毁性和高容错力等优点。环境监测：环境监测：随着人们对环境的日益关注，环境科学所涉及的范围越来越广泛。通过传统的方式采集原始数据是一件很困难的工作，无线传感器网络为野外随机性的数据获取提供了方便。比如，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。ALERT 系统中就有数种传感器来监测降雨

42、量、河水水位和土壤水分，并依此预测爆发山洪的可能性。类似地，无线传感器网络对森林火灾准确、及时地预报也应该是有帮助的。此外，无线传感器网络也可以应用在精细农业中，以监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。智能家居智能家居：家居无线监控问题是当今国际建筑智能化领域的前沿性研究课题。无线传感网络的出现克服了家庭中布线的烦琐，充分体现了智能家居系统的灵活、方便和高效。利用无线传感网络的远程监控系统可完成对家电的远程遥控，可以在到家前就打开空调，开门就可以享受适宜的室温，也可以遥控电饭锅、微波炉、电冰箱、电话机、电视机、录像机、电脑等家电，按照自己的意愿完成相应的煮饭、烧菜、查收电话留言、选择录

43、制电视和电台节目以及下载网上资料到电脑中等工作。另外，整个家居监控系统还能够对三表（水表、电表、燃气表）进行无线抄表，最重要的是它可监测来自家庭安防传感器（火警、煤气泄露）的数据，以备物业等部门监控。医疗护理医疗护理：无线传感网络在区疗研究、护理领域也可以大展身手。罗彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房问，使用微尘来测量居住者的重要征兆（血、压、脉搏和呼吸）、睡觉姿势以及每天 24 小时的活动状况。英特尔公司也推出了无线传感网络的家庭护理技术。该系统利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便的接受护理。空间探测应用空间探测应用：通过向人类现在还无法到达或无法长期工作

44、的太空外的其他天体上设置传感器网络接点的方法，可以实现对其长时间的监测。通过这些传感器网发回的信息进行分析，可以知道这些天体的具体情况，为了更好的了解、利用它们提供一个有效的手段。NASA 的空间探测设想，可以通过传感器网络探测、监视外星球表面情况，为人类登入做准备，它通过火箭、太空舱或探路者进行散播。其他应用其他应用：在煤矿应用中，将围绕在煤矿环境中的特定条件，结合无线传感网络在井下应用的特性，15 研究基于无线传感网络技术的低成本、分布式煤矿安全监测网络系统关键技术。该系统具有自组织、多跳式通信组网功能和在布网组网中的高度灵活性，可望解决井下无线通信距离有限这一瓶颈。同时，在核电厂、长距离

45、的输送管线和工业流水生产线等场合也需要用到类似的监测网络。相信随着无线传感网络技术的进一步深入发展，它也会得到越来越广泛的应用。无线传感网络应用简介无线传感网络应用简介 无线传感器网络无线传感器网络 pptppt 介绍介绍 2.2 2.2 802.15.4/802.15.4/Z ZigigB Beeee 介绍介绍 2.2.1 2.2.1 802.15.4802.15.4 (1)(1)802.15.4802.15.4简介简介 802.15.4,即IEEE用于低速无线个人域网(LR-WPAN)的物理层和媒体接入控制层规范。该协议能支持消耗功率最少，一般在个人活动空间(10 m直径或更小)工作的简单

46、器件。支持两种网络拓扑，即单跳星状或当通信线路超过10 m时的多跳对等拓扑。但是对等拓扑的逻辑结构由网络层定义。LR-WPAN中的器件既可以使用64位IEEE地址，也可以使用在关联过程中指配的16位短地址。一个802.15.4网可以容纳最多216个器件。(2)(2)802.15.4802.15.4协议的主要特点协议的主要特点 工作频段和数据速率工作频段和数据速率：802.15.4 工作在工业科学医疗(ISM)频段，它定义了两个物理层，即 2.4 GHz 频段和 868/915 MHz 频段物理层。免许可证的 2.4 GHz ISM 频段全世界都有，而 868 MHz和 915 MHz 的 IS

47、M 频段分别只在欧洲和北美有。在 802.15.4 中，总共分配了 27 个具有三种速率的信道:在 2.4 GHz 频段有 16 个速率为 250 kbit/s(或 62.5 ksymbol/s)的信道，在 915 MHz 频段有 10 个 40 kbit/s(或 40 ksymbol/s)的信道，在 868 MHz频段有 1 个 20 kbit/s(或 20 ksymbol/s)的信道。ISM 频段全球都有的特点不仅免除了 802.15.4 器件的频率许可要求，而且还给许多公司提供了开发可以工作在世界任何地方的标准化产品的难得机会。这将减少投资者的风险，与专门解决方案相比可以明显降低产品成本

48、。在保持简单性的同时，802.15.4 还试图提供设计上的灵活性。一个 802.15.4 网可以根据可用性、拥挤状况和数据速率在 27 个信道中选择一个工作信道。从能量和成本效率来看，不同的数据速率能为不同的应用提供较好的选择。例如，16 对于有些计算机外围设备与互动式玩具，可能需要 250 kbit/s，而对于其他许多应用，如各种传感器、智能标记和家用电器等，20 kbit/s 这样的低速率就能满足要求。支持简单器件支持简单器件：802.15.4 低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜支持简单器件。在802.15.4 中定义了 14 个物理层基本参数和 35 个媒体接入控制层基本参数，

49、总共为49 个，仅为蓝牙的三分之一。这使它非常适用于存储能力和计算能力有限的简单器件。在 802.15.4 中定义了两种器件:全功能器件(FFD)和简化功能器件(RFD)。对全功能器件，要求它支持所有的 49 个基本参数。而对简化功能器件，在最小配置时只要求它支持 38 个基本参数。一个全功能器件可以与简化功能器件和其他全功能器件通话，可以按三种方式工作，即用作个人域网协调器、协调器或器件。而简化功能器件只能与全功能器件通话，仅用于非常简单的应用。信标方式和超帧结构信标方式和超帧结构：802.15.4 网可以工作于信标使能方式或非信标使能方式。在信标使能方式中，协调器定期广播信标，以达到相关器

50、件同步及其他目的。在非信标使能方式中，协调器不定期地广播信标，而是在器件请求信标时向它单播信标。在信标使能方式中使用超帧结构，超帧结构的格式由协调器来定义，一般包括工作部分和任选的不工作部分。数据传输和低功耗数据传输和低功耗：在 802.15.4 中，有三种不同的数据转移:从器件到协调器;从协调器到器件;在对等网络中从一方到另一方。为了突出低功耗的特点，把数据传输分为以下三种方式:直接数据传输:这适用于以上所有三种数据转移。采用无槽载波检测多址与碰撞避免(CSMA-CA)或开槽 CSMA-CA 的数据传输方法，视使用非信标使能方式还是信标使能方式而定。间接数据传输:这仅适用于从协调器到器件的数