TOA测距原理的过程示例
• 在基于TDoA的定位机制中，发 射节点同时发射两种不同传播 速度的无线信号，接收节点根 据两种信号到达的时间差以及 这两种信号的传播速度，计算 两个节点之间的距离。
•
发射节点同时发射无线射 频信号和超声波信号，接收节 点记录下这两种信号的到达时 间T1、T2，已知无线射频信号 和超声波的传播速度为c1、c2, 那么两点之间的距离为(T2T1)*S，其中S=c1*c2/(c1-c2)。
无线传感器网络定位技术
定位技术的概括
无线传感器网络的定位机制作为无线传感器网 络中的主要技术之一，在应用中具有非常重要的作 用。无线传感器网络中的定位机制包括节点自身定 位和外部目标定位两部分内容。 常见的定位技术如GPS是目前应用最广的、最成 熟的定位系统，通过卫星的授时和测距来对用户节 点进行定位，具有较高的定位精度，实时性较好， 抗干扰能力强。但是，使用GPS技术定位只适合于 视距通信的场合，如室外无遮挡的环境，用户节点 通常能耗高、体积大且成本较高，还需固定的基础 设施等。目前，无线传感器网络的定位很多，各种 方法也不断涌现。一个定位系统的实现主要考虑两 点：定位机制的物理特性和相应的算法。
• 采用低功耗的无线射频芯片CC2430和瓦斯 传感器相连接，该芯片结合一个高性能的 2．4GHz射频收发器核心和一颗工业级小巧 高效的8051控制器，满足以ZigBee为基础的 2．4GHz波段应用。
• CC2430内部已集成包括定时器、数模转换 电路、存储器及RSSI指示器等必要电路，只 需要较少的外围电路就可以运行。经过试 验验证，该瓦斯报警电路能在空气中瓦斯 浓度超过0．3％时准确报警，完全达到矿 井瓦斯报警要求。节点硬件结构如图2所示。
定位技术性能的要求
• 定位精度：指定位系统提供的位置信息的精确程度。 如，在基于距离定位的算法中，可以用定位坐标与 实际坐标的距离来对比；在非距离定位的算法中， 可以用误差值和节点通信半径的比例来表示 • 代价：主要包括时间代价、资金代价、硬件代价等 • 规模：不同的定位算法使用的应用场合范围和规模 也不同。大规模的定位算法可以在大范围的场合使 用，如森林或城市：中等规模算法可在大型商场、 小区和学校内进行定位应用；小规模的定位算法只 能在一栋楼内或者一个房间内实现定位应用
功耗
低功耗（接收 27mA，发送27mA） 休眠电流0.5μA @PM2 0.3μA@PM3 可快速唤醒
外设
CSMA/CA 硬件支持 信号强度自动生成 电源、温度管理 12位ADC 128位AES加密处理 两个全功能串口 21 个 I/O
应用
IEEE802.15.4系统设计 ZigBee系统设计 家居自动化 工业控制 低功耗传感器网络（WSN） 消费电子 PC外设
• 刷新速度：指提供位置信息的频率，如GPS 每 秒钟刷新1次 • 鲁棒性：在理想的实验室环境内，大部分定位 算法误差性比较小。但是在实际应用场合，有 许多干扰因素影响测量结果。比如，障碍物引 起的非视距(NLOS)，大气中存在严重的多径传 播，部分传感器节点电能耗尽，节点间通信阻 塞等问题容易造成定位误差突发性增大，甚至 造成整个定位系统的瘫痪。因此，传感器网络 定位算法必须具有很强的鲁棒性，减小各种误 差的影响，以提高定位精度和可靠性。
到达角（AOA）
该方法通过配备特殊天线来估测其它节点发射 的无线信号的到达角度。接收节点通过天线阵列或 多个超声波接收机感知发射节点信号的到达方向， 计算接收节点和发射节点之间的相对方位或角度， 再通过三角测量法计算出节点的位置 ；
2.基于无需测距的定位技术
该技术不用对距离进行测量，而是利用网络连 通度、网络拓扑结构等信息对节点坐标进行估计， 其多为理论上的研究，定位精度较低且与网络的连 通度和节点的密度相关。其使用范围有一定的局限 性。 1、质心算法 一种完全基于网络连通度的定位算法，以待定 位节点通信范围内的所有信标节点作为其质心来估 算位置 1 n 1 n x , y ( X i , Yi ) n i 1 n i 1
其中 为待定位节点的坐标，n、（Xi，Yi）为信标节点的 个数和坐标
2、DV-Hop算法
DV-Hop算法基本过程就是将未知节点到锚节点间的 距离用网络节点平均每跳距离和到锚节点间的跳数乘机 来估计，再用三边定位法来得未知节点的位置信息。 平均每跳的距离公式为：
• 已知锚点L1与L2、L3之 间的距离和跳数。L2计 算得到校正值（即平均 每跳距离）为（40+75） /（2+5）=16.42m。假 设传感器网络中的待定 位节点A从L2获得校正 值，则它与3个锚点之 间的距离分别是 L1=3×16.42， L2=2×16.42， L3=3×16.42，然后使 用多边测量法确定节点 的位置。
0 -10 -20 -30
RSSI(dBm)
-40 -50 -60 -70 -80 -90 -100
0
10
20
30
40 50 60 距 离 （ m）
70
80
90
100
无线信号接收指示与信号传播距离之间的关系
信号传播时间/时间差（TOA/TDOA） • 这类方法通过测量传输时间来估算两节点 之间的距离，精度较好。 • TOA机制是已知信号的传播速度，根据信号 的传播时间来计算节点之间的距离
基于无线传感器网络的瓦斯监测定 位技术
• 研究意义
目前煤矿普遍采用的安全系统以工业总线为基础，构 成有线的通信传输网络。但煤矿井下地质、环境条件复杂， 铺设电缆在某些区域及其困难，易被损坏且难以维护。无 线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的微型传感器 节点组成，具有自组织性，无线传感器节点由于其具有体 积小、功耗低及无需维护等优势可满足对矿井实时监控的 需要。煤矿井下瓦斯浓度的监测是安全监测系统必不可少 的功能，可以将瓦斯传感器与无线传感器网络节点连接， 随机部署在井下环境中进行监测。瓦斯浓度的监测是建立 在位置信息的基础上，缺乏位置信息监测就毫无意义，因 此在瓦斯监测系统中对瓦斯浓度较高的地点进行定位是十 分重要的。ZigBee技术具有低功耗、低成本、网络容量大、 自组织及可靠性高等优点，针对矿井下瓦斯监测定位问题 设计出支持ZigBee技术的CC2430模块的瓦斯监测定位方法。
WSN定位技术的分类
目前无线传感器网络的节点定位技术主 要分为： 1）与距离相关 2）集中式与分 布式 3）相对定位与绝对定位 4）紧耦合与 松耦合式。其中最常见的分类方法是与距 离相关。其分为基于测距的定位技术和无 需测距的定位技术。
1.基于测距（Range-based）的定位技术
• 基本思想：先测量锚节点和未知节点之间的距离， 然后再利用几何关系来估算未知节点的坐标位置。 • 三个阶段 —测距阶段：未知节点首先测量到邻居节点的距离 或角度，然后进一步计算到邻近信标节点的距离 或方位； —定位阶段：未知节点在计算出到达三个或三个以 上信标节点的距离或角度后，利用三边测量法、 三角测量法或极大似然估计法计算未知节点的坐 标； —正阶段：对求得的节点的坐标进行求精，提高定 位精度，减少误差；
ZigBee技术
• ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于 CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移 动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、 几公里，并且支持无限扩展。 • 每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对 象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集 和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来 的数据资料。除此之外，每一个ZigBee网络节 点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内，和多个 不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD) 无线连接。
• 常见的基于测距的定位技术可以分为以下 三类： 1）基于接收信号强度指示（RSSI）的定 位算法 2）基于信号传播时间/时间差 （TOA/TDOA）的定位算法 3）基于到达角（AOA）的定位算法
基于RSSI的定位算法，是已知发射节点的发 射信号强度，根据接收节点收到的信号强度， 计算出信号的传播损耗，将传播损耗转化为距 离，最后计算节点的位置。
ZigBee模块
• 尺寸：
33.02×㎜26.80㎜×18.00㎜
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工作电压：2.0V-3.6V 工作频率：2400M-2483.5M 芯片闪存：128K 芯片RAM：8K 接收灵敏度：-101dB 最大发射功率：0dBm 传输速率：≦250K 休眠功耗：约2uA 发射接收功耗：约30mA
L2
m 40
75 m
L3 L1 A
100 m
WSN定位技术的应用
除用来提供监测区域内节点的位置信息外，无线传感器 网络定位技术还具有下列应用 1)定向信息查询 如果监测需要，可以对某一个监测区内的监测对象进行定位， 需要管理节点发送任务给这个区域内的传感器节点。 2)协助路由 通过节点的位置信息路由算法可以进行路由的选择。 3)目标跟踪 对目标的行动路线进行实时监测，并且预测目标的前进轨迹。 4)网络管理 使用定位技术可以实现网络管理，利用这些节点传送过来的 节点位置信息来构成网络的拓扑结构，可以对整个网络的覆 盖情况实时观察，并且也可以对节点分布情况进行管理。
节点通信设计
• 由于在矿井下都是长而复杂的巷道，LEACH分簇结 构可以应用在矿井巷道中¨1，延长网络生存时间。 节点工作状态分为建簇阶段和稳定工作阶段。在网 络初始化时，以一定算法选取簇头，为了节省簇头 能量，定期重新选择簇头。节点被选举为簇头之后 向邻居节点广播簇头信息，其他节点根据消息强度 来选择加入哪个簇。建簇完成之后，节点就进入稳 定工作状态，簇内节点将采集到的监测信息传输至 簇头节点，为了减少数据传输量，簇头节点可以对 簇内数据进行必要的数据融合，然后以多跳形式传 输给中继节点，再至地面监控中心。簇内节点可采 用睡眠／定时机制来节省能量。节点通信流程如图 3所示。
பைடு நூலகம்