无线传感器网络（一）基于无锚节点的WSN系统设计

一、简介

        节点定位是WSN的重要支撑技术之一。无锚节点定位具有使用方便，应用范围广，可适应恶劣环境等特点。我们以战场侦察为背景，将基于无锚节点定位的WSN应用于战场情报收集，设计基于无锚节点的WSN系统。

       我们讨论的主要内容有：

1）通过对当前WSN的相关技术进行分析比较，设计系统方案。无线组网，节点定位，时间同步，能量管理等是WSN完成任务的关键，通过对这些技术进行分析比较，选取合适的技术方案

2）将UWB高精度测距技术应用于节点定位（ultra wide band,超宽带，是一种无线载波通信技术，利用纳秒级的非正弦窄脉冲传输数据，所占的频谱范围很宽；UWB系统复杂度低，发射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏感，截获能力强，定位精度高等优点，适用于室内等密集场所的高速无线接入）。

3）分析AHLos(Ad Hoc locali zation system)算法，在其基础上进行改进。AHLos算法通过原子式多边算法，协作式多边算法和迭代式多边算法实现系统定位 。

   （1）原子式多边算法：当带定位节点相邻的信标节点数为3或3个以上是，使用最大似然估计法，这里的信标节点数是指WSN部署完毕后初始的情况，即还没有执行过定位算法之前的情况，只要执行了定位算法，一部分待定节点就看转化成了信标节点

   （2）迭代式多边算法：当待定节点相邻的信标节点个数小于3时，与之相邻的信标节点通过广播自身的位置信息并被待定节点接受，经过这些信息运算处理后，确定自身的位置，也成为信标节点，当未知节点的相邻信标节点的数量达到3个或3个以上时，使用最大似然估计法完成未知节点的定位计算

   （3）协作式多边算法：经过多次迭代定位后，待定位节点的邻居节点数量仍然不足3个，此时要依托多跳的局部信息来计算自身位置

AHLos通过以上三种算法实现系统定位，但是定位精度受测距误差影响较大，且需要较多的锚节点。针对以上缺点，设计基于AHLos的无锚节点定位算法，通过设置参考节点建立本地坐标系，采用卡尔曼滤波，牛顿迭代法以及最大似然估计法来实现节点高精度定位，建立盲区坐标系统来拓展协作式多边定位算法的应用范围

4）针对ZigBee执行的基于AODV按需路由在进行多跳路由时存在路径查找时间长和延时不稳定的缺点，设计环形路由，该路由算法能够使中心节点无需路径查找即可与任意节点相互通信；

5）设计节点时间同步和备份通信路由

6）实用MSP430作为主控芯片，CC2530射频芯片作为无线通信平台，采用UWB测距模和备份通信模块完成系统硬件设计

MSP430系列单片机是一种16位超低功耗，具有精简指令集RISC的混合信号处理器，混合信号处理器，是针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路，数字电路模块和处理器集成在一个芯片上，以提供“单片机”解决方案。该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。

CC2530芯片是片上系统SoC，它能够以非常低的总材料成本建立强大的网络节点

二、绪论

        WSN是以无线通信技术，无线网络技术，片上系统，传感器等技术为核心，推动了WSN从原始意义上的信息采集和处理向小型化，智能化，集成化，网络化方向发展，实现了数据采集，数据处理，数据传输功能。WSN，计算机技术，通信技术共同构成信息技术。

       WSN是有大量传感器节点，通过自组织的形式将各个节点收集到的信息汇集在一起，并传递给用户，WSN扩展了人与自然进行远程交互的能力，将人类与现实世界紧密的联系到了一起，在不需要人类的参与下，WSN实现对自然界信息的获取，极大的扩展了人与自然交互的方式。如：将带有各类传感器的WSN节点部署到火星，不需要人工登录就可以大规模检测火星温湿度，电磁，土壤成分等；将带有温湿度，PM2.5的WSN布置在城市周边在极少人的参与情况下，为人们提供与健康密切相关的环境参数，给人们生活带来便利。WSN具有廉价，体积小，可扩展性强，低功耗，可快速部署及可适应恶劣环境等特性。可应用于智能家居，国防，监测，医疗等各个领域。典型的工作方式是使用飞行器将大量WSN节点部署到目标区域，被抛洒的传感器节点利用网络的自组织特性快速组成一个无线网络，节点获取周边的声音，光电，震动，移动物体的速度和方向等信息，这些信息经网络进行数据处理，并传递给sink节点。sink节点再通过无线或者有线等通信方式，将收集到的信息传递给后台服务器供人员参考。这种方式不需要人的参与即可完成对目标区域信息的快速获取，可用于人类不宜到达的恶劣环境，保证人类的安全。

      WSN研究领域包括WSN网络，节点定位，路由算法，时间同步，能量管理等多个方面。节点定位是指利用网咯的连通性或节点间距离和角度等信息，确定WSN中传感器节点的绝对地理位置或相对地理位置，通过定位技术获得的节点位置信息在信号采集处理过程中有很重要的作用。首先，采集的信息只有与位置结合在一起才有实际的意义；将节点的位置用于路由协议，时间同步等算法，可以改善通信质量，避免不必要的消息转发和降低网络能量消耗的目的。

      无锚节点定位技术主要利用网络的连通性或节点间距离角度信息，不需要GPS或人工标定节点就可以实现网络局部坐标系下的定位。常见的算法有KPS，ABC，AFL和SPA等算法。

      SPA算法采用TOA测距算法，定位过程中包括建立和整合全局坐标系两个阶段；    

      聚类SPA算法选用通过分簇及坐标转换，降低了通信计算开销，但在节点密度低的情况下存在无法定位的节点；

 三、国内外研究现状

       WSN是继互联网之后的全球第二大网络，对人类产生了深远的影响，曾被评为十大兴新技术之首。2001年美国国防部高级研究计划部署将WSN作为了优先级最高的研究计划， 并在各高校和研究机构展开研究。欧盟提出了EYES计划，2006年我国将智能感知和自组网技术确定为信息技术的前沿方向。

        2014年，印度IM等人设计了一种无锚节点定位系统，每个节点配备测距和测角能力，能够自主测量相邻节点的距离和方位，各节点的位置计算不需要两个或更多的相邻节点，甚至可以用单个邻居来实现。

       2016年，首尔大学JG等人提出一种无锚节点室内定位技术，该技术基于加权子图匹配算法，将节点已获得的RSSI值与预先调查的数据进行对比，并根据节点的速度，利用递归滤波的方法来确定节点的预期位置区域。

       2018年JK等人利用了无线信号的多路径效应来确定节点位置，通过节点间的相互协作实现了移动节点在室内的跟踪。

       2012年，重庆大学王圣超将无锚节点定位技术应用于战场伤员的定位，采用了五锚节点顺序多维定标定位算法确定士兵的位置，定位效果较好。

     2016年南京大学刘畅等人提出一种基于用户脚步感知的无锚节点定位系统，通过将带有加速度计和陀螺仪的传感器嵌入用户的鞋子，实现了对用户移动轨迹的实时测量。

四、系统总体设计

    根据应用场景余需求，系统设计主要从以下方面考虑：

    1）系统可靠性

    2）系统功能的扩展

    3）大规模与低功耗

    4）信息采集高效与节点可控

        为了完成信息采集和传递以及系统协调等工作，系统必须具备通信组网和节点定位等功能。此外，为了满足低功耗，系统可靠等特点，系统还必须具备时间同步，能量管理，备份通信与备份定位的能力。

         通信与组网技术是系统实现的基础，节点定位技术是在通信与组网技术的基础上，利用了网络连通性或节点间距离信息，来确定节点的绝对位置或相对位置，为传感器采集的数据提供了位置信息，提高了采集数据的利用价值。

        时间同步技术为网络提供了一个统一的时间标准，可以确定网络中事件发生的前后顺序及因果关系，方便网络管理。

        能量管理的设计目标是提高能量利用率，延长整个网络生存周期，解决传感器网络的能量约束问题。

        在系统工作过程中可能出现很多问题，如节点故障使工作中断，某些节点失去定位能力，因地形或通信距离等原因导致节点孤立等异常，为了使系统不因某一故障而停止运行，各个问题都要有合理有效的解决办法

        无线组网技术方案选择：

        目前可以实现组网的无线网络协议有wifi，蓝牙和ZigBee等。

 1）wifi

        wifi能够支持图像，语音和多媒体等多种数据传输，并且传输速率可以达到54Mb/s，在几百米的范围内能够让接入者接收到网络无线电信号。wifi技术的特点如下:

         传输范围广：wifi的电波覆盖半径可以达到100M,

         传输速度快：54Mb/s的最高传输速率，远超蓝牙和ZigBee的传输速度，WiFi的最高传输速率还在不断的提高，可以满足信息化发展的需求

         普及应用高：目前将wifi作为主流标准配置的移动电子设备越来越多，如：手机，平板电脑，MP4等

2）蓝牙

         蓝牙是指拥有蓝牙的两个设备之间进行的对称链接，两个设备采用最简单的配置进行链接。蓝牙4.0提出蓝牙低功耗技术，蓝牙mesh网络，随着这些技术的不断提出，蓝牙不再局限于设备间的对称连接，为低功耗，mesh网络设计开发提供了新的技术选择。蓝牙的特点如下：

        稳定性好：蓝牙采用的是24位的循环冗余校验CRC技术，来保证所有数据包在受到干扰时能达到最大稳定度

        安全度高：AES-128加密技术为数据封包提供高密度加密性及认证度

       设备连接数量少：蓝牙连接设备能力相比其他技术比较差，理论上分析其可连接8台设备，但是工程上一般只能达到6至7个设备

   随着M2M的发展，蓝牙因复杂度高，组网规模小的缺点逐渐暴露

3）ZigBee

           ZigBee 专门为M2M网络设计，主要适用于自动控制和远程控制领域

          它在复杂系统中具有一些显著的优势，提供低功耗操作并且可扩展性高，节点数量多，高安全性和鲁棒性。ZigBee是一个由最多可以是65000个无线模块联合构成的一个无线数传网络平台，提供128位AES加密，支持mesh网络，通信的方式选择为自组网技术。在WSN中，当某条通信链路中断，路由则会重新选择一条链路，从而保证信息的可靠传递，ZigBee的主要优势如下：

      地复杂性：Z协议的大小一般大小32KB，而蓝牙和wifi协议的大小一般都超过了100KB

      低功耗：低功耗是ZigBee的最大特点之一，其功耗一般为5mA，wifi功耗为10-50mA ,蓝牙介于两者之间

      组网能力强：ZigBee最多可以包含65000个节点，单个节点最多可以与254个设备相连接，支持星型网络，树型结构，网状结构

       安全，可靠：引入 CSMA-CA 机制，减少了网络中消息碰撞的几率；为避免竞争，节点还可以单独申请一个信道，保证了信息的可靠传输；采用了传递反馈机制，发送节点会收到目标节点的反馈信息，从而保证数据能够正确传输