无线传感器网络节点自定位技术与无线传感器网络开发平台研究

摘要

无线传感器网络集成了传感器、嵌入式计算和无线通信等技术，能够协作地感知、采集和处理覆盖区域内的信息，并通过多跳白组织网络传送给观察者，从而将客观的物理世界与逻辑上的信息世界联系起来，极大地扩展了现有网络的功能和人们认识事物的能力。无线传感器网络的建立无需基础设施，快捷灵活，具有广泛而重要的应用前景，成为信息领域新的研究热点。 本文研究无线传感器网络节点白定位技术，并组建一个无线传感器网络开发平台。节点自定位是无线传感器网络关键技术之一，开发平台可用来对算法进行实际评估和验证。主要工作包括以下三个部分： 研究基于模拟退火的节点定位算法和基于演化策略的节点定位算法。这两种算法均属于基于智能算法的集中式节点定位算法。通过把节点定位看作是最优化问题，将模拟退火和演化策略应用到节点定位中，叙述算法的结构和步骤，讨论参数的取值。采用不同网络场景对算法进行大量仿真，分析仿真结果，得到它们的性能特点和适用性结论。 提出基于蚁群算法的集中式节点定位算法。首先对在节点定位中使用蚁群算法的可行性进行理论分析。通过将非锚节点的估计坐标离散化为有限的几种可能，把节点定位变为一系列组合优化过程。按照这一思路给出基于蚁群算法的节点定位算法(ASL)。ASL算法主要利用一个定时重启的蚁群算法驱动非锚=宵点的估计坐标不断向实际坐标靠近。讨论算法参数之间的关系和关键参数的取值。采用不同网络场景对算法进行大量仿真，对仿真结果进行分析，验证算法的可行性，得到它的性能特点以及部分网络参数的参考值，这些参考值有助于得到较高的定位精度，同时尽量减少网络的架设成本和能量损耗。 根据无线传感器网络科研开发的需要，组建一个灵活实用的无线传感器网络开发平台。通过对GAINZ软件开发包和TinyOS进行分析，选择TifiyOS作为开发平台的软件子系统。在对GAINZ节点和MICAz节点进行比较的基础上，对TinyOS底层驱动进行修改，使TinyOS能够在GAINZ节点上正确运行。原有的后台分析管理软件SNAMP的功能存在不足，本文对其进行扩展，增加了三个功能模块。将GAINZ节点硬件、修改后的TinyOS和功能扩展后的SNAMP软件组合成一个新的完全开源的无线传感器网络开发平台。根据科研和演示的需要，对TinyOS中通过组建树型网络来实现数据汇聚功能的Surge程序进行修改，使其组建的网络为鲁棒性更强、能耗更加平衡的网状网。在新组建的开发平台上运行修改后的Surge程序，验证开发平台的可用性。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1无线传感器网络概述

1.1.1无线传感器网络的历史和研究现状

1.1.2无线传感器网络的应用

1.1.3无线传感器网络的体系结构

1.1.4无线传感器网络的特点

1.2无线传感器网络开发平台软件子系统

1.2.1无线传感器网络的嵌入式操作系统

1.2.2无线传感器网络的通信协议

1.3无线传感器网络节点的自定位

1.3.1无线传感器网络节点定位算法的分类

1.3.2无线传感器网络节点定位场景和定位精度的描述

1.3.3 计算节点位置的基本数学方法

1.4本文的主要工作和内容安排

第二章基于智能算法的集中式节点定位

2.1集中式节点定位算法

2.2节点定位与智能算法

2.3基于模拟退火的节点定位

2.3.1模拟退火算法原理

2.3.2基于模拟退火的节点定位算法

2.4基于演化策略的节点定位

2.4.1演化策略算法原理

2.4.2基于演化策略的节点定位算法

2.5算法仿真与分析

2.6本章小结

第三章基于蚁群算法的节点定位

3.1蚁群算法的基本原理

3.2基于蚁群算法的节点定位算法

3.3算法仿真与分析

3.4本章小结

第四章无线传感器网络开发平台

4.1 WSN开发平台软件子系统

4.1.1 GAINZ软件开发包

4.1.2 TinyOS分析

4.1.3 WSN开发平台软件子系统的选择

4.2 WSN开发平台硬件子系统

4.2.1 GAINZ节点

4.2.2 MICAz节点与GAINZ节点的比较

4.3 WSN后台分析管理软件

4.3.1 SNAMP简介

4.3.2串口接收数据模拟模块

4.3.3接收数据帧保存模块

4.3.4接收数据帧解析显示模块

4.4结合GAINZ硬件、TinyOS和SNAMP的WSN开发平台

4.5本章小结

第五章总结与展望

参考文献

在读期间参与的科研项目和发表的论文

致谢