无线传感器定位系统的软件界面实现

摘要 作为一种新型的信息获取技术，无线传感器网络在灾难预警与救援、工业设备控制与管理、危险区域远程控制等多个领域都具有较大的实用价值。但在一些情况，如火灾监测报警，管道泄漏点定位等，采集的传感数据必须结合其位置信息才具有实际利用价值，因而，节点定位成为无线传感器网络某些实际应用的基础。 ZigBee是一种基于IEEE 802.15.4标准的短距离无线通信技术，根据其低速率、低功耗的技术特点，ZigBee技术主要适合于数据吞吐量较小、设备比较分散的工业控制、仪表自动化等方面的应用。 关键字：无线传感器网络；ZigBee；VC++ 课题研究背景和意义 无线传感器[1]网络可以实现区域监测、信息采集、分布式处理、信息融合和数据传输等功能，能够代替人类对危险环境或人类无法到达的环境进行监测。作为一种新型的数据采集技术，无线传感器网络在军事、工业控制、环境监测、医疗救助等领域都有广泛的应用前景。各种应用中，节点定位算法是一个至关重要的问题。采集数据的节点位置是其它实际应用的基础。在环境检测、目标跟踪等应用中如果不知道采集点的位置，那么所采集的数据将是毫无意义的。再者，定位技术是无线传感器网络的关键技术，同时也是一个技术难点。 无线传感器网络[2]中，节点数量往往成百上千，并且大多数节点都是随机分布的，而应用环境经常是那些人类难以进入或管理的区域，因此很难预先布置好每个节点的位置，同时，为了尽可能地降低成本，每个节点的处理器性能、存储器容量、无线收发器的通信距离以及电池能量都是极其有限的，也要求定位技术尽可能地降低计算复杂度和节点间的通信开销，以降低功耗，延长整个网络的生命周期。另外，由于没有基础设施的协助，各种协议和算法应该采用分布式计算方式，这对定位技术又提出了更高的要求。因此，研究有效的定位算法一方面能够提高无线传感器网络的性能，另一方面也能降低成本，有利于无线传感器网络的大规模应用。 1.2无线传感器网络概述 无线传感器网络(Wireless sensor network)[3]是普适计算技术、嵌入式技术、传感器技术和无线通信技术等多个技术领域相结合的产物，是感知客观世界的一种新技术手段。最先开始无线传感器网络研究的是美国在1978年成立的分布式传感器网络研究小组，其研究成果大多数用于军事装备。此后，美国相继启动了WINS、Smart Dust、WEBS、SCADDS等研究计划，在这一时期，无线传感器网络在节点集成化和小型化、网络动态组织、信息分布式处理和管理等方面得到了极大的发展，一些典型应用模式逐渐走向实用。我国无线传感器网及其应用研究几乎与发达国家同步启动。2001年中科院依托上海微系统所成立微系统与信息技术研究发展中心，建立传感网络系统研究平台，2004年部分成果已在实际工程系统中使用；与此同时，国内许多高校科研单位及企业也开始了无线传感器网络的研究。 无线传感器网络[4]由大量随机撒播的传感器节点组成，各个节点通过传感器来实现与周围环境的交互。各传感器网络节点之间采用无线通信方式，并按照一定的组网算法构成网络，然后根据相关的路由算法选择合适的路径，将节点获取的各种信息转发给观察者。与常规网络相比，无线传感器网络[5]以环境信息的感知获取、发送、接收和处理为中心，所有的功能均围绕客观环境数据进行，不同的应用环境中，使用不同类型或多种类型的传感器节点，通过节点间的协助来满足各种应用的需要。无线传感器网络是一种分布式传感技术，它扩展了人类获取和处理环境信息的能力，具有广阔的应用前景，在灾难预警与救援、工业设备控制与管理、精细农业、物流运输、生物多样性监测等多个领域都具有很大的实用价值，被称为二十一世纪全球高技术领域的四大支柱型产业之一。 不同的应用环境对传感器节点[6]的选择设计具有不同的要求，传感器节点的结构也不尽相同，一般主要考虑节点的尺寸、成本和功耗等。在某些特殊情况中，要求节点尺寸小于1立方厘米，有时甚至缩减到一粒谷物颗粒。在实际应用中，应对节点外形、成本及功耗进行折中考虑。传感器节点作为一种微型嵌入式系统，构成了无线传感器网络的基础层支撑平台。尽管应用环境要求存在差异，但是传感器节点一般主要包括五个组成部分：控制器、储存器、传感器或执行器、无线收发器和能量供应单元。 控制器处理节点相关数据，执行通信协议代码，对数据的发送/接收、时间同步、设备能量等进行控制管理，一般采用微控制器MCU或数字信号处理器DSP。对于存储器，一般可以根据具体应用情况采用电可擦除可编程只读存取器EEPROM或者闪存Flash。可用于无线传感器网络通信的传输媒介一般有射频、光和超声波等，其中射频通信能满足无线传感器网络[7]的大部分应用要求。传感器部分可以根据实际应用进行选择。电源模块是传感器节点的关键部分，一般采用电池供电。由于漏电的原因，一般的碱性电池、镍电池的使用寿命不超过5年。太阳能电池可以从节点外部获取能量，补充消耗的能量，成为目前节点电源研究的热点。无线传感器网络的工作环境通常比较恶劣，节点数量大，而且在使用过程中，不能及时给电池充电或更换电池，因此，在进行无线传感器网络设计的时候应充分考虑传感器节点的低功耗问题和数据传输的实时性问题。 目前，无线传感器网络中使用较广泛的无线通信技术包括红外数据传输(IrDA)、“蓝牙(Bluetooth)” 、无线局域网802.11（Wi-Fi）等，同时还有一些新兴的无线技术标准，如超宽频(Ultra-Wide-Band)、ZigBee、RFID、无线1394等，都具有各自立足的特点，但均无法完美地满足所有应用场景的需求。 1993年，由HP、COMPAQ、INTEL等二十多家公司成立红外数据协会(Infrared Data-Association)，制定统一的红外数据通信的标准。起初，IrDA无线设备仅能在1m范围内以115.2kb/s速率传输数据，现在已经发展到4Mb/s以及16Mb/s的速率。IrDA技术的主要优点是实现相对简单，成本低廉，通信设备体积小、功耗低、连接方便，目前软硬件技术都很成熟，在小型移动设备，如PDA、手机上广泛使用；不足之处在于它是一种视距传输，易受遮挡，收发装置的光路夹角一般在30度内，常用通信距离只有1～3m。 “蓝牙”技术开始于1994年，1998年由Ericsson、IBM、Intel、NOKIA、Toshiba等公司推出“蓝牙(Bluetooth)”无线通信技术标准。它是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，“蓝牙”设备能够非常方便地实现快速、安全、灵活的数据和话音通信，其工作频段为2.4GHz ISM频段，可以在10m的传输距离实现1Mbps的传输速率；但是“蓝牙”技术较为复杂、系统费用昂贵、抗干扰能力不强，因此，“蓝牙”目前的应用还是有限的。 ZigBee技术[8]是一种新兴的短距离无线通信技术，2002年下半年，Invensys、 Mitsubishi、Motorola、Philips半导体公司共同宣布加盟ZigBee联盟，以研发ZigBee无线通信标准。可以说，ZigBee是Bluetooth的同族兄弟，使用2.4GHz ISM频段，采用跳频技术；但是ZigBee更简单、速率更慢、功率及费用也更低，在低功耗待机状态下，两节普通5号干电池可使用6个月～2年；一般从休眠转入工作状态只需要15ms，接入网络只需30ms；20～250kbit/s的较低速率，有效覆盖范围为10～100 m。与Bluetooth相比，ZigBee主要用于数据流量较小的场合，能够更好地支持消费电子、工业监控、仪器和家庭自动化应用。 1.3 课题主要内容 论文的主要研究内容包括以下几个部分： （1）概括地介绍无线传感网络定位的研究现状，对几种常见的测距技术进行比较分析。 （2）从技术的起源与发展、协议栈的结构特点等方面对ZigBee技术进行简析，并介绍其在工业领域的应用情况。 （3）对RSSI/LQI测距的理论模型进行分析，介绍了路径损耗模型并分析了影响因素。 （4）运用VC++对进行了界面设计，并进行了实验验证。