发布时间 : 星期三 文章基于Arduino的无线传感器网络室内定位方法的研究 - 图文更新完毕开始阅读
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第一章 绪论
1.1 选题目的与意义
从21世纪初开始，物联网（Internet of Things）的概念和技术在全球得到高度重视。物联网是互联网的应用拓展，它通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，把传感器、控制器、机器、人和物等通过新的方式联系在一起，形成物与物、人与物联系，实现信息化、远程管理控制和智能化网络，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮[1]。国内外各大企业和高效开始将目光由传统的通信行业转向了物联网行业[2]，而与物联网密切关联，基于大量具有通信功能的微型传感器构成的无线传感器网络也成为了国内外关注的热点。
WSN是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域被感知对象的信息，并发送给观察者。随着微电子和微系统(Micro-Electro-Mechanism System，MEMS) 、片上系统（System on Chip，SOC）、无线通信以及低功耗嵌入式技术的快速发展，无线传感器网络（WSN）在军事应用、目标追踪、环境监测、医疗保健、空间探索等领域都得到广泛的应用，为信息感知带来了一场新变革，使得物与物、人与物、人与人之间，甚至人身的交互感知更方便[2]。
传感器节点是无线传感器网络（WSN）的基本单位，节点的位置信息是WSN应用的基础，不能确定位置信息的节点所得到的监测数据是没有任何意义的，因而节点定位技术在WSN中具有举足轻重的地位。
由美国国防部领导下的卫星导航联合计划局（JPO）主导研究的全球定位系统（Global Positioning System，GPS）是目前应用最广泛和成功的定位技术。GPS在许多嵌入式系统中被用于定位服务，如手机、导航系统或笔记本电脑等。虽然GPS能提供高精度的位置信息，但对于大多数的WSN应用并不适用。首先，现有的GPS部件非常昂贵。其次，GPS耗能高，将有可能对WSN生存期产生额外的约束。另外，WSN通常是静止的，定位协议可能只需要在网络初始化周期执行。因此，GPS可能不能实现有效的成本效益[3]。GPS主要应用于船舶、汽车、飞机等运动物体进行定位导航，只适合于在户外使用。在室内场合，由于建筑布局复杂、场景特定、再加上人员活动等不确定随机因素，存在着多径效应和非视距传输的影响，使得室内信道环境复杂，微波信号衰减厉害、测量误差大，GPS并不适用。而基于IEEE 802.11协议的无线局域网（Wireless Local Area Network，
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WLAN）的定位技术已经取得了巨大的研究成果，尤其是近年来基于多种简单定位机制和算法，技术相对简单，低成本、低功耗、自组织的WSN定位技术得到了科研人员的重视和大量研究，具有很好的应用前景。
图1-1列举了WSN的主要应用[3]。
无线传感器的网络应用 军事 智能微粒 螺旋侦察 狙击手侦测系统 环境 洪水、火山、森林火灾等监控 自然栖息地监控 医疗 人工视网膜 病人监护 应急响应 人体检查 药品管理 家庭 用水监控 火灾监控 安防 智能家居 工业 定期检修 结构健康侦测
图1-1 WSN的应用类别和举例
现代社会人们对生产生活中的安防和智能化的需求越来越高，精确的定位技术在许多室内场景的实用性和必要性已经日趋显著[4]。在一些公共场所，例如购物超市、展览厅、办公室、图书馆、地下停车场、监狱等，人们都需要精确的定位信息[2]。精确的室内定位信息能够实现高效的空间利用，为人们的生活带来了诸多便利。例如在医院进行医护人员与患者监控管理，药品和医疗设备管理。如果有病人发生意外，定位系统就可以确定患者位置并通知最近的医护人员，进行紧急处理；在图书馆布置带有温度和烟雾浓度的感知系统，如果发生火灾系统能够及时向监控中心报告火灾的具体位置；在超市，可以通过对消费情况的监控来对商品优化摆放，减少消费者寻找时间以及减轻拥堵情况[4]等等。因此，室内定位技术应用前景广阔，具有极大的研究价值和市场需求。
1.2 研究背景
1.2.1 国内外研究状况
无线传感器网络的研究最初起源于美国军方，其研究的项目包括CEC、REMBASS、TRSS、Sensor IT、WINS、Smart Dust、SeaWeb、μAMPS、NEST 等[5]。美国国防部远景计划研究局已经投资几千万美元，帮助无线传感器网络技术的研发。美国国家自然基金委员会（NSF）也开设了大量与其相关的项目，如：2003年制定了无线传感器网络研究计划，每年拨款3400万美元支持相关研究项
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目，并在加州大学洛杉矶分校成立了传感器网络研究中心；2005年对网络技术和系统的研究计划中，主要研究下一代高可靠、安全的可扩展的网络、可编程的无线及传感器系统的网络特性，资助金额达4000万美元。此外，美国交通部、能源部、美国国家航空航天局也相继启动了相关的研究项目。
美国所有著名的院校几乎都从事传感器网络相关技术的研究，如加州大学洛杉矶分校、康奈尔大学、麻省理工学院和加州伯克利分校等都先后开展了传感器网络方面的研究工作。加拿大、英国、德国、芬兰、日本和意大利等国家的研究机构都先后开始了无线传感器网络的研究。欧盟第6个框架计划将“信息社会技术”作为优先发展的领域之一，其中多处涉及对无线传感器网络的研究。日本总务省在2004年3月成立了“泛在传感器网络”调查研究会。韩国信息通信部制定了信息科技839战略，其中“3”是指IT产业的3大基础设施，即宽带融合网络、泛在传感器网络、下一代互联网协议。企业界中欧盟的Philips、Siemens、Ericsson、ZMD、France、Chipcon等公司，日本的NEC、OKI、Skyleynetworks、世康、欧姆龙等公司都开展了无线传感器网络的研究。
我国对无线传感器网络的研究起步较晚[6]，首次正式启动出现于1999年中国科学院《知识创新工程点领域方向研究》的“信息与自动化领域研究报告”中，无线传感器网络是该领域的五大重点项目之一。2001年，中国科学院依托上海微系统与信息技术研究所成立微系统研究与发展中心，旨在引领中国科学院无线传感器网络的相关工作。
在一份我国未来20年预见技术的调查报告中，信息领域157项技术课题中有7项与传感器网络直接相关[6]。2006年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术定义了三个前沿方向，其中两个与无线传感器网络的研究直接相关，即智能感知技术和自组织网络技术。我国2010年远景规划和“十五”计划中，就已经将无线传感器网络列为重点发展产业之一[2,7]。2012年教育部也将无线传感器网络纳入科研重点项目[7]。近年来，国家自然科学基金委员会对无线传感器网络相关的研究课题给予了大力资助，大量关于无线传感器网络的国家自然科学基金研究项目赫然在列。国家863高技术发展也设立了专项基金，以资助无线传感器网络技术的研究工作。
从20世纪90年代起，国内外许多高校和研究机构开始了室内定位技术的研究，也出现了一些成熟的室内定位系统。例如Active Badges[11]、Active Bats、Cricket[12]、RADAR[13]等。Active Badges与Active Bats定位系统都是由AT&T研发的。Active Badges定位系统采用红外通信技术来定位，但红外信号存在直线视距和传输距离较短等缺点，另外系统需要布置多个基站，这提高了系统的复杂度和维护成本，降低了系统的可扩展性。而Active Bats定位系统使用超声波（time of flight，TOF）技术来实现定位，相对于Active Badges定位系统其精度更高，可扩展性较好，且易于部署，但成本较高。由MIT提出的Cricket系统采
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用了超声波技术并根据TDOA（Time Difference Of Arrival）原理来实现定位，其定位精度高，但需要昂贵的硬件设备来支持，并且系统功耗大。RADAR系统是由Microsoft公司开发的，它是基于IEEE 802.11 WLAN的室内无线射频定位系统，采用经验测试和信号传播模型相结合的定位系统。RADAR系统易于安装，基站少，但定位系统必须处于无线局域网中，这样，在网络的规模和电源功能方面将是一大限制[2]。
1.2.2 室内定位技术
随着数据业务和多媒体业务的快速增加，人们对定位与导航的需求日益增大，尤其在复杂的室内环境，常常需要确定移动终端或其持有者、设施与物品在室内的位置信息。随着无线通信技术的发展，新型的室内定位技术，如红外射线技术（Infrared Ray，IR）、无线射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）、无线蓝牙技术（Wireless Bluetooth）、ZigBee、超宽带技术（Ultra Wideband，UWB）、超声波技术（Ultrasound）、WLAN/Wi-Fi、蜂窝系统移动定位技术（Cellular System）等。下图1-2是对定位技术的比较[2]。 Rural& Remote Scale Automation/control etc guiding，tracking routing，etc. GPS DGPS Wireless Assisted GPS WLAN Bluetooth DECT Zigbee Home positioning RSS TDOA TOA AOA GSM CDMA/3G Mobile cellular network Cell-ID TOA TDOA E-OTD RSS Wide RF signal-strength fingerprint Indoors UWB Proprietary microwave solutions AOA TDOA RTOF Outdoor Locally& Urban RF&IR RF&Ultrasonic hybrid methods Resolution 0.1meter 1meter 10meter 图1-2 室内定位技术 （一）红外射线技术（IR）[8] 红外线室内定位技术定位的原理是，红外线IR标识发射调制的红外射线,通过安装在室内的光学传感器接收进行定位。虽然红外线具有相对较高的室内定位精度，但是由于光线不能穿过障碍物，使得红外射线仅能视距传播。直线视距和传输距离较短这两大主要缺点使其室内定位的效果很差。当标识放在口袋里或者有墙壁及其他遮挡时就不能正常工作，需要在每个房间、走廊安装接收天线，造价较高。4