无线传感器网络的定位技术精品PPT课件
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无线传感器节点定位技术
智能家居
用于家庭安全监控、智能控制家电设备、智能照 明等领域，提高生活便利性和舒适度。
无线传感器节点定位技术的发展历程
初始阶段
20世纪90年代末期，无线传感器网络技术开始兴起，研究者开始探 索如何利用无线传感器网络进行定位。
发展阶段
进入21世纪，随着无线通信技术、嵌入式计算技术、微电子技术的 不断发展，无线传感器节点定位技术得到了快速发展和应用。
人工智能与机器学习在定位中的应用
总结词
人工智能和机器学习技术在无线传感器节点定位中具有 巨大的应用潜力。未来，这些技术将进一步提高定位精 度和稳定性，同时降低能耗。
详细描述
随着人工智能和机器学习技术的发展，这些技术将被广 泛应用于无线传感器节点定位中。例如，通过机器学习 算法对历史数据进行训练和学习，可以预测节点的位置 ，提高定位精度和稳定性。此外，利用人工智能技术还 可以实现自适应能耗管理，根据实际需求调整节点的功 耗，延长节点的工作时间。
无线传感器节点定位技术
汇报人： 日期:
目录
• 无线传感器节点定位技术概述 • 无线传感器节点定位技术的基
本原理 • 无线传感器节点定位技术的实
现方式
目录
• 无线传感器节点定位技术的挑 战与解决方案
• 无线传感器节点定位技术的未 来展望
01
无线传感器节点定位技术概述
定义与特点
定义
无线传感器节点定位技术是一种利用无线传感器网络中的节点相互协作，通过 接收和测量信号强度、时间差、相位差等参数，确定节点之间相对位置关系， 最终确定目标节点位置的方法。
基于到达角度的定位
总结词
通过测量无线信号到达节点的方向，利用几何关系确定发射源位置。
详细描述
用于家庭安全监控、智能控制家电设备、智能照 明等领域，提高生活便利性和舒适度。
无线传感器节点定位技术的发展历程
初始阶段
20世纪90年代末期，无线传感器网络技术开始兴起，研究者开始探 索如何利用无线传感器网络进行定位。
发展阶段
进入21世纪，随着无线通信技术、嵌入式计算技术、微电子技术的 不断发展，无线传感器节点定位技术得到了快速发展和应用。
人工智能与机器学习在定位中的应用
总结词
人工智能和机器学习技术在无线传感器节点定位中具有 巨大的应用潜力。未来，这些技术将进一步提高定位精 度和稳定性，同时降低能耗。
详细描述
随着人工智能和机器学习技术的发展，这些技术将被广 泛应用于无线传感器节点定位中。例如，通过机器学习 算法对历史数据进行训练和学习，可以预测节点的位置 ，提高定位精度和稳定性。此外，利用人工智能技术还 可以实现自适应能耗管理，根据实际需求调整节点的功 耗，延长节点的工作时间。
无线传感器节点定位技术
汇报人： 日期:
目录
• 无线传感器节点定位技术概述 • 无线传感器节点定位技术的基
本原理 • 无线传感器节点定位技术的实
现方式
目录
• 无线传感器节点定位技术的挑 战与解决方案
• 无线传感器节点定位技术的未 来展望
01
无线传感器节点定位技术概述
定义与特点
定义
无线传感器节点定位技术是一种利用无线传感器网络中的节点相互协作，通过 接收和测量信号强度、时间差、相位差等参数，确定节点之间相对位置关系， 最终确定目标节点位置的方法。
基于到达角度的定位
总结词
通过测量无线信号到达节点的方向，利用几何关系确定发射源位置。
详细描述
无线传感器网络原理及应用第4章定位技术ppt课件
(
x1
(
x1
x)2 x)2
( y1
(y2
y)2 y)2
ρ12 ρ22
(xn x)2 ( yn y)2 ρn2
(4-3)
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
X(ATA)1ATb
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
第4章 定位技术
4.1.2 定位算法分类 在传感器网络中，根据定位过程中是否测量实际节点间
的距离，把定位算法分为基于距离的(range-based)定位算法 和与距离无关的(range-free)定位算法，前者需要测量相邻节 点间的绝对距离或方位，并利用节点间的实际距离来计算未 知节点的位置；后者无需测量节点间的绝对距离或方位，而 是利用节点间估计的距离计算节点位置。
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
第4章 定位技术
4.1 定位技术简介
4.1.1 定位技术的概念、常见算法和分类 1. 无线传感器网络定位技术概念 在传感器网络节点定位技术中，根据节点是否已知自身
标为(x，y)。对于节点A、C和∠ADC，确定圆心为O1(xO1， yO1)、半径为r1的圆，，则
(xO1 x1)2 (yO1 y1)2 r1
(xO1 x2)2 (yO1 y2)2
r1
(x1
x3)2
(y1
无线传感网教学课件PPT
6.1.1 基本概念和算法
（3）极大似然估计法：已知很多节点D的 相邻节点坐标以及他们到节点D的距离或 方位，使用最小均方差估计方法得到节点 D的坐标。
6.1.2 定位算法分类
(1)根据定位过程中实际测量节点间的距离 和角度与否
通过测量节点间点到点的距离 或角度等信息进行位置估计； 基于测距的定位
6.1.1 基本概念和算法
3.计算节点位置的基本方法 （1）三边（多变）计算法：已知平面上（空间 上）三（多）点的位置A,B,C，以及D点到 A,B,C的距离, 利用几何方法可求得D点的坐标。
6.1.1 基本概念和算法
（2）三角（多角）计算法：已知平面（空 间）三（多）点的位置A,B,C,以及D点为 角顶点，角边的端点为A,B,C的角度，可 求出D点的坐标。
6.1 定位技术简介
当前对节点定位问题的研究一般都基于以 下前提: (1)有一定比例的节点位置己知或具有GPS 定位功能，这些节点的位置可作为 定位参考点; (2)节点具有与邻近节点通信的能力; (3)节点不具有自主移动能力。
6.1 定位技术简介
人工配置每个节点的位置信息
(1)传感器网络通常部属于人类不可达的区域 (2)人工配置大量节点的位置，既容易造成人为错误，又影 响网络 的快速部署，并且还违背传感器网络的自组织原则 全球定位系统 GPS (1)成本考虑：传感器节点要求造价低廉以便于大量生产和 部署，而 GPS 接收设备成本较高 (2)传感器节点通常依靠电池供电，能量供给有限，GPS 接收设备能耗过高 (3)GPS 设备只能适用于无遮挡的室外环境，而传感器节 点可能部署于复杂环境，使得 GPS 设备难以工作。
无须测距技术的定位
无须距离和角度信息，仅根据 网络连通性等信息即可实现。
《无线传感器网络》课件
能耗问题
总结词
无线传感器网络的能耗问题是制约其发展的 关键因素之一。
详细描述
由于无线传感器网络中的节点通常由电池供 电，而电池寿命有限，因此如何降低能耗， 延长节点寿命是亟待解决的问题。此外，在 某些应用场景中，频繁更换电池或充电会给
维护带来困难和成本增加。
标准化问题
总结词
无线传感器网络的标准化问题涉及到不同厂商和应用 的互操作性问题。
开发工具包括硬件开发工具和软件 开发工具，硬件开发工具用于开发 传感器节点硬件电路板，软件开发 工具用于编写、调试和测试应用程 序代码。
03
无线传感器网络的通信协议
MAC协议
信道分配
MAC协议负责无线信道的分配，确保节点 间的通信不会发生冲突。
能量效率
MAC协议应考虑能量效率，避免过多的空 闲监听和数据重传。
动态环境适应性
路由协议应能适应网络拓扑的变化和 节点的动态加入/离开。
能量感知协议
能量管理
能量感知协议旨在有效地管理节点的能量，延长网络的生命周期。
节能技术
采用诸如功率控制、休眠机制等节能技术来降低能耗。
负载均衡
通过均衡节点的负载来降低能耗，避免某些节点过早耗尽能量。
能量预测
利用历史数据预测节点的剩余能量，优化路由和任务分配。
06
无线传感器网络的挑战与展望
安全性问题
总结词
无线传感器网络面临多种安全威胁，如数据 窃取、恶意攻击、篡改等。
详细描述
由于无线传感器网络中的节点通常部署在无 人值守的环境中，因此容易受到攻击者的窃 听、干扰和恶意篡改。攻击者可能通过截获 节点间的通信数据，获取敏感信息，或者对 网络进行破坏，导致网络瘫痪或数据传输错 误。
无线传感器网络体系结构PPT课件
1.传感器节点 （1）数据采集模块 （2）处理控制模块 （3）无线通信模块 （4）能量供应模块 2. 汇聚节点 3.管理节点
第2章 无线传感器网络体系结构
.
6
2.2.2 无线传感器网络软件体系结构
第2章 无线传感器网络体系结构
无线传感器网络中间件和平台软件体系结构主要分为四个层次：网络适配 层、基础软件层、应用开发层和应用业务适配层。其中，网络适配层和基础 软件层组成无线传感器网络节点嵌入式软件(部署在无线传感器网络节点中) 的体系结构，应用开发层和基础软件层组成无线传感器网络应用支撑结构 (支持应用业务的开发与实现)。
第2章 无线传感器网络体系结构
2.1 体系结构概述
无线传感器网络包括4类基本实体对象：目标、观测节 点、传感节点和感知视场。另外，还需定义外部网络、远 程任务管理单元和用户来完成对整个系统的应用刻画，如 图2-1所示。
目标
外部网络 （UAV、卫星通信
网、互联网等）
远程任务管理
用户
数据传输或 信令交换
分布式网络服务接口
分布式网格 管理接口
应用层 传输层 网络层 数据链路层
安
Qos
路由
全 机
制
信道接入
拓扑生成
无线电
.
红外线
能
源
管
理
网
络
管
拓
理
扑
管
理
光波
9
无线传感网络结构
• 一、单跳网络
• 概念：为了向汇聚节点传送数据，各传感 器节点可以采用单跳方式将各自的数据直 接发送给汇聚节点，采用这种方式所形成 的网络结构 为单跳网络结构。
. 传感器节点
感知现场 1
《无线传感器网络简明教程(第二)》,教学幻灯片PPT课件解读
4.2.1 传感器网络节点定位问题
3、定位性能的评价指标 功耗
定位性能
覆盖范围
刷新速度
4.2.1 传感器网络节点定位问题
4、定位系统的设计要点
在设计定位系统的时候， 要根据预定的性能指标，在 众多方案之中选择能够满足
要求的最优算法，采取最适
宜的技术手段来完成定位系 统的实现。通常设计一个定位系统需要考虑两个主要 因素，即定位机制的物理特性和定位算法。
4.2.2 基于测距的定位技术
根据最小均方估计（Minimum Mean Square
Error, MMSE）的方法原理，可以求得解 ˆ (AT A)1 AT b x 为： ，当矩阵求逆不能计算时，这种方法不适
ˆ 用，否则可成功得到位置估计 。从上述过程可以看出， x
这种定位方法本质上就是最小二乘估计。
4.3.1 多传感器数据融合概述
数据融合的内容：
多传感器的 目标探测
情况评估和 预测
数据关联
跟踪与识别
4.3.2 传感器网络中数据融合的作用
数据融合的主要作用可归纳为以下几点：
(1) 提高信息的准确性和全面性。 (2) 降低信息的不确定性。 (3) 提高系统的可靠性。 (4) 增加系统的实时性。
[ xi - di , yi - di ][ xi di , yi di ]
4.2.2 基于测距的定位技术
在所有位置点
[ xi di , 中取最小值、所有 yi di ]
[max( xi di ), max( yi di )][min( xi di ), min( yi di )]
4.1.2 TPSN时间同步协议
1、TPSN协议的操作过程
第一个阶段生成层次结构
《无线传感器网络与物联网通信技术》教学课件 第3章 无线传感器网络支撑技术 3.4 定位技术
无线传感器网络与物联网通信技术
3.4 定位技术 利用到达时间（TOA）/到达时间差（TDOA）的测量
往返传播时间测量方式中，发送节点和接收节点对所属时钟域没有严格要求，通过 计算往返时间、扣除处理时延的方法估计节点间的距离，即
d (t3 t2 ) (t1 t0 ) v (t3 t0 ) (t2 t1) v
3.4 定位技术 定位性能指标
③ 能耗指标。无线传感器网络面临节点的能耗控制问题，一般来说，要求 定位算法具有较低的计算复杂度和较高的能耗效率。
④ 容错指标。无线传感器网络运行过程中可能会出现节点故障或无效的情 况，造成节点通信链路失去网络连接，因此，定位技术需要能够适应这种网络 的不确定性，在受到影响的情况下仍然能提供必要的定位服务。
3.4 定位技术 利用信号强度指示（RSSI）的测量
利用RSSI的测距是在已知发送节点的信号发送功率的条件下，接收节点根据接收到的信号 功率来计算的传播损耗，利用相应的信号传播衰减模型将功率损耗情况转化为距离参数。
根据无线传播过程中的自由空间信道模型（见2.2.3节），接收信号的功率与相隔距离的平 方成反比。那么，理论上，通过测量接收信号的功率，就能够反算出接收节点和发送节点之间 的距离。进一步，为更好地适用于应用场景，融合理论和经验统计，无线信号传播衰减的数学 模型可描述为
无线传感器网络与物联网通信技术
3.4 定位技术 定位基本术语
⑤ 到达时间（Time Of Arrival，TOA）。表征信号 从一个节点传播到另一个节 点所需要经历的时间。
⑦ 到达角度（Angle Of Arrival，AOA）。表征节点 接收到的信号相对于该节点 自身轴线的角度。
无线传感器网络与物联网通信技术
无线传感器网络与物联网通信技术
3.4 定位技术 利用到达时间（TOA）/到达时间差（TDOA）的测量
往返传播时间测量方式中，发送节点和接收节点对所属时钟域没有严格要求，通过 计算往返时间、扣除处理时延的方法估计节点间的距离，即
d (t3 t2 ) (t1 t0 ) v (t3 t0 ) (t2 t1) v
3.4 定位技术 定位性能指标
③ 能耗指标。无线传感器网络面临节点的能耗控制问题，一般来说，要求 定位算法具有较低的计算复杂度和较高的能耗效率。
④ 容错指标。无线传感器网络运行过程中可能会出现节点故障或无效的情 况，造成节点通信链路失去网络连接，因此，定位技术需要能够适应这种网络 的不确定性，在受到影响的情况下仍然能提供必要的定位服务。
3.4 定位技术 利用信号强度指示（RSSI）的测量
利用RSSI的测距是在已知发送节点的信号发送功率的条件下，接收节点根据接收到的信号 功率来计算的传播损耗，利用相应的信号传播衰减模型将功率损耗情况转化为距离参数。
根据无线传播过程中的自由空间信道模型（见2.2.3节），接收信号的功率与相隔距离的平 方成反比。那么，理论上，通过测量接收信号的功率，就能够反算出接收节点和发送节点之间 的距离。进一步，为更好地适用于应用场景，融合理论和经验统计，无线信号传播衰减的数学 模型可描述为
无线传感器网络与物联网通信技术
3.4 定位技术 定位基本术语
⑤ 到达时间（Time Of Arrival，TOA）。表征信号 从一个节点传播到另一个节 点所需要经历的时间。
⑦ 到达角度（Angle Of Arrival，AOA）。表征节点 接收到的信号相对于该节点 自身轴线的角度。
无线传感器网络与物联网通信技术
无线传感器网络与物联网通信技术
无线网络技术_第8章 无线传感器网络
❖ 有效范围小：有效覆盖范围10~75米，具体依据实 际发射功率大小和各种不同的应用模式而定
❖ 工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、868MHz（欧 洲）和915MHz（美国），均为免执照（免费）的 频段
8.4 无线传感器网络的应用
❖ 最初源于军事上的需求 ❖ 后逐渐被被用于农业，医学等领域
安全/监控
闲侦听，以便接收可能传输给自己的数据。过度的 空闲侦听或者没必要的空闲侦听同样会造成节点能 量的浪费。 (4)在控制节点之间的信道分配时，如果控制消息过多， 也会消耗较多的网络能量。
MAC协议分类标准
❖ 采用分布式控制还是集中控制 ❖ 使用单一共享信道还是多个信道 ❖ 采用固定分配信道方式还是随机访问信道方式
❖ 网络层(Network Layer)
网络层协议主要负责路由发现和维护
路由协议可以划分为平面路由协议和分级路由协 议
WSN 路由协议设计要遵从如下原则
❖ 能量利用率优先考虑 ❖ 数据为中心 ❖ 不影响传感器节点探测精度条件下的数据聚合 ❖ 理想的节点定位和目标追踪
❖ 传输层(Transport Layer)
❖链路层（Data Link Layer）
链路层协议用于建立可靠的点到点或点到多点通信链路, 主要由介质访问控制(Medium Access Control ,简称MAC) 组成,MAC协议的基本作用是避免点到点通讯时冲突的发 生。
传感器网络的MAC协议必须满足两项基本要求:首先是组 建网络底层基础设施,实现多跳并具备自组织特性的节点 无线通讯;其次是在节点通讯过程中实现平等高效的资源 共享
❖ 确定事件发生的位置或获取消息的节点位置是传感 器网络最基本的功能之一，对无线传感器网络应用 的有效性起着关键的作用。
❖ 工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、868MHz（欧 洲）和915MHz（美国），均为免执照（免费）的 频段
8.4 无线传感器网络的应用
❖ 最初源于军事上的需求 ❖ 后逐渐被被用于农业，医学等领域
安全/监控
闲侦听，以便接收可能传输给自己的数据。过度的 空闲侦听或者没必要的空闲侦听同样会造成节点能 量的浪费。 (4)在控制节点之间的信道分配时，如果控制消息过多， 也会消耗较多的网络能量。
MAC协议分类标准
❖ 采用分布式控制还是集中控制 ❖ 使用单一共享信道还是多个信道 ❖ 采用固定分配信道方式还是随机访问信道方式
❖ 网络层(Network Layer)
网络层协议主要负责路由发现和维护
路由协议可以划分为平面路由协议和分级路由协 议
WSN 路由协议设计要遵从如下原则
❖ 能量利用率优先考虑 ❖ 数据为中心 ❖ 不影响传感器节点探测精度条件下的数据聚合 ❖ 理想的节点定位和目标追踪
❖ 传输层(Transport Layer)
❖链路层（Data Link Layer）
链路层协议用于建立可靠的点到点或点到多点通信链路, 主要由介质访问控制(Medium Access Control ,简称MAC) 组成,MAC协议的基本作用是避免点到点通讯时冲突的发 生。
传感器网络的MAC协议必须满足两项基本要求:首先是组 建网络底层基础设施,实现多跳并具备自组织特性的节点 无线通讯;其次是在节点通讯过程中实现平等高效的资源 共享
❖ 确定事件发生的位置或获取消息的节点位置是传感 器网络最基本的功能之一，对无线传感器网络应用 的有效性起着关键的作用。
无线传感器网络原理及应用第4章 定位技术
图4-5 TOA测量原理图
第4章 定位技术
4.2.2 基于TDOA的定位 TDOA测距技术被广泛应用在WSN定位方案中。一般是
在节点上安装超声波收发器和RF收发器。测距时，在发射 端两种收发器同时发射信号，利用声波与电磁波在空气中传 播速度的巨大差异，在接收端通过记录两种不同信号到达时 间的差异，基于已知信号传播速度，则可以直接把时间转化 为距离。该技术的测距精度较RSSI高，可达到厘米级，但 受限于超声波传播距离有限和非视距(NLOS)问题对超声波 信号的传播影响。
第4章 定位技术
来确定自身位置。在如图4-1所示的传感网络中，M代表信 标节点，S代表未知节点。S节点通过与邻近M节点或已经得 到位置信息的S节点之间的通信，根据一定的定位算法计算 出自身的位置。
第4章 定位技术
图4-1 传感器网络中信标节点和未知节点
第4章 定位技术
2．节点位置计算的常见方法 传感器节点定位过程中，未知节点在获得对于邻近信标 节点的距离，或者获得邻近的信标节点与未知节点之间的相 对角度后，通常使用下列方法计算自己的位置。
第4章 定位技术
图4-2 三边测量定位法
第4章 定位技术
21
3
(x x1)2 (y y1)2 (x x2)2 (y y2)2 (x x3)2 (y y3)2
(4-1)
由公式(4-1)即可解出节点D的坐标(x，y)：
x y 2 2 ( (x x 1 2 x x 3 3 ) )2 2 ( (y y 1 2 y y 3 3 ) ) 1 x x 1 2 2 2 x x 3 3 2 2 y y 1 2 2 2 y y 3 3 2 3 3 2 3 2 1 2 2 2
第4章 定位技术
基于距离的定位算法通过获取电波信号的参数，如接收 信号强度(RSSI)、信号传输时间(TOA)、信号到达时间差 (TDOA)、信号到达角度(AOA)等，再通过合适的定位算法 来计算节点或目标的位置。 4.2.1 基于TOA的定位
第4章 定位技术
4.2.2 基于TDOA的定位 TDOA测距技术被广泛应用在WSN定位方案中。一般是
在节点上安装超声波收发器和RF收发器。测距时，在发射 端两种收发器同时发射信号，利用声波与电磁波在空气中传 播速度的巨大差异，在接收端通过记录两种不同信号到达时 间的差异，基于已知信号传播速度，则可以直接把时间转化 为距离。该技术的测距精度较RSSI高，可达到厘米级，但 受限于超声波传播距离有限和非视距(NLOS)问题对超声波 信号的传播影响。
第4章 定位技术
来确定自身位置。在如图4-1所示的传感网络中，M代表信 标节点，S代表未知节点。S节点通过与邻近M节点或已经得 到位置信息的S节点之间的通信，根据一定的定位算法计算 出自身的位置。
第4章 定位技术
图4-1 传感器网络中信标节点和未知节点
第4章 定位技术
2．节点位置计算的常见方法 传感器节点定位过程中，未知节点在获得对于邻近信标 节点的距离，或者获得邻近的信标节点与未知节点之间的相 对角度后，通常使用下列方法计算自己的位置。
第4章 定位技术
图4-2 三边测量定位法
第4章 定位技术
21
3
(x x1)2 (y y1)2 (x x2)2 (y y2)2 (x x3)2 (y y3)2
(4-1)
由公式(4-1)即可解出节点D的坐标(x，y)：
x y 2 2 ( (x x 1 2 x x 3 3 ) )2 2 ( (y y 1 2 y y 3 3 ) ) 1 x x 1 2 2 2 x x 3 3 2 2 y y 1 2 2 2 y y 3 3 2 3 3 2 3 2 1 2 2 2
第4章 定位技术
基于距离的定位算法通过获取电波信号的参数，如接收 信号强度(RSSI)、信号传输时间(TOA)、信号到达时间差 (TDOA)、信号到达角度(AOA)等，再通过合适的定位算法 来计算节点或目标的位置。 4.2.1 基于TOA的定位
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