水下传感器网络节点定位仿真软件的设计与实现
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1.Байду номын сангаас
本系统主要采用了Java语言，C#语言，access数据库，MATLAB仿真软件进行设计。Java语言主要是用来对前台界面的编写设计以及用JDBC与数据库进行交互查询。Java语言最大的好处是其可移植性，一次编译，到处运行。C#语言是编写.net的最好语言，尤其是设计前端界面十分美观漂亮，所以这里采用C#语言来进行编写。使用MATLAB仿真软件进行3D图形绘制。因为关于3D仿真图形的设计MATLAB是最好也是能与众多高级编程语言相结合的一款界面图形绘制软件。
RSSI测距方法容易受水下环境影响，因此RSSI测量值并不高。但是RSSI无需额外的硬件设备支持，因此RSSI适用于大型的水下传感器网络节点定位。
TOA是基于信号到达时间来进行定位的。而以上三种测距算法要么算法太复杂要么是实现起来不容易。TOA测距算法效果在水下比陆地上更好。所在在这里主要讨论TOA测距算法。 TOA测距算法是按照信号的传输时间以及传输速度要求节点之间的距离，所以TOA测距算法须要网络上的时钟同步。TOA算法计算量小，简单易行，适用于实际。
本文首先简单介绍了水下无线传感器网络的研究背景以及国内外关于水下传感器网络的研究进展。再者介绍了本文的主要研究内容以及本系统用到的相关编程技术，节点定位常用的定位算法原理，采取类似TOA的测距方式在降低能耗的同时能够精确的保障定位的准确度。最后介绍2D与3D的仿真设计方案，利用MATLAB对算法程序进行仿真来对本文的定位方案进行评估。对系统功能进行测试。
3.2
完成一个节点定位仿真软件，需要划分一下几个功能模块：第一个模块要有传感器节点自动生成功能，一个节点就是一条记录，一个节点会经过多个轮次的变换最终到达死亡状态，然后将生成的节点记录存入数据中，利用网格线切割表示法将3D坐标投射到2D平面上显示。最后利用MATLAB的仿真工具绘制3D曲面图形。下图是系统功能模块图：
图3-2功能模块图
3.2.1
在eclipse中用Java语言编写程序生成access数据，对数据库的打开、数据的录入修改更新等、定义各个数据量的含义以及相关数据量的状态等等。在界面中输入节点个数，自动计算出存活轮次，节点状态，消耗电量及剩余电量采集数据的时间以及节点的坐标。
1.2
关于水下传感器网络节点定位的研究目前国内外还没有一款既节约能源又能提高定位精确度的定位系统。要么就是定位的精确度的提高带来的代价就是能源电量的迅速消耗。因为须要往返重复发送信号，所以电量消耗比较快。或者是节能有所提高但是定位精度会大大受到折扣。本系统是基于TOA的测距算法，在尽量节约能耗的同时又提高了定位的准确度。
关键词：水下无线传感器网络，定位，MATLAB，定位精度，仿真
DESIGN AND IMPLEMENTATION OF THE SIMULATION SOFTWARE FOR THE NODE LOCALIZATION IN UNDERWATER SENSOR NETWORKS
Abstract
Underwater sensor networks is the number of sensor nodes are randomly monitored when laying the waters, a multi-hop ad hoc network system between the nodes via wireless underwater acoustic communication system formed. Monitoring information will be collected to be sent to the recipient.
（2）3D仿真
因为水下无线传感器网络的研究工作大多是基于二维平面是大多数水下无线传感器网络的研究基础。而实际的水下传感器网络可能须要全方位立体的检测获取各个深度的环境数据，因此必须将二维网络的研究拓展到三维进行重新研究或者深入研究，节点会根据自身携带的浮标进行上升或者下潜。以满足节点之间的非均匀分布。
Keyword: Underwater wireless sensor network,Localzation,MATLAB,Positioning accuracy,Simulation
1.
1.1 研究
水下传感器网络(Underwater SensorNetworks)是以声音为通信介质，以海洋监测为目的、由各种水下传感器节点组成的无线传感器网络，是海洋监测的一种必要手段．而水下节点定位更是必不可少的研究课题。定位可以提高海上航行船只方向的辨识度，可以对海里监测的目标进行跟踪，对鱼群进行监测，同时能为海军作战提供强有力的保障等等。
(2.1)
(2.2)
下图是节点随机分布在水下3D环境的示意图，根据上面的计算方式获悉三个已知节点可以来定位一个未知节点。节点会随机播撒在海洋环境中，对想要探究的水域进行多重定位分析汇总数据。
图2-4水下传感器网络节点分布图
3.
3.1 系统设计概述
（1）2D仿真
水下传感器2D设计主要是考虑到传感器节点漂浮于海面上或者锚定于海底，那么在这里只需要两个坐标参数就可以实现定位，当节点漂浮于海面上可以通过卫星定位系统GPS来实现定位；当节点锚定于海底，将三维坐标投射到二维平面上，研究其节点的稀疏性，节点的是否是均匀分布。
AOA不仅能确定节点的坐标，还能确定节点所在的方向，但AOA容易收到外界因素的影响，因此不宜在大规模水下传感器节点定位中使用。
RSSI是一种根据信号接收角度的大小来进行定位的一种算法。采用RSSI定位的算法精度很容易受到路径损耗的影响。参考点距离越小，定位越精确，参考点越多，定位时间就花费的越久。
RSSI测距算法的基本原理是：已知发射节点的信号强度，接收节点根据接收到的信号强度计算出信号衰减程度，将传输过程中的能量损耗转化为距离，下面是其测距公式：
TDOA测距方法原理图2-2所示。未知节点发射声波信号，经过t1时间后，锚节点1收到信号，经过t2时间后锚节点2收到信号锚节点1和锚节点2的TDOA值为t2-t1.设声信号传播速度为v,那么未知节点与两个已知节点之间的距离差为△s=v×(t2-t1).
图2-2TDOA测距原理图
AOA是基于信号到达角度的一种算法也是一种典型的测距算法。这种算法需要节点或者锚点带有方向性天线进行方向测定。因此增加了成本并且带有局限性。
2016届本科毕业论文（设计）
论文（设计）题目：水下传感器网络节点定位
仿真软件的设计与实现
学生姓名：张高
所在学院：信息工程学院
所学专业：计算机科学与技术
导师姓名：杨杰
完成时间：2016-05-08
水下传感器网络节点定位仿真软件的设计与实现
摘 要
水下传感器网络是将众多传感器节点随机布放当监测水域内，节点之间通过水声无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统。将采集监测到的信息发送给接收者。
2.
2.1
水下传感器网络是由无数个水下微传感器节点所构成，而每一个节点主要由存储器、声学MODEM、中央处理器随机处理器、传感器界面电路、传感器、电源等几部分组成。这些不均匀分布的节点之间可以相互通信传输数据，但是，如果其中的一个节点电源一旦断电，那么这个节点就会处于死亡无效状态不能工作。每一个节点自身都带有一个浮标参数标志自己沉在海水中的深度。传感器节点入水后所有节点处于激活状态并且会根据相应的算法计算出自身所处位置根据需要调节所在深度。然后对海洋里周围感知的事物信息进行信息采集和数据处理；在传感器节点之间进行水声无线通讯；利用节点的自组织能力形成多级跳的自建组织网络；最终通过网关节点或船舰接收站将处理后的信息以无线电通信方式送入岸上陆基基站，形成一个水下传感器监测网络。节点内部结构与关系如下图所示：
2.3 定位
在水下传感器网络定位中，节点一般处于三维立体空间中，将三维空间投射到二维平面上。如下图2-3所示，
图2-3 三边测距法示意图
位置节点O收到了3个不在一条直线上的邻居已知节点a,b,c发送过来的位置信息其中包含节点位置、发送时间戳等它们的坐标分别为(Xa,Ya,XYb，Xc,Yc).通过测距算法可以算出节点o与三个邻居节点的距离dA,dB,dC。则点o必定在分别以点A、B、C为圆心,dA、dB、dC为半径的圆上。可根据公式(2.1)求出节点0的位置如公式(2.2)所示。
图2-1传感器内部结构图
2.2
测距的典型算法主要有以下四种TOA（基于信号到达时间）、TDOA（信号到达时间差）、AOA（基于信号角度）和RSSI（信号接收角度）。下面分别做一个介绍：
TDOA是一种无线定位技术是对TOA算法的一种改进方案是通过判断监测信号到达两个节点的时间差来进行定位的。TDOA算法解决了发送节点和接收节点时间同步的问题以及发送端必须持有时间戳的问题。
This paper introduces the research progress of underwater wireless sensor network research background at home and abroad about the underwater sensor networks. Also it introduced the main contents of this paper as well as the system used in the relevant programming, positioning common node localization algorithm principle, take a similar manner TOA ranging accuracy while reducing power consumption can be precisely targeted protection. Finally, 2D and 3D design simulation using MATLAB algorithm simulation program to evaluate the positioning scheme of this article. System functions to be tested.
水下无线传感器网络具有很大的研究价值和应用价值，它能够治理海洋环境、监测海洋灾害的发生、大力建设海洋工程、海上作业生产开发和海洋军事作战提供一个更有力的支撑点。UWSN技术的发展将在制定水兵军事策略的过程中起到举足轻重的作用。因此，UWSN受到世界各界的高度重视。具有收集、计算、储存和交互等综合能力的无线集成传感器得到了各领域大范围的使用。水下无线传感器网络的好处使得其能够在残酷的水下环境中进行部署和应用。
第二类是非均匀覆盖需求(Non-uniform coverage requirement)的节点部署方法，也就是依据监测目标分布的稀疏密度的不同非均匀地布置节点。
针对检测水域内不同感知要求，针对监测区域的差异覆盖采用网状线切割表示法，非均匀地布置传感器节点。主要研究问题：无规则无规律的几何区域，不同感知需求的水下节点布置问题。优化目标：目标节点的覆盖概率至少要优于其需求。受数字图像处理、随机算法和3D图形建模启发，设计了一种几何方法——网状线切割表示方式，通过不断地划分网格，并在网格交叉点尝试布置节点，寻找最优的节点部署位置，实现对不同覆盖要求的区域不同层次的覆盖。文章中针对不规则水域，按照不同的覆盖需求，更合实际环境要求地部署水下传感器节点，且算法能够实现覆盖需求与布置节点覆盖更好地相配合，但该方法为集中式的方式，在实际生活中很难实现，且该方法只适应于静态监测目标，对于动态不断变化的监测目标，还没有深入研究，只是适用于密闭环境的水质量监测。
1.3 论文
本篇论文主要介绍水下传感器网络（UnderwaterWirelessSensorNetwork简称UWSN））节点的定位软件的仿真实现，在海洋传感器节点部署和分布中，节点被随机的安放在水下三维立体空间中，以达到对监测地区的立体感知效果。现今的海洋传感器节点部署方式主要分为两大类：
第一类是匀称覆盖需求(Uniform coverage requirement)的节点部署方法，即将传感器节点均匀地布置在监测区域。本文研究的是水下传感器节点非均匀分布，所以均匀分布不做深入讨论。
本系统主要采用了Java语言，C#语言，access数据库，MATLAB仿真软件进行设计。Java语言主要是用来对前台界面的编写设计以及用JDBC与数据库进行交互查询。Java语言最大的好处是其可移植性，一次编译，到处运行。C#语言是编写.net的最好语言，尤其是设计前端界面十分美观漂亮，所以这里采用C#语言来进行编写。使用MATLAB仿真软件进行3D图形绘制。因为关于3D仿真图形的设计MATLAB是最好也是能与众多高级编程语言相结合的一款界面图形绘制软件。
RSSI测距方法容易受水下环境影响，因此RSSI测量值并不高。但是RSSI无需额外的硬件设备支持，因此RSSI适用于大型的水下传感器网络节点定位。
TOA是基于信号到达时间来进行定位的。而以上三种测距算法要么算法太复杂要么是实现起来不容易。TOA测距算法效果在水下比陆地上更好。所在在这里主要讨论TOA测距算法。 TOA测距算法是按照信号的传输时间以及传输速度要求节点之间的距离，所以TOA测距算法须要网络上的时钟同步。TOA算法计算量小，简单易行，适用于实际。
本文首先简单介绍了水下无线传感器网络的研究背景以及国内外关于水下传感器网络的研究进展。再者介绍了本文的主要研究内容以及本系统用到的相关编程技术，节点定位常用的定位算法原理，采取类似TOA的测距方式在降低能耗的同时能够精确的保障定位的准确度。最后介绍2D与3D的仿真设计方案，利用MATLAB对算法程序进行仿真来对本文的定位方案进行评估。对系统功能进行测试。
3.2
完成一个节点定位仿真软件，需要划分一下几个功能模块：第一个模块要有传感器节点自动生成功能，一个节点就是一条记录，一个节点会经过多个轮次的变换最终到达死亡状态，然后将生成的节点记录存入数据中，利用网格线切割表示法将3D坐标投射到2D平面上显示。最后利用MATLAB的仿真工具绘制3D曲面图形。下图是系统功能模块图：
图3-2功能模块图
3.2.1
在eclipse中用Java语言编写程序生成access数据，对数据库的打开、数据的录入修改更新等、定义各个数据量的含义以及相关数据量的状态等等。在界面中输入节点个数，自动计算出存活轮次，节点状态，消耗电量及剩余电量采集数据的时间以及节点的坐标。
1.2
关于水下传感器网络节点定位的研究目前国内外还没有一款既节约能源又能提高定位精确度的定位系统。要么就是定位的精确度的提高带来的代价就是能源电量的迅速消耗。因为须要往返重复发送信号，所以电量消耗比较快。或者是节能有所提高但是定位精度会大大受到折扣。本系统是基于TOA的测距算法，在尽量节约能耗的同时又提高了定位的准确度。
关键词：水下无线传感器网络，定位，MATLAB，定位精度，仿真
DESIGN AND IMPLEMENTATION OF THE SIMULATION SOFTWARE FOR THE NODE LOCALIZATION IN UNDERWATER SENSOR NETWORKS
Abstract
Underwater sensor networks is the number of sensor nodes are randomly monitored when laying the waters, a multi-hop ad hoc network system between the nodes via wireless underwater acoustic communication system formed. Monitoring information will be collected to be sent to the recipient.
（2）3D仿真
因为水下无线传感器网络的研究工作大多是基于二维平面是大多数水下无线传感器网络的研究基础。而实际的水下传感器网络可能须要全方位立体的检测获取各个深度的环境数据，因此必须将二维网络的研究拓展到三维进行重新研究或者深入研究，节点会根据自身携带的浮标进行上升或者下潜。以满足节点之间的非均匀分布。
Keyword: Underwater wireless sensor network,Localzation,MATLAB,Positioning accuracy,Simulation
1.
1.1 研究
水下传感器网络(Underwater SensorNetworks)是以声音为通信介质，以海洋监测为目的、由各种水下传感器节点组成的无线传感器网络，是海洋监测的一种必要手段．而水下节点定位更是必不可少的研究课题。定位可以提高海上航行船只方向的辨识度，可以对海里监测的目标进行跟踪，对鱼群进行监测，同时能为海军作战提供强有力的保障等等。
(2.1)
(2.2)
下图是节点随机分布在水下3D环境的示意图，根据上面的计算方式获悉三个已知节点可以来定位一个未知节点。节点会随机播撒在海洋环境中，对想要探究的水域进行多重定位分析汇总数据。
图2-4水下传感器网络节点分布图
3.
3.1 系统设计概述
（1）2D仿真
水下传感器2D设计主要是考虑到传感器节点漂浮于海面上或者锚定于海底，那么在这里只需要两个坐标参数就可以实现定位，当节点漂浮于海面上可以通过卫星定位系统GPS来实现定位；当节点锚定于海底，将三维坐标投射到二维平面上，研究其节点的稀疏性，节点的是否是均匀分布。
AOA不仅能确定节点的坐标，还能确定节点所在的方向，但AOA容易收到外界因素的影响，因此不宜在大规模水下传感器节点定位中使用。
RSSI是一种根据信号接收角度的大小来进行定位的一种算法。采用RSSI定位的算法精度很容易受到路径损耗的影响。参考点距离越小，定位越精确，参考点越多，定位时间就花费的越久。
RSSI测距算法的基本原理是：已知发射节点的信号强度，接收节点根据接收到的信号强度计算出信号衰减程度，将传输过程中的能量损耗转化为距离，下面是其测距公式：
TDOA测距方法原理图2-2所示。未知节点发射声波信号，经过t1时间后，锚节点1收到信号，经过t2时间后锚节点2收到信号锚节点1和锚节点2的TDOA值为t2-t1.设声信号传播速度为v,那么未知节点与两个已知节点之间的距离差为△s=v×(t2-t1).
图2-2TDOA测距原理图
AOA是基于信号到达角度的一种算法也是一种典型的测距算法。这种算法需要节点或者锚点带有方向性天线进行方向测定。因此增加了成本并且带有局限性。
2016届本科毕业论文（设计）
论文（设计）题目：水下传感器网络节点定位
仿真软件的设计与实现
学生姓名：张高
所在学院：信息工程学院
所学专业：计算机科学与技术
导师姓名：杨杰
完成时间：2016-05-08
水下传感器网络节点定位仿真软件的设计与实现
摘 要
水下传感器网络是将众多传感器节点随机布放当监测水域内，节点之间通过水声无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统。将采集监测到的信息发送给接收者。
2.
2.1
水下传感器网络是由无数个水下微传感器节点所构成，而每一个节点主要由存储器、声学MODEM、中央处理器随机处理器、传感器界面电路、传感器、电源等几部分组成。这些不均匀分布的节点之间可以相互通信传输数据，但是，如果其中的一个节点电源一旦断电，那么这个节点就会处于死亡无效状态不能工作。每一个节点自身都带有一个浮标参数标志自己沉在海水中的深度。传感器节点入水后所有节点处于激活状态并且会根据相应的算法计算出自身所处位置根据需要调节所在深度。然后对海洋里周围感知的事物信息进行信息采集和数据处理；在传感器节点之间进行水声无线通讯；利用节点的自组织能力形成多级跳的自建组织网络；最终通过网关节点或船舰接收站将处理后的信息以无线电通信方式送入岸上陆基基站，形成一个水下传感器监测网络。节点内部结构与关系如下图所示：
2.3 定位
在水下传感器网络定位中，节点一般处于三维立体空间中，将三维空间投射到二维平面上。如下图2-3所示，
图2-3 三边测距法示意图
位置节点O收到了3个不在一条直线上的邻居已知节点a,b,c发送过来的位置信息其中包含节点位置、发送时间戳等它们的坐标分别为(Xa,Ya,XYb，Xc,Yc).通过测距算法可以算出节点o与三个邻居节点的距离dA,dB,dC。则点o必定在分别以点A、B、C为圆心,dA、dB、dC为半径的圆上。可根据公式(2.1)求出节点0的位置如公式(2.2)所示。
图2-1传感器内部结构图
2.2
测距的典型算法主要有以下四种TOA（基于信号到达时间）、TDOA（信号到达时间差）、AOA（基于信号角度）和RSSI（信号接收角度）。下面分别做一个介绍：
TDOA是一种无线定位技术是对TOA算法的一种改进方案是通过判断监测信号到达两个节点的时间差来进行定位的。TDOA算法解决了发送节点和接收节点时间同步的问题以及发送端必须持有时间戳的问题。
This paper introduces the research progress of underwater wireless sensor network research background at home and abroad about the underwater sensor networks. Also it introduced the main contents of this paper as well as the system used in the relevant programming, positioning common node localization algorithm principle, take a similar manner TOA ranging accuracy while reducing power consumption can be precisely targeted protection. Finally, 2D and 3D design simulation using MATLAB algorithm simulation program to evaluate the positioning scheme of this article. System functions to be tested.
水下无线传感器网络具有很大的研究价值和应用价值，它能够治理海洋环境、监测海洋灾害的发生、大力建设海洋工程、海上作业生产开发和海洋军事作战提供一个更有力的支撑点。UWSN技术的发展将在制定水兵军事策略的过程中起到举足轻重的作用。因此，UWSN受到世界各界的高度重视。具有收集、计算、储存和交互等综合能力的无线集成传感器得到了各领域大范围的使用。水下无线传感器网络的好处使得其能够在残酷的水下环境中进行部署和应用。
第二类是非均匀覆盖需求(Non-uniform coverage requirement)的节点部署方法，也就是依据监测目标分布的稀疏密度的不同非均匀地布置节点。
针对检测水域内不同感知要求，针对监测区域的差异覆盖采用网状线切割表示法，非均匀地布置传感器节点。主要研究问题：无规则无规律的几何区域，不同感知需求的水下节点布置问题。优化目标：目标节点的覆盖概率至少要优于其需求。受数字图像处理、随机算法和3D图形建模启发，设计了一种几何方法——网状线切割表示方式，通过不断地划分网格，并在网格交叉点尝试布置节点，寻找最优的节点部署位置，实现对不同覆盖要求的区域不同层次的覆盖。文章中针对不规则水域，按照不同的覆盖需求，更合实际环境要求地部署水下传感器节点，且算法能够实现覆盖需求与布置节点覆盖更好地相配合，但该方法为集中式的方式，在实际生活中很难实现，且该方法只适应于静态监测目标，对于动态不断变化的监测目标，还没有深入研究，只是适用于密闭环境的水质量监测。
1.3 论文
本篇论文主要介绍水下传感器网络（UnderwaterWirelessSensorNetwork简称UWSN））节点的定位软件的仿真实现，在海洋传感器节点部署和分布中，节点被随机的安放在水下三维立体空间中，以达到对监测地区的立体感知效果。现今的海洋传感器节点部署方式主要分为两大类：
第一类是匀称覆盖需求(Uniform coverage requirement)的节点部署方法，即将传感器节点均匀地布置在监测区域。本文研究的是水下传感器节点非均匀分布，所以均匀分布不做深入讨论。