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引言：本文提出了一种实用的人工布置无线传感器网络的位置估计方案，它仅仅使用少量的包含全球定位系统模块的IRIS传感器节点和一个非常简单的可视化图形用户界面就可以给出位置的详细的纬度和经度信息。在实际的户外环境中对该系统进行测试，结果表明，它可以提供一个可视化的定位信息。
一、介绍
无线传感器网络（Wireless sensor networks，WSN）是无线通信技术、网络技术、低功耗嵌入式技术、微机电系统、分布式信息处理技术和片上系统等多种新兴交叉学科飞速发展的结果，被认为是21世纪最有影响力的技术之一[1，2]。WSN除了在军事上的大量应用以外，也被广泛应用于民用领域，如生态环境监测、现代精确农业、卫生健康监护、家庭自动化等多个领域[3]。尽管有关无线传感器网络的研究正在广泛的进行，但是仍然存在很多开放的问题，比如信号处理、节点功耗、节点布置、节点定位和位置估计等等。由于传感器网络在不同领域的潜力已经被意识到，因此各种各样的能够使得部署配置、维护和可用性方面相对简单的软件框架正在被开发。
本文中，我们提出一种对人工布置WSN中的传感器节点进行位置估计的方案，方案中使用MoteView 2.0.1F软件，该软件提供了一个可靠的IRIS传感器平台，可以监测人工布置节点的纬度和经度值。软件为用户和传感器网络之间的通讯提供了一个强大的接口，配备了Google Earth应用程序，是一款基于客户端层的可视化工具。
IRIS节点配备有GPS装置，因此适合于户外无遮挡的开放环境，如建筑物的屋顶，可以获得建筑物的相对纬度和经度信息。本文的重点在于提出一个简单的对人工布置WSN系统中的节点进行定位的解决方案。
二、相关工作和研究背景
近年来，WSN的研究很大一部分侧重于传感网络的实际应用，目前人工布置WSN被用于很多实际的系统中[4]。本文中，我们应用过去几年广泛应用的WSN网络软件环境，提出一种适用于不同网络的解决方案。尽管目前已经有很多相关的研究，但是大多数的现有的软件仅处理各自的应用场景和目标域。他们选择不同的体系结构解决类似于故障检测和实时配置的问题[5]。
位置识别反映了传感器网络和物理世界之间的内在联系，是诸如基于位置的目录服务和实体跟踪等新兴应用的基本服务项目之一。在实际的人工布置WSN中常使用Walking GPS[6]方案来评估定位性能，但设计要求误差必须在几米的范围内。针对当前定位技术所表现出的局限性，我们提出了一个实用的解决方案，它可以降低成本和复杂度，仅使用少量的传感器就能得到很好的定位精度。
三、系统描述和概述
WSN的体系结构如图1所示，包括分散在应用领域的微型传感器节点，它们通过多跳自组织的方式形成的一个无线网络系统，能够监测目标区域中的感兴趣的参数，并将检测到的信息通过多跳转发的形式传递到汇聚节点（sink节点）或基站，汇聚节点（sink节点）或基站也可以以同样的方式将信息发送给各节点。MoteView2.0.1F具有一套网络控制工具并且能够提供与经度和纬度有关的数据。如前文所述，IRIS传感器节点组成的网络被人工部署在特定区域。一个监控或汇聚节点负责收集单个传感器节点发送来的数据并将信息传递给个人电脑。
本网络中不假设任何特定的路由或MAC协议，网络中的任意节点都具有唯一的ID，且确切知道自身在网络中的位置。为保证节点失效或禁用时数据流不会中断，节点可以选择任何能够到达sink节点的路径。MoteView2.0.1F由Crossbow[7]开发，它是一个在线软件工具，利用Google Earth应用程序使用实时数据来显示节点的估计位置。
四、性能评估和部署
自供电的IRIS传感器节点由mote （处理器和无线收发装置）和传感器板组成，使用唯一的节点ID编程。一台笔记本或个人电脑用于和网关（MIB520）连接，它通过一个端口连接到服务器。IRIS传感器平台提供了更广泛的覆盖范围和较低的功耗。
只要网络连接可用，用户可以在任何位置远程控制WSN系统。通过无线连接，服务器上运行相应的程序并且收集和显示用户感兴趣的信息。为了从传感器节点获得实时数据，基站内置有GPS天线来发送放置在建筑屋顶的传感器节点的实时的纬度和经度信息。网关还允许双向通信来处理当前的位置信息。
五、实验结果
MoteView平台[8]能够以特定的纬度和经度值处理节点。IRIS传感器监控建筑物的具体的地理位置，如纬度为28°29'2217" N和经度为79°49'4267" E。通过Google Earth应用程序提供的包含实时数据的卫星图像，可以使特定位置的瞬时时间跨度和空间位置可视化。测试WSN网络中某一位置的卫星图像如图2所示。从中可以观察到部署位置和相对地理位置之间的完美匹配，然而由于部署的不规则性和设备的局限性无法确定定位误差。
六、结论及展望
目前，人工部署传感器节点这项技术已经被广泛应用，结果表明，节点部署可以借助参考点估计自身的相对经度和纬度位置。因为节点依赖于全球定位系统获得位置信息，借助参考点来对自身进行定位，因此，平均定位误差主要来自于所使用设备的局限性。下一步，我们将通过进一步的模拟试验来进行性能评估，使用我们的解决方案，在初始部署的时候考虑传感器节点实际位置的速度、高度和轨迹，应该可以得到一个更好、更精确的定位方案。
参考文献
[1]孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.
[2]李建中，高宏.无线传感器网络的研究进展[J].计算机研究与发展，2008，45（1）：1 -15.
[3]潘巨龙.无线传感器网络安全机制中若干问题研究[D].浙江：浙江大学，2011. [4]I.Chatzigiannakis，G.Mylonas and S.Nikoletseas.50 Ways to Build your Application：A Survey of Middle-Ware and Systems for Wireless Sensor Networks [C].IEEE Conference on Emerging Technologies and Factory Automation，Greece，25-28 September 2007，466-473.
[5]D.Georgoulas and K. Blow. In Motes Bins： A Real Time Application for Environmental Monitoring in Wireless Sensor Networks[C]. Proceedings of the 9th IEEE/IFIP International Conference on Mobile and Wireless Communications Networks，Cork，19-21 September 2007，21-26.
[6]S.L.Wu，Y. C.Tseng，C.Y.Lin et al. A Multi-Channel MAC Protocol with Power Control for Multi- Hop Mobile Ad Hoc Networks[C].The Computer Journal，2002，45（1）：101-110.
[7]Crossbow Technology.Inc.MPR/MIB Mote Hardware Users Manual， 2006.The user manual is retrieved from http：//www.xbow.com/Support/Support_pdf_files/MPRM IB_Series_Users_Manual.pdf.
[8]Crossbow Technology，Inc.Mica2 datasheet，2006.The datasheet of Mica2 mote platform is retrieved from http：//www.xbow.com/Products/Product_pdf_files/.
（作者单位：山西焦煤霍州煤电吕梁山公司店坪煤矿调度室）
一、介绍
无线传感器网络（Wireless sensor networks，WSN）是无线通信技术、网络技术、低功耗嵌入式技术、微机电系统、分布式信息处理技术和片上系统等多种新兴交叉学科飞速发展的结果，被认为是21世纪最有影响力的技术之一[1，2]。WSN除了在军事上的大量应用以外，也被广泛应用于民用领域，如生态环境监测、现代精确农业、卫生健康监护、家庭自动化等多个领域[3]。尽管有关无线传感器网络的研究正在广泛的进行，但是仍然存在很多开放的问题，比如信号处理、节点功耗、节点布置、节点定位和位置估计等等。由于传感器网络在不同领域的潜力已经被意识到，因此各种各样的能够使得部署配置、维护和可用性方面相对简单的软件框架正在被开发。
本文中，我们提出一种对人工布置WSN中的传感器节点进行位置估计的方案，方案中使用MoteView 2.0.1F软件，该软件提供了一个可靠的IRIS传感器平台，可以监测人工布置节点的纬度和经度值。软件为用户和传感器网络之间的通讯提供了一个强大的接口，配备了Google Earth应用程序，是一款基于客户端层的可视化工具。
IRIS节点配备有GPS装置，因此适合于户外无遮挡的开放环境，如建筑物的屋顶，可以获得建筑物的相对纬度和经度信息。本文的重点在于提出一个简单的对人工布置WSN系统中的节点进行定位的解决方案。
二、相关工作和研究背景
近年来，WSN的研究很大一部分侧重于传感网络的实际应用，目前人工布置WSN被用于很多实际的系统中[4]。本文中，我们应用过去几年广泛应用的WSN网络软件环境，提出一种适用于不同网络的解决方案。尽管目前已经有很多相关的研究，但是大多数的现有的软件仅处理各自的应用场景和目标域。他们选择不同的体系结构解决类似于故障检测和实时配置的问题[5]。
位置识别反映了传感器网络和物理世界之间的内在联系，是诸如基于位置的目录服务和实体跟踪等新兴应用的基本服务项目之一。在实际的人工布置WSN中常使用Walking GPS[6]方案来评估定位性能，但设计要求误差必须在几米的范围内。针对当前定位技术所表现出的局限性，我们提出了一个实用的解决方案，它可以降低成本和复杂度，仅使用少量的传感器就能得到很好的定位精度。
三、系统描述和概述
WSN的体系结构如图1所示，包括分散在应用领域的微型传感器节点，它们通过多跳自组织的方式形成的一个无线网络系统，能够监测目标区域中的感兴趣的参数，并将检测到的信息通过多跳转发的形式传递到汇聚节点（sink节点）或基站，汇聚节点（sink节点）或基站也可以以同样的方式将信息发送给各节点。MoteView2.0.1F具有一套网络控制工具并且能够提供与经度和纬度有关的数据。如前文所述，IRIS传感器节点组成的网络被人工部署在特定区域。一个监控或汇聚节点负责收集单个传感器节点发送来的数据并将信息传递给个人电脑。
本网络中不假设任何特定的路由或MAC协议，网络中的任意节点都具有唯一的ID，且确切知道自身在网络中的位置。为保证节点失效或禁用时数据流不会中断，节点可以选择任何能够到达sink节点的路径。MoteView2.0.1F由Crossbow[7]开发，它是一个在线软件工具，利用Google Earth应用程序使用实时数据来显示节点的估计位置。
四、性能评估和部署
自供电的IRIS传感器节点由mote （处理器和无线收发装置）和传感器板组成，使用唯一的节点ID编程。一台笔记本或个人电脑用于和网关（MIB520）连接，它通过一个端口连接到服务器。IRIS传感器平台提供了更广泛的覆盖范围和较低的功耗。
只要网络连接可用，用户可以在任何位置远程控制WSN系统。通过无线连接，服务器上运行相应的程序并且收集和显示用户感兴趣的信息。为了从传感器节点获得实时数据，基站内置有GPS天线来发送放置在建筑屋顶的传感器节点的实时的纬度和经度信息。网关还允许双向通信来处理当前的位置信息。
五、实验结果
MoteView平台[8]能够以特定的纬度和经度值处理节点。IRIS传感器监控建筑物的具体的地理位置，如纬度为28°29'2217" N和经度为79°49'4267" E。通过Google Earth应用程序提供的包含实时数据的卫星图像，可以使特定位置的瞬时时间跨度和空间位置可视化。测试WSN网络中某一位置的卫星图像如图2所示。从中可以观察到部署位置和相对地理位置之间的完美匹配，然而由于部署的不规则性和设备的局限性无法确定定位误差。
六、结论及展望
目前，人工部署传感器节点这项技术已经被广泛应用，结果表明，节点部署可以借助参考点估计自身的相对经度和纬度位置。因为节点依赖于全球定位系统获得位置信息，借助参考点来对自身进行定位，因此，平均定位误差主要来自于所使用设备的局限性。下一步，我们将通过进一步的模拟试验来进行性能评估，使用我们的解决方案，在初始部署的时候考虑传感器节点实际位置的速度、高度和轨迹，应该可以得到一个更好、更精确的定位方案。
参考文献
[1]孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.
[2]李建中，高宏.无线传感器网络的研究进展[J].计算机研究与发展，2008，45（1）：1 -15.
[3]潘巨龙.无线传感器网络安全机制中若干问题研究[D].浙江：浙江大学，2011. [4]I.Chatzigiannakis，G.Mylonas and S.Nikoletseas.50 Ways to Build your Application：A Survey of Middle-Ware and Systems for Wireless Sensor Networks [C].IEEE Conference on Emerging Technologies and Factory Automation，Greece，25-28 September 2007，466-473.
[5]D.Georgoulas and K. Blow. In Motes Bins： A Real Time Application for Environmental Monitoring in Wireless Sensor Networks[C]. Proceedings of the 9th IEEE/IFIP International Conference on Mobile and Wireless Communications Networks，Cork，19-21 September 2007，21-26.
[6]S.L.Wu，Y. C.Tseng，C.Y.Lin et al. A Multi-Channel MAC Protocol with Power Control for Multi- Hop Mobile Ad Hoc Networks[C].The Computer Journal，2002，45（1）：101-110.
[7]Crossbow Technology.Inc.MPR/MIB Mote Hardware Users Manual， 2006.The user manual is retrieved from http：//www.xbow.com/Support/Support_pdf_files/MPRM IB_Series_Users_Manual.pdf.
[8]Crossbow Technology，Inc.Mica2 datasheet，2006.The datasheet of Mica2 mote platform is retrieved from http：//www.xbow.com/Products/Product_pdf_files/.
（作者单位：山西焦煤霍州煤电吕梁山公司店坪煤矿调度室）