水下传感器网络节点定位仿真软件的设计与实现
一种水下无线传感器网络节点设计及其ARM实现
一种水下无线传感器网络节点设计及其ARM实现李云娟;方彦军;谭涛【摘要】the application in the Underwater Wireless Sensor Network is increasing extensive and the Present situation of the real-time processing of network nods is very limited.This paper put forward a newsolution,which is the novel node design with ARM in the Underwater Wireless Sensor Network..Flexble digital synthesis of the signal returned will be calculated with the ARM's characteristics of data processing capabilities,embedded system migration,Give full play to the advantage of both to complete an efficient design of underwater wireless sensor network node.%针对在水下环境应用日益广泛的无线传感器网络及其所面临的网络节点数据实时处理能力有限的现状,提出了一种新的设计解决方案,即基于ARM 的水下无线传感器节点设计方法;采用灵活的商接数字合成的信号产生方法;将其与ARM的数据计算处理能力、嵌入式系统移植的特点结合起来,充分发挥两者的优势,完成一种具有优势的水下无线传感器网络节点设计.【期刊名称】《计算机测量与控制》【年(卷),期】2011(019)005【总页数】3页(P1236-1238)【关键词】无线传感器网络;ARM;水声通讯;直接数字合成【作者】李云娟;方彦军;谭涛【作者单位】昆明学院,自动控制与机械工程系,云南,昆明,650118;武汉大学,自动化系,湖北,武汉,430072;武汉大学,自动化系,湖北,武汉,430072【正文语种】中文【中图分类】TP3020 引言随着现代科技的快速发展，综合了现代传感器、为电子、通信、嵌入式计算和分布式信息处理等多个关联学科的无线传感器网络技术逐渐融入到人们的日常生活中。
水下传感器网络技术研究及应用
水下传感器网络技术研究及应用近年来，随着现代科技的不断发展，水下传感器网络技术已经得到广泛的应用。
这种技术可以有效地用于海洋探测、石油勘探、水下防御等多个领域，因此备受各方关注。
在本文中，我们将探讨水下传感器网络技术的研究及应用。
一、水下传感器网络技术简介水下传感器网络是一种由多个装载传感器和节点的无线网络连接组成的系统。
通过这种系统，可以在海洋中实时监测水下环境的变化，以及进行海底勘探和资源探测等工作。
这种技术可以通过多种方式实现，包括声波、电磁、光学等。
其中，声波是目前应用最为广泛的传感器网络技术。
由于水下环境特殊，水下传感器网络中的节点必须能够保持稳定，以便进行有效的通信。
同时，节点间的信号传输距离也必须受到限制，以免信号过于受限。
此外，由于水下环境对信号深度、温度、盐度等有很大的影响，因此传感器节点的位置和数量也必须得到精确计算。
二、水下传感器网络的应用领域水下传感器网络技术可以在很多领域得到应用。
以下是其中的几个例子：1. 海洋探测：通过水下传感器网络，可以检测海洋中的水质变化、气候变化等情况。
2. 石油勘探：利用传感器节点探测水下沉积物、油藏和天然气等。
3. 水下防御：水下通信和水声传感器技术可应用于水下匿踪、敌方舰艇的追踪和战术侦察等。
4. 海洋资源探测：通过传感器网络，可以检测海底矿物、海洋资源等。
5. 水下文物修复：借助传感器网络技术，可以定位沉船文物及其附属物。
三、水下传感器网络的应用案例1. 海底探测：美国国家海洋和大气管理局利用传感器网络，成功探测到了位于北极的一艘失事船只，保护了极地环境。
2. 水下视频监控：美国海军利用水下传感器网络技术，进行水下视频监控，并成功远程监视人员及设备状态。
3. 水声通信：美国海军及德国官方机构广泛使用水声通信，实现水下无线通讯。
四、水下传感器网络技术的发展前景水下传感器网络技术应用前景广阔，这种新型的技术已经开始应用于日常生产、科研和军事领域。
水下无线传感器网络节点覆盖及其自定位
水下无线传感器网络节点覆盖及其自定位张华;刘玉良【期刊名称】《浙江海洋学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(031)003【摘要】Self-localization is one of the key technologies of applications to underwater wireless sensor network. Coverage probability can improve the accuracy of the node self-localization. Accuracy of nodes self- localization is influenced by many factors. Distribution model to sensor nodes measuring is simulated by the perceived probability model probability in this paper. Higher coverage probability of sensor nodes are iterated on error, genetic algorithm is used to optimize the positioning error finally. Simulation results show that, cover- age probability is impacted by perceived radius and the number of iterations, error to self-localization is impacted by beacon node density, genetic algorithms is used to optimize to achieve the self-positioning accuracy of the underwater sensor nodes.%节点自定位技术是水下无线传感器网络应用的关键技术之一,较高的覆盖概率能够提高节点自定位的精度。
水下三维无线传感器网络节点部署研究
水下三维无线传感器网络节点部署研究I. 引言- 研究背景和意义- 国内外研究现状- 研究目的和内容II. 水下三维无线传感器网络概述- 水下环境介绍- 三维无线传感器网络概念- 传感器节点组成和特点III. 节点部署策略- 适应水下环境的节点部署- 节点感知范围和覆盖率优化- 路径规划算法设计IV. 节点部署实验研究- 硬件平台介绍- 节点部署实验过程- 实验数据和分析V. 结论和展望- 研究结论总结- 下一步研究方向和展望VI. 参考文献三维无线传感器网络是由许多具有微处理器，传感器和通信模块的节点组成的网络。
该网络能够基于水下环境和不同需求对应用进行不同性能的优化，可以有效监测和管理水下环境中的各种信息。
因此，三维无线传感器网络已经成为了水下科学、水下生物学、资源勘查和监测等领域的重要研究对象。
作为一个新兴的研究领域，水下三维无线传感器网络在国内外已经得到了广泛的关注和研究，在该领域的发展中具有重要意义。
目前，三维无线传感器网络的研究主要关注两方面问题：节点部署策略和节点能量管理。
其中，节点部署策略是关键的问题之一。
节点部署涉及到优化节点数量和位置，以提高网络的遥感和监测能力，从而优化水下环境管理和应用。
在节点部署的过程中，需要对水下环境进行深入的了解与分析，包括水下物理环境的特点，垂直维度和三维空间特征等。
水下环境与陆地环境存在巨大的差异，水的阻尼、穿透力等都将影响节点的信号传输。
为了充分利用传感器节点的信息采集能力，我们需要根据不同的应用场景和监测目标设计合适的节点部署方案。
在节点部署方案中，节点感知范围和覆盖率是需要优化的关键指标。
节点感知范围的优化可以提高节点感知的精度和覆盖率，从而更好地捕捉监测目标信息。
而节点覆盖率的优化可以降低部署节点数量，节约网络能量资源和优化网络成本。
基于这两个指标，我们可以对节点部署进行优化。
此外，路径规划算法是优化节点部署策略的关键技术之一。
如何有效规划节点的移动路径，以保证节点能够覆盖到所有区域，且不重复覆盖，减少网络的建立成本等问题，需要通过路径规划算法来解决。
水下无线传感器网络协作式节点定位方法
同样 的考虑 ， Ｐ Ｇ Ｓ也不 能直接对水 下 目标进行定位 。
无线传感器网络中每个节点在某 个空间坐标系中确 定 自己空间位置的过 程称 为节点定位 。节点定位机制是指依 靠有限的位置已知节点 ， 确定布设区 中其他节点的位置 ， 在 传感 器节点间建立起空 间关 系的机制 。节点定位 已成为无 线传 感 器 网 络 的关 键 技术 之 一 ， 越 来 越 多 的 人 所 关 被
ＲＵＩＺｈ ，Ｗ ＡＮＧ ｎ ｉ Ｌｉ ｇ
（ ｏ ｅｅｏ ｌ ｔｏ ｉ Ｓｉｎｅ＆ Ｅ ｇ ｅｒ ｇ Ｎ ｔ ｎ ｌ ｎｖｒｉ ｆ ｆｎｅＴ ｃ ｎ ｌｇ ， ｈ ｎ ｓａ４ ０ ７ ， ｈｎ ） Ｃ ｌ ｇ ｆ ｅ ｒｎｃ ｃ ｃ ｌ Ｅ ｃ ห้องสมุดไป่ตู้ ｎｉ ｅｉ ， ａｉ ａ ｉ ｅｓｙｏ ｅｓ ｅｈ ｏｏｙ Ｃ ａｇｈ １０ ３ Ｃ ｉａ ｎ ｎ ｏ Ｕ ｔ Ｄｅ
２１ ０ ０年 第 ２ ９卷 第 １ ０期
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传感器与微系统 （ ｒｎｄｃｒ ｎ ｃｏｙｔ ｅｈ ｏ ｇ ｓ Ｔａｓｕｅ ｄＭｉ ｓｓ ｍ Ｔ ｃｎ ｌ ｉ ） ａ ｒ ｅ ｏｅ
１１ ４
前 沿技术
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水 下无 线 传 感 器 网络 协 作 式 节 点 定 位 方 法
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面向海洋监测的无线传感器网络设计
面向海洋监测的无线传感器网络设计无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种由大量分布在空间中的无线传感器节点构成的自组织网络。
它们可以收集环境中的各种数据，例如温度、湿度、光照、声音等，并将这些数据通过网络传输到监测中心。
面向海洋监测的无线传感器网络设计是针对海洋环境的特殊需求进行的一种网络设计。
在面向海洋监测的无线传感器网络设计中，有几个关键的技术问题需要考虑。
首先是无线传感器节点的布局。
由于海洋环境广阔复杂，常常需要大量的无线传感器节点来覆盖一个较大的海域。
因此，在设计网络时需要合理布局传感器节点，以保证监测的全面性和准确性。
其次是无线传感器网络的能量管理。
由于传感器节点通常是由电池供电，因此能量是一个关键问题。
在海洋环境中，传感器节点通常难以更换电池，因此需要设计低功耗的传感器节点，以延长其使用寿命。
同时，还需要考虑能量传输和能量回收等技术，以保证网络的持续运行。
另一个重要问题是网络通信的可靠性。
在海洋环境中，由于水中的传播特性和天气条件的不可预测性，网络通信常常受到很大的干扰。
为了保证数据的可靠传输，可以采用多跳通信和数据重传等机制。
此外，还可以采用自适应调制和编码技术，以提高信号的抗干扰能力和传输效率。
此外，还需要考虑网络的安全性。
面向海洋监测的无线传感器网络通常需要传输一些敏感数据，例如海洋温度、水质等信息。
为了保证数据的安全性和完整性，可以采用加密技术和身份认证等手段。
同时，还需要设计安全的传输协议和机制，以防止网络被攻击和干扰。
最后，还需要考虑数据处理和存储的问题。
海洋监测通常需要收集大量的数据，因此需要设计高效的数据处理和存储机制。
可以采用数据压缩和数据聚集等技术，以降低数据传输的负载和能耗。
同时，还需要设计高可靠性的数据存储系统，以保证数据的长期保存和可查询性。
总之，面向海洋监测的无线传感器网络设计是一项复杂而关键的任务，需要综合考虑多个技术问题。
水下传感器网络的设计与应用
水下传感器网络的设计与应用在当今科技飞速发展的时代，水下传感器网络作为一种新兴的技术手段，正逐渐在多个领域展现出其重要的应用价值。
无论是海洋科学研究、水下资源勘探，还是海洋环境监测和国防安全等方面，水下传感器网络都发挥着不可或缺的作用。
水下传感器网络，简单来说，就是由多个部署在水下的传感器节点组成的网络系统。
这些传感器节点能够感知、采集和传输水下环境中的各种信息，如水温、水压、水流速度、水质以及水下物体的运动等。
要设计一个高效可靠的水下传感器网络，可不是一件容易的事情。
首先得考虑传感器节点的硬件设计。
由于水下环境的特殊性，这些节点必须具备良好的防水、抗压和耐腐蚀性能。
同时，为了保证长时间的稳定工作，它们还需要具备低功耗的特点，毕竟在水下更换电池或者进行能源补给可不是一件轻松的事儿。
在能源供应方面，太阳能在水下可没法使用，所以一般会采用电池供电或者利用海洋中的能量，比如潮汐能、温差能等。
但这些能源的获取和转化技术目前还存在一定的挑战，需要不断地研究和改进。
通信问题也是水下传感器网络设计中的一个关键难题。
在水下，电磁波的传播受到很大的限制，而声波则成为了主要的通信手段。
但声波在水下传播时，速度较慢、衰减较大，而且容易受到多径效应和噪声的干扰。
因此，如何提高通信的效率和可靠性，是研究人员一直努力解决的问题。
为了实现有效的通信，通常需要采用合适的通信协议和算法。
比如，在网络拓扑结构的设计上，要考虑节点的分布和连接方式，以确保信息能够快速准确地传输。
在数据传输过程中，还需要进行数据压缩、纠错编码等处理，以减少数据量和提高数据的准确性。
除了硬件和通信方面的设计，软件算法也同样重要。
比如，如何对传感器节点进行有效的定位和时间同步，如何进行数据的融合和处理，以及如何实现网络的自组织和自适应等，这些都需要精心设计的算法来支持。
在实际应用中，水下传感器网络有着广泛的用途。
在海洋科学研究中，它可以帮助科学家们收集海洋中的各种数据，从而更好地了解海洋的生态系统、气候变化以及海洋环流等现象。
水下无线传感器网络节点分层预测定位技术研究
摘要摘要随着国家现代海洋经济的发展，海洋开发和利用在国家发展中占据着关键的战略地位。
水下无线传感器网络中的传感器节点部署方便，结构灵活，自组织能力强，能够广泛应用于海洋中的数据搜集。
节点的位置信息是保证节点所采集的数据信息有实际意义的前提，才能够实现对目标区域的监控。
由于传感器节点部署在海洋中，节点随着潮汐移动且性能受到海洋环境的限制，水下节点难以与卫星直接通信来进行实时定位；同时，部署在海洋中的节点由于能量有限且难以更换电池或者补充能量，所以需要减小网络的通信开销；对于大规模目标区域进行监控时，需要提高传感器节点的定位覆盖度。
针对水下无线传感器网络节点位置变化频繁，通信开销大的难点，本文通过建立节点的运动模型进行分层预测定位，同时结合粒子群算法进一步提高节点的定位精度。
根据水下节点运动的空间相关性，未知节点利用已知节点的信息建立自身的运动模型来完成定位，降低网络通信能耗。
本文的主要工作如下：1、将水下传感器网络中的节点分为锚节点和普通节点进行分层定位，根据节点随潮汐移动的运动特征建立运动方程，考虑到噪声干扰对节点的定位精度的影响，采用AR模型和Kalman 滤波算法相结合的方式对锚节点的速度进行最优预测，再根据运动方程进行锚节点的位置预测。
为了减小累积误差，针对锚节点的位置计算方法，建立锚节点位置的优化模型，利用基于高斯函数递减权重的粒子群算法对锚节点的位置信息和速度信息进行优化，提高锚节点的定位精度。
2、考虑到普通节点有限的能量和较弱的计算能力，普通节点根据锚节点传递的信息来建立运动模型并结合历史位置信息来实现定位。
为提高定位覆盖度，引入节点的置信度来选择精度较高的已定位普通节点作为参考节点，辅助未知节点定位。
同时，设计了普通节点的参考节点列表更新机制来及时更新参考节点的信息，进而提高普通节点的定位精度。
3、对基于AR模型和Kalman滤波算法的分层预测定位方法（HPLM-AK）以及基于粒子群优化方法的HPLM-AK算法（HPLM-AK-PSO）进行仿真，并与SLMP算法进行对比分析。
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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：
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。
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：
1.
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。
(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。
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。
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。
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。
关键词：水下无线传感器网络，定位，MATLAB，定位精度，仿真
DESIGN 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.
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。
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.
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。
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。
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。
（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。
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。
Keyword: Underwater wireless sensor network,Localzation,MATLAB,Positioning accuracy,Simulation