无线传感器网络平台实现
与定位技术
Platform Implementation and
Localization Techniques for Wireless
Sensor Networks
(申请清华大学工学硕士学位论文)
培 养 单 位
：
电子工程系
学 科
：
通信与信息系统
研 究 生
：
杨磊
指 导 教 师
: 山秀明教授
二○○六年六月
无
线
传
感
器
网
络
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台
实
现
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定
位
技
术
杨
磊
关于学位论文使用授权的说明
本人完全了解清华大学有关保留、使用学位论文的规定，即：
清华大学拥有在著作权法规定范围内学位论文的使用权，其中包
括：（ 1 ）已获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文，学校可以
采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位论文；（ 2 ）为
教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文作为资料在图书馆、资
料室等场所供校内师生阅读，或在校园网上供校内师生浏览部分内
容；（ 3 ） 根据《中华人民共和国学位条例暂行实施办法》，向国家图
书馆报送可以公开的学位论文。
本人保证遵守上述规定。
（保密的论文在解密后遵守此规定）
作者签名：
导师签名：
日 期：
日 期：
摘要
I
摘 要
无线传感器网络被认为是 21 世纪最重要的技术之一，在军事、环境、工业
等领域具有相当广阔的应用。传感器节点的定位技术因为与很多实际的应用直
接相关而尤为受到关注。本文针对这个领域的问题，做了从基础硬件平台，室
外定位算法和室内定位算法设计三个方面的工作。
无线传感器网络的硬件平台是进行传感器网络研究的基础，本文首先设计
实现了“灵活的低成本无线传感器网络平台”，即 FLOWS (Flexible Low-cOst
Wireless Sensor network)。文中介绍了 FLOWS 系统的结构设计、硬件电路、嵌
入式软件以及协议的设计。性能测试结果表明，该实验平台性能稳定可靠，为
传感器网络协议研究和实际工程项目开发建立了实验环境。
为了解决现有传感器网络定位算法计算和通信开销大的问题，本文针对传
感器网络中的大范围数据采集场景，提出了一种基于路由信息的传感器网络定
位算法 RBSL (Routing information Based Sensor Localization)。该算法以现有路由
算法为基础，在路由和数据采集的过程中获得节点间连接关系，籍以结合经典
多维标度分析进行节点定位。定位过程只需要节点附加几字节的额外信息，额
外通信开销很低。且易于实现，无需已知位置的参考节点，对节点间测距能力
要求低。仿真结果表明，RBSL 算法具有较好的定位精度，开销低，易实现。
室内定位是传感器网络定位中一个有重要商业价值的应用场景，但由于室
内环境的特殊性，传统的传感器网络定位算法一般不能在室内环境下直接应用。
本文在 RBSL 算法的基础上，提出了一种室内传感器网络定位算法 I-RBSL
(Indoor-RBSL)。该算法兼顾了超声测距精度高和射频测距覆盖范围大的优点，
结合改进的度量多维标度分析，提高了室内定位的精度。此外，I-RBSL 还改善
了室内环境下网络分布不规则带来的问题，并引入了室内地形先验概率信息来
提高定位精度。最后通过抽象的会展中心、博物馆、大型走廊场景下的仿真，
验证了 I-RBSL 算法的有效性。
在 FLOWS 系统的基础上，文中提出的传感器网络定位算法容易实现，相信
会具有很好的应用前景和经济效益。
关键词：传感器网络 传感器节点 定位算法 室内定位
Abstract
II
Abstract
Wireless sensor network (WSN) is considered as one of the most important
technologies in 21 centuries, which has wide applications in the aspects of military,
environment and industry. The sensor localization technology causes great attention
due to its direct correlation with practical application. This paper focuses on the
designs of hardware platform, outdoor and indoor localization algorithms.
The hardware platform is a basic foundation of WSN research. The ‘Flexible
Low-cOst Wireless Sensor network’ (FLOWS) is designed. This paper presents the
design details of system architecture, hardware circuit, embedded operation system
and protocols. The test result shows that the platform is stable and reliable. It builds
up the experiment environment for WSN research and practical projects.
In order to reduce the great cost in computation and communication for WSN,
this paper presents a new localization algorithm called Routing information Based
Sensor Localization (RBSL) which could be used in the large area data acquisition
scenario. Based on the directed diffusion routing protocol, RBSL could obtain link
information between sensors in the process of routing and data transmission, and then
use this information to locate the sensor nodes. RBSL need very few extra
communications cost, and the sensor nodes don’t have to know their own locations.
Simulation results show that RBSL is accurate, low-cost and easy to be realized.
As a specific area within sensor network localization, wireless indoor sensor
localization is promising in providing indoor services. Nonetheless, this area has
some dissimilar characteristics from ordinary sensor network localization. The paper
gives an indoor WSN localization algorithm named I-RBSL. This algorithm combines
the advantages of ultrasonic ranging and the RF ranging technology to enhance the
accuracy of indoor localization. Also, the environment information was imported to
improve the problems caused by the irregularity of network region. Finally, the
simulation in some real scenario is done to prove the efficiency of I-RBSL.
In our FLOWS system, the WSN localization algorithms presented are easy to
implement and are supposed to have good future and great economic benefit.
Keywords: Sensor Networks Sensor Node Localization
Indoor Localization
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