井下环境无线传感器网络定位技术研究与系统设计

发布时间：2017-09-26 06:32

  本文关键词：井下环境无线传感器网络定位技术研究与系统设计

  更多相关文章： 无线传感器网络 ZigBee RSSI WCL算法 Min-Max定位算法 系统设计

【摘要】：无线传感器网络定位技术作为无线传感器网络研究领域的一个重要分支,在许多领域有着重要的应用。当前我国煤矿安全事故频发,现有的RFID识别技术无法实现对井下作业人员的实时监控,在事故发生后不能及时掌握被困人员的准确位置而错过最佳的营救时间。因此井下人员实时定位技术的研究已成为不容忽视的研究课题,基于这样的背景本文研究了基于无线传感器网络的井下人员定位技术,并对人员定位系统进行设计实现。首先,研究了无线传感器网络常用定位算法,包括基于测距的定位算法和无需测距的定位算法,重点分析了各种定位算法的计算复杂度和定位性能,总结各种定位算法的局限性和不足。在综合考虑算法计算复杂度、定位性能、对硬件设配要求和矿井定位应用场景之后,选择基于RSSI的定位算法作为本文研究的主要方向。其次,研究了井下环境无线信号传播路径损耗模型并在类似井下巷道环境的实验室走廊进行RSSI试验,根据最小二乘原理拟合得到路径损耗模型参数；考虑到井下巷道各处环境差异较大,设计了一种在实际定位过程中路径损耗系数动态计算的方法；针对RSSI值波动较大问题,采用了高斯滤波对多次接收的RSSI值进行处理并对滤波效果做了测试；针对井下巷道内无线信号反射、折射、多径传播比较严重导致测距误差较大的情况,设计了一种参考节点辅助测距算法,该算法利用参考节点位置信息己知的前提条件,通过选取距离移动节点最近的参考节点辅助移动节点完成测距；针对井下定位的特殊应用场景,分别研究了加权质心定位算法(WCL)和Min-Max定位算法,这两种算法的计算复杂度低对设备硬件要求不高非常适合能量和计算能力都十分有限的传感器网络节点定位的需求,最后对两种算法在真实场景下的定位性能做了测试。再次,基于井下环境人员定位的需求。对井下环境无线传感器网络定位系统进行了总体设计,并完成了系统的详细设计及软硬件实现。硬件部分主要是基于TI CC2530芯片设计了一款便于随身携带的无线传感器节点,软件实现以ZigBee2007/Pro协议栈的基础上分别对协调器节点、参考节点及移动节点定位功能进行设计。然后完成了定位系统地面监控中心软件和数据库的设计,并对系统整体进行了测试。测试结果表明,本文设计的定位系统能够比较准确地实现人员的实时定位功能。最后,对本文所做的工作进行总结,指出其中不足和接下来应该继续研究了的工作。
【关键词】：无线传感器网络 ZigBee RSSI WCL算法 Min-Max定位算法 系统设计
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD655;TP212.9;TN929.5
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-16
• 1.1 课题研究背景与意义11
• 1.2 国内外研究现状11-13
• 1.3 本文主要研究内容及组织安排13-16
• 第2章 相关技术介绍16-26
• 2.1 Zigbee技术概述16-18
• 2.1.1 ZigBee协议栈16-17
• 2.1.2 ZigBee网络拓扑结构17-18
• 2.1.3 井下环境ZigBee组网优势18
• 2.2 无线传感器网络定位算法简介18-25
• 2.2.1 基于测距的定位算法19-22
• 2.2.2 非测距定位算法22-24
• 2.2.3 定位算法性能指标24-25
• 2.3 本章小结25-26
• 第3章 井下环境无线传感器网络定位技术研究26-46
• 3.1 井下空间结构对定位性能的影响26
• 3.2 RSSI测距相关问题研究26-34
• 3.2.1 井下环境信号传播路径损耗模型26-28
• 3.2.2 类似巷道环境RSSI测试28-30
• 3.2.3 路径损耗系数动态计算方法30-31
• 3.2.4 RSSI值数据处理31-33
• 3.2.5 巷道节点部署方式33-34
• 3.3 参考节点辅助测距算法34-39
• 3.3.1 算法原理34-35
• 3.3.2 算法实现流程35-37
• 3.3.3 算法测试37-39
• 3.4 井下环境定位算法研究39-45
• 3.4.1 加权质心定位算法39-41
• 3.4.2 Min-Max算法41-42
• 3.4.3 算法性能分析42-45
• 3.5 本章小结45-46
• 第4章 定位系统软硬件设计46-63
• 4.1 系统需求分析46-47
• 4.2 定位系统总体设计47
• 4.3 无线传感器网络硬件设计47-51
• 4.3.1 定位系统中无线传感器网络的接入47-48
• 4.3.2 传感器节点硬件设计48-51
• 4.4 无线传感器节点的软件实现51-57
• 4.4.1 软件开发平台及ZigBee协议栈51-52
• 4.4.2 协调器节点程序设计52-54
• 4.4.3 参考节点程序设计54-55
• 4.4.4 移动节点的程序设计55-57
• 4.5 地面监控中心设计57-62
• 4.5.1 地面监控中心设计需求57-58
• 4.5.2 监控中心组成58
• 4.5.3 数据库设计58-59
• 4.5.4 监控软件设计59-62
• 4.6 本章小结62-63
• 第5章 定位系统测试63-71
• 5.1 测试平台搭建63-64
• 5.2 系统管理功能测试64-66
• 5.2.1 用户管理64-65
• 5.2.2 网络节点管理65-66
• 5.2.3 员工管理66
• 5.3 串口功能测试66-67
• 5.4 节点配置及查询功能测试67-70
• 5.4.1 节点查询功能67
• 5.4.2 参考节点配置及查询功能67-68
• 5.4.3 移动节点配置及定位功能68-70
• 5.5 本章小结70-71
• 结论与展望71-73
• 致谢73-74
• 参考文献74-78
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果78

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本文编号：921998