基于ZigBee的无线传感网络定位技术研究与实现

发布时间：2017-09-19 16:32

  本文关键词：基于ZigBee的无线传感网络定位技术研究与实现

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【摘要】：随着无线传感网络(Wireless Sensor Networks, WSNs)相关领域的理论知识的迅猛发展,无线传感网络定位技术在森林防火、环境监测和军事国防得到广泛的应用。然而在各个环境中,由于环境的复杂性、节点发射功率的限制、电磁波的干扰和通信距离的影响,这将会严重影响RSSI值的准确性,从而影响定位的精度。因此如何使无线传感网路更好的适应不同的环境、消除其它因素对定位的影响,这对无线传感网络定位有重要的作用。本文在研究大量的文献资料和传感器节点设计的基础上,通过IAR和Altium Designer软件设计了无线传感节点的硬件平台和软件平台。硬件平台由液晶显示模块、按键模块等,射频TI CC2520模块等组成。软件平台设计包括未知节点软件设计、参考节点软件设计和网关节点软件设计。并从理论模型和实测模型进行定位系统平台搭建,为后续在不同环境下的实测实验打下基础。针对传统静态权重定位算法无法得到准确的定位精度,本文给出一种基于RSSI的自适应权重定位算法。RSSI值的准确与否直接关系到定位的准确性,而RSSI测距容易受环境、通信距离等影响影响,针对这个问题本文给出RSSI测距优化算法。首先将采集到的RSSI值集合求初始平均值,然后将RSSI值集合通过高斯滤波,滤出小概率事件,将过滤之后的RSSI值再求第二次平均值,最后通过公式推导消除传统测距算法的参数的影响,消除节点不同功率和其它因素的影响。由于静态权重定位算法中权重修正系数是固定的,本文提出让参考节点自适应获得最优权重修正系数,即判断计算的两组距离之差是否大于1.5m,如果结果大于1.5m,判断该节点对未知节点定位公式的导数正负值,导数为正(负),权重修正系数在区间内递增(减),直到找到距离之差最小所对应的最优权重修正系数。最后,通过Matlab仿真平台和实测实验验证改进算法的可行性。在MATLAB环境中模拟不同参考节点的数目、通信半径对定位精度的影响。在实测实验中,将传感器节点在室内(学院大厅)、室外(室外足球场)和井下巷道三种环境下搭建小型无线传感网络,测量和分析定位算法的定位精度。Matlab仿真实验和实测实验表明改进后的基于RSSI的自适应权重定位算法定位精度较高,在实际中具有可行性。
【关键词】：无线传感网络 接收信号强度 动态测距 静态权重定位 自适应加权
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212.9;TN92
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 无线传感网络概述10-11
• 1.2 无线定位技术概述11-12
• 1.3 国内外研究动态12-14
• 1.4 课题研究的目的及意义14
• 1.5 本文主要内容和章节安排14-16
• 第2章 无线传感网络定位技术理论基础16-26
• 2.1 无线传感网络定位基础理论16-20
• 2.1.1 无线传感网络相关术语16-17
• 2.1.2 ZigBee协议栈17-18
• 2.1.3 ZigBee网络拓扑结构18-20
• 2.2 无线传感网络典型定位算法20-24
• 2.2.1 基于测距的定位算法20-22
• 2.2.2 基于非测距的定位算法22-24
• 2.3 无线传感网络定位算法性能比较24-25
• 2.4 本章小结25-26
• 第3章 ZigBee定位节点的总体设计26-40
• 3.1 需求分析26-27
• 3.2 总体架构27-28
• 3.3 ZigBee无线射频芯片选型28-29
• 3.4 节点硬件电路设计29-33
• 3.4.1 无线通信模块29-31
• 3.4.2 电源电路模块31
• 3.4.3 JTAG显示模块31-32
• 3.4.4 按键模块32
• 3.4.5 液晶显示模块32-33
• 3.5 节点软件设计33-36
• 3.5.1 软件开发环境平台33
• 3.5.2 参考节点软件设计33-34
• 3.5.3 未知节点软件设计34-35
• 3.5.4 网关节点软件设计35-36
• 3.6 定位系统平台的构造36-39
• 3.6.1 节点功能及测试36-37
• 3.6.2 定位系统理论模型构造37-38
• 3.6.3 实测模型构造38-39
• 3.7 本章小结39-40
• 第4章 基于RSSI的自适应权重定位算法40-57
• 4.1 无线信号路径损耗模型40-42
• 4.1.1 自由传播路径损耗模型40-41
• 4.1.2 双线地面反射模型41
• 4.1.3 对数距离路径损耗模型41
• 4.1.4 对数-正态阴影模型41-42
• 4.2 基于RSSI测距优化算法42-44
• 4.2.1 传统RSSI测距模型42-43
• 4.2.2 RSSI测距优化算法43-44
• 4.3 静态权重定位算法的优化44-53
• 4.3.1 静态权重定位算法模型44-45
• 4.3.2 权重修正系数特性分析45-49
• 4.3.3 自适应权重定位算法的仿真49-50
• 4.3.4 自适应权重定位算法仿真流程50-53
• 4.4 MATLAB仿真53-55
• 4.4.1 相关参数设置53
• 4.4.2 仿真结果分析53-55
• 4.5 本章小结55-57
• 第5章 定位方法的实现与结果分析57-67
• 5.1 室内环境无线传感网络实验57-60
• 5.2 室外环境无线传感网络实验60-63
• 5.3 井下巷道环境无线传感网络实验63-66
• 5.4 本章小结66-67
• 总结与展望67-69
• 参考文献69-73
• 致谢73-74
• 附录A (攻读学位期间发表的论文、专利和参与项目)74

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本文编号：882732