农田环境无线传感器网络定位技术研究与实现

发布时间：2017-04-16 00:02

  本文关键词：农田环境无线传感器网络定位技术研究与实现，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：无线传感器网络是当前国内外备受关注的热点研究领域之一,它能够实时监测和采集网络分布区域的各种监测对象的信息,具有广阔的应用前景。位置信息作为无线传感器网络应用一个基本的需求,是无线传感器网络广泛应用的前提。农业环境是无线传感器网络的重要应用领域,农业环境无线传感器网络定位技术研究对该技术在农业环境应用意义重大,有必要进行深入研究。本文以麦田环境为应用背景,在分析当前定位技术发展现状的基础上,研究了基于测距的无线传感器网络定位技术,重点从无线信号传播模型和定位算法两方面进行了探索,同时以ZigBee网络为平台验证了该算法在麦田环境的可行性,具体工作和成果如下:(1)分别基于测距和非测距的分类方法介绍了当前几种常见的定位技术的基本原理和适用场景。测距定位技术方面,分别介绍了基于TOA、TDOA、AOA和RSSI的测距方法,然后介绍了三边定位法、多边极大似然估计法和角度测量法三种基于测距的定位机制。简要介绍了几种典型基于非测距的定位技术的基本原理。在充分介绍各种定位算法特点的基础上,对比分析了各种定位技术的优势及局限性。(2)为探索无线传感器网络信号传播规律,基于CC2530EM构建的ZigBee网络节点在麦田进行了2.4 GHz无线信道路径损耗测试,在分析信道路径损耗变化趋势的基础上,分别对比分析了采用自由空间模型、双射线模型、单折线和双折线对数距离模型四种路径损耗模型的建模结果。结果表明,自由空间模型和双射线模型不适用于该环境下建模,单折线和双折线对数距离模型适用于麦田环境2.4 GHz无线信道路径损耗建模。(3)基于多种无线信道路径损耗模型对比分析及定位需求,确定了单折线对数距离模型作为信道路径损耗模型,并确定了最优天线高度及信号发射功率。基于该模型,提出三边定位法和质心定位法相结合的新型三边-质心定位算法,并给出了算法流程与具体计算方法与参数。通过MATLAB进行了算法仿真分析,得到了仿真结果。结果表明,与传统三边定位法和质心定位法相比,该算法能够得到更小的定位误差。(4)基于CC2530EM硬件平台,将本文提出的三边-质心定位方法与ZigBee协议栈相结合进行定位算法开发,并开发了相应的上位机定位软件,以图形界面显示定位结果,在实际麦田环境组建ZigBee网络进行了验证实验。实验结果表明,该算法能够实现未知节点实时定位,算法具有较高的稳定性和准确性,同时该平台也能稳定运行。
【关键词】：无线传感器网络 节点定位 无线信号路径损耗模型 农田环境
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S126;TN929.5;TP212.9
【目录】：

• 摘要6-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-16
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-13
• 1.3 研究内容13-14
• 1.4 技术路线14
• 1.5 论文组织结构14-16
• 第二章 无线传感器网络定位技术16-28
• 2.1 无线传感器网络概述16-18
• 2.1.1 传感器网络节点和网络体系结构16-17
• 2.1.2 无线传感器网络的主要特点17-18
• 2.2 节点定位技术的基本概念及分类18-22
• 2.2.1 定位技术基本术语18-19
• 2.2.2 定位性能的评价指标19-20
• 2.2.3 基本定位算法分类20-22
• 2.3 基于测距的定位技术分析22-25
• 2.3.1 典型测距方法的基本原理22-23
• 2.3.2 基于测距的典型定位机制23-25
• 2.4 基于非测距的定位技术分析25-27
• 2.5 本章小结27-28
• 第三章 麦田环境无线信道路径损耗建模28-43
• 3.1 无线信道传播试验28-29
• 3.1.1 试验装置与所需材料28
• 3.1.2 试验环境28
• 3.1.3 试验方法28-29
• 3.2 信道路径损耗变化趋势分析29-31
• 3.3 信道路径损耗建模分析31-42
• 3.3.1 基于自由空间模型的路径损耗分析32-33
• 3.3.2 基于双射线模型的路径损耗分析33-34
• 3.3.3 基于单折线对数距离模型的路径损耗回归分析34-36
• 3.3.4 基于双折线对数距离模型的路径损耗回归分析36-42
• 3.4 本章小结42-43
• 第四章 基于RSSI测距的三边-质心定位算法43-52
• 4.1 节点间距计算43-44
• 4.1.1 无线信号传播模型选择43
• 4.1.2 节点间距计算公式43-44
• 4.2 节点坐标计算方法44-46
• 4.3 算法流程46
• 4.4 算法验证实验及结果分析46-51
• 4.4.1 实验场地设置46-47
• 4.4.2 定位结果及分析47-51
• 4.5 本章小结51-52
• 第五章 定位平台实现与验证52-58
• 5.1 整体系统方案52
• 5.2 硬件平台52-54
• 5.3 软件平台54-56
• 5.3.1 工作流程54-55
• 5.3.2 功能与界面55-56
• 5.4 平台验证56-57
• 5.5 本章小结57-58
• 第六章 结论和展望58-60
• 6.1 结论58
• 6.2 创新点58-59
• 6.3 展望59-60
• 参考文献60-63
• 致谢63-64
• 作者简介64

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 李东岳;王英龙;魏诺;刘颖慧;于伟;郭强;;信号强度和运动向量结合的无线传感器网络移动节点定位[J];电子学报;2010年S1期

2 陈维克;李文锋;首珩;袁兵;;基于RSSI的无线传感器网络加权质心定位算法[J];武汉理工大学学报(交通科学与工程版);2006年02期

3 高鹏;石为人;;基于测距定向的WSNs分步求精定位算法[J];仪器仪表学报;2012年05期

  本文关键词：农田环境无线传感器网络定位技术研究与实现，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：309540