无线传感器网络定位技术研究

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3.0 高德中 2024-11-19 5 4 4.53MB 50 页 15积分
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线
摘要
无线传感器网络融合了传感器技术、嵌入式技术、分布式信息处理技术和无线
通信技术,能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或者监测对象的信息,
且对其进行处理,传送给所需要的用户。
作为无线传感器网络的主要支撑技术之一,节点定位技术是大多数应用的
提和基础。节点定位技术即利用少数已知位置的节点,按照某种定位机制确定
节点的位置。只有在节点自身正确定位之后,才能确定传感器节点监测到的事
的具体位置。因此,研究无线传感器网络节点定位技术具有十分重要的理论和
际意义。
本文重点研究了无线传感器网络节点自身定位技术,为以后的应用开发和
究打下了基础。论文所做的主要工作如下:
1) 分析了目前现有的定位技术并分类介绍各种定位算法的原理和性能,重
点讨论了基于距离的定位算法,包括三边定位和多边定位方法。利用 Matlab 仿真
了多种定位算法,并分析了定位算法的性能。
2) 详细介绍了节点定位系统的设计和实现方法,包括两种方案。第一种方
案是利用 TI 生产的射频芯片 CC2430/CC2431 作为硬件平台,使用 TinyOS 操作系
统作为软件平台开发参考节点、盲节点和命令节点的程序,该方案是利用芯片
CC2431 定位引擎实现节点定位。第二种方案是CC2430 上通过软件设计实现节
点定位,设计了基于 RSSI 测距的定位系统。
3 使用实际系统对基于 RSSI 测距定位方法的定位精度进行了测试,分析
了测试数据,并对现有的 WSN 定位技术进行了总结。
关键词:无线传感器网络 节点定位 距离相关 ZigBee TinyOS
RSSI
ABSTRACT
Wireless Senor Network is integration of sensor techniques, nested computation
techniques, distributed computation techniques and wireless communication techniques.
It can be used to testing, sensing, collecting and processing information of monitored
I
objects and transferring the processed information to users.
The performance of node localization which is regarded as one of the sustainable
techniques in WSN has been the basis of most applications in WSN. Self-localization of
senor is to get the position information of node by using information of some known
nodes and some special mechanisms. Correct self-localization of sensor nodes in the
promotion of monitoring events normally. Therefore, the study of node location
technology of wireless sensor network has important theoretical and practical
significance.
This thesis focuses on the problem of self-localization in WSN and makes
foundation on the research and application of the self-localization in WSN The
concrete content is as follows
(1) This thesis introduces the existing localization technology and classifies various
localization algorithms, and range-based methods are carefully given. The node location
calculation can adopt trilateral method or multilateral method. Use Matlab to simulate
some localization algorithms, and analyzes the performances of some localization
algorithms.
(2) This thesis carefully introduces the designing of the node localization system,
including two ways. The system adopts the hardware platform based on the RF chip
CC2430 / CC2431 based on ZigBee of TI to design, use the operating system TinyOS as
the software platform to develop reference node, blind node and command node. The
node localization can use the localization engine of the chip CC2431.The second way is
that the thesis also gives how to achieve the node localization based on the chip
CC2430.The localization system is based on range-based methods of the localization
algorithm, and use a location algorithm based on RSSI.
(3) Based on the RSSI, the system gives experiments. This thesis analyzes the test
data and summarizes the system
Keywords wireless sensor network, node location, range-
basedZigBee, TinyOS, RSSI
II
ABSTRACT
第一章 绪论..........................................................1
§1.1 研究背景....................................................1
§1.2 无线传感器网络定位技术......................................1
§1.3 论文的组织结构..............................................3
第二章 无线传感器网络................................................4
§2.1 无线传感器网络概述..........................................4
§2.2 WSN 的体系结构..............................................4
§2.2.1 WSN 的网络结构........................................4
§2.2.2 WSN 的节点结构........................................5
§2.2.3 WSN 的协议栈..........................................6
§2.3 WSN 的特点及性能评价........................................7
§2.3.1 无线网络标准比较......................................7
§2.3.2 WSN 的网络特征.........................................7
§2.3.3 WSN 的性能评价.........................................8
§2.4 WSN 的研究热点..............................................9
§2.5 WSN 的典型应用..............................................9
§2.6 本章小结...................................................10
第三章 无线传感器网络定位技术.......................................11
§3.1 WSN 定位技术简介...........................................11
§3.1.1 基本概念.............................................11
§3.1.2 定位算法分类.........................................11
§3.1.3 定位算法的评价标准...................................12
§3.1.4 WSN 的定位技术应用....................................13
§3.2 基于距离的(range-based)定位算法..........................14
§3.2.1 多边定位法和三边定位法...............................14
§3.2.2 常用的测距技术.......................................16
§3.3 定位算法仿真实现...........................................19
§3.3.1 仿真平台 Matlab 简介..................................19
§3.3.2 定位算法实现流程.....................................20
§3.3.3 实验验证.............................................22
§3.4 本章小结...................................................25
第四章 无线传感器网络定位系统的设计与实现...........................26
§4.1 WSN 定位系统的实现.........................................26
§4.1.1 ZigBee 解决方案.......................................26
§4.1.2 系统结构和工作原理...................................27
§4.1.3 定位系统硬件平台......................................28
§4.1.4 软件开发平台.........................................30
§4.2 无线传感器网络操作系统 TinyOS..............................30
§4.2.1 TinyOS 框架..........................................31
I
§4.2.2 硬件平台象.........................................32
§4.2.3 度机制.............................................33
§4.2.4 Nesc开发语言.........................................34
§4.3 WSN 定位系统设计...........................................35
§4.3.1 嵌入式软件系统结构...................................35
§4.3.2利用 RSSI方法测距的定位机制.........................36
§4.3.3 CC2431 定位软件的实现.................................38
§4.3.4 基于 CC2430 定位软件设计..............................41
§4.4 WSN 定位系统实验...........................................44
§4.4.1 节点布置.............................................44
§4.4.2 测试结与分析.......................................45
§4.5 本章小结...................................................46
章 总结和展望...................................................47
§5.1 设计总结...................................................47
§5.2 展望.......................................................47
参考文............................................................48
II
第一章 绪论
第一章 绪论
§1.1 研究背景
类进入 21 微电子 (MEMSmicro-electro-mechanism
system)传感技术、成电路片上系统和网络通信技术的快速加速了具
意义的无线传感器网络[1][2](WSNWireless Sensor Networks)的产生和发
使传感器本身的传感手段更丰富处理能力更强积更趋小型
统组式网显著降低从而使无线传感器网络在
用和领域广应用前景。现在,
通信平台大地便人们的信。无线传感器网络丰富信息
将客观世信息在下互联中将
人们供最直接真实的信息。1999 商业周刊2003 MIT
术评论分别将2l 世纪最重要的技术和 10 个将改变世界的技术之一。美国
20 实际 90 年代就了传感器网络的研究工作,并首先方应用和推广
领域中Crossbow 公司MICA 无线传感器平台已产品化和系列化
线[12]
信息产业科技发展“十一五”2020 年中长期规划要)中将智能信息
处理和通信网络技术确定为网络与通信领域 11 主要技术领域之一,
技术确定为我国需要重点研究的技术,在其发目标包括RFID
感器网络等物通信网络技术的研发,主知术和
完善广 RFID 感器的应
示范效应的应用范例,为无处在、物共享的网络应用定基础国家
然科金委员会十分线传感网络技术的,并且已经审无线
感器网络相关的多重点课题
§1.2 无线传感器网络定位技术
无线传感器网络的定位技术[12]是无线传感器网络[3]的研究热点之一。在无线传
感器网络应用领域需要节点标位置信息。位置信息对于
线传感器网络的监测十分重要。传感器节点监测的信息要和标信息对应才
完成了一监测对象的确,所以确件发生的位置是传感器网络基本
能之一。到节点价功耗以及硬件性能制,造成了节
点自身定位仍然是一个问题这也成为了制无线传感器网络技术发瓶颈
在传感器网络展起来前,传统的定位方法是用 GPS 系统实现定位。GPS
统需要接收空中几个卫星进行通信,GPS 接收机通过接收卫星号来估
1
摘要:

无线传感器网络定位技术研究摘要无线传感器网络融合了传感器技术、嵌入式技术、分布式信息处理技术和无线通信技术,能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或者监测对象的信息,并且对其进行处理,传送给所需要的用户。作为无线传感器网络的主要支撑技术之一,节点定位技术是大多数应用的前提和基础。节点定位技术即利用少数已知位置的节点,按照某种定位机制确定盲节点的位置。只有在节点自身正确定位之后,才能确定传感器节点监测到的事件的具体位置。因此,研究无线传感器网络节点定位技术具有十分重要的理论和实际意义。本文重点研究了无线传感器网络节点自身定位技术,为以后的应用开发和研究打下了基础。论文所做的主要工作如下:(1)分...

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