ZigBee技术在室内定位中的应用研究

论文摘要

定位技术是无线传感器网络的核心支撑技术,基于RSSI的定位技术以其无需额外的硬件,定位成本低,已被无线传感器网络作为重要选择之一。作为GPS系统的补充,RSSI定位技术可广泛应用在GPS信号无法到达的场所。ZigBee技术以其低成本、低功耗、网络容量大等特有优势,近年来得到迅猛发展,被广泛看好并应用于无线传感器网络中。本文调研分析了国内外无线定位技术、无线传感器网络技术、ZigBee技术的研究现状,重点研究并开发了基于ZigBee技术的室内定位系统,对基于ZigBee技术的室内定位的方法理论进行了研究与验证。本文主要工作及创新点概括如下：1.实现了多种基于ZigBee平台的RSSI指纹匹配定位法,其中包括最近邻匹配法、最近K邻居匹配法和贝叶斯匹配法,并在贝叶斯算法基础上尝试了设定阈值的贝叶斯匹配法。在以MC13213为基础的ZigBee定位系统上,详细分析了室内信号强度的特征,为指纹匹配算法提供了实验依据。最后比较了四种算法定位结果,表明最邻近法平均定位误差能达到2m以下,而贝叶斯法平均定位误差能达到1.4m以下。2.分析了信号路径损耗模型,其中包括对数模型、多项式模型,根据路径损耗因子在不同环境下不同的思想,设计了一种新的模型。在室外空旷广场内,以CC2530为硬件平台的ZigBee网络中进行了测试,并获得大量实验数据。实验结果表明在近距离（<15m）下,新模型相对传统对数模型能达到更优效果,在中长距离（15m-110m）下,多项式模型则更优。3.针对室内等复杂环境,以普通加权质心算法为基础,设计了一种新的基于RSSI二维加权质心定位算法,并在此基础上提出了一种三维加权质心定位算法。在以CC2530为基础的ZiaBee定位系统上,分别在室外室内验证了算法的有效性,实验结果表明二维加权质心定位算法平均定位误差在2m以内,三维加权质心定位算法平均定位误差在3.3m以内。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 典型的无线定位系统
• 1.2.1 卫星定位导航系统
• 1.2.2 蜂窝无线定位系统
• 1.2.3 典型的室内无线定位系统
• 1.3 无线定位技术的发展
• 1.4. 论文的主要工作及内容安排
• 第2章 IEEE802.15.4及ZigBee技术标准
• 2.1 ZigBee技术概述
• 2.2 IEEE 802.15.4定义协议层
• 2.2.1 物理层PHY
• 2.2.2 媒体访问控制层MAC
• 2.3 ZigBee联盟定义的协议层
• 2.3.1 网络层NWK
• 2.3.2 应用层APL
• 2.4 ZigBee的拓扑网络结构
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于ZigBee无线传感器网络定位算法
• 3.1 无线传感网络定位系统
• 3.1.1 无线传感器网络概述
• 3.1.2 无线传感器网络定位系统和算法分类
• 3.1.3 无线传感器网络定位基本术语
• 3.2 位置相关参数的估计及算法
• 3.2.1 TOA
• 3.2.2 TDOA
• 3.2.3 AOA
• 3.2.4 RSSI
• 3.2.5 网络连通性
• 3.3 坐标估计算法
• 3.3.1 三边测量法
• 3.3.2 三角测量法
• 3.3.3 极大似然估计法
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于RSSI指纹匹配定位算法的研究与实现
• 4.1 位置指纹匹配算法
• 4.1.1 最近邻法
• 4.1.2 贝叶斯法
• 4.2 实验结果及分析
• 4.2.1 实验区域部署
• 4.2.2 信号特性分析
• 4.2.3 定位结果
• 4.3 本章小结
• 第5章 基于RSSI路径损耗模型定位算法的研究与实现
• 5.1 基于ZigBee技术的RSSI路径损耗模型分析
• 5.1.1 路径损耗模型
• 5.1.2 实验结果分析
• 5.2 二维加权质心法
• 5.2.1 二维加权质心定位算法设计
• 5.2.2 实验结果及分析
• 5.3 三维加权质心法
• 5.3.1 三维加权质心定位算法的设计
• 5.3.2 三维定位实验结果及分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 进一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间研究成果