无线传感器网络节点定位技术研究与实现

论文摘要

随着无线传感器网络的深入研究和广泛应用,无线传感器网络受到越来越多的关注。无线传感器网络中随机布放大量的传感器节点,以自组织的方式相互协调工作,位置信息对无线传感器网络的监测活动至关重要,确定节点位置是传感器网络最基本的功能之一。基于多维标度的传感器网络定位算法能够实现精确传感器节点定位,被广泛采用;基于最小绝对值偏差准则的节点定位算法能够实现定位的稳健性,因此本文将重点研究基于多维标度和基于最小绝对值偏差准则的无线传感器网络定位算法,以及初步探索实际的实验平台上实现定位系统。首先,本文在查阅大量相关文献的基础上,综述了无线传感器网络节点定位技术的研究背景及国内外现状,介绍了无线传感器网络定位的分类方法以及典型的定位算法。其次,本文介绍了多维标度的传感器网络定位技术。比较了基于质心参考点情况下经典多维标度算法和基于节点参考点的多维标度算法,推导出以节点所在平面上任意一点作为参考点的多维标度算法,并给出无线传感器网络中节点位置误差估计的Cramér-Rao下界。再次,本文在分析多维标度算法代价函数的基础上,将代价函数改进为最小绝对值偏差准则的形式,并引入半定规划松弛模型,得出了稳健的基于最小绝对值偏差准则的传感器网络节点定位方法。仿真结果表明,在脉冲噪声条件下基于最小绝对值偏差准则的节点定位方法能够获得比经典多维标度算法更好的定位效果。最后,本文为实现实际的定位系统实验平台作了初步探索,利用单片机控制无线收发芯片nRF905发射无线电作为触发信号,使用超声波信号的到达时间来实现测距,最终达到定位的目的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文研究思路及章节结构
• 第二章 无线传感器网络节点定位技术
• 2.1 无线传感器网络概述
• 2.1.1 无线传感器网络结构
• 2.1.2 传感器节点结构
• 2.1.3 传感器网络的特征
• 2.2 无线传感器网络节点定位技术基本原理
• 2.2.1 基本概念
• 2.2.2 计算节点位置的基本方法
• 2.3 典型无线传感器网络节点定位算法分析
• 2.3.1 无线传感器网络节点定位算法分类
• 2.3.2 基于距离的定位
• 2.3.3 距离无关的定位算法
• 2.4 本章小结
• 第三章 不同参考点条件下多维标度定位方法的性能比较研究
• 3.1 测量模型
• 3.2 基于质心参考点的MDS 算法
• 3.3 基于任一网络节点为参考点的MDS 算法
• 3.4 基于平面上任意一点为参考点的MDS 算法
• 3.5 由相对坐标估计节点的真实位置
• 3.6 Cramér-Rao 下界
• 3.7 仿真结果及分析
• 3.7.1 仿真模型
• 3.7.2 评估标准
• 3.7.3 仿真结果
• 3.8 本章小结
• 第四章 基于LAD 准则的无线传感器网络节点定位方法
• 4.1 半定规划简介
• 4.1.1 凸优化、线性规划和半定规划
• 4.1.2 半定规划的标准形式
• 4.2 修正MDS 算法代价函数
• 4.2.1 经典MDS 算法的代价函数
• 4.2.2 LAD 准则下的代价函数
• 4.3 基于LAD 准则的节点定位方法
• 4.4 仿真结果及分析
• 4.5 本章内容小结
• 第五章 定位系统硬件实现
• 5.1 定位原理及系统构成
• 5.1.1 定位原理
• 5.1.2 系统构成及框图
• 5.2 硬件实现
• 5.2.1 器件介绍
• 5.2.2 定位系统模块功能描述
• 5.3 定位实验结果与分析
• 5.3.1 实验结果
• 5.3.2 误差分析
• 5.4 本章内容小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文工作的总结
• 6.2 进一步的工作
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果