无线传感器网络定位技术研究

论文摘要

无线通信技术和电子技术近十年的发展给传感器网络带来了技术生机以及广泛的应用前景。无线传感器节点有许多特性:能耗低,体积小,功能多样化。它满足了多点数据采集和短距无线通信的需求,大大拓展了无线传感器网络的创意应用。无线传感器网络定位技术研究是传感器网络技术研究中的一种,当前研究主要集中在定位算法及协议;物理测量技术(硬件系统实现等);应用解决方案上。无线传感器网络的特点与传统的网络特点的不同,它优势在于能够在分布范围较广,大量节点随机抛洒的情况下经过自组织构建网络。大大扩展了应用的灵活性。定位系统在这种环境下的设计面临诸多挑战。首先,定位系统设计要考虑的是精度问题,如何在已有的距离测量模型下得到较精确的距离定位,如何在已有无线传播模型下进一步提高当前各种定位算法的精度。其次,考虑设计合适的定位协议,让无线传感器网络定位系统能够有效的运行,减小传输阻塞与节点能耗也是迫切需要解决的问题。第三,合适的硬件平台的设计也是当前众多研究者,公司专注解决的方面。针对这些问题,本文研究主要集中在几个方面:一、对无线传感器网络中定位误差的克拉美劳下限进行研究。已有研究得到了不同测距模型的单跳定位误差下限的结果,而与单跳网络不同的是多跳网络需要考虑误差传递问题,本文考虑了每一级传递中的不断增大的参考节点误差,从而得出了多跳传感器网络定位误差下限的计算方法。并且,得出的误差下限应用在了分布式加权多维尺度定位算法中,改进了其迭代过程中权值选择更新的方案。权值的确定综合了距离测量误差以及参考点误差,而参考点误差的估计正是应用了前述的误差下限计算方法,最终使得定位算法的精度有了较大的提高。二、考虑无线传感器网络定位中节点覆盖率的问题,许多节点在网络边缘由于定位信息不足而无法获得定位。本文设计了一套高效的能够快速收敛的定位协议:定位协议使用了推断的办法,利用多个邻居节点连接与否的信息推断可能的拓扑结构,同时排除不合理的位置计算值;而不是仅仅使用他们之间的距离信息进行计算。此种办法提高了能够获得定位的节点的比率。在协议交互设计中合理的调整了各个节点之间数据包发送的顺序以及数据交互原则;使得定位收敛的速度加快而又不明显的降低定位精度。三、对硬件仿真平台的设计,本文使用了当前主流的芯片选择方案:TI公司的MSP430系列MCU与CC10XX系列的无线模块为平台,结合了多路电源与电流监测模块设计。实现了对各个模块之间独立的功耗计量。也方便了将来对于节点功能的扩展。在软件上考虑使用TinyOS操作系统的部分功能,同时介绍了CC1020模块获得无线信号强度值的方法,这是获得距离测量值的简单有效的办法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 无线传感器网络研究背景
• 1.2 无线定位系统现状及发展
• 1.2.1 卫星定位及无线蜂窝网定位
• 1.2.2 无线局域网定位
• 1.2.3 无线传感器网络定位
• 1.3 本文的主要工作
• 第2章 无线传感器网络定位研究基础
• 2.1 三边/多边测量定位
• 2.2 Multidimensional Scaling定位方法
• 2.2.1 基于测距的传统MDS
• 2.2.2 基于连接度的MDS
• 2.3 基于统计概率方法定位
• 2.4 定位系统硬件及软件平台
• 2.4.1 硬件平台设计要点
• 2.4.2 软件平台
• 2.5 本章小结
• 第3章 传感器多跳定位误差分析及应用
• 3.1 引言
• .劳下限分析:'>3.2 定位误差中克拉美^.劳下限分析:
• 3.2.1 定位误差下限分析
• 3.2.2 距离误差和参考点误差总体考虑的CRLB分析
• 3.3 改进权值的MDS算法
• 3.3.1 dwMDS算法简述
• 3.3.2 owMDS中权值的优化
• 3.4 仿真结果及验证
• 3.4.1 owMDS仿真结果
• 3.4.2 CRLB仿真结果
• 3.5 本章小结
• 第4章 一种提高传感器网络定位覆盖率的快速定位算法
• 4.1 引言
• 4.2 高覆盖率的快速定位算法
• 4.2.1 三边定位算法
• 4.2.2 带位置推断的定位算法
• 4.3 快速收敛的分时定位协议
• 4.4 仿真结果
• 4.5 本章小结
• 第5章 传感器硬件平台的实现
• 5.1 硬件系统设计
• 5.1.1 系统选型
• 5.1.2 MCU与射频模块设计
• 5.1.3 电源设计
• 5.1.4 调试接口设计
• 5.2 软件部分设计
• 5.2.1 CC1020中的RSSI
• 5.2.2 RSSI在不同环境测试结果
• 5.3 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 已发表论文
• 致谢