无线传感器网络定位技术及其在煤矿安全监控中的应用研究

论文摘要

随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟,具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现,相应的无线传感器网络应运而生。无线传感器网络可广泛应用于国防军事、精细农业、环境监测、智能家居、城市交通等领域,并已成为人们的研究热点。在许多无线传感器网络应用中若没有提供位置信息几乎是没有应用价值的,如火灾预警、矿下安全、目标跟踪等应用都需要知道事件发生的位置信息。由于传感器节点受到能量、成本和体积的限制,这对无线传感器网络的定位技术的研究提出了新的挑战,即在满足定位精度要求的前提下还必须具有低能耗、低复杂性。目前,应用于无线传感器网络节点定位的技术主要有:基于测距（Range-Based）的定位技术和无需测距（Range-Free）的定位技术。前者需要额外地增加硬件开销,而且在测量距离和角度的准确性方面需要大量的研究;后者不需要知道未知节点到信标节点的距离或者不需要直接测量此距离,在成本和功耗方面比前者更具有优势。因此本文重点研究了无需测距技术的传感器网络定位算法和系统。本文首先对无线传感器网络定位技术做了一个整体概述,随后对现有的定位算法和系统进行了归纳比较,提出改进算法并进行系统实现。论文取得了如下成果:①探讨了无线传感器网络两类定位机制的优缺点;通过仿真实验,分析比较了典型的基于非测距技术定位算法在不同因素影响下的性能优劣。②针对传统APIT定位算法的局限性,提出了算法改进方案,给出了详细的算法过程,仿真结果表明,改进算法在信标节点稀疏的情况下,能明显提高定位精度和覆盖率,改善了定位性能。③基于IEEE802.15.4/ZigBee协议栈,选用Jennic公司的JN5121模块作为数据处理和无线收发的核心芯片,设计完成了煤矿安全监控系统,进行了改进算法实现并做了定位方面的实际测试。测试结果表明:系统可以完成人员定位功能,能够达到预期定位精度要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 无线传感器网络的定位问题
• 1.3 无线传感器网络定位技术发展概况及现状
• 1.4 课题研究背景、研究内容及创新点
• 1.4.1 论文背景
• 1.4.2 主要研究内容
• 1.4.3 创新点
• 1.5 本文的工作和组织结构
• 第二章 无线传感器网络定位技术
• 2.1 无线传感器网络概述
• 2.1.1 无线传感器网络体系结构
• 2.1.2 无线传感器网络通信协议
• 2.1.3 无线传感器网络的特点
• 2.2 无线传感器网络定位基本原理
• 2.2.1 节点定位概念
• 2.2.2 节点间距离（角度）测量方法
• 2.2.3 节点位置计算方法
• 2.3 WSN 定位算法和系统性能评价指标
• 2.4 典型的WSN 定位算法和系统
• 2.4.1 基于测距的定位机制
• 2.4.2 基于非测距的定位机制
• 2.4.3 两种定位机制性能比较
• 第三章 基于非测距技术的 WSN 定位算法性能分析
• 3.1 WSN 定位性能影响因素分析
• 3.1.1 仿真参数描述和实现细节
• 3.1.2 距离估算误差的影响
• 3.1.3 信标节点密度的影响
• 3.1.4 射频通信距离的影响
• 3.2 APIT 定位算法分析
• 3.3 APIT 定位算法的局限性
• 第四章 无线传感器网络 APIT 定位算法的改进
• 4.1 改进算法的提出
• 4.2 改进算法的流程
• 4.3 仿真实验及结果分析
• 4.3.1 仿真分析一
• 4.3.2 仿真分析二
• 第五章 改进算法在煤矿安全监控系统中的实现
• 5.1 系统概述
• 5.1.1 系统总体结构
• 5.1.2 系统硬件设计和实现
• 5.1.3 系统软件流程和实现
• 5.2 改进算法的实现过程
• 5.2.1 数据库及类设计
• 5.2.2 数据接口设计
• 5.2.3 安全性设计
• 5.2.4 主程序实现
• 5.3 系统定位功能界面
• 5.4 系统定位测试
• 5.4.1 ZigBee 通信距离测试
• 5.4.2 定位测试
• 5.5 本章小节
• 第六章 结论及未来的工作
• 6.1 论文总结
• 6.2 未来的研究工作与展望
• 致谢
• 攻读硕士学位期间从事的科研工作
• 参考文献
• 附录