室内环境下无线传感器网络节点定位技术研究

摘要

21世纪以来，随着微传感器技术、微电子技术、无线通信技术以及计算机技术的飞速发展，极大地推动了集信息采集、处理、传输等功能于一体的无线传感器网络的进步。无线传感器网络可以实现区域监测、信息采集、分布式处理、信息融合和数据传输等功能，代替人类对危险环境或人类无法到达的环境进行监测。在监测的过程中，位置信息是传感器节点采集数据中不可缺少的部分，没有位置信息的监测消息通常是毫无意义的，因此，节点定位技术对于无线传感器网络的应用有很重要的意义。
　　本文利用无线传感器网络中基于信号接收强度指示(RSSI)的定位技术，对室内环境中无线传感器网络未知节点的定位技术进行了研究。
　　在ZigBee协议的基础上，采用TI公司提供的芯片CC2430，设计了低成本、低功耗的无线传感器网络节点，测试了节点的性能，实现了节点的组网及数据的传输。
　　在室内复杂环境中，将参考节点倒挂在天花板，未知节点置于水平面，测试了RSSI的性质。RSSI特性分析的实验结果表明:相比于参考节点固定在水平面，将参考节点固定在天花板，RSSI有更好的集中性;根据室内三维空间的大小调整传感节点的发射功率，可以进一步提高RSSI的集中性;人员在发射节点附近会对RSSI产生影响，通过标准差大小可以判断节点附近是否有人或障碍物，所以，在室内三维空间中采用基于RSSI的测距技术是可行的。
　　最后，通过实测数据建立了室内环境的RSSI衰减模型，并利用分段补偿的算法对其测距误差进行了修正。将参考节点置于特殊坐标位置，建立三维坐标系，可以有效降低定位阶段的计算复杂度;根据实际环境中参考节点与未知节点的位置关系，给出了基于水平距离的RSSI测距方案，RSSI与水平距离呈线性关系，可以大大降低测距过程的计算量。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 无线传感器网络

1．1．1 无线传感器网络特点

1．1．2 无线传感器网络应用

1．1．3 无线传感器网络关键技术

1．2 节点定位技术概述

1．3 国内外研究现状

1．3．1 定位技术研究现状

1．3．2 RSSI技术研究现状

1．4 论文研究背景及意义

1．5 主要研究工作及章节安排

第2章 无线传感器网络节点定位技术

2．1 ZigBee技术

2．1．1 ZigBee技术特点

2．1．2 ZigBee设备类型

2．1．3 ZigBee网络拓扑结构

2．2 经典定位算法

2．2．1 基于测距的定位算法

2．2．2 无需测距的定位算法

2．3 定位算法性能对比

2．4 本章小结

第3章 无线传感器网络节点设计

3．1 节点设计要点

3．2 节点硬件设计

3．2．1 微控制器

3．2．2 无线通信模块

3．2．3 电源管理模块

3．2．4 系统时钟模块

3．2．5 串口通信模块

3．2．6 外围扩展模块

3．3 节点软件设计

3．3．1 软件整体设计

3．3．2 无线发送程序

3．3．3 无线接收程序

3．3．4 FLASH操作程序

3．3．5 按键和液晶程序

3．4 本章小结

第4章 室内无线传感器网络的RSSI特性分析

4．1 节点测试

4．1．1 串口测试

4．1．2 点对点通信功能测试

4．1．3 组网功能测试

4．1．4 室外节点发射方向一致性测试

4．1．5 节点室外信号衰减性能测试

4．1．6 节点室内发射功率测试

4．2 室内实验设置

4．3 参考节点位于天花板与参考节点位于水平面的对比

4．4 最佳发射功率

4．5 人员影响

4．5．1 有无人员的影响

4．5．2 人员方向的影响

4．6 RSSI的统计性质

4．6．1 RSSI的分布

4．6．2 RSSI的稳定性

4．6．3 RSSI与采样时间的关系

4．7 本章小结

第5章 基于RSSI测距的室内节点定位

5．1 室内RSSI衰减模型

5．1．1 建立室内RSSI衰减模型

5．1．2 室内RSSI衰减模型测距性能

5．1．3 室内RSSI衰减模型测距误差补偿

5．2 室内三维空间节点定位

5．2．1 室内空间节点定位算法

5．2．2 定位结果及误差分析

5．3 基于水平距离v的RSSI测距

5．3．1 基于水平距离v的RSSI衰减模型

5．3．2 基于水平距离v的RSSI测距模型误差分析

5．4 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A (攻读学位期间所发表的学术论文)

附录B (攻读学位期间所参与的科研项目)