基于射频信号强度的零配置室内定位系统

摘要

无线传感器网络综合传感器、嵌入式计算技术，通过无线通信实现自组织，形成分布式自治网络，已成为国内外信息技术领域的研究焦点。以数据为中心的传感器网络只有把数据与位置信息分别对应上，才能达到信息世界到物理世界逆映射，实现信息与实体的交互。定位技术是无线传感器网络的关键支撑技术之一，对覆盖部署、拓扑控制、路由通信和目标跟踪等影响甚大，贯穿了无线传感器网络各个环节的技术研究。 室内是与人类生活生产关系最密切的场合，室内位置服务存在大量应用需求；但室内信号影响因素多，特性复杂，室内定位技术是近年研究的难点和热点。本文针对室内信号复杂特性，查阅整理了室内无线传播特性相关文献，分析了多个典型系统设计思想和优缺点，在此基础上提出并设计了基于无线传感器网络信号强度差异的零配置室内定位系统。 通过大量室内外实验，对比总结了室内信号特点，提出了一种基于信号强度差异的零配置、环境自适应、分布式定位算法iNemo。算法匹配比较目标信号和信标信号，计算信号差异，再取匹配差异的负指数函数作为加权系数，采用加权质心估计目标位置。 完成了基于异构层次网络的实验系统的总体设计，初步实现了系统底层网络节点组管理机制和基站GUI及数据处理等工作。提出应用组管理策略对网络节点进行协调，建立组的构建、维护机制，并考虑各种可能异常，分别给出解决方案。 在无线传感器节点上实现该算法，并于多个室内场景对算法性能进行了分析评估。结果表明采用该系统能够在100m<'2>定位区域内仅利用4个信标点实现平均误差2m，90％定位结果误差在3m以内的定位精度；且算法在多个不同室内环境都能保持较好的定位精度，具备一定环境适应性。系统部署简单，无须信号地图人工配置，特别适于医疗监护等应用。

目录

文摘

英文文摘

致谢

第1章无线传感器网络概述

1.1引言

1.2无线传感器发展概述

1.2.1原理及结构

1.2.2特点与挑战

1.2.3发展历程

1.2.4研究现状

1.2.5应用领域

1.3本文研究意义及主要工作

1.3.1研究意义

1.3.2主要工作

1.4论文结构

第2章室内定位系统研究现状

2.1定位系统基本原理和室内定位难点

2.1.1定位系统基本原理模型

2.1.2室内定位存在难点

2.2定位算法分析

2.2.1定位数学模型

2.2.2定位算法分类

2.2.3定位算法详述

2.3室内定位系统分类

2.3.1依据系统是否建立信号分布地图

2.3.2依据系统硬件的构建形式

2.3.3依据系统信息的获取方式

2.3.4其他分类方式

2.4典型室内定位系统介绍及评价

2.4.1微软研发中心的Radar原型系统

2.4.2 Harvard大学的MoteTrack

2.4.3 Rutgers大学的Bayesian定位

2.4.4 Auburn大学的ARIADNE

2.4.5 UIUC的零配置系统

2.5系统汇总比较

2.6发展趋势

第3章室内信号特性研究

3.1无线传播机制和室内传播环境

3.1.1无线传播机制

3.1.2室内无线传播环境

3.2室内无线传播模型

3.2.1经验模型

3.2.2确定性模型

3.3室内测试实验及分析

3.3.1室外实验

3.3.2室内实验

3.3.3实验结论

第4章基于信号差异的环境自适应定位算法

4.1研究对象性质

4.1.1室内无线信道特性

4.1.2无线传感器网络特点

4.1.3定位目标特点

4.2研究目标

4.3研究思路

4.3.1信号滤波

4.3.2分布式差异计算(环境自适应)

4.3.3位置加权质心计算

4.3.4位置预测与滤波

4.4算法基本思想

4.5基于信号差异的的环境自适应定位算法iNemo

4.5.1算法描述

4.5.2算法实现步骤

4.5.3数据包处理流程图

4.6系统优化

第5章实验系统设计实现

5.1实验系统总体设计

5.2实验系统软硬件选型

5.3组成模块

5.3.1网络节点层—动态组管理

5.3.2基站层—GUI及数据处理与显示

第6章i Nemo定位算法性能评估

6.1性能评价指标

6.2测试实验部署

6.3算法实现及资源开销

6.3.1数组说明

6.3.2算法实现

6.3.3资源耗用

6.4算法性能评估

6.4.1差异计算函数选择

6.4.2信标密度影响

6.4.3网络规模影响

6.4.4系统应用环境影响

6.4.5节点发射功率影响

6.5本章小结

第7章总结与展望

7.1全文总结

7.2研究展望

参考文献

附录