基于指纹匹配的WSN室内定位方法研究

摘要

无线传感器网络技术的革新在人类的生活生产中发挥着重要的意义，其中定位技术作为其重要分支，是国内外学者的重点研究对象。由于目前GPS等室外定位方法在室内环境中信号差，在场景复杂的室内环境中很难有效定位，因此研究可靠的室内定位方法具有重要意义。
　　测距定位主要利用部署在室内的基站节点发射的信号强度进行测距，通过多点测距即可计算待定位节点的坐标。但是该方法存在诸多缺陷，如室内场景复杂，基站发射的信号存在反射、折射等多径现象，因此根据信号强度进行测距很不准确，而且在室内部署基站节点成本巨大，很难大范围部署定位系统。非测距定位以指纹定位方法为代表，首先建立定位场景的特征指纹地图，然后匹配指纹地图，从而实现定位，该方法无需部署基站节点或部署少量基站节点即可实现准确定位，成本极小，且建立的定位区域指纹在长时间内不会发生变化，因此具有较高的可靠性。
　　结合目前国内外研究现状，本文提出了一种基于指纹匹配的WSN室内定位方法，该方法可分为三个步骤:一、构建定位区域中的信号强度指纹地图;二、匹配指纹地图定位;三、定位结果优化。在步骤一中，利用Kriging插值算法构建分辨率较高的定位指纹地图，步骤二中采用余弦相似度和空间索引进行目标定位，步骤三中采用K-means提高定位精度。
　　最后基于本文方法开发了WSN定位系统，采用Micaz节点作为基站节点，通过系统实验和仿真实验验证了定位方法在室内定位场景中具有较好的抗障碍物干扰性，定位误差在5cm左右。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国内研究现状

1.2.2 国外研究现状

1.3 研究目标和研究内容

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容

1.4 论文结构

1.5 本章小节

第2章 WSN室内定位概述

2.1 室内定位相关理论

2.1.1 相关概念

2.1.2 相关术语

2.1.3 定位算法评价指标

2.2 定位技术介绍

2.2.1 三边测量法

2.2.2 极大似然估计定位法

2.2.3 TOA定位算法

2.2.4 TDOA定位算法

2.2.5 基于WiFi的指纹定位方法

2.2.6 基于地磁的指纹定位方法

2.3 本章小结

第3章 定位系统总体框架

3.1 软件框架

3.2 硬件系统

3.3 本章小结

第4章 数据处理及定位指纹构建

4.1 信号强度数据预处理

4.2 定位区域指纹构建

4.2.1 自适应克里金(Kriging)插值算法

4.2.2 多维RSSI定位指纹构建

4.3 本章小结

第5章 指纹匹配定位方法及结果优化

5.1 匹配定位

5.2 定位结果优化

5.3 本章小结

第6章 实验分析

6.1 实验环境设置

6.2 实验结果分析

6.2.1 Kriging插值精度

6.2.2 区域划分对定位精度的影响

6.2.3 定位算法抗干扰性

6.2.4 定位结果优化

6.2.5 定位目标轨迹

6.3 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果