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基于WSN混合定位算法的研究

作　者: 张婷婷
导　师: 郁进明
学　校: 东华大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 无线传感器网络 定位技术 Mass-spring优化 ZigBee Z-Stack
分类号: TP212.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


本文主要对无线传感器网络(WSN)的节点定位技术进行了探讨和研究。首先,论文查阅了大量相关文献资料,论述了当前无线传感器网络的研究现状,概述了WSN的特点、传感器节点和定位技术等。本文重点研究了WSN免于测距定位算法中的DV-Hop算法和质心算法。通过MATLAB仿真深入讨论了网络中信标节点密度和总节点密度的变化对定位精度的影响。实验表明,信标节点密度越大,系统定位误差越小。然后,基于DV-hop算法,质心算法和Mass-spring优化算法的理论基础提出了一种新的DCMs混合定位算法。详细论述了该算法的基本原理,并从理论上证明了算法的收敛性。由MATLAB仿真结果表明：与传统的DV-Hop算法相比,DCMs算法使得节点定位精度有了较大提高,且不需要增加额外的硬件开销,进一步改善了定位性能,也为定位系统的实现提供了理论基础。接着设计了基于ZigBee协议的WSN定位系统来验证该定位算法。定位系统的硬件采用低功耗的传感器节点设计方案,节点的核心模块选用较为经典的片上系统CC2430芯片,用Cadence软件设计了节点硬件电路原理图和PCB；系统的软件部分采用集中处理式定位方案。首先基于IAR软件开发平台,重点研究了ZigBee协议栈的移植,分别实现了系统中网关节点,信标节点和未知节点的相应功能,并完成了DCMs定位算法应用程序的编写；然后在VS2008环境下利用C#开发相应的上位机监测软件,实现了定位结果的动态显示。最后,结合混合定位算法特性,在不同场景下分别进行了系统的软硬件调试,并通过实测取得了比较好的定位效果。该系统降低了对节点硬件的要求,减少了成本。实验表明该定位系统基本可行。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-8
目录  8-11
1 绪论  11-19
  1.1 研究背景  11
  1.2 国内外研究现状  11-13
    1.2.1 国外研究现状  11-12
    1.2.2 国内研究现状  12-13
  1.3 无线传感器网络概述  13-17
    1.3.1 无线传感器网络体系结构  13-14
    1.3.2 无线传感器网络的特点  14-15
    1.3.3 无线传感器网络的节点  15-16
    1.3.4 无线传感器网络的定位技术  16-17
  1.4 研究内容与结构安排  17-19
    1.4.1 研究内容  17-18
    1.4.2 结构安排  18-19
2 WSN定位算法的分析与研究  19-34
  2.1 引言  19
  2.2 节点定位算法的性能评价指标  19-20
  2.3 基于测距的定位技术  20-22
  2.4 免于测距的定位技术  22-32
    2.4.1 DV-Hop算法及仿真分析  23-29
    2.4.2 质心算法与仿真分析  29-32
  2.5 各定位算法性能比较  32-33
  2.6 本章小结  33-34
3 基于WSN的DCMs混合定位算法  34-44
  3.1 DCMs定位算法原理  34-38
    3.1.1 DCMs定位算法原理  34-37
    3.1.2 算法的收敛性分析  37-38
  3.2 仿真实验与结果分析  38-43
  3.3 本章小结  43-44
4 基于WSN的定位系统硬件设计  44-56
  4.1 引言  44
  4.2 节点设计方案讨论  44-46
  4.3 节点的总体设计规划  46-47
  4.4 CC2430模块  47-51
  4.5 辅助功能模块设计  51-54
    4.5.1 电源模块  51
    4.5.2 JTAG模块  51-53
    4.5.3 串行通信接口模块  53
    4.5.4 LED指示模块  53-54
  4.6 PCB设计  54-55
  4.7 本章小结  55-56
5 基于ZigBee协议的定位系统软件设计  56-76
  5.1 ZigBee协议的体系结构  56-58
  5.2 软件开发流程  58-59
  5.3 ZigBee协议栈的移植  59-63
    5.3.1 Z-Stack协议栈  59-62
    5.3.2 Z-Stack协议栈的移植  62-63
  5.4 应用程序的开发  63-75
    5.4.1 网关节点  65-68
    5.4.2 信标节点  68-70
    5.4.3 未知节点  70-71
    5.4.4 DCMs定位算法的实现  71-75
  5.5 本章小结  75-76
6 实验与数据分析  76-84
  6.1 实验步骤  76-80
    6.1.1 程序下载  76-77
    6.1.2 节点布设  77
    6.1.3 系统调试  77-80
  6.2 实验场景  80-81
  6.3 定位结果及误差分析  81-83
  6.4 本章小结  83-84
7 总结与展望  84-86
  7.1 研究成果及创新点  84-85
  7.2 后续工作与展望  85-86
参考文献  86-90
附录  90-92
攻读硕士期间发表的学术论文  92-93
致谢  93

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器（变换器）、传感器 > 传感器的应用
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