基于测距的无线传感器网络节点设计及定位技术研究

论文摘要

无线传感器网络是涉及多学科交叉、备受国际关注的前沿高端科技,也是21世纪最热门的研究领域之一。无线传感器网络具有网络自愈能力强、网络规模大、覆盖区域广、网络自组织功能等优点,在农业、工业、医疗等各行各业有着广泛的应用并收到了良好的效益。基于测距的无线传感器网络定位技术有着较高的定位精度,对它的研究有着重大的理论和实际意义,已成为定位技术中的研究热点。由于传统的无线传感器网络节点能耗大、成本高,而且大多都工作在恶劣的环境中,这对无线传感器网络的大规模部署和节点的使用寿命提出了严峻挑战。同时,在大规模的无线传感器网络中,如何在保证定位精度的前提下,利用最少的锚节点来实现节点的定位也是一个值得研究的问题。针对以上问题,本文在查阅大量国内外文献的基础上,设计了一款功耗低、体积小、成本低,而且具有一定环境抗毁能力的无线传感器网络节点。同时,在深入研究通用型定位算法的基础上,对其进行改进,并用Matlab进行实验仿真,验证了算法性能的提高。最后将本文设计的无线传感器网络节点应用于环境应急车上,取得了预期的效果。本文的主要工作和成果如下:1.针对传统无线传感器网络节点存在的不足,完成了无线传感器网络节点的硬件设计,使其具有体积小、功耗低、成本低的特点和一定的环境抗毁能力。在软件上,使用C语言结合Keil C和XBee-PRO芯片协议规则实现了节点和上位机、节点间以及节点和仪表之间的通信。2.在深入研究无线传感器网络定位技术的基础上,对通用型定位算法进行了适当的改进,提高了升级的锚节点的定位精度,降低了下一阶段未知节点升级为锚节点的误差累积,并在Matlab软件上进行仿真,和改进前的通用型定位算法相比,在平均定位精度上有了一定的提高。3.将设计的无线传感器网络节点应用于环境应急车中,节点的小体积可以方便携带,方便部署,节点的低成本可以实现节点的大范围部署,节点的低功耗和环境抗毁能力大大延长了节点的使用寿命。同时,无线传感器网络定位技术也有助于构建污染物扩散模型。最后,无线传感器网络节点在环境应急车中的应用取得了良好的效果,改进的通用型定位算法在定位精度上有了显著提高,为下一步将定位技术应用于环境应急车以帮助构建实际污染扩散模型提供了软硬件平台和理论依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 无线传感器网络概述
• 1.2.1 无线传感器网络的特点
• 1.2.2 无线传感器网络与Ad-Hoc 网络的区别
• 1.2.3 无线传感器网络的应用领域
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 论文的组织安排
• 第2章 无线传感器网络节点设计
• 2.1 引言
• 2.2 硬件选型
• 2.2.1 微控制器选型
• 2.2.2 无线通信芯片选型
• 2.3 无线传感器网络节点硬件设计
• 2.3.1 节点硬件设计总体框图
• 2.3.2 双供电电源模块设计
• 2.3.3 微控制器模块设计
• 2.3.4 无线通信模块设计
• 2.3.5 接口设计
• 2.3.6 无线传感器网络节点实物图
• 2.4 无线传感器网络节点软件设计
• 2.4.1 无线通信模块API 模式
• 2.4.2 无线传感器网络节点程序设计
• 2.4.3 程序流程图
• 2.5 小结
• 第3章 基于测距的无线传感器网络定位技术研究
• 3.1 引言
• 3.2 定位的性能评价
• 3.3 定位技术的分类
• 3.4 距离和角度的测量方法
• 3.4.1 到达时间法（TOA）
• 3.4.2 到达时间差法（TDOA）
• 3.4.3 到达角法（AOA）
• 3.4.4 接收信号强度指示法（RSSI）
• 3.4.5 返回测距方案
• 3.5 节点位置计算方法
• 3.5.1 三边测量法
• 3.5.2 最大似然估计法
• 3.5.3 三角测量法
• 3.6 通用型定位算法（Generic Localized Algorithms）
• 3.6.1 通用型定位算法思想
• 3.6.2 通用型定位算法改进及实现
• 3.6.3 仿真结果与性能分析
• 3.7 小结
• 第4章 无线传感器网络在环境应急车上的实现
• 4.1 引言
• 4.2 无线传感器网络拓扑结构的选择
• 4.3 无线通信模块参数配置
• 4.4 数据传输
• 4.5 构建污染扩散模型
• 4.6 小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目及成果