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摘要无线传感器网络节点定位技术是伴随着无线通信技术、嵌入式技术以及微机电系统技术的发展而兴起的新兴技术。传感器节点拥有低成本、大面积、设置灵活等优点。在实现无人探测周边环境的同时，可以拥有较高的定位精度，帮助人们更加客观的认知物质世界。本文首先分析了无线传感器网络节点定位技术的研究背景和意义，并比较了国内外研究无线传感网技术的现状。对于基础定位原理进行了介绍。对本研究所采用的RSSI 测距原理和TDOA 测距原理进行了深入分析，并对两种基础测距原理进行了优化，得出基于校验参数的 RSSI 补偿测距模型，以及基于温度补偿的改进 TDOA 测距模型。用MATLAB 软件对算法进行仿真模拟，验证了改进模型的定位精度。最后，设计了一种基于改进 RSSI和温度补偿 TDOA原理的加权质心定位算法，并通过仿真模拟，验证了组合算法的实验精度。41326
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毕业论文关键词 无线传感网节点定位 RSSI TDOA 组合算法
Title Algorithm research about wireless sensor node localizationbased on RSSI and TDOA
Abstract Wireless sensor network node location technology is a kind of emerging technologiesaccompanied by the rise of wireless communication technology, embedded technology andmems technology.The sensor nodes have the advantages of low cost, large area, flexible settingup.It can hold high positioning accuracy in an unmanned probe from the environment and helppeople to be more objective in the cognition of the material world.This paper firstly analyzes the background and significance of the research of wireless sensornetwork node location.It then compares the present situation of wireless sensor networktechnology between domestic and foreign researches. Basis for positioning principles areintroduced. This research has carried on the thorough analysis about the RSSI ranging principleand TDOAranging principleand the two kinds of basic principle of ranging are optimized.Then compensation rangingmodel of RSSI based on the calibration parameters and the improvement ranging model ofTDOA based on temperature compensation are obtained. By using MATLAB softwaresimulation, the model has been verified to improve positioning accuracy. Finally, we design aweighted centroid localization algorithm based on improved RSSI model and temperaturecompensation principle of TDOA, and through the simulation,the experiment precision ofcombination algorithm is verified.
Keywords Wireless sensor network node localization RSSI TDOA combination algorithm
目次
1绪论1
1.1研究背景及意义.1
1.2国内外研究现状.2
1.3网络仿真技术介绍2
1.4本文框架结构.3
2WSN定位原理.5
2.1测距原理简介.5
2.2Range-based定位原理6
2.3Range-free定位原理.8
2.4小结10
3RSSI算法分析及改进11
3.1信号衰减模型.11
3.2RSSI算法误差分析12
3.3RSSI算法仿真分析14
3.4改进RSSI算法.17
3.5小结20
4TDOA算法分析21
4.1TDOA测距原理21
4.2影响TDOA测距精度的因素.22
4.3基于温度补偿的TDOA测距模型.22
4.4定位精度实验22
4.5小结.24
5组合算法设计.25
5.1算法基本流程25
5.2加权质心定位算法26
5.3仿真分析.27
结论29
致谢30
参考文献.31
1 绪论1.1 研究背景及意义无线传感器网络（WSN），是指由复数的传感器组成的通信网络。网络中的传感器可以是静止的，也可以是移动的。它们利用自组织多跳的方式组成网络[1]。WSN 基于无线通信技术、片上系统和微机电系统，并通过一系列信息传递使观测者获得所需要的结果。无线传感器网络主要包括传感器节点、 汇聚节点以及任务管理终端三个部分[2]， 如图1.1所示。 在WSN中，传感器节点通过感知所在环境的特定信息，并在某些时刻将信息广播到汇聚节点，通过无线通信技术将信息发送至任务管理终端。在WSN 中，节点定位技术作为关键一环，通过控制网络中的信息交互，将传感器节点的位置信息反馈给观测者，这样所获得环境信息才有实际意义。节点定位技术一般包括节点自身的定位和目标定位。在获得节点位置信息的情况下，观测者可以根据此信息做出进一步决策，这样观测者就能和客观物质世界进行信息交互。本次研究是在基于定位信息的需求的前提下开展的。WSN 技术的出现，人们对世界的认识变得更加丰富。面对人类不便于亲临的地形地貌，如火山、沙漠等地，WSN 技术有着其他技术无可比拟的优势。加之无线传感器节点具有低成本，小体积，低耗能的优点，因此将这门技术应用于例如地貌探测、军事侦察、太空探索、智能家居等领域具有广阔的前景。1.2 国内外研究现状无线传感器网络的研究最早是由美国军方在上世纪80 年代初期提出，由卡耐基—梅隆大学进行的分布式传感器网络（DSN）的研究[2]。从军用领域逐渐延伸到民用领域，使得WSN这门技术得到了长足的发展。目前，国内外研究者已经研究出了一系列的成果，人们的生活质量也随之得到了改善。国外的研究机构在 WSN 技术上的成果颇丰。1992 年，剑桥大学提出了室内定位系统ActiveBadge[3]。2001年，美军在基于快速获取战场信息的目的下，提出了传感网通信计划[4]。2002 年，Intel公司率先将无线传感网应用于森林防火、疾病预防，以及环境监测等领域[5]。2003 年开始， 美国科学基金委员会 NSF通过资助的方式加入了 WSN 技术的开发研究[6]。 MIT负责开发了 uAMPS 项目[7]。除此之外，还涌现出了一系列的定位算法，如 Active Office[8]，Cricket[9]，基于 RSSI的Spot ON 定位系统[10]和Amorphous 算法[11]。国内的主要研究方向是在现有算法的基础之上进行优化，并形成精度更高的定位系统。赖旭芝等人提出了分布式定位算法[12]，这种算法是在网络连通性的基础上建立的。刘克中等改进了经典 Beacon-based 定位算法，提出了导标动态策略[13]。倪巍提出了一种室内定位算法，这种算法基于RSSI 测距原理，并加入了相应的随机变量作为误差补偿，提升了极大似然估计算法的精度[14]。2009年，哈尔滨工业大学彭保等人针对移动节点的定位问题提出了一种精确定位算法，该算法通过蒙特卡洛方法进行不断的预测和过滤，将定位区域尽量缩小以确定目标区域[15]。
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