一种改进的无线传感器网络DV-Hop定位算法的研究

摘要

本文主要针对无线传感网络(Wireless Sensor Network, WSN)中的节点定位技术进行了深入的探讨和研究。众所周知,确定传感器节点的自身位置和事件发生的位置对于无线传感网络的监测活动是至关重要的,但由于受到成本,功耗,体积等因素的限制,对节点的定位技术带来了许多的困难,也提出了更高的要求。通过查阅大量相关的文献资料,本文介绍了无线传感网络当前的研究现状、特点以及定位技术。目前无线传感网络的定位算法主要分为两种类型,即基于距离(range-based)的定位算法和距离无关(range-free)勺定位算法。本文着重针对距离无关定位算法中的DV-Hop算法和质心算法以及基于距离定位算法中的接收信号强度指示(Received Signal Strength Indicator, RSSI)定位算法进行了详细的分析和讨论,并根据信标节点密度和节点密度对其定位精度的影响分别进行了MATLAB仿真,通过实验结果分析了网络中节点分布情况的变化对定位精度的影响。基于DV-Hop算法,质心算法和RSSI定位算法的理论基础,考虑这三种算法各自的优势和不足,本文针对无线传感网中传统的DV-Hop定位算法精度不高的问题,又提出了一种改进的DV-Hop定位算法,文章论述了该改进算法的基本原理。通过MATLAB仿真结果表明:与传统的DV-Hop算法相比,改进的DV-Hop算法进一步改善了定位性能,使得节点定位精度有了较大的提高,且不需要增加额外的硬件开销。本文设计了基于ZigBee协议的WSN定位系统来验证该定位算法。论文定位系统的硬件设计方案贯彻低功耗,低成本的理念。节点的核心模块采用较为经典的片上系统CC2430芯片,利用Protel软件完成了节点硬件的电路设计,系统软件设计方案基于IAR软件开发平台,研究了ZigBee协议栈,并将其移植,依据定位算法原理编写程序,完成了相关应用程序的开发,并实现了网关节点、参考节点和未知节点的相应功能,最后利用C#开发了相应的上位机定位监测软件,可以动态地显示定位结果。最后,设计了基于改进的DV-Hop定位算法的WSN定位系统的实验测试方案,该方案结合了改进的定位算法的特性,通过实测取得了较好的定位效果,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。

目录

摘要

Abstract

目录

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 无线传感器网络概述

1.3.1 无线传感器网络体系结构

1.3.2 无线传感器网络的特点

1.3.3 无线传感器网络的节点

1.3.4 无线传感器网络的定位技术

1.4 研究内容与结构安排

1.4.1 研究内容

1.4.2 结构安排

2 WSN定位算法的分析与研究

2.1 引言

2.2 节点定位算法的性能评价指标

2.3 基于测距的定位技术

2.3.1 节点间距离或角度的测量方法

2.3.2 各测距方法的比较

2.3.3 节点定位计算方法

2.3.4 RSSI定位算法原理与仿真分析

2.4 免于测距的定位技术

2.4.1 质心算法与仿真分析

2.4.2 DV- Hop算法及仿真分析

2.5 现有定位算法比较分析

2.6 本章小结

3 改进的DV-Hop定位算法

3.1 定位算法原理

3.1.1 通过RSSI修正的DV-Hop定位算法(RDV-Hop)

3.1.2 校正未知节点估计位置的DV-Hop算法(CDV-Hop)

3.2 仿真实验与结果分析

3.3 本章小结

4 基于WSN的定位系统硬件设计

4.1 引言

4.2 节点设计方案

4.3 节点的总体设计规划

4.4 CC2430模块

4.5 辅助功能模块设计

4.5.1 电源模块

4.5.2 JTAG模块

4.5.3 串行通信接口模块

4.5.4 LED指示模块

4.6 PCB设计

4.7 本章小结

5 基于ZigBee协议的定位系统软件设计

5.1 ZigBee协议的体系结构

5.1.1 ZigBee协议栈

5.1.2 ZigBee定位网络模型

5.1.3 定位系统网络结构

5.2 软件开发流程

5.3 上位机软件设计

5.4 ZigBee协议栈的移植

5.4.1 Z-Stack协议栈

5.4.2 Z-Stack协议栈的移植

5.5 应用程序的开发

5.5.1 网关节点

5.5.2 参考节点

5.5.3 未知节点

5.5.4 RCDV-Hop定位算法的实现

5.6 本章小结

6 实验与数据分析

6.1 实验步骤

6.1.1 程序下载

6.1.2 节点布设

6.1.3 系统调试

6.2 实验场景

6.3 定位结果及误差分析

6.4 本章小结

7 总结与展望

7.1 研究成果及创新点

7.2 后续工作与展望

参考文献

致谢

附录

作者在攻读硕士期间发表的学术论文