本文關鍵詞：井下環(huán)境無線傳感器網(wǎng)絡定位技術研究與系統(tǒng)設計

  更多相關文章： 無線傳感器網(wǎng)絡 ZigBee RSSI WCL算法 Min-Max定位算法 系統(tǒng)設計

【摘要】：無線傳感器網(wǎng)絡定位技術作為無線傳感器網(wǎng)絡研究領域的一個重要分支,在許多領域有著重要的應用。當前我國煤礦安全事故頻發(fā),現(xiàn)有的RFID識別技術無法實現(xiàn)對井下作業(yè)人員的實時監(jiān)控,在事故發(fā)生后不能及時掌握被困人員的準確位置而錯過最佳的營救時間。因此井下人員實時定位技術的研究已成為不容忽視的研究課題,基于這樣的背景本文研究了基于無線傳感器網(wǎng)絡的井下人員定位技術,并對人員定位系統(tǒng)進行設計實現(xiàn)。首先,研究了無線傳感器網(wǎng)絡常用定位算法,包括基于測距的定位算法和無需測距的定位算法,重點分析了各種定位算法的計算復雜度和定位性能,總結各種定位算法的局限性和不足。在綜合考慮算法計算復雜度、定位性能、對硬件設配要求和礦井定位應用場景之后,選擇基于RSSI的定位算法作為本文研究的主要方向。其次,研究了井下環(huán)境無線信號傳播路徑損耗模型并在類似井下巷道環(huán)境的實驗室走廊進行RSSI試驗,根據(jù)最小二乘原理擬合得到路徑損耗模型參數(shù)；考慮到井下巷道各處環(huán)境差異較大,設計了一種在實際定位過程中路徑損耗系數(shù)動態(tài)計算的方法；針對RSSI值波動較大問題,采用了高斯濾波對多次接收的RSSI值進行處理并對濾波效果做了測試；針對井下巷道內無線信號反射、折射、多徑傳播比較嚴重導致測距誤差較大的情況,設計了一種參考節(jié)點輔助測距算法,該算法利用參考節(jié)點位置信息己知的前提條件,通過選取距離移動節(jié)點最近的參考節(jié)點輔助移動節(jié)點完成測距；針對井下定位的特殊應用場景,分別研究了加權質心定位算法(WCL)和Min-Max定位算法,這兩種算法的計算復雜度低對設備硬件要求不高非常適合能量和計算能力都十分有限的傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位的需求,最后對兩種算法在真實場景下的定位性能做了測試。再次,基于井下環(huán)境人員定位的需求。對井下環(huán)境無線傳感器網(wǎng)絡定位系統(tǒng)進行了總體設計,并完成了系統(tǒng)的詳細設計及軟硬件實現(xiàn)。硬件部分主要是基于TI CC2530芯片設計了一款便于隨身攜帶的無線傳感器節(jié)點,軟件實現(xiàn)以ZigBee2007/Pro協(xié)議棧的基礎上分別對協(xié)調器節(jié)點、參考節(jié)點及移動節(jié)點定位功能進行設計。然后完成了定位系統(tǒng)地面監(jiān)控中心軟件和數(shù)據(jù)庫的設計,并對系統(tǒng)整體進行了測試。測試結果表明,本文設計的定位系統(tǒng)能夠比較準確地實現(xiàn)人員的實時定位功能。最后,對本文所做的工作進行總結,指出其中不足和接下來應該繼續(xù)研究了的工作。
【關鍵詞】：無線傳感器網(wǎng)絡 ZigBee RSSI WCL算法 Min-Max定位算法 系統(tǒng)設計
【學位授予單位】：西南交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TD655;TP212.9;TN929.5
【目錄】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第1章 緒論11-16
• 1.1 課題研究背景與意義11
• 1.2 國內外研究現(xiàn)狀11-13
• 1.3 本文主要研究內容及組織安排13-16
• 第2章 相關技術介紹16-26
• 2.1 Zigbee技術概述16-18
• 2.1.1 ZigBee協(xié)議棧16-17
• 2.1.2 ZigBee網(wǎng)絡拓撲結構17-18
• 2.1.3 井下環(huán)境ZigBee組網(wǎng)優(yōu)勢18
• 2.2 無線傳感器網(wǎng)絡定位算法簡介18-25
• 2.2.1 基于測距的定位算法19-22
• 2.2.2 非測距定位算法22-24
• 2.2.3 定位算法性能指標24-25
• 2.3 本章小結25-26
• 第3章 井下環(huán)境無線傳感器網(wǎng)絡定位技術研究26-46
• 3.1 井下空間結構對定位性能的影響26
• 3.2 RSSI測距相關問題研究26-34
• 3.2.1 井下環(huán)境信號傳播路徑損耗模型26-28
• 3.2.2 類似巷道環(huán)境RSSI測試28-30
• 3.2.3 路徑損耗系數(shù)動態(tài)計算方法30-31
• 3.2.4 RSSI值數(shù)據(jù)處理31-33
• 3.2.5 巷道節(jié)點部署方式33-34
• 3.3 參考節(jié)點輔助測距算法34-39
• 3.3.1 算法原理34-35
• 3.3.2 算法實現(xiàn)流程35-37
• 3.3.3 算法測試37-39
• 3.4 井下環(huán)境定位算法研究39-45
• 3.4.1 加權質心定位算法39-41
• 3.4.2 Min-Max算法41-42
• 3.4.3 算法性能分析42-45
• 3.5 本章小結45-46
• 第4章 定位系統(tǒng)軟硬件設計46-63
• 4.1 系統(tǒng)需求分析46-47
• 4.2 定位系統(tǒng)總體設計47
• 4.3 無線傳感器網(wǎng)絡硬件設計47-51
• 4.3.1 定位系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡的接入47-48
• 4.3.2 傳感器節(jié)點硬件設計48-51
• 4.4 無線傳感器節(jié)點的軟件實現(xiàn)51-57
• 4.4.1 軟件開發(fā)平臺及ZigBee協(xié)議棧51-52
• 4.4.2 協(xié)調器節(jié)點程序設計52-54
• 4.4.3 參考節(jié)點程序設計54-55
• 4.4.4 移動節(jié)點的程序設計55-57
• 4.5 地面監(jiān)控中心設計57-62
• 4.5.1 地面監(jiān)控中心設計需求57-58
• 4.5.2 監(jiān)控中心組成58
• 4.5.3 數(shù)據(jù)庫設計58-59
• 4.5.4 監(jiān)控軟件設計59-62
• 4.6 本章小結62-63
• 第5章 定位系統(tǒng)測試63-71
• 5.1 測試平臺搭建63-64
• 5.2 系統(tǒng)管理功能測試64-66
• 5.2.1 用戶管理64-65
• 5.2.2 網(wǎng)絡節(jié)點管理65-66
• 5.2.3 員工管理66
• 5.3 串口功能測試66-67
• 5.4 節(jié)點配置及查詢功能測試67-70
• 5.4.1 節(jié)點查詢功能67
• 5.4.2 參考節(jié)點配置及查詢功能67-68
• 5.4.3 移動節(jié)點配置及定位功能68-70
• 5.5 本章小結70-71
• 結論與展望71-73
• 致謝73-74
• 參考文獻74-78
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文及科研成果78

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