【摘要】：近年來(lái),室內(nèi)定位技術(shù)成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一,被廣泛應(yīng)用于智能家居,物流,醫(yī)療監(jiān)護(hù),緊急救災(zāi)等領(lǐng)域。其中,許多定位系統(tǒng)需要目標(biāo)攜帶電子標(biāo)簽積極參與定位,并不斷地向定位系統(tǒng)報(bào)告自己的位置信息來(lái)完成最終的定位任務(wù)。這使得此類定位系統(tǒng)不適用于緊急部署定位(火場(chǎng)救災(zāi))或者目標(biāo)不愿意配合定位的情形中(恐怖襲擊中定位恐怖分子)。無(wú)線層析成像定位技術(shù)是一種無(wú)需目標(biāo)攜帶任何電子標(biāo)簽即可對(duì)目標(biāo)定位的無(wú)源被動(dòng)定位技術(shù),該技術(shù)利用目標(biāo)引起的無(wú)線射頻信號(hào)接收信道強(qiáng)度的變化定位目標(biāo)。但現(xiàn)有無(wú)線層析成像定位系統(tǒng)在Wi Fi及多徑干擾的室內(nèi)環(huán)境定位時(shí),面臨定位精度惡化問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究工作并未有效解決此問(wèn)題。本文以解決室內(nèi)定位環(huán)境中Wi Fi及多徑干擾造成的定位精度惡化為研究背景,通過(guò)雙頻段無(wú)線層析成像數(shù)據(jù)融合算法,及基于2.4GHz的多信道動(dòng)態(tài)權(quán)重模型算法提高Wi Fi干擾環(huán)境下定位精度。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證明本文提出的定位算法不僅可行有效,而且優(yōu)于目前國(guó)內(nèi)外此方面的研究工作。論文完成的主要工作如下:(1)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的方法指明了,2.4 GHz頻段無(wú)線層析成像定位技術(shù)在Wi Fi干擾環(huán)境下,定位精度惡化的根本原因在于無(wú)線通信鏈路丟包率的增加,而非Wi Fi干擾引起的接收信號(hào)強(qiáng)度值(RSS:Received Signal Strength)強(qiáng)度值的改變。在此基礎(chǔ)之上提出使用2.4GHz頻段的丟包率來(lái)標(biāo)識(shí)Wi Fi干擾強(qiáng)度。(2)提出了一種雙頻段數(shù)據(jù)融合的無(wú)線層析成像定位算法:該算法的核心是充分利用2.4GHz頻段及433MHz頻段的優(yōu)勢(shì)(2.4GHz頻段對(duì)目標(biāo)的遮擋更敏感,433MHz頻段不受Wi Fi干擾影響),以及雙頻段測(cè)量信息的冗余,即使在較強(qiáng)Wi Fi干擾環(huán)境中,仍能獲得目標(biāo)精確位置的無(wú)線層析成像矩陣。該算法首先從433MHz頻段及2.4 GHz頻段分別獲得各自的無(wú)線層析成像矩陣;其次根據(jù)環(huán)境中Wi Fi干擾強(qiáng)度,確定433MHz及2.4GHz圖像的權(quán)重值,進(jìn)而通過(guò)本文提出的雙頻段圖像融合算法得到一個(gè)更能精確獲知目標(biāo)位置的無(wú)線層析成像矩陣。本定位算法可提高無(wú)線層析成像定位技術(shù)在嚴(yán)重Wi Fi干擾環(huán)境下的定位精度,同時(shí)因融合了雙頻段測(cè)量的冗余信息,使得無(wú)Wi Fi干擾環(huán)境下的定位精度亦得到提升。(3)提出了基于時(shí)間戳的雙頻段數(shù)據(jù)時(shí)間同步協(xié)議:雙頻段無(wú)線層析成像定位技術(shù)在定位過(guò)程中,2.4 GHz傳感器節(jié)點(diǎn)及433MHz的傳感器節(jié)點(diǎn),分別周期性地測(cè)試各自所有通信鏈路的接收信號(hào)強(qiáng)度,并產(chǎn)生各自通信鏈路的層析成像。為了保證2.4 GHz頻段與433MHz頻段的層析成像對(duì)應(yīng)相同的目標(biāo)位置,這兩個(gè)測(cè)量頻段的所產(chǎn)生的無(wú)線層析成像需保持時(shí)間同步。若不能保證2.4 GHz頻段與433MHz頻段RTI的時(shí)間同步,當(dāng)目標(biāo)以很快的速度移動(dòng)時(shí),雙頻段無(wú)線層析成像定位技術(shù)會(huì)產(chǎn)生較大的定位誤差。假定這兩個(gè)頻段針對(duì)相同目標(biāo)位置,產(chǎn)生的RTI的時(shí)間差為t,目標(biāo)移動(dòng)的速度為v,則兩幅RTI的位置偏移為v*t,若直接用此結(jié)果進(jìn)行融合,則會(huì)導(dǎo)致定位系統(tǒng)產(chǎn)生很大定位誤差,基于時(shí)間戳的雙頻段數(shù)據(jù)同步協(xié)議可有效解決此問(wèn)題。(4)為了解決室內(nèi)定位環(huán)境中多徑及Wi Fi干擾造成的RTI定位精度惡化問(wèn)題,提出一種多信道動(dòng)態(tài)權(quán)重?zé)o線層析成像定位算法。首先,該算法提出使用信道衰減尺度作為通信鏈路選擇最優(yōu)測(cè)量信道的評(píng)判機(jī)制,同時(shí)提出了一種信道衰減尺度的簡(jiǎn)易計(jì)算方法,在此基礎(chǔ)之上提出了通信鏈路各測(cè)量信道丟包率及測(cè)量信道衰減尺度的聯(lián)合動(dòng)態(tài)權(quán)重模型,并利用該動(dòng)態(tài)權(quán)重模型計(jì)算所有通信鏈路RSS的衰減變化;其次,根據(jù)通信鏈路的衰減變化估算出無(wú)線層析成像圖像。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證明在輕度Wi Fi干擾環(huán)境中,相比于雙頻段RTI定位算法,多信道動(dòng)態(tài)權(quán)重RTI可進(jìn)一步提高室內(nèi)Wi Fi干擾環(huán)境下定位精度。(5)為構(gòu)建上述兩種定位算法的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),本文為測(cè)量節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了跳頻令牌環(huán)通信協(xié)議及串口跳頻令牌環(huán)通信協(xié)議,為基站節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了跳頻令牌環(huán)接收通信協(xié)議。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TP212.9;TN929.5
【圖文】：

圖1-6 橢圓模型Figure 1-6 Ellipse model圖1-7 通信鏈路RSS衰減尺度與目標(biāo)位置的關(guān)系Figure 1-7 Relationship between RSS attenuation and target’s position2011 年基于粒子濾波定位及跟蹤技術(shù)，被應(yīng)用到 RSS 無(wú)源被動(dòng)定位系統(tǒng)中[57, 64, 65]。如圖 1-6 所示，發(fā)送與接收傳感器節(jié)點(diǎn)分別為橢圓的兩個(gè)焦點(diǎn)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)的距離分別為 ( )si kd x 和 ( )ri kd x ，傳感器節(jié)點(diǎn)間的距離為id ，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)間通信鏈路的距離為 ( ) ( )i s rk i k i k i d x d x d。文獻(xiàn)[65]通過(guò)空曠室外環(huán)境下大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，隨著目標(biāo)與通信鏈路距離的增加，通信鏈路 RSS 的衰減符合指數(shù)分布的關(guān)系，如圖 1-7 所示。在此工作基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[64]使用在線最大期望（On-line EM）算法

5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證選型及配置，符合 2.4GHz IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)le[122]，433MHz 傳感器節(jié)點(diǎn)選用 Betty 節(jié)點(diǎn)30 的基礎(chǔ)上增加了 USB 模塊的新一代 2.4G051 內(nèi)核及 2.4GHz IEEE 802.15.4 射頻收發(fā)并可通過(guò) USB 接口直接與電腦連接。實(shí)驗(yàn)發(fā)射功率設(shè)定為 4.5 dBm（最大發(fā)射功率 18、信道 21 及信道 26。感器節(jié)點(diǎn)選用 Betty 節(jié)點(diǎn)，核心處理器單元頻芯片，所有 Betty 節(jié)點(diǎn)的設(shè)定為最大發(fā)射

70定位精度。圖5-8 雙頻段RTI現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境Figure 5-8 Field experiment environment of Dual-band RTI圖5-9 雙頻段RTI的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中CC2531節(jié)點(diǎn)及預(yù)標(biāo)定位置部署Figure 5-9 The deployment of CC2531 nodes and predeterminedlocations in the field experiment of dual-band RTI5.3.2 多信道動(dòng)態(tài)權(quán)重 RTI 算法實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景部署0 1 2 3 4 5012345678910

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 屈巍;汪晉寬;劉志剛;;傳感器網(wǎng)絡(luò)中一種基于RSSI的圓環(huán)重疊定位機(jī)制[J];東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2010年03期

本文編號(hào)：2776592