【摘要】：近年來,室內(nèi)定位技術成為無線傳感器網(wǎng)絡領域的研究熱點之一,被廣泛應用于智能家居,物流,醫(yī)療監(jiān)護,緊急救災等領域。其中,許多定位系統(tǒng)需要目標攜帶電子標簽積極參與定位,并不斷地向定位系統(tǒng)報告自己的位置信息來完成最終的定位任務。這使得此類定位系統(tǒng)不適用于緊急部署定位(火場救災)或者目標不愿意配合定位的情形中(恐怖襲擊中定位恐怖分子)。無線層析成像定位技術是一種無需目標攜帶任何電子標簽即可對目標定位的無源被動定位技術,該技術利用目標引起的無線射頻信號接收信道強度的變化定位目標。但現(xiàn)有無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,面臨定位精度惡化問題。目前國內(nèi)外相關研究工作并未有效解決此問題。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,通過雙頻段無線層析成像數(shù)據(jù)融合算法,及基于2.4GHz的多信道動態(tài)權重模型算法提高Wi Fi干擾環(huán)境下定位精度。現(xiàn)場實驗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)通過現(xiàn)場實驗的方法指明了,2.4 GHz頻段無線層析成像定位技術在Wi Fi干擾環(huán)境下,定位精度惡化的根本原因在于無線通信鏈路丟包率的增加,而非Wi Fi干擾引起的接收信號強度值(RSS:Received Signal Strength)強度值的改變。在此基礎之上提出使用2.4GHz頻段的丟包率來標識Wi Fi干擾強度。(2)提出了一種雙頻段數(shù)據(jù)融合的無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(2.4GHz頻段對目標的遮擋更敏感,433MHz頻段不受Wi Fi干擾影響),以及雙頻段測量信息的冗余,即使在較強Wi Fi干擾環(huán)境中,仍能獲得目標精確位置的無線層析成像矩陣。該算法首先從433MHz頻段及2.4 GHz頻段分別獲得各自的無線層析成像矩陣;其次根據(jù)環(huán)境中Wi Fi干擾強度,確定433MHz及2.4GHz圖像的權重值,進而通過本文提出的雙頻段圖像融合算法得到一個更能精確獲知目標位置的無線層析成像矩陣。本定位算法可提高無線層析成像定位技術在嚴重Wi Fi干擾環(huán)境下的定位精度,同時因融合了雙頻段測量的冗余信息,使得無Wi Fi干擾環(huán)境下的定位精度亦得到提升。(3)提出了基于時間戳的雙頻段數(shù)據(jù)時間同步協(xié)議:雙頻段無線層析成像定位技術在定位過程中,2.4 GHz傳感器節(jié)點及433MHz的傳感器節(jié)點,分別周期性地測試各自所有通信鏈路的接收信號強度,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頻段的層析成像對應相同的目標位置,這兩個測量頻段的所產(chǎn)生的無線層析成像需保持時間同步。若不能保證2.4 GHz頻段與433MHz頻段RTI的時間同步,當目標以很快的速度移動時,雙頻段無線層析成像定位技術會產(chǎn)生較大的定位誤差。假定這兩個頻段針對相同目標位置,產(chǎn)生的RTI的時間差為t,目標移動的速度為v,則兩幅RTI的位置偏移為v*t,若直接用此結果進行融合,則會導致定位系統(tǒng)產(chǎn)生很大定位誤差,基于時間戳的雙頻段數(shù)據(jù)同步協(xié)議可有效解決此問題。(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定位精度惡化問題,提出一種多信道動態(tài)權重無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)測量信道的評判機制,同時提出了一種信道衰減尺度的簡易計算方法,在此基礎之上提出了通信鏈路各測量信道丟包率及測量信道衰減尺度的聯(lián)合動態(tài)權重模型,并利用該動態(tài)權重模型計算所有通信鏈路RSS的衰減變化;其次,根據(jù)通信鏈路的衰減變化估算出無線層析成像圖像�，F(xiàn)場實驗證明在輕度Wi Fi干擾環(huán)境中,相比于雙頻段RTI定位算法,多信道動態(tài)權重RTI可進一步提高室內(nèi)Wi Fi干擾環(huán)境下定位精度。(5)為構建上述兩種定位算法的實驗平臺,本文為測量節(jié)點設計了跳頻令牌環(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)點設計了跳頻令牌環(huán)接收通信協(xié)議。
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：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衰減尺度與目標位置的關系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，被應用到 RSS 無源被動定位系統(tǒng)中[57, 64, 65]。如圖 1-6 所示，發(fā)送與接收傳感器節(jié)點分別為橢圓的兩個焦點，發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點到目標的距離分別為 ( )si kd x 和 ( )ri kd x ，傳感器節(jié)點間的距離為id ，目標節(jié)點間通信鏈路的距離為 ( ) ( )i s rk i k i k i d x d x d。文獻[65]通過空曠室外環(huán)境下大量實驗數(shù)據(jù)得出，隨著目標與通信鏈路距離的增加，通信鏈路 RSS 的衰減符合指數(shù)分布的關系，如圖 1-7 所示。在此工作基礎上，文獻[64]使用在線最大期望（On-line EM）算法

5 現(xiàn)場實驗驗證選型及配置，符合 2.4GHz IEEE802.15.4 標準的無le[122]，433MHz 傳感器節(jié)點選用 Betty 節(jié)點30 的基礎上增加了 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 USB 接口直接與電腦連接。實驗發(fā)射功率設定為 4.5 dBm（最大發(fā)射功率 18、信道 21 及信道 26。感器節(jié)點選用 Betty 節(jié)點，核心處理器單元頻芯片，所有 Betty 節(jié)點的設定為最大發(fā)射

70定位精度。圖5-8 雙頻段RTI現(xiàn)場實驗環(huán)境Figure 5-8 Field experiment environment of Dual-band RTI圖5-9 雙頻段RTI的現(xiàn)場實驗環(huán)境中CC2531節(jié)點及預標定位置部署Figure 5-9 The deployment of CC2531 nodes and predeterminedlocations in the field experiment of dual-band RTI5.3.2 多信道動態(tài)權重 RTI 算法實驗場景部署0 1 2 3 4 5012345678910

【參考文獻】

相關期刊論文 前1條

1 屈巍;汪晉寬;劉志剛;;傳感器網(wǎng)絡中一種基于RSSI的圓環(huán)重疊定位機制[J];東北大學學報(自然科學版);2010年03期

本文編號：2776592