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基于ZigBee的无线传感网络RSSI定位算法的改进与实现

郭瑞星  
【摘要】:嵌入式技术、无线通信和数字电子技术的进步促进了无线传感器网络的诞生和发展,它改变了我们与客观世界的交互方式,使我们能方便地感知自然。近年来逐渐兴起的IEEE802.15.4/ZigBee技术则以其低功耗、低成本的特性为无线传感器网络的大规模商用提供了良好的解决方案。无线定位作为无线传感器网络的一项重要应用,已经得到了广大科研人员长时间的关注。本文在分析现有定位技术的基础上,主要改进了无线传感器网络定位算法—基于接收信号强度指示(RSSI),提高了其定位准确度。 文章首先阐述了本课题的研究背景与意义,认为在无线传感器网络和定位技术快速发展的今天,对基于ZigBee技术的无线传感器定位算法的分析和改进具有重要的现实应用意义。 接着简单介绍了相关的理论基础知识。包括:无线传感器网络的体系结构和协议栈;IEEE802.15.4/ZigBee协议栈各层的功能分析;无线定位机制的分类和定位算法的评价标准等。 然后简单分析了几种典型的定位算法,介绍了各自的定位原理,并指出了各自的优缺点。典型的定位算法包括:基于测量距离的TOA、TDOA.AOA和不基于测量距离的质心算法、DV-Hop、APIT。最后,介绍了三种节点坐标计算方法,包括:三边测量法、三角测量法和极大似然估计法,说明了其工作原理。 接下来以提高RSSI算法定位精度为目的,详细分析了传统RSSI算法的定位原理和定位过程。基于对其测距和定位两个阶段的详细分析,指出了传统RSSI算法的缺陷,并提出了两种改进的方法:一是引入第三方信标节点来修正盲节点和信标节点间的测量距离;二是引入质心算法,并结合三边测量法共同参与计算盲节点的位置坐标。最后,以MatLab为仿真平台,对改进前后RSSI算法的平均误差率进行了对比分析。实验仿真数据表明,改进后的RSSI算法定位精度显著提高,但完成定位所需的时间也有所增加。 最后以TI公司的CC2431为硬件基础,实现了一个简单的基于RSSI的定位系统。重点分析了CC2431硬件定位引擎的工作原理。实现了定位系统中网关节点、信标节点和盲节点的硬件构成。详细分析了定位系统中各类节点之间的数据收发流程,并完成了对网关节点、信标节点和盲节点的软件设计。最后进行系统搭建和系统运行,以Z-Location Engine软件实时监控网络节点,取得了很好的定位效果。


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