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面向智能工厂的无线传感器网络定位技术研究

李海啸  
【摘要】:随着传感技术、无线通信技术、嵌入式技术、分布式处理技术和微电子技术等快速发展和成熟,无线传感器网络应运而生并广泛应用在智慧医疗、智能交通、军事侦查、智能家居、绿色环保、智能工业等领域。无线传感器网络由大量传感器节点组成,形成一个自组织、可扩展、点到点通信、多跳传输的无线网络,通过环境感知、信息融合和数据传输,将大量感知信息传递给观测者。在无线传感器网络的众多应用中,感知信息不仅仅包括感知数据,还应包括感知数据所在的具体位置信息,没有具体位置信息的感知数据是毫无意义的,因此节点定位技术是无线传感器网络的重要的、基础性的技术之一。而以无线传感器网络为主体的泛在感知计算网络是智能工厂的重要感知和监测基础。在智能工厂中,决策者或智能分析系统能够准确分析当前情况和决策采取下一步有效措施的重要依据是需要感知、采集大量的环境、人员、设备和能源等重要参数信息。大部分感知信息都是位置相关的,所以在智能工厂中,对自动引导小车的定位和轨迹追踪、对内部人员或外来人员的定位、对监测区域特征参数或事件的定位都离不开无线传感器网络定位技术。根据监测对象的数量和性质以及采用定位技术的不同,无线传感器网络定位算法主要分为:静态定位和动态定位、基于测距定位和基于非测距定位、单目标定位和多目标定位。此外定位技术还应满足定位时间和定位精度的要求。通过对国内外大量关于无线传感器网络定位技术相关文献的研究,掌握了当前备受大家认可的无线传感器网络定位技术,对无线传感器网络在智能工厂的不同应用领域中如何提高定位精度、减小定位时间、如何改善算法鲁棒性等方面进行研究。本文主要的研究内容和改进如下:(1)基于非测距的距离矢量—跳段(Distance Vector-Hop,DV-Hop)定位算法的研究。针对DV-Hop定位算法定位误差大的问题,本文提出了基于一般误差向量修正和基于模糊聚类的误差向量修正的DV-Hop定位算法。改进算法根据无线传感器网络拓扑结构(节点单一区域分布和节点分区域分布)构建相似度函数,利用锚节点与未知节点的最小跳数得到节点间的相似度值,再利用预设的相似度阈值选择与未知节点相似度达到一定条件的锚节点组成锚节点集合,对集合中的锚节点进行重定位得到锚节点的位置估计值,根据锚节点的真实位置和估计位置依据仿射空间原理得到每个锚节点的定位误差向量或修正向量,最后利用多个锚节点的误差向量或修正向量加权平均得到未知节点的定位误差向量或修正向量,进一步优化未知节点的估计位置。实验表明,改进算法能有效提高无线传感器网络不同网络拓扑下DV-Hop非测距定位算法的定位精度。(2)基于测距的三边加权质心定位算法的研究。针对基于RSSI测距的定位算法的定位精度受信号噪声和环境干扰较大的问题,对基于RSSI测距定位算法进行了三个方面的改进:首先,针对传统三边加权质心定位算法锚节点的选择不当导致定位误差大的问题,提出了双集合组合法寻找满足一定条件的三个锚节点用于三边定位。其次,针对RSSI测距容易受到环境噪声和设备脉冲信号的小概率大干扰事件影响造成RSSI测距精准度低的问题,提出了结合量子粒子群优化的模糊C均值聚类过滤算法以消除基于RSSI测距的小概率大干扰事件,再利用假设检验方法检验过滤后的RSSI三元组的准确性。最后,提出参考点加权质心定位算法解决了传统三边加权质心算法在噪声和脉冲干扰下定位成功率不高且误差较大的问题。实验通过CC2530传输模块和Tiny OS2开发平台验证了改进的三边加权质心定位算法的有效性。(3)针对移动无线传感器网络的蒙特卡罗定位盒子算法的研究。蒙特卡罗定位盒子算法是一种基于锚节点信息限制的蒙特卡罗样本抽样定位算法,可用于智能工厂中对移动目标的定位和跟踪。为解决蒙特卡罗盒子定位算法的采样效率低、迭代次数多、样本退化、采样随机性的问题,本文在传统蒙特卡罗定盒子定位算法的采样阶段,根据灰色系统预测理论增加了灰色模型预测采样功能,将在样本盒子中随机采样过程改进为根据前期的样本位置进行灰色模型预测采样,使预测样本与未知节点当前的真实位置更接近,因此采样预测更具有目的性、针对性和方向性,提高了采样效率,减少了迭代次数。实验仿真表明,改进算法能够有效防止随着时间段的增加而采样样本退化,显著提高智能工厂移动目标的定位精度,减少定位响应时间。(4)基于压缩感知的稀疏多目标定位算法研究。针对传统基于压缩感知多目标定位算法感知矩阵维数大、计算复杂度高、网格边长难以细化等问题,本文提出了基于压缩感知的两阶段多目标定位算法。在大规模定位阶段,将监测区域依据部署的传感器进行Voronoi图划分,将多目标确定在每个子区域中,并在所有子区域中进行贪婪匹配追踪算法重构目标稀疏位置向量,得到包含目标的候选网格。在精细定位阶段,对选出的候选网格依据网格最小边长定理进行细化,对每个子区域中候选网格组成的本地区域内采用1-稀疏度位置向量贪婪匹配重构算法得到目标所在的细化网格,并以细化网格作为目标的最终位置。基于压缩感知的两阶段多目标定位算法既提高了的定位精度,也减小了稀疏重构感知矩阵的维数,降低了算法复杂度,减小了定位响应时间。最后通过实验仿真验证了改进算法的效果,可以用于对智能工厂监测区域的稀疏多目标进行有效定位。(5)基于多维标度的协作式多目标定位算法研究。为解决无线传感网络多维标度定位精度容易受最短路径估计距离误差影响的问题,改善多维标度定位算法的初始估计位置,提出一种基于模拟退火优化的无线传感器网络多维标度定位算法。首先利用RSSI接受信号强度测距并建立距离矩阵,使用多维标度方法和锚节点信息得到节点的初始估计绝对坐标,再利用测距信息和节点的权重系数构造模拟退火优化算法的胁强系数,通过模拟退火优化算法良好的全局搜索能力不断迭代优化求解节点的最优位置。通过实验仿真验证了基于模拟退火优化的多维标度定位算法即使在C型网络和测距噪声存在的情况下也能够具有较低的平均定位误差和较高的网络覆盖率,而且非常适于应用在智能工厂基站数量少的环境。本文系统地研究了无线传感器网络基于测距定位和基于非测距定位、静态定位和动态定位、单目标定位和多目标定位的相关技术,提出了5种创新和改进方案,并通过大量的实验验证了所提算法的有效性和可行性。实验结果表明,本文所提的5种定位方案是无线传感器网络定位技术的重要创新和改进,可以应用在智能工厂无线传感器网络多个定位领域,有非常重要的现实意义和应用价值。


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