田紫龍-基于matlab的無線傳感網節(jié)點定位仿真(共15頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上物聯(lián)網工程課程設計基于Matlab的無線傳感器網絡節(jié)點定位仿真 姓 名： 田紫龍 學 號： 班 級： 二一七年五月專心-專注-專業(yè)目 錄 45一、緒論1.1 研究背景 隨著微電子技術和無線通信技術的飛速發(fā)展和不斷成熟，具有感知能力、計算能力和通信能力的無線傳感器網絡孕育而生。自從20世紀90年代國際上開始對無線傳感器網絡的研究以來，其相關技術得到了飛速的發(fā)展。無線傳感器網絡綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術和通信技術，能夠以協(xié)作的方式實時地監(jiān)測、感知和采集網絡區(qū)域內的各種對象的信息，并進行處理。這些信息通過自組織的多跳無線網絡傳送到用戶終端，從而實現(xiàn)

2、物理世界、計算世界以及人類社會三元世界的連通.無線傳感器網絡和其它網絡技術的研究方向是不同的，其它網絡技術研究主要針對傳輸速度和服務質量，而wsn它的技術應用是針對在錯綜復雜的環(huán)境條件下如何能有效及時獲得可靠信息并對信息傳播展開研究。以一些成本較低的微型的無線傳感器節(jié)點在需要監(jiān)測的區(qū)域范圍內無線傳感器網絡，從而實現(xiàn)了以低成本付出而獲得最大監(jiān)測效益。無線傳感器網絡是由眾多傳感器節(jié)點組成，眾多節(jié)點之間因應用了無線通信的技術從而保證了節(jié)點之間的相互通信。節(jié)點間以各種方式部署在監(jiān)測的區(qū)域，自己組織成網并通過多跳的方式進行相互間的通信。通過與各種任務管理器的連接而構成一個具有管理處理能力的有關的網絡。

3、1.2 研究意義在現(xiàn)代社會中無線傳感器網絡的作用日益凸顯，及其技術的成熟和應用成本的降低，逐漸發(fā)展到了各個領域。目前現(xiàn)有的無線傳感器網絡節(jié)點定位算法普遍存在有受環(huán)境影響大、精確度不高、不適用于移動節(jié)點定位等問題,隨著無線傳感器網絡技術的不斷進步成熟，其應用將會越來越廣泛，節(jié)點定位技術研究對于傳感器網絡技術性能提高和實用性保證有重要的理論意義和應用價值。無線傳感器網絡節(jié)點系統(tǒng)即對在復雜室內環(huán)境下(如圖書館、地下庫等)，實現(xiàn)對人員以及物品的快速而精確的定位。目前國內外關于無線傳感器網絡節(jié)點系統(tǒng)的研究有很多。其實在日常生活中定位技術并不陌生，例如我們最常見的超聲波、藍牙、紅外線、射頻識別、超寬帶、W

4、i-Fi、ZigBee等都是運用了定位技術。 本文采用MATLAB對RSSI算法進行仿真。1.3 研究內容無線傳感器網絡節(jié)點定位在眾多科學研究領域都一直成為人們研究對象的熱點。在經過對傳感器網絡質心定位算法定位時的研究分析中，我們可以得到該算法在進行MATLAB進行仿真。主要的研究工作如下:(1)主要研究無線傳感器網絡節(jié)點技術的原理、分類和難點，分析其原理并比較它們的優(yōu)缺點節(jié)點的難度以及它們的優(yōu)缺點。(2)求解衰落因子算法的詳細信息，請參閱第三章的動態(tài)實時算法研究。(3)通過比較綜合全面分析在文中提出的定位算法。判定是否得到了更準確的精度。(4)通過MATLAB進行了仿真測試，驗證出該算法的可

5、行性。二、設計要求及方案2.1 設計要求無線傳感器網絡是由眾多傳感節(jié)點組成的網絡，以傳感器節(jié)點可以相互通信，或者，也可以直接與外界基站進行通信。傳感器節(jié)點通常分布在一個區(qū)域，通過無線通信，形成自我組織的協(xié)調的物理世界的信息傳輸網絡系統(tǒng)多躍點，彼此協(xié)調傳輸物理世界的信息。 在本設計當中是我們將其節(jié)點定位算法基于ZigBee這一種新興的基于IEEE802.15的技術下，以相互結合優(yōu)點而得到對節(jié)點定位技術在靜止物或移動物進行定位時得到更可靠定位效果。ZigBee是在這幾年中無線網絡應用相當廣泛而實用的條件下興起的一種技術，給我們的生活改變了很多，促進了我們在與客觀世界交流和利用起到了很大的作用。Zi

6、gBee技術技術在進行定位技術時提供了極大的幫助，且ZigBee技術成本低、功耗低的性能。在無線傳感器網絡中是獨一無二的技術產品。無線定位在無線傳感器網絡中是最為重要的一種技術之一。在日益變遷的社會中的不斷應用使人們知道了這項技術的重要性得到了更多的認可，從而使得更多的科研人員的重視。本文根據自己在查閱和調查中主要簡單分析和比較幾種常見定位技術的基礎上,得出質心算法在運用時的優(yōu)缺點，隨之提出自己的觀點，根據實驗而設計出一種新的算法。在無線傳感器網絡定位算法基于接收信號強度指示(RSSI)的應用上,提高了其定位準確度。 ZigBee協(xié)議棧結構如圖所示：ZigBee網絡包含三種設備類型：協(xié)調器、路

7、由器和終端設備。協(xié)調器是在網絡構成中是第一設備，主要是在啟動時對整個網絡負責啟動。路由器的主要功能中轉終端設備，在運用中終端設備時因為是直接與這個傳感器相連的，在工作中負責數據采集，因為有電源供電所以其可以有休眠狀態(tài)。ZigBee技術成功的成功之處不在于技術其本身，而在于更好的結合了其它技術優(yōu)點。例如在使用GPS時對一些室內的移動物不能正確定位時，可以利用基于ZigBee技術的無線傳感器網絡能夠實現(xiàn)對移動物準確定位的技術，而進行對移動物的更精確的定位。例如，在各個場合中定位和監(jiān)控都是起著很重要的作用，如在對地下工作的人的定位也是相當重要，這些應用都是我們必要的社會設施。這些技術都是結合基于Zi

8、gBee的優(yōu)點而形成的無線傳感器網絡技術而得以實現(xiàn)的。在各種環(huán)境中我們所需的定位技術也有一定的差異，而在對復雜室內移動物的定位，相比之下基于RSSI指紋算法可以更好的提高室內環(huán)境的定位精度。 目前生活中常見的定位技術有很多種，在面對不同的環(huán)境條件下我們所選擇的定位算法也應當隨其而變化。在我們應用基于ZigBee的無線傳感器網絡時，首先考慮到了該算法在進行定位時應用成本較低、定位精度高、適應環(huán)境能力強等各種情況。這種技術在對處于相對復雜環(huán)境中的移動物體的定位時，其定位結果不是理想。而在情況下基于RSSI指紋算法得到的結果比較準確。2.2 設計方案 在本文章中首先闡述了本課題的研究背景、意義及在生

9、活中的應用等，在此次的設計當中首先主要分析比較常見節(jié)點定位算法：主要圍繞對普通定位算法、三邊測量算法、質心算法這三種算法進行。比較分析和仿真普通算法的基礎上，比較算法在節(jié)點定位在定位時的精度，最后經比較在提出更精確的節(jié)點定位算法。 在設計過程中應該要學會考慮能夠對WSN自身定位系統(tǒng)和算法的性能直接影響的因素，在對無線傳感器網絡中的節(jié)點定位及定位算法的評價都是需要深入研究分析的的一個問題。以下列出的幾種定性是其中常用的評價標準。 (1) 定位精度。精度是用來衡量一個無線傳感器網絡中的節(jié)點定位在定位時的指標。在應用中以平時用誤差值與節(jié)點無線射程的比例來表示。 (2) 規(guī)模。在不同的定位環(huán)境中需要不

10、同的定位系統(tǒng)。不同的定位系統(tǒng)需要不同節(jié)點算法。所以在不同的技術設施中應該以一種技術在相同環(huán)境中能定位多少目標來衡量它的技術。 (3) 錨節(jié)點密度。錨節(jié)點在定位時是人工部署的，因此在工作中常常受到制約。錨節(jié)點在使用時成本相對偏高，且在沒有合理的布置下會給網絡帶來一些不必要的堵塞等問題，所以在對錨節(jié)點布置時其密度也是我們必要考慮實行的任務之一。 (4) 節(jié)點密度。在WSN設計中一定要考慮,節(jié)點密度越大所付出費用會隨之增大,而且節(jié)點工作中會形成一定阻塞。 (5) 容錯性和自適應性。當在理想的環(huán)境條件下時，節(jié)點定位算法在應用時都可以達到預期的結果。而在外界環(huán)境中存在不同的干擾時，會出現(xiàn)很多問題。所以在

11、設計中應當做到容錯性和自適應性，使得在有外界因素時能更好的運行。保證在定位時的可靠性等問題。也要做到設計出的系統(tǒng)節(jié)點能夠通過自我調整、能自我適應環(huán)境、減小各種誤差等影響,從而得到更好的定位精度。 (6) 功耗。功耗的性能是會因使用而隨之減少，所以這也是無線傳感網絡的設計和實現(xiàn)必須考慮的問題之一。在傳感器節(jié)點電池有限的情況下,我們要做到節(jié)點定位精度,還要進行相關計算、開銷、時間復雜性等問題做出明確的計劃。 (7) 代價。在無線傳感網絡的設計中代價可從幾個不同方面來進行說明。這里所說的代價是指時間代價、空間代價、所需付出的經濟代價。時間代價是指在對一個無線傳感器網絡系統(tǒng)配置后進行安裝，到能精確定位

12、等所需要花費的時間。空間代價主要指的是一個定位系統(tǒng)在設計時所需要的空間和在設計中根據空間的大小需要的設施等。經濟代價主要指的是在設計一個定位系統(tǒng)是經過對基本設施、設備等進行計算出所需付出的費用。 綜合上述幾個性能指標的分析及評價，我們可以得到在設計中應注意的事項。這些也是一個無線傳感器網絡系統(tǒng)在自身定位和進行定位算法時得到更好的結果必要的條件，也是本次設計需要實現(xiàn)的目標。為了實現(xiàn)這些目標,也需要有大量的研究工作需要完成。同時在設計當中這些性能指標都是相連的,需要根據實際應用的具體要求而做出相應的設計,以選擇和設計出更合適的定位技術。三、無線傳感器網絡節(jié)點三角定位算法 3.1 定位算法簡介RSS

13、I算法是指根據收到的無線傳感器接受到的信號指示強度，計算這個信號在傳播中的損耗。當受到外界因素的影響時這種算法通常會因而隨之被改變。從而定位精度不高。但在生活應用中RSSI算法的算法是相對簡單的而且成本價格較低等原因，所以RSSI算法在現(xiàn)實生活中還是被各個領域應用。下面給出了RSSI算法的模型和理論公式：圖3-1 基于RSSI的測距模型根據信號損耗的理論模型，可以得到以下的公式（1） （1）在上式中n表示的是一個信號衰減指數，一般根據在理想的環(huán)境中具體的環(huán)境情況而設定，屬于在經常應用的經驗值，一般?。?,5）之間，根據上面的公式（1），我們可以求出距離d，見公式（2）： （2）在將已知的的坐標

14、設為（x0，y0），兩個閱讀器的坐標為（x1,y1）,(x2,y2),將目標物體的坐標設為（x，y），從而可以得到下面的式子： （3） （4）在根據（3），（4）就可以求出目標標簽的坐標值。3.2 三角測距定位算法本文結合三邊測量算法模型，提出改進的質心定位算法，得到在一定程度上提高了定位精度。理想的三邊測量法的模型：在當已知三個接收器節(jié)點分別為A(x1,y1)，B(x2,y2)，C(x3,y3)時，根據通過接收器接收到的未知節(jié)點(x,y)的RSSI值Ra，Rb，Rc，將根據已知的條件代入公式可以將Ra，Rb，Rc信號強度值從而轉換成距離R1，R2，R3 求得能夠構成以A，B，C為圓心，以R1

15、，R2，R3為半徑得到相交于未知節(jié)點的三個圓，在根據算法代換而求出未知節(jié)點（x，y）的坐標值： （5） 圖3-2 理想的三邊測量法模型一般的三邊測量法模型：上圖中是在理想環(huán)境中實現(xiàn)的，而在實際應用中往往是得不到的。 圖3-3 一般的三圓相交情況對于M點（Xm，Ym），可以根據下面公式算出M點坐標： （6）以上式同理可得，N（Xn，Yn），E（Xe，Ye）的坐標也可以確定，通過三角形質心算法就可以確定未知節(jié)點D的坐標,即D（x，y）=D （7）四、定位算法在Matlab下仿真4.1 參數設定在本文仿真中，對數衰減模型來進行仿真，表達式如下.本文要對公式中的一些參數進行預先設定。(1) 參考距離d

16、0 (dBm)，這里我們取d0 =1。(2) d0點對應的接收信號功率Pr(d0) (dBm)，實際定位時，Pr(d0)值實地測量是必須的，而在仿真中，直接令其為-55(dBm) (3) 路徑損耗因子，而在不考慮值隨環(huán)境影響時，我們直接取= 4，在進行動態(tài)校準算法仿真時，取均值為4，標準差為0.1的高斯隨機變量。 (4) 高斯隨機變量X，取均值為0，標準差4, 標準差越小信道越好，干擾越小，本文仿真會在標準差=4和10的環(huán)境下進行仿真。 (5) 位置區(qū)域大小，本文將定位區(qū)域定為1000m*1000m。4.2 Matlab代碼及仿真結果為了便于進行Matlab仿真實驗，我們設置已知節(jié)點為等邊三角

17、形的頂點，并用隨機數取點來設置未知節(jié)點。取已知節(jié)點>> AA = 0 0>> BB = 50.0000 86.6025>> CC = 100 0如下圖所示。圖4-1 已知節(jié)點繪圖模擬未知節(jié)點采用隨機數取值，為K>> P_positionP_position = 67.9296 3.4572 93.4693 5.3462K>> 普通定位進行普通定位，得到定位結果。K>> P_calculate_realP_calculate_real = 45.2873 5.3271 62.9550 4.6330K>>如下圖所示

18、：圖4-2 普通定位繪圖e_average = 26.6211e_average_percent = 0.26624.3 實驗分析根據仿真可得下表，普通RSSI算法、三邊定位算法、加權質心定位算法的均方誤差、誤差比率數值如下表所示。表1 誤差分析算法名稱均方誤差誤差比率普通RSSI算法26.62110.2662三邊定位算法16.17440.1617 根據以上2種算法的誤差分析與比較，顯然三邊定位算法定位精度比較高，經比較可得出在一樣的條件下三邊定位算法精度相對高于普通定位算法。這在一定程度上是因為三邊定位算法可以在計算過程中去掉權值計算過程中所引進的誤差，在一定程度上提高定位精度。五、結論無線傳感器網絡中節(jié)點定位問題一直是研究領域的熱點問題之一。本文在對基于