田紫龍-基于matlab的無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)定位仿真(共15頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上物聯(lián)網(wǎng)工程課程設(shè)計(jì)基于Matlab的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位仿真 姓 名： 田紫龍 學(xué) 號(hào)： 班 級(jí)： 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(shù)和無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展和不斷成熟，具有感知能力、計(jì)算能力和通信能力的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)孕育而生。自從20世紀(jì)90年代國(guó)際上開始對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究以來，其相關(guān)技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù)，能夠以協(xié)作的方式實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的各種對(duì)象的信息，并進(jìn)行處理。這些信息通過自組織的多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送到用戶終端，從而實(shí)現(xiàn)

2、物理世界、計(jì)算世界以及人類社會(huì)三元世界的連通.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和其它網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究方向是不同的，其它網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究主要針對(duì)傳輸速度和服務(wù)質(zhì)量，而wsn它的技術(shù)應(yīng)用是針對(duì)在錯(cuò)綜復(fù)雜的環(huán)境條件下如何能有效及時(shí)獲得可靠信息并對(duì)信息傳播展開研究。以一些成本較低的微型的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)在需要監(jiān)測(cè)的區(qū)域范圍內(nèi)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)了以低成本付出而獲得最大監(jiān)測(cè)效益。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由眾多傳感器節(jié)點(diǎn)組成，眾多節(jié)點(diǎn)之間因應(yīng)用了無(wú)線通信的技術(shù)從而保證了節(jié)點(diǎn)之間的相互通信。節(jié)點(diǎn)間以各種方式部署在監(jiān)測(cè)的區(qū)域，自己組織成網(wǎng)并通過多跳的方式進(jìn)行相互間的通信。通過與各種任務(wù)管理器的連接而構(gòu)成一個(gè)具有管理處理能力的有關(guān)的網(wǎng)絡(luò)。

3、1.2 研究意義在現(xiàn)代社會(huì)中無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的作用日益凸顯，及其技術(shù)的成熟和應(yīng)用成本的降低，逐漸發(fā)展到了各個(gè)領(lǐng)域。目前現(xiàn)有的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(dòng)節(jié)點(diǎn)定位等問題,隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進(jìn)步成熟，其應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛，節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)研究對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)性能提高和實(shí)用性保證有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)即對(duì)在復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下(如圖書館、地下庫(kù)等)，實(shí)現(xiàn)對(duì)人員以及物品的快速而精確的定位。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的研究有很多。其實(shí)在日常生活中定位技術(shù)并不陌生，例如我們最常見的超聲波、藍(lán)牙、紅外線、射頻識(shí)別、超寬帶、W

4、i-Fi、ZigBee等都是運(yùn)用了定位技術(shù)。 本文采用MATLAB對(duì)RSSI算法進(jìn)行仿真。1.3 研究?jī)?nèi)容無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位在眾多科學(xué)研究領(lǐng)域都一直成為人們研究對(duì)象的熱點(diǎn)。在經(jīng)過對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)質(zhì)心定位算法定位時(shí)的研究分析中，我們可以得到該算法在進(jìn)行MATLAB進(jìn)行仿真。主要的研究工作如下:(1)主要研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)技術(shù)的原理、分類和難點(diǎn)，分析其原理并比較它們的優(yōu)缺點(diǎn)節(jié)點(diǎn)的難度以及它們的優(yōu)缺點(diǎn)。(2)求解衰落因子算法的詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱第三章的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)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(zhǔn)確的精度。(4)通過MATLAB進(jìn)行了仿真測(cè)試，驗(yàn)證出該算法的可

5、行性。二、設(shè)計(jì)要求及方案2.1 設(shè)計(jì)要求無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由眾多傳感節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)，以傳感器節(jié)點(diǎn)可以相互通信，或者，也可以直接與外界基站進(jìn)行通信。傳感器節(jié)點(diǎn)通常分布在一個(gè)區(qū)域，通過無(wú)線通信，形成自我組織的協(xié)調(diào)的物理世界的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)多躍點(diǎn)，彼此協(xié)調(diào)傳輸物理世界的信息。 在本設(shè)計(jì)當(dāng)中是我們將其節(jié)點(diǎn)定位算法基于ZigBee這一種新興的基于IEEE802.15的技術(shù)下，以相互結(jié)合優(yōu)點(diǎn)而得到對(duì)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)在靜止物或移動(dòng)物進(jìn)行定位時(shí)得到更可靠定位效果。ZigBee是在這幾年中無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用相當(dāng)廣泛而實(shí)用的條件下興起的一種技術(shù)，給我們的生活改變了很多，促進(jìn)了我們?cè)谂c客觀世界交流和利用起到了很大的作用。Zi

6、gBee技術(shù)技術(shù)在進(jìn)行定位技術(shù)時(shí)提供了極大的幫助，且ZigBee技術(shù)成本低、功耗低的性能。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中是獨(dú)一無(wú)二的技術(shù)產(chǎn)品。無(wú)線定位在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中是最為重要的一種技術(shù)之一。在日益變遷的社會(huì)中的不斷應(yīng)用使人們知道了這項(xiàng)技術(shù)的重要性得到了更多的認(rèn)可，從而使得更多的科研人員的重視。本文根據(jù)自己在查閱和調(diào)查中主要簡(jiǎn)單分析和比較幾種常見定位技術(shù)的基礎(chǔ)上,得出質(zhì)心算法在運(yùn)用時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)，隨之提出自己的觀點(diǎn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)而設(shè)計(jì)出一種新的算法。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)的應(yīng)用上,提高了其定位準(zhǔn)確度。 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖所示：ZigBee網(wǎng)絡(luò)包含三種設(shè)備類型：協(xié)調(diào)器、路

7、由器和終端設(shè)備。協(xié)調(diào)器是在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成中是第一設(shè)備，主要是在啟動(dòng)時(shí)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)啟動(dòng)。路由器的主要功能中轉(zhuǎn)終端設(shè)備，在運(yùn)用中終端設(shè)備時(shí)因?yàn)槭侵苯优c這個(gè)傳感器相連的，在工作中負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，因?yàn)橛须娫垂╇娝云淇梢杂行菝郀顟B(tài)。ZigBee技術(shù)成功的成功之處不在于技術(shù)其本身，而在于更好的結(jié)合了其它技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。例如在使用GPS時(shí)對(duì)一些室內(nèi)的移動(dòng)物不能正確定位時(shí)，可以利用基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)移動(dòng)物準(zhǔn)確定位的技術(shù)，而進(jìn)行對(duì)移動(dòng)物的更精確的定位。例如，在各個(gè)場(chǎng)合中定位和監(jiān)控都是起著很重要的作用，如在對(duì)地下工作的人的定位也是相當(dāng)重要，這些應(yīng)用都是我們必要的社會(huì)設(shè)施。這些技術(shù)都是結(jié)合基于Zi

8、gBee的優(yōu)點(diǎn)而形成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)而得以實(shí)現(xiàn)的。在各種環(huán)境中我們所需的定位技術(shù)也有一定的差異，而在對(duì)復(fù)雜室內(nèi)移動(dòng)物的定位，相比之下基于RSSI指紋算法可以更好的提高室內(nèi)環(huán)境的定位精度。 目前生活中常見的定位技術(shù)有很多種，在面對(duì)不同的環(huán)境條件下我們所選擇的定位算法也應(yīng)當(dāng)隨其而變化。在我們應(yīng)用基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，首先考慮到了該算法在進(jìn)行定位時(shí)應(yīng)用成本較低、定位精度高、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)等各種情況。這種技術(shù)在對(duì)處于相對(duì)復(fù)雜環(huán)境中的移動(dòng)物體的定位時(shí)，其定位結(jié)果不是理想。而在情況下基于RSSI指紋算法得到的結(jié)果比較準(zhǔn)確。2.2 設(shè)計(jì)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(yīng)用等，在此次的設(shè)計(jì)當(dāng)中首先主要分析比較常見節(jié)點(diǎn)定位算法：主要圍繞對(duì)普通定位算法、三邊測(cè)量算法、質(zhì)心算法這三種算法進(jìn)行。比較分析和仿真普通算法的基礎(chǔ)上，比較算法在節(jié)點(diǎn)定位在定位時(shí)的精度，最后經(jīng)比較在提出更精確的節(jié)點(diǎn)定位算法。 在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該要學(xué)會(huì)考慮能夠?qū)SN自身定位系統(tǒng)和算法的性能直接影響的因素，在對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)定位及定位算法的評(píng)價(jià)都是需要深入研究分析的的一個(gè)問題。以下列出的幾種定性是其中常用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。 (1) 定位精度。精度是用來衡量一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)定位在定位時(shí)的指標(biāo)。在應(yīng)用中以平時(shí)用誤差值與節(jié)點(diǎn)無(wú)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(diǎn)算法。所以在不同的技術(shù)設(shè)施中應(yīng)該以一種技術(shù)在相同環(huán)境中能定位多少目標(biāo)來衡量它的技術(shù)。 (3) 錨節(jié)點(diǎn)密度。錨節(jié)點(diǎn)在定位時(shí)是人工部署的，因此在工作中常常受到制約。錨節(jié)點(diǎn)在使用時(shí)成本相對(duì)偏高，且在沒有合理的布置下會(huì)給網(wǎng)絡(luò)帶來一些不必要的堵塞等問題，所以在對(duì)錨節(jié)點(diǎn)布置時(shí)其密度也是我們必要考慮實(shí)行的任務(wù)之一。 (4) 節(jié)點(diǎn)密度。在WSN設(shè)計(jì)中一定要考慮,節(jié)點(diǎn)密度越大所付出費(fèi)用會(huì)隨之增大,而且節(jié)點(diǎn)工作中會(huì)形成一定阻塞。 (5) 容錯(cuò)性和自適應(yīng)性。當(dāng)在理想的環(huán)境條件下時(shí)，節(jié)點(diǎn)定位算法在應(yīng)用時(shí)都可以達(dá)到預(yù)期的結(jié)果。而在外界環(huán)境中存在不同的干擾時(shí)，會(huì)出現(xiàn)很多問題。所以在

11、設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)做到容錯(cuò)性和自適應(yīng)性，使得在有外界因素時(shí)能更好的運(yùn)行。保證在定位時(shí)的可靠性等問題。也要做到設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)能夠通過自我調(diào)整、能自我適應(yīng)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(huì)因使用而隨之減少，所以這也是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)必須考慮的問題之一。在傳感器節(jié)點(diǎn)電池有限的情況下,我們要做到節(jié)點(diǎn)定位精度,還要進(jìn)行相關(guān)計(jì)算、開銷、時(shí)間復(fù)雜性等問題做出明確的計(jì)劃。 (7) 代價(jià)。在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中代價(jià)可從幾個(gè)不同方面來進(jìn)行說明。這里所說的代價(jià)是指時(shí)間代價(jià)、空間代價(jià)、所需付出的經(jīng)濟(jì)代價(jià)。時(shí)間代價(jià)是指在對(duì)一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)配置后進(jìn)行安裝，到能精確定位

12、等所需要花費(fèi)的時(shí)間?？臻g代價(jià)主要指的是一個(gè)定位系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)所需要的空間和在設(shè)計(jì)中根據(jù)空間的大小需要的設(shè)施等。經(jīng)濟(jì)代價(jià)主要指的是在設(shè)計(jì)一個(gè)定位系統(tǒng)是經(jīng)過對(duì)基本設(shè)施、設(shè)備等進(jìn)行計(jì)算出所需付出的費(fèi)用。 綜合上述幾個(gè)性能指標(biāo)的分析及評(píng)價(jià)，我們可以得到在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的事項(xiàng)。這些也是一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在自身定位和進(jìn)行定位算法時(shí)得到更好的結(jié)果必要的條件，也是本次設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo),也需要有大量的研究工作需要完成。同時(shí)在設(shè)計(jì)當(dāng)中這些性能指標(biāo)都是相連的,需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的具體要求而做出相應(yīng)的設(shè)計(jì),以選擇和設(shè)計(jì)出更合適的定位技術(shù)。三、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)三角定位算法 3.1 定位算法簡(jiǎn)介RSS

13、I算法是指根據(jù)收到的無(wú)線傳感器接受到的信號(hào)指示強(qiáng)度，計(jì)算這個(gè)信號(hào)在傳播中的損耗。當(dāng)受到外界因素的影響時(shí)這種算法通常會(huì)因而隨之被改變。從而定位精度不高。但在生活應(yīng)用中RSSI算法的算法是相對(duì)簡(jiǎn)單的而且成本價(jià)格較低等原因，所以RSSI算法在現(xiàn)實(shí)生活中還是被各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)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(cè)距模型根據(jù)信號(hào)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(gè)信號(hào)衰減指數(shù)，一般根據(jù)在理想的環(huán)境中具體的環(huán)境情況而設(shè)定，屬于在經(jīng)常應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)值，一般?。?,5）之間，根據(jù)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(biāo)

14、設(shè)為（x0，y0），兩個(gè)閱讀器的坐標(biāo)為（x1,y1）,(x2,y2),將目標(biāo)物體的坐標(biāo)設(shè)為（x，y），從而可以得到下面的式子： （3） （4）在根據(jù)（3），（4）就可以求出目標(biāo)標(biāo)簽的坐標(biāo)值。3.2 三角測(cè)距定位算法本文結(jié)合三邊測(cè)量算法模型，提出改進(jìn)的質(zhì)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(cè)量法的模型：在當(dāng)已知三個(gè)接收器節(jié)點(diǎn)分別為A(x1,y1)，B(x2,y2)，C(x3,y3)時(shí)，根據(jù)通過接收器接收到的未知節(jié)點(diǎn)(x,y)的RSSI值Ra，Rb，Rc，將根據(jù)已知的條件代入公式可以將Ra，Rb，Rc信號(hào)強(qiáng)度值從而轉(zhuǎn)換成距離R1，R2，R3 求得能夠構(gòu)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(diǎn)的三個(gè)圓，在根據(jù)算法代換而求出未知節(jié)點(diǎn)（x，y）的坐標(biāo)值： （5） 圖3-2 理想的三邊測(cè)量法模型一般的三邊測(cè)量法模型：上圖中是在理想環(huán)境中實(shí)現(xiàn)的，而在實(shí)際應(yīng)用中往往是得不到的。 圖3-3 一般的三圓相交情況對(duì)于M點(diǎn)（Xm，Ym），可以根據(jù)下面公式算出M點(diǎn)坐標(biāo)： （6）以上式同理可得，N（Xn，Yn），E（Xe，Ye）的坐標(biāo)也可以確定，通過三角形質(zhì)心算法就可以確定未知節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo),即D（x，y）=D （7）四、定位算法在Matlab下仿真4.1 參數(shù)設(shè)定在本文仿真中，對(duì)數(shù)衰減模型來進(jìn)行仿真，表達(dá)式如下.本文要對(duì)公式中的一些參數(shù)進(jìn)行預(yù)先設(shè)定。(1) 參考距離d

16、0 (dBm)，這里我們?nèi)0 =1。(2) d0點(diǎn)對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)功率Pr(d0) (dBm)，實(shí)際定位時(shí)，Pr(d0)值實(shí)地測(cè)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(shí)，我們直接取= 4，在進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)算法仿真時(shí)，取均值為4，標(biāo)準(zhǔn)差為0.1的高斯隨機(jī)變量。 (4) 高斯隨機(jī)變量X，取均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差4, 標(biāo)準(zhǔn)差越小信道越好，干擾越小，本文仿真會(huì)在標(biāo)準(zhǔn)差=4和10的環(huán)境下進(jìn)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(jié)果為了便于進(jìn)行Matlab仿真實(shí)驗(yàn)，我們?cè)O(shè)置已知節(jié)點(diǎn)為等邊三角

17、形的頂點(diǎn)，并用隨機(jī)數(shù)取點(diǎn)來設(shè)置未知節(jié)點(diǎn)。取已知節(jié)點(diǎn)>> AA = 0 0>> BB = 50.0000 86.6025>> CC = 100 0如下圖所示。圖4-1 已知節(jié)點(diǎn)繪圖模擬未知節(jié)點(diǎn)采用隨機(jī)數(shù)取值，為K>> P_positionP_position = 67.9296 3.4572 93.4693 5.3462K>> 普通定位進(jìn)行普通定位，得到定位結(jié)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(shí)驗(yàn)分析根據(jù)仿真可得下表，普通RSSI算法、三邊定位算法、加權(quán)質(zhì)心定位算法的均方誤差、誤差比率數(shù)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(jù)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(jīng)比較可得出在一樣的條件下三邊定位算法精度相對(duì)高于普通定位算法。這在一定程度上是因?yàn)槿叾ㄎ凰惴梢栽谟?jì)算過程中去掉權(quán)值計(jì)算過程中所引進(jìn)的誤差，在一定程度上提高定位精度。五、結(jié)論無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)定位問題一直是研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題之一。本文在對(duì)基于