论文总字数：18612字

目 录

1绪论 6

1.1 研究背景及意义 6

1.2 国内外定位技术的研究现状 6

1.3 论文的研究内容及组织结构 6

2无线传感器网络与无线定位方法 7

2.1 无线传感器网络系统概述 7

2.1.1无线传感器网络系统结构 7

2.1.2 无线传感器网络系统的特点 7

2.1.3 无线传感器网络节点的特点 8

2.2 无线定位技术 9

2.2.1 基于测距的定位法 9

2.2.2 基于非测距的定位法 10

2.3 本章小结 11

3基于RSSI 的室内定位方法 11

3.1 无线信号传输模型 11

3.1.1 经验模型 11

3.1.2 理论模型 12

3.2经典定位法 13

3.2.1最小二乘法 13

3.2.2三角形质心法 14

3.2.3 三角形加权质心法 15

3.2.4常用定位法存在的问题 15

3.3 改进的四边形加权质心定位算法 15

3.3.1四边形质心算法 15

3.3.2 权值的修正 16

3.3.3 四边形加权定位法 17

3.4本章小结 18

4 仿真结果及分析 18

4.1 平均误差与添加误差的标准差的关系 18

4.2 平均误差与锚节点数量的关系 20

4.3 误差的CDF曲线 22

4.4 定位误差与图形强度的关系 23

4.5 本章小结 24

5.总结 24

参考文献： 25

致谢 27

基于无线传感器网络的室内定位算法研究

李昕

,China

Abstract：One of the very important point of the Wireless sensor network positioning technology is the positioning algorithm. This paper introduces the structure of wireless sensor network and the localization algorithm based on ranging and no-ranging, wireless signal transmission model, including empirical models and theoretical models, and some of the classic indoor localization algorithms, such as trilateration, triangulation, triangular weighted centroid algorithm. In this paper, based on the analysis of commonly used triangular weighted centroid localization method, we gives the improved quadrilateral weighted centroid localization algorithm by increasing the beacon nodes and the correction weights, to a certain extent, it improves the positioning accuracy. We use Matlab simulation to proves its effectiveness.

Key words：Wireless sensor network, indoor node localization algorithm, triangular weighted centroid localization algorithm, quadrilateral weighted centroid localization algorithm

1绪论

研究背景及意义

从21世纪初开始，物联网的概念和技术在全球得到高度重视。物联网是互联网的应用拓展，它通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，利用新的方式将传感器、控制器、机器、人和物等相互联系，形成物与物、人与物相联，实现信息化、远程管理控制和智能化网络，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。国内外各大企业和高校开始将目光由传统的通信行业转向了物联网行业，而与物联网密切关联，基于大量具有通信功能的微型传感器构成的无线传感器网络也成为了国内外关注的热点。

1.2 国内外定位技术的研究现状

无线传感器网络由美国军方最先开始研究。美国的著名院校基本上都有部门进行传感器网络的研究。各国的研究机构都先后开始了无线传感器网络的研究。

我国对无线传感器网络的研究起步较晚，于20世纪末才正式启动。在我国 “十五”计划和2010年提出的远景规划中，无线传感器网络已经被列为重点发展产业之一。在2012年，其被教育部纳入科研重点项目。近年来，国家自然科学基金委员会对无线传感器网络相关的研究课题给予了大力资助。

从20世纪90年代起，国内外许多高校和研究机构开始了室内定位技术的研究，也出现了一些成熟的室内定位系统。例如Active Badges、Active Bats、Cricket、RADAR等。

1.3 论文的研究内容及组织结构

在室内环境中，定位精度较差，原因有很多，主要是障碍物多，多径效应严重等。本文分析了三角形加权质心法的不足，在此基础上，本文添加了一个信标节点并对权值进行修正，对算法进行了改进，提高了定位精度。

本文的章节安排如下：

(1)第一章介绍本课题的研究背景以及意义和定位技术在国内外的研究现状。

(2)第二章介绍无线传感器网络结构及无线定位技术。

(3)第三章是无线信号传输模型的介绍，及对基于RSSI三角加权质心定位法进行分析，并通过增加信标节点及修正权值，提出改进的四边形加权质心定位算法。

(4)第四章对改进的方案进行MATLAB仿真，分析仿真结果。

(5)第五章对全文进行总结。

2无线传感器网络与无线定位方法

2.1 无线传感器网络系统概述

2.1.1无线传感器网络系统的结构

无线传感器网络的形成方式是通过设置在待测区域周围的传感器节点之间的互相通信来构成网络系统。在此网络中，自身存储有信息的节点不断向其附近的节点发送信息，信息传输过程中，可能使用一条或多条路径传送到汇聚节点。汇聚节点将自己接收到的信息传递给其他网络中。下达指令需要通过管理节点，管理节点传输数据给汇聚节点，并通过汇聚节点给需要的传感器节点传达命令。当传感器节点收到数据后，根据数据中包含的命令工作。工作完成后，再将得到的数据原路返回，告知下达指令者。图 2.1是其总体结构。

图2.1 总体系统结构

整个定位系统的宏观硬件设备如上图所示，定位系统的工作过程为：将许多已知节点放在未知节点的附近。节点会发送数据，已知节点接收这些数据并进行简单的数据处理，形成一个独立的网络。这个网络通过对信息的收集选优，将信息发送给汇聚节点，汇聚节点接受并处理信息，然后将信息发送给控制中心。以上是在硬件方面的基本思路。

2.1.2 无线传感器网络系统的特点

当前系统存在着许多问题，总结如下：

（1）电池的供电量不足

无线传感器网络技术的特点是便宜且耐用。由于传感器节点的微小化进程，其体积受到了限制，使得其所携带的电池电量有限，能量供应不充分。另外，传感器节点的成本较低，定位精度较差，因此在监测的区域内需要布置大量的传感器节点，而许多节点的位置人类难以到达。随着微电子技术的发展，传感器节点内的处理模块的能耗已有了很大的降低，延长了传感器节点的工作时间。

（2）处理和存储数据信息的能力有待改善

传感器节点的嵌入式结构是微小而独立的，这导致了许多缺点，如能源不够，通讯能力差，存储信息少，信息处理弱等特点。有时需要节点进行的工作难以实现。低功耗独立系统技术发展迅速，目前市场已经有许多低供耗节点且其性能强大，功能丰富，如拥有调速的功能，同时具有足够的能源。由此，我们可以动态的管理节点。动态管理是指节点周围若没有数据传输或特殊情况发生，节点自动切换为空闲模式。节点在空闲模式工作一段时间后，若无信息传输，节点自动切换为休眠模式，以降低系统的功耗。

（3）节点间的连通能力不足

无线通信的能耗与通信距离的关系如下：

（2.1）

式中，E 为能耗，d 为通信距离，K为系数，参数 n 满足 2lt;nlt;4。通常n 值为 3。无线传感器网络进行通讯和传输信息的方式是类似跳棋的方式，且其之间的连通是点与点进行的。在传输过程中，由于自然界存在大量的干扰因素，如障碍，天气等，节点的性能不断变化，有时信号会中断，因此通信技术和定位技术受到了极大的制约，也同样是目前需要解决的问题。

2.1.3 无线传感器网络节点的特点

硬件条件的不断改善使得无线传感器网络节点的应用产生了如下特点：

（1）数量大，规模大

想要精确化节点的位置信息，需要在待测区域中布置洪量的各种类型的节点，从而达到精确化所需要的精度要求。网络的大规模性要求必须有大量的节点。主要表现如下：一是待测区域的范围大，二是在待测区域内需要布置数量足够大的传感器节点。

（2）节点间可以形成迷你互联网

在建立无线传感器网络前，必须先通过使用各种方法来将大量的传感器节点布置待测区域内，布置方式必须是随机的。在布置完节点后，节点在待测区域内发送并接收信号，连接周围节点并进行数据传输，在这种情况下，一个节点键互相连接的网络环境得以建立。在实际的生活与工作中，任何使用电池供应能源的节点都存在着相同的问题：电池的能量供应不足。这时需要在待测区域内不断的布置新的节点来补足需要的节点数量，新节点开始与原有节点进行数据传输，并通过这种方式建立网络。这表明了无线传感器节点间的连通性十分之高，同时无线传感器网络并不是静止的而是动态的网络系统，这种动态系统不断的推倒重建，并在此过程中得到不断完善。

（3）网络的中心是数据

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