无线传感器网络无需测距技术节点定位算法研究与实现

无线传感器网络是一种新兴的信息获取和处理技术,它集成了传感器技术、嵌入式计算、低功耗电子技术和无线通信技术。无线传感器网络在国防军事、环境监测、空间探索、医疗卫生、精细农业、交通管理、反恐抗灾等领域具有广阔的应用前景。节点定位技术是无线传感器网络进行目标识别、监控、跟踪等众多应用的前提,也是无线传感器网络研究中的共性支撑技术之一。 无线传感器节点由于受到功耗、成本、体积等因素的限制,对无线传感器网络节点定位技术提出了新的要求和挑战,在满足精度的前提下还要求定位算法必须是易实现、低复杂性、低能耗的。本文就无线传感器网络中的节点定位技术展开深入探讨和研究。主要工作包括以下几个部分: 1、对无线传感器网络节点定位问题进行了综述,阐明了节点定位技术在无线传感器网络中的重要性。论述了无线传感器网络的特点和体系结构,讨论了其关键技术和应用领域。在查阅大量相关文献的基础上,全面地探讨了节点定位问题及其在国内外的研究现状; 2、重点研究了无线传感器网络节点定位的基本原理和机制,分析了节点定位中距离或角度的测量技术和方法。描述了无线传感器网络节点定位算法和系统的性能评价标准,并从测量技术、定位形式、定位效果、实现成本等方面考虑,总结了节点定位算法的分类方法; 3、对无线传感器网络无需测距节点定位技术进行了深入地探讨,剖析了无需测距定位算法基于连通性和基于跳数两种度量方式及其实现原理。然后着重对质心算法、凸规划算法、MDS-MAP算法和APIT算法等几种典型的无需测距节点定位算法的原理和性能做了细致的研究和分析,以此为后续的研究工作提供良好的基础和借鉴; 4、在现有算法基础上,结合无线传感器网络的特点,研究并设计出一种新的定位算法,称为ELM定位算法。对于直接连通节点,ELM定位算法充分利用信标节点的坐标进行直接定位,减少了单位跳距误差对节点最终位置的影响。针对节点定位过程中的误差问题,在ELM定位算法中加入了一种验证方法以提高节点定位的精度。通过构建仿真系统对算法进行仿真分析,仿真结果显示算法具有较高的定位精度和覆盖率; 5、为了进一步验证定位算法的有效性和实用性,同时针对国内目前在无线传感器节点方面的匮乏,设计了无线传感器节点。实验节点采用Philips公司的LPC2138嵌入式微处理器和Chipcon公司的CC1100射频通信芯片。给出了无线传感器网络节点定位系统总体设计方案和实现方法,并在设计的实验节点上移植了TinyOS操作系统,采用nesC语言在硬件节点上对ELM定位算法进行了程序设计,最后对定位算法做了实地测验。