农田环境无线传感器网络定位技术研究与实现

无线传感器网络是当前国内外备受关注的热点研究领域之一,它能够实时监测和采集网络分布区域的各种监测对象的信息,具有广阔的应用前景。位置信息作为无线传感器网络应用一个基本的需求,是无线传感器网络广泛应用的前提。农业环境是无线传感器网络的重要应用领域,农业环境无线传感器网络定位技术研究对该技术在农业环境应用意义重大,有必要进行深入研究。本文以麦田环境为应用背景,在分析当前定位技术发展现状的基础上,研究了基于测距的无线传感器网络定位技术,重点从无线信号传播模型和定位算法两方面进行了探索,同时以ZigBee网络为平台验证了该算法在麦田环境的可行性,具体工作和成果如下:(1)分别基于测距和非测距的分类方法介绍了当前几种常见的定位技术的基本原理和适用场景。测距定位技术方面,分别介绍了基于TOA、TDOA、AOA和RSSI的测距方法,然后介绍了三边定位法、多边极大似然估计法和角度测量法三种基于测距的定位机制。简要介绍了几种典型基于非测距的定位技术的基本原理。在充分介绍各种定位算法特点的基础上,对比分析了各种定位技术的优势及局限性。(2)为探索无线传感器网络信号传播规律,基于CC2530EM构建的ZigBee网络节点在麦田进行了2.4 GHz无线信道路径损耗测试,在分析信道路径损耗变化趋势的基础上,分别对比分析了采用自由空间模型、双射线模型、单折线和双折线对数距离模型四种路径损耗模型的建模结果。结果表明,自由空间模型和双射线模型不适用于该环境下建模,单折线和双折线对数距离模型适用于麦田环境2.4 GHz无线信道路径损耗建模。(3)基于多种无线信道路径损耗模型对比分析及定位需求,确定了单折线对数距离模型作为信道路径损耗模型,并确定了最优天线高度及信号发射功率。基于该模型,提出三边定位法和质心定位法相结合的新型三边-质心定位算法,并给出了算法流程与具体计算方法与参数。通过MATLAB进行了算法仿真分析,得到了仿真结果。结果表明,与传统三边定位法和质心定位法相比,该算法能够得到更小的定位误差。(4)基于CC2530EM硬件平台,将本文提出的三边-质心定位方法与ZigBee协议栈相结合进行定位算法开发,并开发了相应的上位机定位软件,以图形界面显示定位结果,在实际麦田环境组建ZigBee网络进行了验证实验。实验结果表明,该算法能够实现未知节点实时定位,算法具有较高的稳定性和准确性,同时该平台也能稳定运行。