（计算机应用技术专业论文）基于zigbee技术的铁路车站集装箱定位系统的研究与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 集装箱运输是现代物流业的主要方向，也同时是铁路货物运输的发展方 向，在现有的铁路集装箱运输管理信息系统中，由于采用的追踪技术绝大部 分是简单的一对一通信模式，无法在任意时刻找寻到集装箱的具体位置，以 致现有系统仍很难对车站内的集装箱做到高实时性准确的追踪定位。为了改 进这一不足提高车站集装箱信息管理效率，决定将最新的z i g b e e 技术( 短 距离低速率无线通信协议) 和无线传感器网络以及基于r s s i 的定位算法作 为此次研究课题，并用z i g b e e 网络技术和基于r s s i 的无线传感器定位技术， 研究与设计定位追踪系统来完成对货运车站内集装箱高实时主动的追踪定 位，完善现有货运车站集装箱追踪系统，提高铁路运输信息化管理水平。 本文围绕着项目组实际承担的基于z i g b e e 网络技术及无线传感器网络 行业定位应用系统对铁路货运车站环境实用化的集装箱节点定位技术展开 了研究。主要研究内容如下： 1 ) 本文通过将r s s i 测距方法和b o u n d i n gi n b o x 定位算法相结合，提出了 铁路货运车站环境下改进的b o u n d i n gi n b o x 定位算法。 2 1 对t i 公司基于c c 2 4 3 0 芯片开发的精简版z i g b e e 通信协议进行基础理 论性分析和研究，完成对协议栈有限状态机的分析，研究其中关键的网 络通信工作原理以及数据包处理机制，并设计开发上层应用程序 p pf s m ，实现传感器网络中节点之间链路r s s i 信息采集和传输。 3 ) 本文对该系统的设计与开发进行了阐述，主要包括：系统需求分析、相 关硬件平台介绍、系统总体框架设计和定位节点子系统设计与定位控制 台子系统设计，尤其特地说明了本文提出的定位算法思想与z i g b e e 网 络技术在该系统中的实际应用，同时也对设计与实现完成后的“定位系 统”制定测试方案，完成对定位系统中各子模块的系统评估和误差分析。 关键词：无线定位算法，b o u n d i n gi n b o x 定位，r s s i ，z i g b e e 技术， 铁路货运车站集装箱定位 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t m o d e mc o n t a i n e rt r a n s p o r ti st h em a i nd i r e c t i o no ft h el o g i s t i c si n d u s t r ya n d t h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no fr a i lf r e i g h tt r a n s p o r t i nt h ee x i s t i n gm a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e mo fr a i lt r a n s p o r t ，t h em a j o r i t yo ft h et r a c k i n gt e c h n o l o g yi s o n e o n o n ec o m m u n i c a t i o nm o d e l ，i tc a r l tf i n dt h es p e c i f i cl o c a t i o no ft h e c o n t a i n e ra ta n yt i m e ，s ot h a ti ti sd i 佑c u l tf o rt h ee x i s t i n gs y s t e mt oa c h i e v et h e h i g ha c c u r a c yo fr e a l t i m el o c a t i o nt r a c k i n g ，a n dm a k eh i g hi m p r o v e m e n ti n m a n a g e m e n t 。i no r d e rt oi m p r o v i n gt h el a c ko f s t a t i o n sa n dt h ee f f i c i e n c yo f i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ，ld e c i d et ou s et h eu p - t o d a t ez i g b e et e c h n o l o g ya n d w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s 蕊w e l la sr s s i - b a s e dp o s i t i o n i n ga l g o r i t h ma u st h e r e s e a r c ht o p i c ，t od e s i g nt h ep o s i t i o n i n gs y s t e mf o rt r a c i n gt h ec a r g oc o n t a i n e r s t e r m i n a la tt h eh i g hr e a l t i m ep o s i t i o n i n gt r a c k i n g t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e so nt h ep r a c t i c a lc o n t a i n e rp o s i t i o n i n gt e c h n o l o g y i nr a i lf r e i 曲ts t a t i o ne n v i r o n m e n ta r o u n dt h ez i g b e e - b a s e dn e t w o r kt e c h n o l o g y a n dp o s i t i o n i n gs y s t e mf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s m a i nc o n t e n t sa r e 嬲 f o l l o w s ： 1 ) 砸sp a p e rs t u d yt h el o c a t i o na l g o r i t h mo fr a i lf r e i g h tc o n t a i n e rb yt h e w a yo fc o m b i n i n gw i t l lr s s ir a n g i n gm e t h o da n db o u n d i n gi n b o x l o c a t i o na l g o r i t h m 2 ) a n a l y s ea n ds t u d yt h es t r e a m l i n e dv e r s i o no fz i g b e ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o lb a s e d o nt i sc c 2 4 3 0c h i p ，g r a s pt h ek e yp r i n c i p l eo fn e t w o r k c o m m u n i c a t i o na n dt h ep a c k e tp r o c e s s i n gm e c h a n i s m ，a n dd e s i g nt h e u p p e ra p p l i c a t i o np r o g r a mp 峄js m t og e tl i n kr s s ii n f o r m a t i o na n dt o a c h i e v ei t st r a n s m i s s i o nb e t w e e ns e n s o rn o d e si nt h en e t w o r k s 3 ) 碱sp a p e ra l s od e s c r i b e st h ed e t a i l so fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to n t h i ss y s t e m ，m a i n l yi n c l u d es y s t e mr e q u i r e m e n ta n a l y s e s ，i n t r o d u c t i o n o fh a r d w a r ep l a t f o r m ，f r a m e w o r ka n da r c h i t e c t u r eo ft h el o c a t i o ns y s t e m ， w h i c h e s p e c i a l l yd i s c u s s t h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h el o c a t i o n a l g o r i t h ma n dz i g b e en e t w o r kt e c h n o l o g y a tt h es a m et i m e ，d e s i g nt h e t e s tp l a ni nd e t a i lf o rt h er a i l w a ys t a t i o nc o n t a i n e rl o c a t i o ns y s t e m w h i c hh a v eb e e nr e a l i z e d ，f o rt h es y s t e me v a l u a t i o na n da n a l y s i so ft h e n o d ei n f o r m a t i o nr s s ic o l l e c t i o nm o d u l e ，c o n s o l em o d u l e 西南交通大学硕士研究生学位论文第l ii 页 k e y w o r d s ：l o c a t i o na l g o r i t h m z i g b e et e c h n o l o g y i p ， s y s t e m f o rw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ，r s s i ， r a i l w a ys t a t i o n c o n t a i n e rl o c a t i o n 西南交通大学曲南父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：蒂奁灶 日期： 淤c 7 3 7 指导老师签名：侈矿权 醐：渺p 7 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 对t i 公司基于c c 2 4 3 0 芯片开发的精简版z i g b e e 通信协议栈进行 基础结构性分析和研究，包括对协议栈中的物理层p h y 、m a c 层、 网络层n w k 进行协议栈有限状态机研究分析，研究论述其中关键 的网络通信工作原理以及数据包处理机制。并最后以此基础开发了 基于z i g b e e 协议栈标准的协议上层应用程序，实现传感器网络中节 点坐标和节点之间链路r s s i 信息的采集和传输功能，为传感器节 点测距和定位提供基础分析数据； 2 对现有的传感器节点测距及定位理论算法进行综合研究与分析，同 时依据8 0 2 1 5 4 信号信道模型和基于r s s i 测距原理，提出采用基 于r s s i 的测距、r s s i 信息高斯优化处理和无线传感器网络节点 b o u n d i n gi n b o x 定位算法，并提出对此定位算法的改进定位算法， 最终以此结合z i g b e e 无线网络技术与“铁路车站集装箱定位系统” 的功能需求，设计和开发了适用于铁路货运车站环境下的集装箱定 位系统，实现了系统功能需求，完成对传感器节点的坐标定位，并 且最终的测试结果显示误差得到明显的改善，这也同时验证了改进 的b o u n d i n gi n b o x 定位算法的正确性； 3 对设计与开发完成后的“铁路车站集装箱定位系统”实施了针对不同 网络场景而制定的测试方案，其中主要对系统的节点子系统r s s i 信息采集模块、控制台子系统节点定位模块进行系统评估和系统性 能分析，显示结果和误差结果。 学位论文作者签名：彰硷耻 日期- 砷 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景 第1 章绪论 铁路是国家重要的基础设施、国民经济的大动脉、交通运输体系的骨干。 虽然通过这些年的发展，但我国的铁路运输还是不能完全满足社会的需求， 在货物运输信息化技术管理方面和西方发达国家仍存在着较大差距，但同时 也说明在运输信息化管理上还有很大的发展潜力。我国的“十五规划”明确指 出：要以信息化、网络化为基础，加快智能型交通的发展。因此智能运输信 息管理已经成为我国交通领域发展的重要方面。 集装箱运输是现代物流业的主要方向，也同时是铁路货物运输的发展方 向，高效的集装箱信息管理对提高铁路服务质量，增强现代铁路运输能力也 都能起到非常大的促进作用。现有的集装箱系统( t m i s ) 和集装箱车站报 告管理信息系统已成为铁路集装箱运输的信息枢纽n ) 。进一步加强和完善集 装箱货场报告管理信息系统，是确保管理好铁路集装箱的基础。 在现有的铁路运输管理信息系统旺1 中，包括了车站集装箱子系统口1 ，完 成了对车站内集装箱实时追踪。但由于采用的技术绝大部分是一对一通信模 式，并且系统运行时集装箱不能够进行主动启动通信来完成定位功能，所以 只实现了最基本的功能( 记录集装箱在车站中进站或者离站) ，无法在任意时 刻找寻到集装箱的具体位置，以致现有系统仍很难对车站内的集装箱做到高 实时性准确的定位，使得管理效率上还是得不到太大的提升。同时现代化的 智能运输信息管理对集装箱信息管理有了更高的要求，不仅要求实现对集装 箱的高性能实时追踪，还需要对车站内的集装箱进行实时定位，查询到任意 时刻某一集装箱在车站内的具体位置。为了改进这一不足提高车站集装箱信 息管理效率，决定将最新的z i g b e e 技术( 短距离低速率无线通信协议) 和无 线传感器网络以及基于r s s i 的定位算法作为此次研究课题，利用z i g b e e 网络技术和基于r s s i 的无线传感器定位技术，设计定位系统来完成对车站 内集装箱的高实时主动定位，以完善现有车站集装箱系统，提高铁路运输信 息化管理水平。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 基于z i g b e e 技术的铁路车站集装箱定位问题概述 1 2 1 基本概念 无线传感器节点定位技术是无线传感器网络的其中主要的支撑技术之 一，近年来对节点定位技术的研究也非常广泛。节点定位技术即根据少数已 知坐标的节点，按照特定定位算法机制确定自身的坐标。只有当节点自身正 确坐标确定之后，就能确定传感器节点所监测的事件发生的具体位置，这需 要多个传感器节点之间相互协调合作，并利用定位算法机制确定事件发生的 位置。在传感器网络中，传感器节点自身的正确坐标确定是提供监测事件位 置信息的前提h 1 。 无线传感器网络( w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k ) 是微机电系统( m e m s m i e r o e l e c t r o m e e h a n i s m s y s t e m ) 、片上系统( s o c ，s y s t e m o n c h i p 和无线通信高度 集成而设计出的一种新型信息获取和处理方式哺1 。它由许多个功能相似或不 同的无线传感器节点构成，每个节点都由数据采集模块s e n s i n g u n i t ( 传感器、 a d 转换器) 、数据处理和控制模块p r o c e s s i n g u n i t ( 微处理器、存储器) 、通 信模块t r a n s c e i v e r ( 无线收发器) 和供电模块p o w e r u n i t ( 电池、能量转换器) 等组成，这些功能节点通过自组织快速形成一个无线网络，这与传统的信息 获取方式相比，无线传感器网络具有自组织、功耗小、廉价和快速部署、可 扩展性强、能在恶劣和特殊的环境下正常工作等优点哺1 。 z i g b e e 技术是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术，主要 应用于短距离无线通信。由英国i n v e n s y s 公司、日本三菱电气公司、美国摩 托罗位公司以及荷兰飞利浦等公司在2 0 0 2 年1 0 月共同提出，它具有成本低、 体积小、能量消耗小和传输速率低的特性。该技术主要应用在诸如工业控制、 环境监测、商业监控、汽车电子、家庭自动化等低速率网络等领域，在这些 领域中系统所需求的数据量很小，传输速率要求也不会很高，终端设备多采用 电池供电的嵌入式设备口1 。并且它拥有自己的无线电标准，在多个个符合 z i g b e e 协议通信标准旧1 的传感器节点之间进行协调从而实现通信，并且能以 接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传输到另一个传感器，使得 z i g b e e 传感器网络通信效率非常高。z i g b e e 的基础是i e e e 8 0 2 1 5 4 ，这是 i e e e 无线个人区域网工作组的一项标准，被称作( z i g b e e ) 技术标准。z i g b e e 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 不仅只是8 0 2 1 5 4 的名词，i e e e 仅负责m a c 层和物理层处理工作，z i g b e e 技术联盟同时也对其中的网络层协议和应用程序接口进行了适当标准化，下 图为z i g b e e 网络体系结构阳3 ： 图1 - 1z i g b e e 网络体系结构 1 2 2 基于z i g b e e 技术的铁路车站集装箱定位问题概述 此次铁路车站集装箱定位系统是将z i g b e e 无线传感网络应用在铁路车 站环境中，对车站内已安装传感器节点的集装箱进行定位跟踪。传感节点能 提供车站网络环境内的集装箱基本信息，并且通过周边相邻的参考信标节点 采集到集装箱节点的基本信息，最终结合r s s i 测距和定位算法，得到集装 箱在铁路车站内更加详细具体的位置坐标，而传统的集装箱管理信息系统则 无法完成这样的功能。 传感器节点的本地处理和存储能力使得传感节点具备了执行复杂任务 的功能。同时，由于传感节点可以与周围邻居节点进行无线通信，每个信息 数据包都能在传感网络内传输，因此节点间协作能完成了系统的需求，如集 装箱节点信息数据采集与传输、目标定位跟踪等。对于c c 2 4 3 0 传感器节点， 允许在布置前被重新烧写程序和设置变量参数，这使得网络中节点能随着环 境的变化而动态地去改变自身的属性和操作。 在本系统的开发过程中，将从实际应用出发结合铁路车站环境来设计这 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 一系统。我们的目标是利用低成本的传感节点与强大的z i g b e e 网络技术， 构建高效率、可靠、实用先进的无线传感网络定位跟踪系统，为铁道运输管 理部门及其相关的职能部分提供相对准确、及时的集装箱位置信息。 本次基于z i g b e e 技术的铁路车站集装箱定位系统研究课题，主要 就是利用z i g b e e 无线传感器网络通信技术结合基于r s s i 的传感器测距与定 位技术，对铁路车站内安装有z i g b e e 模块无线传感器的集装箱，进行节点 定位，并通过计算机完成对采集到的r s s i 信息后期定位算法处理后，最终 显示集装箱停放在铁路货运车站内的具体位置坐标。 1 2 3 研究范围 本文主要通过研究和分析z i g b e e 短距离无线网络技术，结合基于r s s i 的测距技术和定位算法，在对具体铁路车站环境进行无线传感器网络规划的 基础上，设计铁路车站集装箱定位系统，实现对安装有传感器节点的集装箱 进行实用的、精准有效的车站内坐标定位。其中主要研究包括对t i 公司精 简版z i g b e e 协议栈的研究与实现原理机制分析概括，研究和设计环境适应 性强的基于r s s i 的测距的精准定位算法、适用于铁路车站无线传感器网络 的定位系统。对这些问题的研究主要目标是通过利用z i g b e e 传感器网络技 术结合具体定位算法，完成铁路车站内具体环境下的传感器节点定位，最终 实现对集装箱的定位。 对t i 公司精简版z i g b e e 协议栈n 门的研究与分析是通过对现有基于 c c 2 4 3 0 芯片z i g b e e 协议栈n 伽的研究与分析，包括物理层、m a c 层、网络 层，从而掌握z i g b e e 网络技术和传输技术，并在此协议栈上层设计开发上 层应用程序，结合协议栈和传感器芯片自身已有的功能，有效地完成传感器 网络中节点坐标和节点之间链路r s s i 信息的采集、优化和传输，为测距和 定位提供基础分析信息数据。 研究与改进环境适应性强的基于r s s i 的测距的精准定位算法和设计适 用于铁路货运车站无线传感器网络的定位系统是研究如何在货运车站环境 下对无线传感器集装箱节点进行快速有效的定位。传统的集装箱技术绝大部 分是一对一通信模式，并且系统运行时集装箱不能够进行主动启动通信来完 成定位功能，所以只实现了最基本的功能( 记录集装箱在货运车站内进站或 者离站) ，同时信息数据的传输必须按照固定的路线，对线路布置要求较高 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 并很难适应复杂的铁路车站环境。一些应用在其它场景中的定位方式因计算 的复杂度，对节点硬件要求、成本、能耗方面的求都较高，无法适用于本次 课题研究。 1 2 4 国内外研究现状 目前，我国铁路集装箱运输管理中，实现车站内集装箱信息追踪n 6 3 的功 能所采用及建议使用的技术主要为人工操作、r f i d ( 无线射频识别系统) 和g s m g ( g s mf o rr a i l w a y ) 1 剁。 r f i d 口3 3 是利用射频信号通过空间耦合实现非接触信息传递并通过所传 递的信息达到识别目的的技术，是自动识别技术在无线电技术方面的具体应 用和发展，它具有数据存储量大，读写速度快，安全性高，读写方便等特点， 有效识别距离从0 米到8 0 米可调，实现的原理是，通过安装在车站出入口 轨道地面上的微波射频装置向即将驶入站内的集装箱底部的r f i d 标签发射 微波载波信号，为r f i d 标签提供能量使其开始工作，标签在微处理器控制 下，将标签信息通过编码器进行编码，再通过调制器控制微带天线，反射信 息，地面天线接收反射回的标签信息后传送到探测机房，由机房内计算机将 接收到的已调波信号进行解调，译码，处理和判别，完成集装箱在货场内的 n 引。由于此项技术的工作模式为一对一( 一个r f i d 标签同时只能与一个地 面接收装置实施通信) ，并且此集装箱信息采集过程为一种被动启动模式 ( m q d 标签不能主动的发射微波控制信号，需被动地由地面微波射频装置启 动) ，所以这项技术也只适用于低实时性环节( 集装箱已进入或者离开车站) ， 如果要实现对车站内集装箱的高实时性主动定位还具有一定困难。 g s m r 是一种源于目前最成熟、最通用的公共无线通信系统g s m 平台、 而专门为适用铁路应用领域而开发的数字式的无线通信系统。它主要是应用 于铁路通信列车调度、列车控制、支持高速列车等，为铁路运行和管理提供 定制的附加功能的一种经济而且高效的综合无线语音通信系统。而由此技术 人员提出方案，利用g s m r 平台的数字传输能力，实现对货物集装箱实施。 大体方案是：由进入车站内装在集装箱作业点上的移动数话机，通过g s m r 网络将其信息转发到车站电子房的无线数话兼容机，经确认通过，由接口软 件将信息送入终端计算机进行处理，然后再由车站无线电台经g s m - r 网络送 车站计算室无线电台接收汇总n 引。与r f i d 技术方案相比较，虽然能够实现 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 主动通信，但由于其通信模式也为一对一( 集装箱上的移动数话机只能与一 个地面固定无线数话兼容机通信) ，以致只能知道集装箱在此车站内出现， 但也很难实现高实时性定位出集装箱的具体坐标位置，所以也只适合完成基 本环节的功能，如果要实现实时定位则需通过g p s 来实现，但这样却导致 费用开销成本的增加。 1 3 本文的主要工作及安排 针对铁路车站环境中的集装箱定位系统的功能要求和z i g b e e 网络技术 优势，以及基于r s s i 的传感器节点定位技术的研究范围，本文做了相应的 研究和设计开发，主要工作如下： 对t i 公司基于c c 2 4 3 0 芯片开发的精简版z i g b e e 通信协议进行基 础理论性分析和研究，主要是对协议栈中的物理层p h y 、m a c 层、 网络层n w k 协议栈有限状态机进行分析和概括，熟悉掌握其中关 键的网络通信工作原理以及数据包处理机制。此项工作的主要目的 是以此基础开发上层应用程序，实现传感器网络中节点坐标和节点 之间链路r s s i 信息的采集和传输功能，为传感器节点测距和定位 提供基础分析数据； 对现有的传感器节点测距及定位理论算法进行综合研究与分析，同 时依据8 0 2 1 5 4 信号信道模型和基于r s s i 测距原理，提出采用基 于r s s i 的测距、r s s i 信息高斯优化处理和无线传感器网络节点 b o u n d i n gi n b o x 定位算法，并提出针对此定位算法的改进算法，最 终以此结合z i g b e e 无线网络技术与“铁路车站集装箱定位系统”的功 能需求，设计和开发适用于铁路货运车站环境下的集装箱定位系统， 实现了系统功能需求，最后完成对传感器节点的坐标定位，并通过 网络环境测试验证改进后的b o u n d i n gi n b o x 定位算法的正确性。 对设计与开发完成后的“铁路车站集装箱定位系统”针对不同的网络 场景制定测试方案，并对系统中的节点子系统r s s i 信息采集模块、 控制台子系统节点定位模块进行系统评估和分析 本文的组织如下： 第一章为本文的绪论部分，介绍了本文的背景知识和主要工作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第二章研究和分析了基于高斯优化的r s s i 测距原理和无线传感器网络 节点定位算法，并提出针对铁路车站环境适应能力强的b o u n d i n gi n b o x 改进 定位算法。 第三章分别对基于c c 2 4 3 0 芯片开发的精简版z i g b e e 协议栈中的物理层 p h y ，m a c 层，网络层n w k 进行协议栈状态机进行研究论述，描述了 z i g b e e 网络通信有限状态机f s m 工作原理以及数据包收发处理机制，为实 现传感器网络中节点坐标和节点之间链路r s s i 信息的采集和传输功能及系 统开发奠定理论基础。 第四章对“铁路车站集装箱定位系统”进行需求分析说明，并以此设计系 统总体框架，并对系统中的节点子系统，控制台子系统及其功能子模块的设 计和实现进行了详细分析和描述。 第五章针对“铁路车站集装箱定位系统”进行系统功能描述、需求分析、 整体框架设计以及各子系统相关模块设计与实现后，通过指定的测试方案、 测试环境和测试之后的结果显示，对此次设计开发的定位系统，进行系统评 估和分析，以及定位误差分析。 最后对本文做了总结，提出了一些有待解决的问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章基于r s si 的定位算法研究 根据定位过程中是否测量实际节点的距离，将定位算法分为：距离有关 ( r a n g e - r e l a t e d ) 的定位算法和距离无关( r a n g e f r e e ) 的定位算法n 7 1 ，前者需 要测量相邻节点间的绝对距离或方位，并利用节点间的实际距离来计算未知 节点的位置；后者无需测量节点的绝对距离或方位，而是利用节点间的估计 距离计算节点位置。 2 1 传感器定位测距基本理论和基本模型概述 在传感器无线网络中，节点间距离的测量技术常用的有 r s s i t o a u s j , t d o a u 引和a o a t z u j 。 r s s i ( r e e e i v e d s i g n a l s t r e n g t h l n d i e a t o r ) 为己知发射功率，在接收节点端测 量信号接收功率，计算传播损耗，通过理论或经验的信号传播模型将传播损 耗经过计算处理便能求得节点之间的距离，该技术主要使用射频信号。因传 感器节点本身已具有无线通信功能，故其作为一种低功率、方便的测距技术 被应用在传感器节点中，r a d a r 口，s p o t o n 晗2 1 等许多项目就使用了该技术。 上述其余t o a ( t i m eo fa r r i v a l ) 、t d o a ( t i m ed i f f e r e n c eo na r r i v a l ) 、 a o a ( a n g l eo f a r r i v a l ) - - 类的测距技术介绍可参考文献资料 1 8 、1 9 、2 0 ， 在这里不再做过多的论述，与r s s i 测距技术相比存在主要的不足是对硬件 的要求比较高或者需要额外的硬件支持，因此不适于传感器节点。 2 1 1r s si 测距的基本理论 依据信号传播路径损耗心3 1 和无线信道特性可得距离与信号发收功率之 间的关系如下式( 2 1 ) ，a 可为信号传输1m 远时接收的功率，n 为传播因子： p r ( d b m ) = a 10 n l g r 2 4 3( 2 1 ) 通过下图2 1 与图2 2 ，我们可以更加直观的得到r s s i 与发射功率、距 离之间的关系，常数a 和n 的数值决定了曲线的变化，由此得到以下结论： 无线信号在近距离的传播过程中信号衰减相当厉害，远距离则信号呈缓 慢线性衰减；在干扰较小的情况下，传播因子以值越小，信号传播距离越 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 远，无线信号的传播曲线越接近于理论曲线，基于r s s i 的测距就会越精确， 同时在距离为1 0 - 4 0 米范围内，r s s i 区分度更明显。 r ss l 与距离关系 图2 - 1r l 不变为3 0 ，a 变化时r s s i 与距离曲线图 陷s i 与距离关系 图2 - 2a 不变为- 4 5 ，n 变化时r s s i 与距离曲线图 基于上述原理，i e e e8 0 2 1 5 4 给出了简化的信道模型瞳副，由式( 2 2 ) 给 出：r s s i ( d ) = p t - 4 0 2 1 0 2 。l g d ，d 翁m n - 5 0 8 一l o 3 l g d ，d 8 m ( 2 - 2 ) 通过实地试验对上述理论进行正确性测试：无线通信收发节点是公司的 无芯片c c 2 4 3 0 。在2 个节点中选择1 节点作为信号发射节点，2 节点接收 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 数据，发送接收节点使用的是短杆形状天线，节点放置的高度1 5 m 。现将l 号 节点固定坐标，移动发射节点，发射节点功率默认设置为最大值0d b m ，连续 发射固定长度的数据，每隔5 1 0 米记录r s s i 值及对应数据接收误码 率：- 6 1 ( 0 ) 、一6 7 ( 0 ) 、- 7 2 ( 0 ) 、- 8 0 ( 0 ) 、一8 3 ( 0 ) 、一8 5 ( 2 ) 、8 8 ( 3 ) d b m 。 记录的r s s i 数据经过拟合曲线如下图2 3 所示，从图2 3 可以看出节 点的拟合曲线在传输4 0m 后曲线是平行的，只是曲线之间有一定间距。下 述拟合曲线的常数a 的取值均为相同值。 r s s l 与距离关系 图2 - 3r s s l 值与接收信号距离之间的拟合曲线 2 1 2 高斯模型优化r s s i 的研究与分析 r s s i 是指示当前介质中电磁波能量大小的数值，单位为d b m ，r s s i 值随 距离增加而减小，信标节点可以通过r s s i 值计算出未知节点与它的距离。 研究人员通过研究发现对于实际测量的r s s i 有一个随机分量x o ，即实 际测量的数值在一个相对稳定值附近变动，并得出以下简化高斯模型啪3 ： p r = p t + x 0 ( 2 3 ) 其中，p r 服从高斯分布，即p r n m ，o 】，密度函数啪1 为： 1 趔 ，( x ) = e 2 0 a ( 2 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 所= 翌：垄坠：些 ( x i - m ) 2 矿= 上上一 甩一l ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 其中，) ( i 为第i 个接收信号强度值，n 为信号次数。 为此采用高斯优化r s s i 数据，原则为：一个节点在同一位置可能收到 1 1 个r s s i ，其中会存在着小概率事件，导致计算距离产生误差。高斯模型 将选取高概率发生区的r s s i 值，然后再求几何均值，这种做法能降低一些 小概率、大干扰事件对整体测量的影响，也就相对增强了定位信息的准确性。 本此系统开发选择0 5 0 6 作为为采样临界点，即当r s s i 高斯分布函数 值大于o 5 0 6 时才认为对应的r s s i 值为高概率发生值；小于或等于o 5 0 6 对应的r s s i 值则认为是小概率随机事件，通过上式可以求出。与m 。由下 式( 2 8 ) 可以确定接收r s s i 的采样范围，按照此范围选择各节点中的正常 r s s i 值，并存放到采集数组中，最终求平均值将得出的r s s i 优化值。 1 蝉 o 5 至o 6 ；= e2 0 1 r 2 8 、 a d 2 ：r 、7 2 2 三边测量法定位计算方法研究 图2 - 4 信号覆盖区域交集模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 上述章节主要介绍了基于r s s i 值进行的测距原理和r s s i 高斯优化，将 收集得到的信号r s s i 通过高斯优化之后，通过信道衰减模型求出未知节点 与信标节点之间的距离。接下来主要论述在获得节点间的距离后使用定位方 法计算节点的位置，以实现无线传感器网络中的节点定位。主要的r s s i 定 位算法主要为：三边测量窿7 1 及质心定位 ( 凸变形规划) 。 在2 d 空间中，当知道一个点到3 个或3 个以上节点的距离，可以确定 该点的坐标。如上图2 4 所示。三边测量定位法的基本原理就是求3 个已知半 径和坐标圆心的圆的交点。 由于节点间测距存在误差，实际应用中图2 4 所示的3 个圆往往无法交于 一点，为求解使估计坐标与实际坐标差异最小的点，常常使用质心的原理来计 算未知节点的坐标假设未知节点坐标是( x ，y ) ，锚节点坐标分别为p l ( x l ，y 1 ) ， p 2 ( x 2 ，y 2 ) ，p k ( x k ，y k ) ，未知节点到锚节点的距离分别是r l ，r 2 ，r k ，可得式： r r r 【- 吆= ( 2 9 ) 以此求三点a 、b 、c 的坐标，然后通过圆形的质心坐标公式最终得到 p 点的大概坐标。多边测量定位的缺点是需要大量的浮点运算，或者由于存 在节点间测距存在误差，为求解使估计坐标与实际坐标差异最小的点，采用最 d , - 乘估计汹1 的原理来计算未知节点的坐标，但同样此做法也存在上述缺 点。 2 3 基于b o u n din gin b o x 定位算法的研究 针对2 2 小节三边测量定位算法出现的复杂度问题，加州大学伯克利分 校的s e m i c 等人提出了一种更为简单的算法b o u n d i n gi n b o x 啪m 3 。该方法的 主要思想是利用信标节点的位置和测距值规划出边界框( b o u n d i n gi n b o x ) ，求 解边界框的交集。该算法实质是将求解二次方程组的问题简化为求解一次方 程问题，从而避免了复杂的最d - - - 乘解法，这将大大减少计算开销。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 3 1b o u n d in gin b o x 定位算法基本原理 对于大多数传统的信号覆盖模型中，2 d 覆盖区域是以圆形区域进行设 置，在此区域内的所有节点都默认地将能接收到信号，但是在b o u n d i n gi n b o x 定位算法中，将重新调整信号覆盖区域，变圆形区域为矩形区域，矩形区域 内的节点都将默认的接收到节点信号。 对于上图2 4 的信号圆形覆盖区域，由于最终的未知节点p 位于信标节 点的信号覆盖区域交集，为了简化计算模糊求出大概区域，我们将圆形信号 区域用矩阵代替，转变为加强型的距离信号覆盖模型，如下图。 图2 - 5 信号增距离强型模型图2 - 6 两个信号增强交集模型 将b o u n d i n gi n b o x 定位原理应用在三边或者多边形定位算法中，我们将 可得出边界框交集效果以及两模型之间的差异。 图2 - 7b o u n d i n gi n b o x 定位原理 上图2 - 7 为b o u n d i n gi n b o x 算法原理和策略口，p 点坐标为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 p ( x ，y ) = m a x ( x i r ) ，m a x ( y i r ) m i i l ( x i + r ) ，m i n ( y i + r ) 】，i 1 ，2 ，3 ； 对于具体的实际场景，当信标节点p lp 2p 3 布置好之后，进行的具体操 作如下：信标节点依次接收到未知节点的r s s i 值，并已经高斯函数优化处 理，通过信道模型得到两点之间的距离，分别以r 1r 2r 3 距离半径设置信 号覆盖圆形区域，再将其转换成增强距离通信信号模型，以内切圆作矩形得 到信标节点问信号覆盖交集，矩形区域如上图2 7 ，最后我们将矩形交集进 行质心坐标计算便得出未知节点的模糊精度位置完成定位，得到节点p 。 2 3 2 基于b o u n din gin b o x 定位的改进算法 在上小节2 3 1 中，主要介绍了基于r s s i 测距口副的b o u n d i n gi n b o x 定位 算法的基本原理，它与三边定位测量算法的优点在于此算法不需经过大量浮 点数运算或者最小二乘法估计便能将最终的节点模糊坐标位置通过简单的 计算得到，实验发现由于这种算法是采用扩大区域的信号覆盖模型，使得最 终的定位存在一定的误差，如下图2 8 中的点p 并没有出现在三边交集 p 1 p 2 p 3 区域内( 见下图2 8 ) ： 图2 - 8 改进算法定位原理 通过试验测试也表明存在上述结论，即最终通过b o u n d i n gi n b o x 定位算 法得到坐标p 点往往只在三边交集区域的边界，为了进一步拟合三边定位的 质心坐标减小定位误差，提出基于此算法的改进定位算法。 在基于r s s i 优化和信道衰落模型测距得到待测未知节点与三个信标参 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 考节点之间的距离r l 、l 毪、r 3 后，通过b o u n d i n gi n b o x 定位算法得到节点 的模糊坐标p 如下图2 - 9 ，并利用p 点x 与y 轴坐标将划得的矩形区域重 新分为b 1 、b 2 、b 3 、b 4 四个更小的矩形区域，并依次对由三边交集p 1 一p 2 p 3 构成的x 矩形区域进行查找，判断x 区域是否被包含在内，从而实现对p 点的修正，提高定位精确度。改进定位算法具体过程如下： 1 ) 对p 点坐标进行判断，依据p 点到三个信标节点的坐标之间的距离 d 是否都小于r 1 、r 2 、r 3 ，如果是则不进行下述过程得到最终定为坐标， 若不是则进行第三步执行； 2 ) 依据p ( x ，y ) 确定的矩形区域，将其划分成四个相同面积更小矩形 区域b 1 、b 2 、b 3 、b 4 ，并依次对其进行下述判断； 3 ) 求b i ( i = l ，2 ，3 ，4 或者最开始的矩形区域) 区域的中心坐标 p1 ( xp 1 ，yv 1 ) ，并判断与三个信标节点的距离是否分别都小于r 1 、r 2 、 r 3 ，如果不是则通过y 水平坐标分别求得与r 1 、i 也、r 3 半径弧线其中两 个的交点的中心坐标，如上图中的点p ( p 1 p 2 弧线与p l p 3 弧线y 水平坐 标交点为端点线段的中心) ，并判断p 点与信标节点的距离d 是否小于半径 r i ( i 为1 、2 、3 ) ，如果是则通过p 点x 水平坐标再求得与p 1 一p 2 弧线与p 1 p 3 弧线交点为端点的线段的中点坐标pa i m ，并判断pa i m 是否与信标节点的 距离d 分别小于半径黜，如果是则说明最终得到的坐标pa i m 为定位坐标； 如果在当前四个区域没有找寻到则将p ( x ，y ) 分别重新设置为pl 、p2 、 p3 、p4 ，对当前区域执行第2