基于Zigbee的定位算法及应用说明书

分类号单位代码10220密级东北石油大学硕士研究生学位论文论文题目基于ZIGBEE的定位算法及井控人员定位实现研究硕士生马莉指导教师衣治安学科专业软件工程研究方向计算机网络与嵌入式系统THESISFORTHEMASTERDEGREEINENGINEERINGRESEARCHOFZIGBEEBASEDLOCALIZATIONALGORITHMANDWELLCONTROLPERSONNELPOSITIONINGCANDIDATEMALITUTORYIZHIANSPECIALTYSOFTWAREENGINEERINGDATEOFORALEXAMINATIONJUNE6TH，2015UNIVERSITYNORTHEASTPETROLEUMUNIVERSITY东北石油大学硕士研究生学位论文I学位论文独创性声明本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。作者签名日期学位论文使用授权声明本人完全了解东北石油大学有关保留、使用学位论文的规定。学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，可以公布论文的全部或部分内容。东北石油大学有权将本人的学位论文加入中国优秀硕士学位论文全文数据库、中国博士学位论文全文数据库和编入中国知识资源总库。保密的学位论文在解密后适用本规定。学位论文作者签名导师签名日期日期东北石油大学硕士研究生学位论文II基于ZIGBEE的定位算法及井控人员定位实现研究摘要随着数字化油田的全面推进，油田的开采保障也在不断提升。石油钻井开采地位一直在国家税收和国民就业领域占据举足轻重的位置。国家对油田提出高产稳产的同时也要求安全生产的理念越来越深入人心，因为提高生产的安全性就能有效的保障人民群众各项安全，为经济和社会的繁荣发展奠定基础。本文所研究的井控人员定位系统是一种将钻井平台上的工作人员以及贵重设备接入网络，并进行实时定位监控的系统。本文采用的是自主研究定位算法支持接收信号强度衰减测距建模的CC2530芯片解决方案，并选择实现ZIGBEE协议的ZSTACK协议栈实现组网及通信。1本文概述了无线传感网络定位技术、定位系统、无线传感网的特点，详细阐述了ZIGBEE技术相关的基础理论。2本文讨论了经典的定位方法的分类及其优缺点，系统地研究了无线信号传播模型，分析了无线信号传播模型中参数A、N对环境的依赖性，环境对接收信号强度的影响和接收信号强度对测距的影响。针对环境对接收信号强度影响的问题提出了采用BP神经网络模型修正RSSI值，由此提出了一种新的实时动态参数定位方法。在定位算法上，提出了更加精确的多点质心定位算法，进一步提高了定位的精度。最后将本文所提出的定位方法和算法进行了蒙特卡洛仿真，验证了定位算法的可行性和有效性。3本文针对网关设备、移动节点和参考节点的软硬件做了较详细的设计，并结合了钻井平台的特点，设计和编写了上位机监控程序，同时实现了对串口数据的提取分析与录入存储，从而增加了显示井控操作人员踪迹的功能。本课题综合运用了人工神经网络、无线传感器网络、计算机技术和数据库等技术，能够实时更新井控作业人员的位置信息，防止贵重的仪器设备被盗，对于井控人员培训、钻井平台上的防井喷演习和钻井生产都具有辅助作用。推动了油田的信息化进程，为油田的安全生产提供可靠的数据保障，因此本系统有着良好的市场应用前景和广阔的发展升级空间。关键词ZIGBEE协议，接收信号强度，BP神经网络，定位算法，CC2530模块东北石油大学硕士研究生学位论文IIIRESEARCHOFZIGBEEBASEDLOCALIZATIONALGORITHMANDWELLCONTROLPERSONNELPOSITIONINGABSTRACTWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFTHEDIGITALOILFIELD,THEOILFIELDDRILLINGTECHNOLOGYHASBEENCONSTANTLYPROGRESSINGTHEOILDRILLINGSTATUSHASBEENACTINGASAPIVOTALPOSITIONINTHENATIONALECONOMYOURCOUNTRYMAKECLAIMSTHATWESHOULDBECOMEMOREANDMORESTRICTINSAFETYPRODUCTION,BECAUSEITCANPREVENTLOSSOFPEOPLESLIVESANDPROPERTYEFFECTIVELY,ANDLAYAFOUNDATIONFORTHESTEADYDEVELOPMENTOFECONOMYANDSOCIETYTHISDISSERTATIONSTUDIESTHEWELLCONTROLPERSONNELPOSITIONINGSYSTEMWHICHCONNECTSTHEOPERATORSWHOAREWORKINGONTHEDRILLINGPLATFORMASWELLASTHEEXPENSIVEEQUIPMENTTONETWORKSWITHAFUNCTIONOFREALTIMEPOSITIONINGANDMONITORINGTHISDISSERTATIONPROVIDESTHESOLUTIONWHICHBASEDONTHEATTENUATIONDISTANCEOFRECEIVEDSIGNALSTRENGTHINDICATORBYMEANSOFCC2530INDEPENDENTPROGRAMMINGOFLOCALIZATIONALGORITHM,ANDCHOOSESTHECC2530MODULESWHICHSUPPORTTHEZIGBEEPROTOCOLTOREALIZETHENETWORKINGANDCOMMUNICATIONS1THISDISSERTATIONFIRSTPROVIDESANOVERVIEWOFTHEWIRELESSSENSORNETWORKPOSITIONINGTECHNOLOGYANDSYSTEM,ASWELLASTHECHARACTERISTICSOFTHEWIRELESSSENSORNETWORKTHEN,INTRODUCESTHERELATEDBASICCONCEPTSANDTHETHEORIESOFZIGBEEINDETAIL2THISDISSERTATIONDISCUSSESTHECLASSIFICATIONOFCLASSICALPOSITIONINGMETHODANDTHEIRADVANTAGESANDDISADVANTAGES,STUDIESTHEWIRELESSSIGNALPROPAGATIONMODELSYSTEMATICALLY,ANALYZESTHEDEPENDENCYOFPARAMETERSAANDNINWIRELESSSIGNALPROPAGATIONMODELONTHEENVIRONMENT,THEINFLUENCEOFENVIRONMENTONTHERECEIVEDSIGNALSTRENGTHANDTHEINFLUENCEOFRECEIVINGSIGNALSTRENGTHONDISTANCEMEASUREMENTTHEBPNEURALNETWORKMODELISPUTFORWARDTOCORRECTINGTHERSSIVALUESFORTHEINFLUENCEOFENVIRONMENT,PRESENTSANEWMETHODOFREALTIMEDYNAMICPARAMETERSOFTHEPOSITIONINGONTHEASPECTOFLOCALIZATIONALGORITHM,PROPOSESTHESIXCENTROIDPOSITIONINGALGORITHMWHICHISMOREACCURATEANDFURTHERIMPROVETHEPOSITIONINGPRECISIONTHISPAPERCONDUCTSTHEMONTECARLOSIMULATIONOFPROPOSEDPOSITIONINGMETHODANDPOSITIONINGALGORITHMPROVINGTHATTHEALGORITHMISFEASIBLEANDEFFECTIVEINTHEEND3THISDISSERTATIONGIVESADETAILEDDESIGNOFHARDWAREANDSOFTWAREOFGATEWAYNODE,REFERENCENODESANDMOBILENODES,TYINGINTHECHARACTERISTICSOFTHEDRILLINGPLATFORM,DESIGNINGTHEPCMONITORINGPROGRAM,INCLUDINGTHEIMPLEMENTATIONOFTHESERIALDATAEXTRACTIONANDANALYSISASWELLASTHESTORAGEOFINPUT,ADDINGTHEFUNCTIONOFDISPLAYINGTHEHISTORICALMOVEMENTOFTHEMOBILEOPERATORSTHISPROJECTWHICHMAKESINTEGRATIVEUSEOFCOMPUTERTECHNOLOGY,NEURALNETWORKMODEL,东北石油大学硕士研究生学位论文IVTHEWIRELESSSENSORNETWORKANDDATABASETECHNOLOGYANDSOON,CANUPDATETHELOCATIONINFORMATIONOFWELLCONTROLOPERATORSINNEARREALTIME,PREVENTINGTHELOSSOFVALUABLEINSTRUMENTANDEQUIPMENTITCANPROVIDEAUXILIARYEFFECTONWELLCONTROLOPERATORTRAINING,DRILLINGPLATFORMBLOWOUTEXERCISEANDDRILLINGPRODUCTIONTHISPROJECTCANPROVIDERELIABLEDATAOFTHEOPERATORSPOSITIONDURINGTHEDRILLINGPRODUCTIONWHICHPROMOTESTHEINFORMATIZATIONPROCESSOFTHEOILFIELD,SOITWILLHAVEAGOODMARKETPROSPECTANDWIDEDEVELOPMENTSPACEKEYWORDSZIGBEEPROTOCOL,RSSI,BPNEURALNETWORK,LOCALIZATIONALGORITHM,CC2530MODULES东北石油大学硕士研究生学位论文V创新点摘要本文研究的主要内容是基于ZIGBEE的定位算法并结合钻井平台上的情况进行应用的研究，其创新点可以归纳如下1由于基于ZIGBEE定位的系统通常精度不高，本文重点研究了自主开发的定位算法。详细分析了定位误差产生的原因，考虑在误差产生的源头上减小误差，继而提出了基于BP神经网络的修正模型。该方法能够有效降低由于障碍物等建筑物的遮挡带来的定位误差。详细研究了无线信号传播模型，分析了模型中参数对环境的依赖以及对RSSI测距的影响。传统的情形都是根据经验来确定参数A和N的值，普适性不强，不能对不同的定位环境做出及时的调整，本文采用了实时动态参数修正的算法，能根据环境的不同给出定位辅助参数A、N。2对经典的质心算法作了比较详细的调研，提出了精确度更高的六点质心算法替代了传统的三点质心定位算法。这个算法在不增加复杂度的前提下，将定位范围限定在了更小的六边形内部，并且经过建模仿真证明了算法的可行性和有效性。东北石油大学硕士研究生学位论文目录学位论文独创性声明I学位论文使用授权声明I摘要IIABSTRACTIII创新点摘要V第一章绪论111研究背景及意义112国内外研究现状2121无线定位技术2122无线定位系统313无线传感网络的特点514课题研究的主要内容615论文的组织结构6第二章ZIGBEE通信相关理论研究821ZIGBEE概述及发展历程822ZIGBEE技术的体系结构923ZIGBEE技术的网络拓扑结构1024ZIGBEE技术的网络通信机制11241ZIGBEE协议栈框架11242IAR下协议栈架构12243网络通信基础13244网络构建流程14245网络组网算法1625ZIGBEE实时操作系统1626本章小结18第三章基于BP神经网络的定位方法研究1931经典定位方法19311无需测距的定位方法19312基于测距的定位方法2132无线信号的传播模型2233基于BP神经网络的实时参数估计算法25331人工神经网络25332BP神经网络的模型结构的确定26333RSSI测量值的修正2834区域内的参数估计2935实验过程3036本章小结33第四章质心定位算法的研究3441定位算法的性能指标3442经典节点位置算法3443加权质心定位算法36东北石油大学硕士研究生学位论文44六点质心定位算法37441算法原理37442算法仿真3945本章小结40第五章井控人员定位系统研究4151系统总体设计41511系统整体搭建41512系统设计流程4252硬件总体规划42521芯片选择42522协调器硬件设计44523移动节点硬件设计45524参考节点硬件设计4553节点软件设计4654定位运算服务器48541定位算法流程48542定位算法仿真49543数据库设计50544上位机监控程序设计5055本章小结52结论53参考文献54发表文章目录58致谢59东北石油大学硕士研究生学位论文1第一章绪论11研究背景及意义伴随着科技力量发展的突飞猛进和物质文化生活的日益丰富，具有低功耗、低成本和多功能的传感器也不断的升级换代推陈出新，使得在微小的芯片上就能实现信息采集、处理分析数据、无线组网通信等功能成为现实。目前，以智能感知、采集和处理目标的无线传感器网络是一个热点，它首先是在目标范围内部署大量配备传感器的通信节点，然后这些节点和移动的目标节点通过某种无线的通信方式建立起一个自组织的网络区域1。无线传感器网络与大众日常所使用的互联网不同，互联网拓宽了人们的沟通互动方式，而无线传感网络提升了人与现实自然界的交互能力。对改善生活质量、加强公共安全、提高经济效益以及社会信息化水平产生了极大影响，因此无线传感器网络WSN具有非常广阔的应用前景2。定位技术通常被分为“室内”定位技术和“室外”定位技术，可以说“室内”定位技术解决了“室外”定位导航“最后一公里”的问题。“室外”定位技术起步早，目前发展的也比较成熟，有美国的GPS导航系统、欧盟的GALILEO导航系统、俄罗斯的GLONASS导航系统、我国的“北斗”卫星导航系统，而“室内”定位技术，发展起步晚，环境相对更加复杂，定位精度不高、耗时长等原因，目前几乎没有成熟完善的“室内”定位产品。ZIGBEE是一种新兴起的低速率、低功耗、近距离的无线传输技术，是一种介于蓝牙技术和无线标记技术之间的技术提案3。其低功耗的特点可以保证产品的续航维持6个月甚至数年。这使得它在工业场合具有得天独厚的优势，已被很多人和科研机构选作最佳的无线通信解决方案。各种编程开发平台的广泛传播，以及数据库技术的日臻完善，都促使企业管理信息化和标准化进程不断加快，这些都为本文的井控人员定位研究提供了基本的保障和有力的支持。依托于油田，服务于油田。石油是我市的主要经济支柱，这个现状在短期之内难以改变。尽管石油的开采技术已经很成熟，但是还会存在一些人员的安全隐患问题。油田每年都会发生由于人员在开采石油过程中，没有准确严格地按照标准要求去操作而引发人员伤亡的事故。针对这种情况，要采取积极有效的措施来改善，仅靠理论化的管理制度、规章法则是不够的，要开发高效可靠的钻井工作人员监控系统，对井控操作人员的位置进行实时定位跟踪判断与显示，方便管理者实时掌握井控操作人员的工作动态，一旦发现隐患，及时作出调整。或者一旦发生重大事故，能够辅助分析原因并且提供救援参考，还能有效预防人员伤亡、设备丢失和油气井报废带来的巨大经济损失。本课题的目的就是在无线传感器网络的基础上建立油田井控作业人员定位系统，使两者的优势在同一平台下得以发挥。该系统将集计算机、定位算法、无线传感器网络、数据库等技术为一体，能够实时更新井控作业人员的位置信息，防止贵重的仪器设备被盗，减少时间上和资源上的浪费，对员工的考核、考察更为科学，为油田的安第一章绪论2全生产和企业和谐发展另辟蹊径。12国内外研究现状121无线定位技术无线传感器网络的比较热门的研究领域包括通信协议、加密安全控制、定位、功耗、拓扑结构这几个方向。通信协议主要是指数据链路层协议和网络层路由协议。通常网络中的通信节点的能量是有限的，这是阻碍应用的重要因素，解决这个问题的关键在于如何减少网络通信的节点能量损耗。通信采用的是无线传输信道，可能会存在恶意的路由攻击和窃听。拓扑结构的好坏关和网络的通信效率息息相关，在满足连通度和覆盖率的条件下，对节点的通信功率进行限制和对骨干节点的最优路径选择，减少不必要的无线通信链路开销，从而构建一个高效和优化的数据转发网络拓扑结构4。无线传感器网络被认为是一种全新的信息获取技术，它在目标锁定、入侵检测以及和一些行业交叉结合将会有广阔的应用前景5。近年来，无线传感器网络定位技术一直备受青睐同时也得到了迅猛的发展。无线传感器网络与ADHOC网络还有无线宽带网络有许多不同之处。在ADHOC网络中，节点是具有高度的可移动性，参考节点和目标节点组建的网络拓扑结构也是随之动态改变的。此种情况下，ADHOC网络与某些无线宽带网络有诸多的相似之处。而无线传感器网络中的参考节点在部署完之后基本上就不在移动，这样的网络拓扑结构是静态的。在无线传感器网络中，静态的参考节点将数据信息发送至其覆盖范围内的移动节点，而在ADHOC网络中，任意的两个节点都是可能通信的6。无线传感器网络可以基于ZIGBEE、蓝牙（BLUETOOTH）、红外（INFRARED）、WIFI（WIRELESSFIDELITY）、超宽频（ULTRAWIDEBAND）等技术来定位。基于不同技术的定位方法各有各自的特点，但也各有其自身的局限性。基于红外方法的定位系统通常仅能实现“房间级”的定位精度7，基于超宽频方法的定位系统就能实现“厘米级”的高精度定位8，而且这两种定位系统都需要价格不菲的额外硬件设备支持。但是以上这两种信号的穿透能力非常差，介质或者障碍物遮挡造成得影响也比较明显，况且信号覆盖范围不够适合大范围定位。基于WIFI方法的无线信号定位可以满足大范围需求的定位，利用无线接入点的信号强度值以及定位设备通过与无线接入点之间信号的测量关系来估计可能的坐标位置，通过它原理的定位误差普遍较大9。基于蓝牙方法的无线定位技术需要安装蓝牙局域网接入点，把网络配置成基于多用户的基础网络连接模式，并保证蓝牙局域网接入始终是这个PICONET的主设备，才可以获得待定位的位置信息10。但是，目前蓝牙主设备价格昂贵并且蓝牙协议栈比较复杂。基于ZIGBEE的无线传感网络定位首先要经过一个训练阶段，为不同的定位点收集指纹信息，建立指纹匹配数据库；然后采用自主定位算法推算目标的实际地理位置。如表11所示是几种定位技术的优缺点总结。不难发现，采用ZIGBEE无线定位技术东北石油大学硕士研究生学位论文3开发井控人员定位系统是一种比较理想的选择。表11几种定位技术总结定位技术优点缺点成本ZIGBEE功耗低，成本低处于研究阶段，无成品低蓝牙体积小，集成度高稳定性差高红外体积小，精度高距离短，无处理能力低WIFI满足大范围需求误差大低超宽频精度较高，结构简单距离短，硬件复杂低122无线定位系统无线定位技术是1996年美国FCC国家联邦通信委员会制定的E911定位标准，从那时起它就因具备较高的实用价值和无限的商业潜力吸引了世界上各大著名公司和高校的关注。国外对无线定位的研究兴起于20世纪90年代末11，国内虽然对无线定位的相关技术研究的起步晚，而且主要集中在高校和科研机构，但也有不少优秀的成果，同时也催生了很多从事定位技术研究的企业和机构。但是目前国内的定位技术都还处于研究开发阶段，资金投入少，没有形成健康稳定的定位产品行业产业链，也没有研制出批量的可用的项目解决方案。美国费城的TRUEPOSITION公司研制出的一项应用于应急响应、执法与国家安全领域的高精度定位技术，该技术能够协助警察、消防人员等部门在灾难来临或者其他紧急事件发生时更精准地定位手机用户的位置。瑞士一家半导体公司UBLOX推出了兼容美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO、日本QZSS、中国的“北斗”等全球卫星导航定位系统的芯片技术，可用于车辆失窃追踪、建筑物和隧道中的贵重物品的追踪。美国的博通BROADCOM公司利用全球导航卫星系统芯片与惯性传感器和WIFI热点结合的技术实现手机定位技术。此外，美国高通公司QUALCOMM、瑞典爱立信ERICSSON、法国阿尔卡特朗讯ALCATELLUCENT，也想在无线定位市场占据一席之地。国内在定位方面的研究起步的较晚，但目前国内的很多公司，比如华为、中兴、大唐电信等公司也在积极地开展基于GPS、GSM、IS95和WCDMA、TDSCDMA等定位技术的研究。国内的硬件芯片方面相对落后，但也不乏新产品的推出，恒基科达北斗导航定位系统研发生产厂家、泰斗微电子北斗核心芯片开发。但总的来说，国内的定位方面的研究还相对贫乏，很多的专利和技术都受制于国外。此现状迫切要求我国加大在无线定位特别是室内无线定位技术方面的人力、物力投入。在定位算法的提出上，也有很多成果。国外研究人员提出的比较有影响力的算法包括残差加权算法RWGH，它是PICHUNCHEN提出来的用以消除非视距NLOS所造成的误差,针对误差统计特性未知的情形可以对误差进行抑制12基于隐马尔可夫模型算法，它是SMANGOLD首次将估计理论和统计模型应用到了对未知节点的位置估计13基于信号到达时间差方法，它是YTCHAN提出的通过分析大量的信号到达时间差第一章绪论4TDOA信息，从中找出信号到达的时间差服从理想的高斯分布规律，并在此基础上提高了定位的精度14神经网络模型算法，BATTITI的观点更加具有创新性，根据定位环境的复杂程度，将神经网络模型引入到定位计算中来，以周围多个节点的接收信号强度值作为输入信号，训练的输出值即为未知节点的位置坐标，反复用接收信号强度值与对应未知节点的坐标值来训练多层感知机实现对未知节点的位置估计15。国内在定位算法上的研究起步虽然晚，但随着人们关注力度的增加，目前从事定位算法的人数呈指数趋势增加。这些人的研究方向也各有侧重，有的偏向于物联网定位技术、有的注重于GPS定位技术、有的偏重于ZIGBEE定位技术，这些都促进着我国定位技术的繁荣与发展。复旦大学的研究小组提出对“路径损耗”这个模型进行稍微改进，在充分考虑了信号传播过程中的距离估计误差变量的情况下，推导了一种迭代最大似然估计法，通过有限次的迭代，将误差减小到一定的程度16。华东师范大学的研究小组建议采用信号强度的经验值与估计值相辅相成的定位方法17。解放军电子工程学院的研究小组提出运用线性回归、多元回归以及补偿式线性回归算法弥补了信号强度模型的不足18。定位技术的研究也不仅仅是停留在理论层面上，目前已经有很多定位产品的推出，在定位技术领域研究比较具有代表性的系统有一、RADAR它是微软公司雷德蒙研发团队基于IEEE80211无线局域网技术研发的用于室内跟踪定位的系统，其核心技术就是“位置指纹匹配”。什么是“位置指纹匹配”学术界是这样定义，对场景环境首先进行抽象化和形式化，用一些具体量化的指标来反映定位区域内的不同位置，建立数据库并对这些信息进行集成和存储，这些形式化和量化后的“指纹”特征信息就被形象地称为“信号指纹”。信息处理模块根据待定位物体所在位置相关的“指纹”特征来查询数据库，并根据特征匹配算法来估计物体的位置1921。RADAR的定位精度并不理想，误差控制在3M以内的概率仅有5022。该系统不仅定位精度不高，而且硬件配置要求还很高，不适合推广大众。华盛顿大学的研究人员对比定位系统的算法进行了深入的研究并且改进了原来的匹配算法，提出了模块匹配和支持向量匹配结合的方法进行定位，定位效果虽然有所提升，但还是不够理想。二、ACTIVEBADGE它被认为是首创的“室内”标记感测系统，它是基于红外线来定位的。整个系统包括红外发射器、红外接收器和服务管理器三个部分23。待定位红外发射器每15秒钟发送一次带有自身ID识别码的红外线信号，红外接收器一旦接收到的红外信号就将信号转发至服务管理器，服务管理器采用近似法估计发射器的位置。由于红外线很容易受到日光和白炽灯的影响，有效的测距范围和覆盖区域小，所以有很多局限性阻碍它的进一步商品化转变。三、ACTIVEBAT剑桥大学的ATSTATICCONSTCLD_TLOCDONGLE_OUTPUTCLUSTERLIST/输出串的列表LOCATION_XY_RSSI_REQUEST,/RSSI信号强度的请求LOCATION_BLINDNODE_FIND_REQUEST,/移动节点的定位请求LOCATION_REFNODE_CONFIG,/参考节点的配置LOCATION_BLINDNODE_CONFIG,/移动节点的配置LOCATION_REFNODE_REQUEST_CONFIG,/参考节点的配置请求LOCATION_BLINDNODE_REQUEST_CONFIG/移动节点的配置请求54定位运算服务器541定位算法流程收到30个RSI值Y开始入网成功YRSI取平均值接收到RSI请求命令发送RSI平均值发送RSI响应命令接收未知节点发现响应命令NN第五章井控人员定位系统研究50本文所提出的定位方法是通过BP神经网络修正接收信号强度模型六点质心定位算法实现的，上述的定位算法运算量很大不适合在节点上完成，但可以在定位运算服务器上实现还能结合数据库存储相关数据实现更丰富的功能。首先通过BP神经网络算法得到修正后理想视距环境下的接收信号强度值，通过距离损耗公式求得环境参数A、N，得到距离D，再求出三个圆两两圆连心线与两圆的两个内交点，一共得到六个交点，此六点为多边形的顶点，最后求出此六边形的质心作为未知节点的估计位置。其定位算法的结构流程框图如下图511。图511定位系统核心算法结构框图算法的实现步骤如下1将接收到的接收信号强度值（RSSI）输入到事先训练好的BP神经网络当中，输出的结果为理想环境下（视距环境）的接收信号强度值。2对RSSI值进行排序，将RSSI值最强的三个值用来估算位置，根据事先计算好的区域内参数A、N和RSSI值，根据无线信号传播模型，求得距离D。3以上述的三个点为圆心，求得的距离为半径作圆。4两个圆心点的连线与圆将产生四个交点，求得四个交点中坐标位于中间的两个坐标。重复这个步骤两次，直到所有的连心线交点都求出来。5以此六个连心线交点为顶点做多边形，其质心作为未知节点的位置估计。将以上算法有函数BPFUNCTION、ANSELECT和BPCENTRIOD来实现。BPFUNCTION函数的输入参数为未知节点接收到接收信号强度，输出参数为理想状态下的接收信号强度；ANSELECT函数的输入参数为任意三个参考节点的距离和接收信号强度，输出参数为环境参数A、N；BPCENTRIOD函数的输入参数包括BPCENTRIOD和BPCENTRIOD的输出值，还有参考节点的坐标，输出值为未知节点的位置估计。542定位算法仿真进行蒙特卡洛仿真首先准备网关节点一个、参考节点八个、未知节点一个，然后将八个参考节点按仿真实验的布局布置并记录下他们的坐标信息，未知节点放到参考节点围成的区域内。网关、参考节点、未知节点依次上电，组建网络，并测量和记录未知节点的坐标。未知节点接收参考节点发送过来的数据包，并将参考节点的ID和RSSI值打包发送给网关节点，重复此过程30次。改变未知节点的位置，重复上述过程20次。在定位服务器上安装SQLSERVER2000存储上传的数据，然后用MATLAB对RSSIIBP神经网络RSSIIA、NDI（XI，YI）六点质心算法（X，Y）东北石油大学硕士研究生学位论文51这些数据进行处理，对同一参考节点的RSSI先取平均值再进行修正，选取RSSI值最大的三个参考节点对未知节点进行定位，定位时采用上述的定位算法。未知节点的位置估计与实际的坐标如图512所示。图512实际位置与估计位置对照图对这些误差取平均值，结果是048M，标准差为103，误差最大情况小于1M。从仿真实验结果来看，能够基本实现区域的定位，有一定的工程应用价值，可以用作井控人员定位。543数据库设计由图513可知，井控人员定位监控系统的所有功能都是建立在对系统数据库的操作基础上实现的，数据库的设计也关乎着系统的整体性能。采用SQLSERVER2000数据库，后台的数据库名为POSITION，在此数据库下简历两个数据暂存表HISTORYPOSITION和REFERENCENODE两张表，分别用来存储移动节点的数据信息和参考节点的数据信息。POSITION库各表的属性设计如表52所示。544上位机监控程序设计ZLOCATIONENGINE也是美国德州仪器公司推出的一款用于ZIGBEE定位的上位机软第五章井控人员定位系统研究52件，用来直观地显示网络的拓扑结构和节点的位置信息。可以用它来调试ZIGBEE网络，实现粗略的位置估计，而且它的功能也不够全面，根本不适合在工业生产领域使用。本文采用VC60集成开发环境设计开发一款类似于ZLOCATIONENGINE的软件。图513为上位机应用软件的结构框图。表52POSITION库各表的属性设计情况表名属性名数据类型长度允许空主键帧头VARCHAR8NO节点类型INT4NO网络地址VARCHAR8NOX坐标FLOAT8NOY坐标FLOAT8NO校验位VARCHAR4NOHISTORYPOSITION时间DATETIME默认NO帧头VARCHAR8NO节点类型INT4NO网络地址VARCHAR8NOX坐标FLOAT8NO主键Y坐标FLOAT8NO主键LQIINT4NO校验位VARCHAR4NOREFERENCENODE时间DATETIME默认NO图513上位机软件结构框图利用VC编程访问PC机的串口，将串口提取出的数据信息分类存入SQLSERVER2000数据库的相应表里，并且提供对数据库中历史数据的访问与显示，计算出每个节点的坐标，利用插值法绘制井控操作人员的历史运动轨迹并显示在界面上，还可以更改不同的背景图片，提供更形象直观的显示，如图514所示为钻井平台背景图的定位串口功能模块数据库功能模块参考节点功能模块未知节点功能模块历史轨迹模块功能显示模块定位背景功能模块串口数据串口功能模块数据库功能模块参考节点功能模块未知节点功能模块历史轨迹模块功能显示模块定位背景功能模块串口数据串口功能模块数据库功能模块参考节点功能模块未知节点功能模块历史轨迹模块功能显示模块定背景功能模块串口数据串口功能模块数据库功能模块参考节点功能模块未知节点功能模块历史轨迹模块功能显示模块定位背景功能模块串口数据东北石油大学硕士研究生学位论文53效果图。图514历史轨迹显示图55本章小结本章对整个系统框架和系统实现的流程进行概述，具体详细地描述系统各个模块的软硬件的方案和设计思路。最后对本文所阐述的定位算法进行了蒙特卡洛仿真，证明了该系统的连通性能正常工作并达到预期的目标。结论54结论本课题是在大庆钻探工程公司“井控实物仿真培训系统”项目、东北石油大学科研创新项目“基于ZIGBEE的人员搜救系统”项目的支持下进行研究的。本课题主要研究的是基于ZIGBEE的定位算法改进及其在钻井平台上的应用研究，实现对钻井平台上的操作人员进行更加精确的定位和对人员位置的实时监控。本文完成的主要工作总结如下1本文查阅了大量相关参考资料，对常见的无线定位技术及其定位算法进行了对比分析。深入研究了ZIGBEE相关的技术理论，应用ZIGBEE无线通信技术实现了钻井平台上操作人员的无线定位技术。2由于基于ZIGBEE定位的系统通常精度不高，本文重点研究了自主开发的定位算法。详细分析了定位误差产生的原因，考虑在误差产生的源头上减小误差，继而提出了基于BP神经网络的修正模型。该方法有效避免了障碍物等建筑物遮挡带来的定位误差。详细研究了无线信号传播模型，分析了模型中参数对环境的依赖性和对RSSI测距的影响。传统的情形都是根据经验来确定参数A和N的值，普适性不强，不能对不同的定位环境做出及时的调整，本文采用了一种实时动态参数修正的方法，能根据环境的变化给出参数A、N。3对传统的质心算法作了比较详细的分析研究，提出了更加精确的六点质心算法替代了传统的三点质心定位算法。这个算法在不增加复杂度的前提下，将定位范围限定在了更小的六边形内部。经过仿真模拟证明了算法的可行性。4本文针对网关、参考节点和移动节点的软硬件做了较详细的设计，并结合了钻井平台的特点，设计和编写了上位机监控程序，同时实现了对串口数据的提取分析与录入存储，增加了显示移动人员踪迹的功能。由于本人的知识储备不足和时间有限，本课题还有很多地方可以改进和进一步完善，总结起来有如下几点1进一步深入研究参考节点的布局对移动节点定位精度的影响，在应用平台上更加合理的部署参考节点的位置实现定位精度的进一步提高。2本课题的研究主要是针对二维平面进行的，进一步研究三维空间场景里的定位算法，这样定位功能将更加强大，更加直观和人性化。3进一步优化节点的体积，提高节点的便携性以及定位模块的防水放油性能，增加节点的鲁棒性。发表文章目录56参考文献1张伟面向精细农业的无线传感器网络关键技术研究D浙江大学,20132钱志鸿,王义君面向物联网的无线传感器网络综述J电子与信息学报,2013,012152273张启雨基于ZIGBEE技术的感知粮仓系统研究D大连海事大学,20124王文光,刘士兴,谢武军无线传感器网络概述J合肥工业大学学报自然科学版,2010,091416141914375彭宇,王丹无线传感器网络定位技术综述J电子测量与仪器学报,2011,053893996马奎,黄河清,沈杰,姚道远,刘海涛一种移动终端辅助的传感器网络数据收集协议J计算机工程与应用,2008,18157刘坤朋基于红外协作的无线自组织视频监控系统的研究与实现D国防科学技术大学,20098邵磊基于超宽频距离传感器的室内定位系统的研究与实现D北京工业大学,20149张鹤丹基于WIFI技术的井下人员定位系统研究D西安建筑科技大学,201310江德祥基于蓝牙传感网络的室内定位研究及在行为识别中的应用D湘潭大学,201011黄清明无线定位算法研究D山东大学,200712PCCHENANONLINEOFSIGHTERRORMITIGATIONALPORITHMINLOCATIONESTIMATIONCIEEEWIRELESSCOMMUNICATIONSANDNETWORKINGCONFERENCEWCNC99,USA,1999,VOL131632013SMANGOLDAPPLYINGPATTERNRECOGNITIONTECHNIQUESBASEDONHIDDENMARKOVMODELSFORVEHICULARPOSITIONLOCATIONINCELLULARNETWORKSCVEHICULARTECHNOLOGYCONFERENCE,1999BOSTON,VOL278078414YTCHAN，KCHOASIMPLEANDEFFICIENTESTIMATORFORHYPERBOLICLOCATIONCIEEETRANSONSIGNALPROCESSING,1994,4471905191515BATTIR,VILLANI,AVILLANI,TLENHATNEURALNETWORKMODELFORINTELLIGENTNETWORKSDERIVINGTHELOCATIONFROMSIGNALPATTERNSCPROCEEDINGSOFTHEFIRSTANNUALSYMPOSIUMONAUTONOMOUSINTELLIGENTNETWORKSANDSYSTEMSUCLA,200216倪巍，王宗欣基于接收信号强度测量的室内定位算法J复旦学报，2004,43（1）727617董梅，杨曾，张建基于信号强度的无线局域网定位技术J计算机应用，2004,24（12）495218陈永光，李修和基于信号强度的室内定位技术J电子报2004,91456145819FANGLI,WEIMINGTONG,TIECHENGWANGLOCATIONFINGERPRINTPOSITIONINGBASEDONINTERVALVALUEDDATAFCMALGORITHMAPROCEEDINGSOF20102NDINTERNATIONALCONFERENCEONINTELLECTUALTECHNOLOGYININDUSTRIALPRACTICEITIP2010VOLUME2CINTELLIGENTINFORMA东北石油大学硕士研究生学位论文57TIONTECHNOLOGYAPPLICATIONRESEARCHASSOCIATION,CHINA,2010420GENMINGDING,JINBAOZHANG,LINGWENZHANG,ZHENHUITANOVERVIEWOFRECEIVEDSIGNALSTRENGTHBASEDFINGERPRINTINGLOCALIZATIONININDOORWIRELESSLANENVIRONMENTSAIEEEBEIJINGSECTION、IEEEAPS、BEIJINGJIAOTONGUNIVERSITYPROCEEDINGSOF2013IEEE5THINTERNATIONALSYMPOSIUMONMICROWAVE,ANTENNA,PROPAGATIONANDEMCTECHNOLOGIESFORWIRELESSCOMMUNICATIONSCIEEEBEIJINGSECTION、IEEEAPS、BEIJINGJIAOTONGUNIVERSITY,2013521RKGHOSH,SAJALKDASASURVEYONSENSORLOCALIZATIONJJOURNALOFCONTROLTHEORYANDAPPLICATIONS,2010,0121122WUXIDE,HANWENJUN,GUOLIAPRELIMINARYANALYSISFORDOWNLOOKINGRADARLOCATIONACHINESEINSTITUTEOFELECTRONICSCIEPROCEEDINGSOF20036THINTERNATIONALSYMPOSIUMONANTENNAS,PROPAGATIONANDEMTHEORYCCHINESEINSTITUTEOFELECTRONICSCIE,2003523RWANT,THEACTIVEBADGELOCATIONSYSTEMACMTRANSJACMTRANSACTIONSONINFORMATIONSYSTEMSTOIS,JAN1992,1019110224JEFFREYHIGHTOWER，GAETANOBORRIELLO，ASURVEYANDTAXONOMYOFLOCATIONSENSINGSYSTEMSFORUBIQUITOUSCOMPUTINGJCOMPUTER,2001,348576625梁元诚基于无线局域网的室内定位技术研究与实现D电子科技大学,200926LIONELMNI,YUNHAOLIU,YIUCHOLAUANDABHISHEKPPATILLANDMARKCINDOORLOCATIONSENSINGUSINGACTIVERFIDJWIRELESSNETWORKS2004,1067017127李兴鹤,胡咏梅,宋吉波,王鹏基于LANDMARC系统的室内定位仿真研究J计算机工程与应用,2008,2720921228袁风鹏无需测距的无线传感器网络定位算法研究D上海交通大学,201029基于ZIGBEE技术室内定位系统的研究与设计D电子科技大学30WENTSAISUNG,YAOCHIHSUDESIGNINGANINDUSTRIALREALTIMEMEASUREMENTANDMONITORINGSYSTEMBASEDONEMBEDEDSYSTEMANDZIGBEEJEXPERTSYSTEMSWITHAPPLICATIONS,38431甄锁强基于ZIGBEE的室内定位系统的研究与设计D哈尔滨工程大学,201132ZIGBEE现状及前景分析HTTP/WWWQIANJIACOM/HTML/201210/30_86581HTML33董晓瑞基于ZIGBEE定位系统设计与实现D哈尔滨理工大学,201134杨家兴基于ZIGBEE的煤矿安全环境检测的设计与实现D西安电子科技大学,201235芦宁ZIGBEE无线技术在智能家居中的应用D哈尔滨工业大学,200636蔡伟超基于ZIGBEE技术的老年人家庭健康监护设计D天津大学,200937孙彩云基于ZIGBEE的无线组网技术研究D中北大学,201138LINLINCUIA,YUDELIUB,WENTIANSHI,QUANGAN,QILIUBEIJINGTECHNOLOGYANDBUSINE发表文章目录58SSUNIVERSITYCOLLEGEOFMECHANICALENGINEERING,BTBUBEIJING,CHINARESEARCHONDATATRANSMISSIONBASEDONCC2530OFZIGBEEANORTHEASTERNUNIVERSITY,CHINA、INTELLIGENTINFORMATIONTECHNOLOGYAPPLICATIONRESEARCHASSOCIATIONPROCEEDINGSOF20104THINTERNATIONALCONFERENCEONINTELLIGENTINFORMATIONTECHNOLOGYAPPLICATIONVOLUME1CNORTHEASTERNUNIVERSITY,CHINA、INTELLIGENTINFORMATIONTECHNOLOGYAPPLICATIONRESEARCHASSOCIATION,2010339苏进无线传感器网络相对定位算法研究D北京邮电大学,200840高畅基于RSSI的无线传感器网络高速公路定位算法D吉林大学,200741HTTP/WWWMSCBSCCOM/BBS/THREAD30988811HTML42唐明虎,张长宏,昝风彪无线传感器网络APIT定位算法J微型机与应用,2010,211443张璐妮协作技术及其在DVHOP定位算法中的应用研究D北京邮电大学,201044LDOHERTYALGORITHMSFORPOSITIONANDDATARECOVERYINWIRELESSSENSORNETWORKSDAMERICANUNIVERSITYOFCALIFORNIABERKELEY2000,623824545王瑶无线信号在建筑物群中的传播反射，绕射及路径搜索D郑州大学，201046王敏FINGER