无线传感器网络节点定位算法的Matlab仿真讲解

1、学士学位论文 无线传感器网络节点定位算法的Matlab仿真 质心算法的Matlab仿真 姓 名: 学 号: 院 系: 专 业：通信工程 指导教师： 申请学位：工学学士 二O四年三月 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了 文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果 作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 年 月曰 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障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位 论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查

2、阅和借阅。本人授权省级优 秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以釆 用影印、缩印或扫描等复制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、不保密口。 作者签名: （请在以上相应方框内打“丁”） 年 月曰 玉溪师范学院2014届毕业（设计）论文 无线传感器网络节点定位算法的Mat lab仿真 陈以达 （玉溪师范学院通信工程系，云南 玉溪653100） 【摘要】 无线传感器网络集成了传感器技术、微机电技术、现代网络和无线通信技术，已 成为当前IT领域研究的热点之一。由于其具有网络自组织、覆盖广以及高容错性等固有优 点

3、以及组网成本低、构建灵活、方便等特点，使得无线传感器网络在军事、民用等领域应用 广泛。节点定位技术是无线传感器网络的关维支撑技术之一，节点自身的正确定位是提供监 测事件位置信息的前提。本文研究了无线传感器网络节点定位算法的原理、分类和难点，分 析研究了不同定位算法的原理并比较了他们优缺点。针对无线传感器网络节点定位技术进行 了系统研究，提出了一系列解决无线传感器网络节点定位问題的方法，并结合科研及实际需 要进行学习和研究。最后，本文设计实现了无线传感器网络定位应用系统基于Matlab进行 了仿真实验。 【关键词】无线传感器网络；质心算法；节点定位；Matlab Abstiact: Wiiele

4、ss sensor network mtegrated sensor technology, MEMS teclmology, modern netwoddng and wiieless conmiuiiications teclmologies, IT has become one of the hot areas of current research. Because of its selforganiziiig nem*oik. the mlierent advantages of wide coverage and high fault tolerance and low cost

5、network, build flexible, and convenient, makmg wireless sensor neorks are widely used in nulitary and civilian fields. Node positionmg technology is a key enabling teclmology for wireless sensor Rework node itself correctly positioned to provide location lnfonnation to monitor events premise This pa

6、per studies the wiieless sensor n亡twoik node localization algoiitlun prmciple, classification and difficulties, analysis of tlie prmciple of different positioning algoritlmis and compare thek advantages and disadvantages. Conduct for wireless sensor nenvork node positionmg system teclmology reseaich

7、, proposed a series of solutions to the problem of wireless sensor network node localization, combmed with the practical needs of research and leaiiiiiig and research. Fmally, the design and implementation of a wiieless sensor n亡twoik positiomng application system based on Matlab simulation experune

8、nts. Key words: Wiieless sensor Mtwoiks; centroid algontlmi; node localization; Matlab 一、绪论1 1.1研究背景1 1.2研究意义2 1.3研究内容3 二、设计要求及方案4 2. 1设计要求4 2.2设计方案6 三、无线传感器网络节点定位质心算法7 3. 1定位算法简介7 3. 2三边测距定位算法8 3. 3质心定位算法10 四、定位算法在Mat lab下仿真11 4.1参数设定11 4.2仿真实验12 4. 3实验分析18 五、结论19 致谢20 参考文献21 玉溪师范学院2013届木科毕业论文 一、绪论

9、 1.1研究背景 随着微电子技术和无线通信技术的飞速发展和不断成熟，具有感知能力、计算能力和通 信能力的无线传感器网络孕育而生。自从20世纪90年代国际上开始对无线传感器网络的研 究以来，其相关技术得到了飞速的发展。无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技 术、分布式信息处理技术和通信技术，能够以协作的方式实时地监测、感知和采集网络区域 内的各种对彖的信息，并进行处理。这些信息通过自组织的多跳无线网络传送到用户终端， 从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通 无线传感器网络和其它网络技术的研究方向是不同的，其它网络技术研究主要针对传输 速度和服务质量，而wsn它的技术应用是针对

10、在错综复杂的坏境条件卞如何能有效及时获得 可靠信息并对信息传播展开研究。以一些成本较低的微型的无线传感器节点在需要监测的区 域范I韦I内无线传感器网络，从而实现了以低成本付出而获得最人监测效益。无线传感器网络 是由众多传感器节点组成，众多节点之间因应用了无线通信的技术从而保证了节点之间的相 互通信。其中，处理能力、内存和通信能力的无线传感器节点的接收器节点是一般比普通的 更强它负贵连接无线传感器网络和互联网的外部网络，节点间以各种方式部署在监测的区 域，自己组织成网并通过多跳的方式进行相互河的通信。通过与各种任务管理器的连接而构 成一个具有管理处理能力的有关的网络。下图是典型的传感器网络的结构

11、： 1无线传感器网络隐私保护关键技术研究 2无线传感器网络组密钥管理方案的研究 赵宝康国防科学技术大学2009 卞川出处南京航空航天大学 2010 无线传感器网络节点定位算法的inatlab仿真 图1. 1无线传感器网络结构 无线传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、城市管理、生物医疗、抢险救 灾、环境监测、防恐反恐等许多重要领域都有潜在的实用价值，已经引起了学术界和工业界 的高度重视，被认为是对21世纪产生重人影响力的技术之一。 1. 2研究意义 在现代社会中无线传感器网络的作用口益凸显，及其技术的成熟和应用成本的降低， 逐渐发展到了各个领域。目前现有的无线传感器网络节点定位算法普遍

12、存在有受坏境影响 人、精确度不高、不适用于移动节点定位等问题，随着无线传感器网络技术的不断进步成熟, 其应用将会越来越广泛，节点定位技术研究对于传感器网络技术性能提高和实用性保证有 重要的理论意义和应用价值。无线传感器网络节点系统即对在复杂室内坏境卜（如图书馆、 地下库等），实现对人员以及物品的快速而精确的定位。目前国内外关于无线传感器网络节 点系统的研究有很多。其实在口常生活中定位技术并不陌生，例如我们最常见的超声波、 蓝牙、红外线、射频识别、超宽带、Wi-Fi、ZigBee等都是运用了定位技术。彳 经过对现有的无线传感器网络节点定位算法的资料查阅、对比分析，发现无线传感器 网络节点定位在环

13、境条件影响时会使节点精确度偏离实际，在对移动物体节点定位时不能 准确的定位其出位置。本论文的研究意义在于对无线传感器网络节点技术的分析比较，提 出一种更好更精确的一种技术。得以实现一种更实用更准确的应用技术，让无线传感器网 3 :无线室内走位系统研究沈田中国新通信2009年17期 玉溪师范学院2014届毕业(设计)论文 络节点定位系统的应用不论在多么复杂的坏境条件中都能做到更好的对静止物或移动物的 快速精确定位。 1.3研究内容 无线传感器网络节点定位在众多科学研究领域都一直成为人们研究对彖的热点。在经过 对传感器网络质心定位算法定位时的研究分析中，我们可以得到该算法在进行定位时存在精 度偏低

14、的缺点。在对各算法进行分析后我们在本文中提出一种新型算法。这种算法其优点为 计算简单、定位准确。相比传统的质心算法该算法的误差率降低了很多，对未知节点也可以 实现更精确的定位，在原来的基础上更好的解决了无线传感器节点的定位问题。* 本文主要针对基于RSSI的定位算法的研究。以提高节点定位在定位时精确度为出发点, 通过综合全面的对质心定位算法比较，发现其优缺点，而提出对一种新的混合算法。在一定 的程度上提高质心定位算法在定位时的准确度，最后通过MATLAB进行仿真测试，得出定位 算法的可行性。 主要的研究工作如卞： (1) 主要研究无线传感器网络节点技术的原理、分类和难点，分析其原理并比较它们的

15、 优缺点节点的难度以及它们的优缺点。 (2) 求解衰落因子算法的详细信息，请参阅第三章的动态实时算法研究。 (3) 通过比较综合全面分析在文中提出的定位算法。判定是否得到了更准确的精度。 (4) 把以上两种算法相结合，通过MATLAB进行了仿真测试，验证出该算法的可行性。 本文的内容安排一共分成五个章节，各章内容如卞： 第一章，绪论。介绍了国内无线传感器网络节点技术的应用现状和在今天的社会中，国 外研究，并介绍了本文的主要内容 第二章，设计要求及方案。基于RSSI的无线传感器节点上目前使用的算法首先详 细信息，比较它们的优缺点。然后提出自己的改进算法。 第三章，无线传感器网络节点定位质心算法。

16、对上提及和本文中提出的算法在mat lab 中进行仿真验证，并阐述仿真结果。 第四章，质心算法在Matlab下仿真。质心算法在MATLAB仿真中，对质心定位算法仿 真所得到的的数据进行列表绘图及分析，并对算法进行评价。 第五章，结论。对本论文的研究工作总结，提出该还算法的一些缺点，面向未来继续研 4无线传感器网络无零测距技术节点定位算法硏究与实现朱肖肖浙江工业大学2007 无线传感器网络节点定位算法的inatlab仿真 究的方向。 在此次的毕业(设计)论文中，本论文中主要是根据对已有的节点定位算法分析比较, 在此基础上提出一种比较能更好的应用算法，实现更简便更精确的一种算法。综合上述的内 容进

17、行研究。 二、设计要求及方案 2.1设计要求 无线传感器网络是由众多传感节点组成的网络，以传感器节点可以相互通信，或者，也 可以直接与外界基站进行通信。传感器节点通常分布在一个区域，通过无线通信，形成自我 组织的协调的物理世界的信息传输网络系统多跃点，彼此协调传输物理世界的信息。 在本设计当中是我们将其节点定位算法基于ZigBee这一种新兴的基于IEEE802. 15的技 术下，以相互结合优点而得到对节点定位技术在静止物或移动物进行定位时得到更可靠定位 效果。ZigBee是在这几年中无线网络应用相当广泛而实用的条件下兴起的一种技术，给我 们的生活改变了很多，促进了我们在与客观世界交流和利用起到

18、了很大的作用。ZigBee技 术技术在进行定位技术时提供了极人的帮助，且ZigBee技术成本低、功耗低的性能。在无 线传感器网络中是独一无二的技术产品。无线定位在无线传感器网络中是最为重要的一种技 术之一。在口益变迁的社会中的不断应用使人们知道了这项技术的重要性得到了更多的认 可，从而使得更多的科研人员的重视。本文根据自己在查阅和调查中主要简单分析和比较几 种常见定位技术的基础上,得出质心算法在运用时的优缺点，随之提出自己的观点，根据实 验而设计出一种新的算法。在无线传感器网络定位算法一基于接收信号强度指示(RSSI)的应 用上，提高了其定位准确度。图ZigBee协议栈结构图 ZigBee网络

19、包含三种设备类型：协调器、路由器和终端设备。协调器是在网络构成中 是第一设备，主要是在启动时对整个网络负责启动。路由器的主要功能中转终端设备，在运 用中终端设备时因为是直接与这个传感器相连的，在工作中负责数据采集，因为有电源供电 所以其可以有休眠状态。 ZigBee技术成功的成功之处不在于技术其本身，而在于更好的结合了其它技术优点。 例如在使用GPS时对一些室内的移动物不能正确定位时，可以利用基于ZigBee技术的无线 传感器网络能够实现对移动物准确定位的技术，而进行对移动物的更精确的定位。 例如，在各个场合中定位和监控都是起着很重要的作用，如在对地下工作的人的定位也 是相当重要，这些应用都是

20、我们必要的社会设施。这些技术都是结合基于ZigBee的优点而 形成的无线传感器网络技术而得以实现的。在各种坏境中我们所需的定位技术也有一定的差 异，而在对复杂室内移动物的定位，相比之下基于RSSI指纹算法可以更好的提高室内坏境 的定位精度。 目前生活中常见的定位技术有很多种，在面对不同的坏境条件卞我们所选择的定位算法 也应当随其而变化。在我们应用基于ZigBee的无线传感器网络时，首先考虑到了该算法在 进行定位时应用成本较低、定位精度高、适应坏境能力强等各种情况。这种技术在对处于相 对复杂坏境中的移动物体的定位时，其定位结果不是理想。而在情况下基于RSSI指纹算法 得到的结果比较准确。所以综合

21、上述我们在进行节点定位时要学会做到取长补短的方法，结 5 6基于ZIGBEE技术的室内走位算法硏究及应用 董跃钧数字技术与应用2012年 ZigBee协议栈结构如图所示。 玉溪师范学院2014届毕业（设计）论文 无线传感器网络节点定位算法的imtlab仿真 合各算法的优点而形成更好的技术，得以实现更好的定位算法。& 2. 2设计方案 在本文章中首先阐述了本课题的研究背景、意义及在生活中的应用等，在此次的设计当 中首先主要分析比较常见节点定位算法：主要I韦I绕对普通定位算法、三边测量算法、质心算 法这三种算法进行。比较分析和仿真普通算法的基础上，比较算法在节点定位在定位时的精 度，最后经比较在提

22、出更精确的节点定位算法。 在设计过程中应该要学会考虑能够对WSN自身定位系统和算法的性能直接影响的因素, 在对无线传感器网络中的节点定位及定位算法的评价都是需要深入研究分析的的一个问题。 以K列出的几种定性是其中常用的评价标准。 (1) 定位精度。精度是用来衡量一个无线传感器网络中的节点定位在定位时的指标。在 应用中以平时用误差值与节点无线射程的比例来表示。 (2) 规模。在不同的定位坏境中需要不同的定位系统。不同的定位系统需要不同节点算 法。所以在不同的技术设施中应该以一种技术在相同环境中能定位多少目标来衡量它的技 术。 (3) 锚节点密度。锚节点在定位时是人工部署的，因此在工作中常常受到制

23、约。锚节点 在使用时成本相对偏高，且在没有合理的布置下会给网络带来一些不必要的堵塞等问题，所 以在对锚节点布置时其密度也是我们必要考虑实行的任务之一。 (4) 节点密度。在WSN设计中一定要考虑，节点密度越人所付出费用会随之增人,而且节 点工作中会形成一定阻塞。 (5) 容错性和自适应性。当在理想的坏境条件下时，节点定位算法在应用时都可以达到 预期的结果。而在外界坏境中存在不同的干扰时，会出现很多问题。所以在设计中应当做到 容错性和自适应性，使得在有外界因素时能更好的运行。保证在定位时的可靠性等问题。也 要做到设计出的系统节点能够通过自我调整、能自我适应坏境、减小各种误差等影响，从而 得到更好

24、的定位精度。 (6) 功耗。功耗的性能是会因使用而随之减少，所以这也是无线传感网络的设计和实现 必须考虑的问题之一。在传感器节点电池有限的情况下，我们要做到节点定位精度，还要进行 相关计算、开销、时间复杂性等问题做出明确的计划。 (7) 代价。在无线传感网络的设计中代价可从几个不同方面来进行说明。这里所说的代 无线传感器网络节点定位算法的niatlab仿真 /?(d) = R(d)-10lg(f) 在上式中n表示的是一个信号衰减指数，一般根据在理想的环境中具体的环境情况而设 定，属于在经常应用的经验值，一般取(2,5)之间，根据上面的公式(1),我们可以求出 距离d,见公式(2)： 在将已知的

25、的坐标设为(xO, yO),两个阅读器的坐标为(xl,yl) , (x2, y2),将目标物 体的坐标设为(X, y),从而可以得到卞面的式子： (Al-x): + (yl-y): = *10exp(W( 3) 在根据(3), (4)就可以求出目标标签的坐标值。 3. 2三边测距定位算法 本文结合三边测量算法模型，提出改进的质心定位算法，得到在一定程度上提高了定位 精度。 理想的三边测量法的模型：在当已知三个接收器节点分别为A(xl.yl), B(x2, y2), C(x3,y3)时，根据通过接收器接收到的未知节点(x,y)的RSSI值Ra, Rb, Rc,将根据己知 的条件代入公式可以将Ra

26、, Rb, Rc信号强度值从而转换成距离Rl, R2, R3求得能够构成 以A, B, C为圆心，以Rl, R2, R3为半径得到相交于未知节点的三个圆，在根据算法代换 而求出未知节点(x, y)的坐标值： (x-x3)2 + (y 一儿尸=可 的。 玉溪师范学院2014届毕业（设计）论文 图理想的三边测量法模型 一般的三边测量法模型：上图中是在理想坏境中实现的，而在实际应用中往往是得不到 图一般的三圆相交情况 对于M点（Km, Ym）,可以根据卞面公式算出M点坐标： （&一兀”）+（儿-儿） P_position P_position = 67. 92963. 4572 93. 46935.

27、 3462 K 普通定位 进行普通定位，得到定位结果。 K P_calcula P_calcula tjreal = 45. 28735. 3271 62.95504.6330 K 如卜图所示 无线传感器网络节点定位算法的niatlab仿真 图4.2普通定位绘图 e_average = 26. 6211 e_average_percent = 0. 2662 玉溪师范学院2014届毕业（设计）论文 三边测量定位 进行三边测量定位，得到定位结果。 K P_calculate_real P_calculatereal = 81. 30943. 7885 111.618610.8481 K 如卜图所

28、示 图43三边测量定位绘图 无线传感器网络节点定位算法的niatlab仿真 e_average = 16. 1744 e_average_percent = 0. 1617 加权质心定位 进行加权质心定位，得到定位结果。 K P_calculate_real P_calculate_real = 68.08554 0799 94. 12226. 5931 K 如下图所示 玉溪师范学院2014届毕业（设计）论文 图混合算法定位绘图 计算均方误差与相对误差值为： e_average = 0. 8564 e_average_percent = 0. 0086 无线传感器网络节点定位算法的niatla

29、b仿真 4. 3实验分析 根据仿真可得下表，普通RSSI算法、三边定位算法、加权质心定位算法的均方误差、 误差比率数值如下表所示。 表1误差分析 算法名称 均方误差 误差比率 普通RSSI算法 26. 6211 0. 2662 三边定位算法 16.1744 0. 1617 加权质心算法 0. 8564 0. 0086 根据以上3种算法的误差分析与比较，显然得到改进后的动态校准混合算法定位精度比 其它两种较高，经比较可得出在一样的条件下加权质心定位算法精度相对高于普通定位算 法、三边定位算法。这在一定程度上是因为动态校准可以在计算过程中去掉权值计算过程中 所引进的误差，在一定程度上提高定位精度。

30、 玉溪师范学院2014届毕业（设计）论文 五、结论 无线传感器网络中节点定位问题一直是研究领域的热点问题之一。在为了提高传统传感 器网络质心定位算法定位精度较低的缺点，所以提出一种新型算法。这种算法计算相对简单, 未知节点定位误差率与较传统质心算法比较中也得到了明显提高，其中部分未知节点可以实 现精确定位，一定程度上解决了无线传感器节点的定位问题。本文在对基于质心定位算法研 究中，并将如何提高定位精度作为起始点，通过对比分析不同定位算法的优缺点，研究出一 种新的混合算法，在一定程度上提高质心定位算法的精度，最后通过MATLAB平台进行仿真 测试，验证算法的可行性。 无线传感器网络节点定位是实现无线传感器网络众多应用的前提，其定位精度是无线传