无线传感网络的室内定位系统设计

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在互联网、物联网、车联网三网迅速发展的背景下,一系列与人或物的位置相关的信息日益受到关注和重视。室外的定位导航已经拥有非常成熟的卫星通信技术,而在复杂的室内环境中,由于无法使用卫星信号,从而使得大量公司、研究机构寻找新的解决方案。室内的环境是多样的、丰富的,例如商场、机场、医院、办公大厦、停车场、仓库等等。在这些室内环境中,人员定位、货物管理、消息推送等基于位置的服务得到开发和应用。当下绝大部分室内定位技术都使用了无线传感网络,这也使得室内定位导航技术呈现百家争鸣的现象。主要有RFID、超声波、WiFi、蓝牙、ZigBee、超宽带(UWB)、线性调频扩频(CSS)等等无线传感技术,这些技术的方案主要分为基于接收信号强度(RSSI)定位和基于时间(TOA、TDOA)定位两大类。基于接收信号强度定位一般具有功耗低、成本低、组网灵活多变,能够传输信息等优点,但是极易受到复杂的室内环境影响,主要是遮挡、反射、折射引起定位精度的降低。基于时间定位具有定位精度高、功耗低、抗干扰的优势,但是该方案存在组网不够灵活,传输信息量少等问题。在对多种定位技术的对比分析后,本文分别采用ZigBee和CSS方案对室内定位进行了深入研究。本文针对ZigBee定位中的RSSI的波动性引起距离计算偏差较大问题,通过实验研究了链路质量(LQI)与RSSI的关系,提出了LQI-RSSI测距算法。并结合三角函数对标准的粒子群算法进行改善,通过测距实验和定位实验表明了ZigBee技术在小范围的区域具有较好的定位效果。本文在CSS定位研究中详细分析了CSS信号体制及其优点,选择双边双向的测距算法、粒子滤波算法和最小二乘定位算法求解移动节点位置,有效地解决了时间同步的难题。并开展了测距实验和定位实验,表明CSS技术能够在大范围区域中实现较好的定位。最后本文使用ZigBee、CSS结合气压传感器设计了基于CSS的室内定位微基站的解决方案。并进行小规模的实验,实现了物的相对定位。
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