傳感識(shí)別系統(tǒng)中的無(wú)線定位技術(shù)研究.pdf

1、軌道交通的大力推廣與快速建設(shè)正推動(dòng)著中國(guó)交通運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)朝著高速高效的方向前進(jìn)，對(duì)運(yùn)輸?shù)陌踩院椭悄芑蔡岢隽烁叩囊?，怎樣確保高效和高速下的安全性是當(dāng)前面臨的一個(gè)重要問(wèn)題。列車安全運(yùn)行的關(guān)鍵在于監(jiān)控系統(tǒng)要能夠及時(shí)準(zhǔn)確的掌握列車的運(yùn)行狀態(tài)和外界環(huán)境這兩個(gè)因素，并能夠?qū)@些信息進(jìn)行智能化的處理，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能軌道交通正是解決這一問(wèn)題的有效途徑。在這兩個(gè)因素中，準(zhǔn)確的位置估計(jì)具有至關(guān)重要的作用，因此，自動(dòng)定位是智能軌道交通中一個(gè)亟待解決

2、的問(wèn)題。射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)作為物聯(lián)網(wǎng)感知層的兩大關(guān)鍵技術(shù)，分別在列車定位與列車運(yùn)行環(huán)境定位監(jiān)測(cè)中有著很好地應(yīng)用前景，本文以此為目的對(duì)基于這兩種技術(shù)的定位展開(kāi)研究，并針對(duì)環(huán)境干擾、安全攻擊等復(fù)雜環(huán)境下的可靠定位進(jìn)行了研究分析。
　　首先，針對(duì)RFID標(biāo)簽定位應(yīng)用研究，提出了一種簡(jiǎn)單的UHF RFID室內(nèi)定位方案。該方案應(yīng)用自由空間的電磁波路徑損耗經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃虵riis傳輸方程建立讀寫器天線功率與其當(dāng)前功

3、率下的感測(cè)范圍直徑的關(guān)系模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)給予驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于讀寫器天線功率掃描的多天線定位方法，并以兩個(gè)天線定位和三個(gè)天線定位為例對(duì)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩個(gè)天線定位可是得到平均定位誤差為57cm，而三個(gè)天線的定位誤差則與兩個(gè)天線相比有明顯的改善，其平均誤差由57cm降為18cm，且90％以上概率的定位誤差小于25cm，也表明該方案有著良好的定位效果。然而，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，讀寫器在讀寫標(biāo)簽時(shí)受到地面及墻面反射的

4、影響較大。
　　其次，針對(duì)UHF RFID受多徑效應(yīng)等環(huán)境因素影響的問(wèn)題，結(jié)合UWB技術(shù)抗干擾性強(qiáng)以及定位精度高的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種可用于定位的無(wú)源無(wú)芯片的UWB RFID標(biāo)簽(Chipless UWB RFID Tag)。針對(duì)UWB帶寬內(nèi)已使用頻段，設(shè)計(jì)了一款避開(kāi)現(xiàn)有已使用頻段的四阻帶UWB天線。在設(shè)計(jì)的氣泡型UWB天線的基礎(chǔ)上，分析了寄生單元和開(kāi)槽單元的尺寸及位置變化對(duì)所產(chǎn)生的阻帶的影響，結(jié)果表明寄生單元和開(kāi)槽單元在各自實(shí)現(xiàn)的阻

5、帶范圍上都存在著局限性，在本文所設(shè)計(jì)的UWB天線結(jié)構(gòu)下，其中寄生單元主要在5GHz以上的較高頻段帶有很好地阻帶效果，而開(kāi)槽單元?jiǎng)t在8GHz以下的較低頻段帶有很好地阻帶效果。為了實(shí)現(xiàn)UWB帶寬內(nèi)四個(gè)阻帶的目的，同時(shí)添加開(kāi)槽單元和寄生單元，并通過(guò)仿真優(yōu)化各單元結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同頻率不同帶寬的阻帶，其中C型寄生單元主要實(shí)現(xiàn)在ITU所占用的頻帶(8.01～8.55GHz)處的阻帶，兩個(gè)C型開(kāi)槽單元和一個(gè)U型開(kāi)槽單元?jiǎng)t實(shí)現(xiàn)WLAN(5.15～5.35

6、GHz，5.75～5.85GHz)和衛(wèi)星通信上行波段X波段(7.25～7.75GHz)的頻帶，仿真及實(shí)際測(cè)量結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的四阻帶UWB天線在四個(gè)被占用頻段處具有很好地抑制效果，且該天線同時(shí)具有很好地全向性，能夠很好地滿足UWB的應(yīng)用。進(jìn)一步分析UWB天線的寄生/開(kāi)槽單元可以發(fā)現(xiàn)，改變寄生/開(kāi)槽單元的長(zhǎng)度可以控制阻帶的頻率變化，因此其可以實(shí)現(xiàn)將多阻帶的UWB天線轉(zhuǎn)換為無(wú)源無(wú)芯片的RFID標(biāo)簽。通過(guò)增加開(kāi)槽/寄生單元的數(shù)量，并通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)

7、槽/寄生單元的長(zhǎng)度來(lái)控制各單元的阻帶來(lái)實(shí)現(xiàn)編碼的目的，進(jìn)而形成一類Chipless RFID標(biāo)簽。在所設(shè)計(jì)的氣泡型UWB天線的基礎(chǔ)上，通過(guò)添加不同尺寸開(kāi)槽單元和寄生單元，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)五比特的Chipless tag，仿真結(jié)果表明，該五比特標(biāo)簽可以實(shí)現(xiàn)編碼的目的。
　　隨后，針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位中研究廣泛的DV-hop算法，詳細(xì)分析了影響其定位精度的各種參數(shù)，研究了不同定位區(qū)域下DV-hop算法的性能并提出了兩種不同的改進(jìn)DV-ho

8、p算法。DV-hop算法通過(guò)將節(jié)點(diǎn)間的跳數(shù)轉(zhuǎn)換為距離來(lái)進(jìn)行計(jì)算，節(jié)點(diǎn)間的最小跳數(shù)和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的平均跳距是決定該算法定位精度的兩個(gè)主要參數(shù)，對(duì)此對(duì)節(jié)點(diǎn)總數(shù)、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)總數(shù)、節(jié)點(diǎn)通信半徑等影響這兩個(gè)參數(shù)的因素進(jìn)行了優(yōu)化分析，并針對(duì)WSN與DFS結(jié)合的混合傳感器網(wǎng)絡(luò)，提出了一種子方塊加權(quán)的改進(jìn)DV-hop算法SSWDV-hop(Sub-Square Weighted DV-hop)，仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SSWDV-hop算法相比于優(yōu)化DV-hop

9、算法，其定位精度提高了65％以上。另一方面，DV-hop算法沒(méi)有充分利用信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系，對(duì)此，基于質(zhì)點(diǎn)彈簧模型，建立了信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)間的矢量作用模型，提出了一種基于矢量修正的改進(jìn)DV-hop算法——VRDV-hop(Vector Refinement DV-hop)算法。將通過(guò)DV-hop估算的初始位置與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)間的歐氏距離同通過(guò)跳數(shù)與跳距得到的二者間的距離之差作為未知節(jié)點(diǎn)位置的偏移修正量，再根據(jù)未知節(jié)點(diǎn)到各個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的

10、跳數(shù)對(duì)位置偏移量進(jìn)行加權(quán)平均得到最終的偏移量來(lái)修正初始估計(jì)位置，同時(shí)分析了信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)目、節(jié)點(diǎn)通信半徑等參數(shù)對(duì)定位精度的影響。仿真結(jié)果表明，VRDV-hop定位算法有效地改進(jìn)了節(jié)點(diǎn)的定位精度，相比于DV-hop和WDV-hop(Weighted DV-hop)，VRDV-hop算法的定位精度在原基礎(chǔ)上都提高了25％左右。
　　最后，針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位中的安全可靠性問(wèn)題，研究了WSN中存在危險(xiǎn)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)情況下的定位方案，提出了一種基

11、于奇異值剔除的矢量修正DV-hop安全定位算法OEVRDV-hop(Outlier Elimination Vector Refinement DV-hop)。該算法在DV-hop算法的基礎(chǔ)上，引入拉依達(dá)準(zhǔn)則對(duì)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)計(jì)算得到的平均跳距HopSize進(jìn)行判別，剔除HopSize異常的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)得到新的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組合，再將這些新的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組合應(yīng)用到DV-hop算法中，通過(guò)迭代反饋與矢量修正結(jié)合得到最終的定位坐標(biāo)。同時(shí)，還對(duì)影響OEVRDV-h

12、op算法安全定位的拉依達(dá)準(zhǔn)則閾值、危險(xiǎn)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)總數(shù)、危險(xiǎn)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置偏移量、迭代次數(shù)等參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)該方案進(jìn)行驗(yàn)證。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在安全環(huán)境和有危險(xiǎn)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)存在兩種情況下，DV-hop算法的定位精度分別為2.84m和4.63m，VRDV-hop算法的定位精度分布為0.82m和4.34m，可以看出VRDV-hop在有干擾的情況下其定位精度急劇惡化，而OEVRDV-hop則很好地解決了這個(gè)問(wèn)題，在相同危險(xiǎn)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)