毕业论文基于声音能量的无线传感网络定位算法(编辑修改稿)

毕业论文基于声音能量的无线传感网络定位算法(编辑修改稿)内容摘要：

个因素进行考虑分析。 无线传感网络需要用电池供电，所以选择算法和相关的硬件时应该尽量选取耗能小的，并且尽量选择节点占用空间少并且定位较准确的。 同时，要想在无线传感器网络这个领域走的更好更远，就需要将定位与路由器、时间同步、数据融合等技术结合起来，分工合作，才可以将各自的长处发挥到最大，才会在定位应用中占据不败的位置 [14]。 另外，不同的定位算法在不同的外界因素下都有其各种的优缺点，所以在具体的实际应用过程中，根据情况选择设计相应的定位 算法也是至关重要的。 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 8 最后，提出的重要的一点就是，定位节点的密度对定位算法的精确度的影响对于不同的算法影响程度是不同的。 在节点耗费较大的情况下，对于某些定位算法适当的增 加 一些节点会大大的提高定位的精度 [15]。 算法的流程图及设计思路 算法的流程图 否 是 图 其算法流程设计步骤： 100 100 的单位中，按均匀分布方式布置 n 个节点，作为信标节点； ，随机分布若干节点为未知节点；各未知节点向周围发送 声音信息，搜索自身通信范围内的信标节点； 点的距离； ；其坐标作为该未知节点的初次估算位置； ； 计算，满足条件算出结果，不满足条件从新采集计算定位 [16]。 设计思路 开 始 选取网络节点 根据采集到的节点信息选取合适的算法 节点数 节点定位计算 结 束 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 9 图 设计思路流程图 本章小结 本章分析了声音传播规律，提出了声音能量衰减模型，计算了节点接收信号的能量值算法，又根据 声音信号的能量与它传 播距离的平方成反比而确定了节点与目标声源的位置关系及坐标来分析了定位算法。 分析题目 整合编程 结合题意计算仿真 整理成果，编写论文 准备答辩 阅读资料，熟悉算法、确定思路 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 10 第三章 无线传感网络目标定位算法 论文定位算法介绍 无线传感器网络的节点定位算法一般分为与距离无关和距离相关两种算法，典型的距离相关算法有 AHLo， RADAR, Cricket等，典型的距离无关定位算法有 DVHOP 算法，质心定位算法， APIT 等。 经过研究算法，出于对时间和认知程度的综合分析，本文着重讨论两种定位算法并对其进行研究、分析、仿真，既三边定位算法与极大似然定位算法。 选择这两种算法主要是基于三边定位算法易 分析，通俗易懂，而极大似然算法虽较三边定位算法计算复杂了一些，但是它的定位精度高 [17]。 三边测量法 多变测量方法是声音能量定位方法的前提，而多变测量法方法又是从三边测量方法引申而来的。 三边测量法的理论依据就是：在一个平面上，已知目标节点到其它三个节点的距离，并且这三个点的坐标也是已知的，那么我们可以根据这三个点到目标节点的距离进行了方程组并且计算出目标节点的坐标 [18]。 图 三边测量法原理示意图图表 A（ xa,ya） B(xb,yb) D C(xc,yc) 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 11 节点 A,B,C为信标节点，其坐标分别为 ( , )aaxy ， ( , )bbxy ， ( , )ccxy ，三点到未知节点 D的距离分别为 ad ， bd ， cd ，假设 D点坐标 (, )xy ,则可得公式 31 = = (31) = 公式 31 是一个非线性方程，求解可得未知节点的坐标，如公式 32 1 2 2 2 2 2 22 2 2 2 2 22( ) 2( )2( ) 2( ) a c a c c aa c a cb c b c a c a c c ax x y y d dx x y yx x x y yyx x y y d d               （ 32） 式中： ( , )aaxy ， ( , )bbxy ， ( , )ccxy 分别是三个信标节点坐标，是未知节点到 3 个信标节点到未知节点的距离。 式（ 32）经过线性化，可得到下列方程式 AX+N=B A=， B=， X= 使用标准的最小均方差估计可得未知节点坐标为 X=(AAT)1ATb （ 33） 式中的 N 是由于存在测距的误差而引入的参数，它是根据测距误差的分布形式存在的一个随机误差矢量。 由于三边定位算法易于接受，所以对这种算法进行了研究，再与其它的算法进行比较，可以进一步对定位算法有一些深入的了解。 三边测量算法涉及到大量的矩阵运算和最小二乘运算，计算量相对较大，对于以上情况，有人也提出了最大最小值法，即通过简单的折线运算估计出未知节点的位置，具体的运算不再写出。 极大似然估计法 由声音能量衰减模型可知，为正态随机变量，其满足密 度为 N（） 的正态分布，模型已假设背景噪音 ，所以可由各个节点根据环境噪音测得。 未知参内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 12 数为声源能量，通过 n 个节点的检测得到来自总体的样本（），最后得到关于的似然函数可表示如下 L()= = （ 34） 忽略掉式中的无关项并求出式子达到最大值时的等价于求下式达到最小值时的 L(S(t),r(t))∝ （ 35） 之后便可求解式子，当然极大似然估计法是最小二乘法的基础，求解上式可以用最小二乘原理。 1 2 5 3 D 4 图 极大似然估计法原理图 当然在已知节点坐标信息后，也可以通过以下的算法来实现无线传感器网络定位。 在已知 1,2,3， …n 个节点的坐标分别为 1 , 1 2 , 2 3 , 3 ,( ) , ( ) , ( ) , , ( )nnx y x y x y x y，到节点 D的距离分别为 1 2 3, nd d d d ，则可得公式（ 36） 2 2 21 1 12 2 2( ) ( )( ) ( )n n nx x y y dx x y y d        用每个方程减去后一个方程，可得： 2 2 2 2 2 21 1 1 12 2 2 2 2 21 1 1 1 1( 2 ( ) 2 ( )( 2 ( ) 2 ( )n n n n nn n n n n n n n n nx x x x x y y y y y d dx x x x x y y y y y d d                      用线性方程表示为 AX b ，其中： 11112 ( ) 2 ( )2 ( ) 2 ( )nnn n n nx x y yAx x y y， xXy，2 2 2 2 2 21 1 12 2 2 2 2 21 1 1n n nn n n n nx x y y d dbx x y y d d           使用标准的最小均方差估计法可以得到节点 D的坐标为 1()TTx A A A b 运用极大似然估计算法来计算节点位置信息，计算步骤较为复杂，但是由于计内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 13 算的结果精确度较高，所以本文中对这个算法进行了一些研究 [19]。 比较综合两种定位算法的优劣 三边测量法：易分析，通俗易 懂，但是计算量较大，定位精度不确定，适应环境能力差，是最基础的定位算法；极大似然估计法：结合概率统计、随机变量、以及矩阵等知识，能够较准确的定位，当然相应的来说所需的运行时间较长。 本章小结 本章提出了两中常用的定位算法，并对每一种算法都进行了系统的分析，在理论上分析了两种算法的优缺点。 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 14 第四章 基于声音能量的无线传感网络定位算法仿真 在前三章中，介绍了无线传感器网络的定位算法，提出并分析了三边定位算法和极大似然估计（ ML）算法。 本文使用 Matlab 软件仿真环境建立所研究网络系统的模型 ，在计算机上运行这个模型，并分析运行的输出结果，对这些算法进行仿真。 首先对三边测量算法进行仿真，接着对极大似然估计算法的性能进行仿真，并得出仿真结果，最后对于两种不同算法的误差进行对比，总结。 实验环境 Matlab 是一款具有高效数值计算功能的仿真软件。 它提供了强大的科学运算环境、灵活的程序设计流程、高质量的图形与可视化界面设计、以及与其他程序和语言对接的功能。 正是由于 Matlab 有如此多的功能特点和简洁的操作环境，本文选择使用 Matlab R2020a 软件进行算法的仿真。 无线传感器网络最常使用的 部署方式是使用飞机向感兴趣区域抛洒无线传感器节点，这样部署方式使节点的分布具有随机性，因此，本文的仿真首先使用 Matlab在固定区域内随机产生传感器节点，代码如下 x(i)=10*normrnd(0,1,1,1) y(i)=10*normrnd(0,1,1,1) 上述代码是在固定的区域内产生一个一行一列的，背景噪音为均值为零，标准差为 的高斯白噪声的随机数。 在传感器网络节点定位中，主要的评价标准是平均定位误差。 因此，本 章在声音能量衰减模型下代入采集到的节点信息 进行分析。 其中平均定位误差使用式进行计算 [20]。 39。 2 39。 211 ( ) ( )N i i i iie r r o r x x y yN     （ 41） 采集声音能量进行分析 利用声音传感器节点检测到声音信号电压、声压等值采集到的声音能量图形如图 ：（横轴为时间，纵轴为电压） 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 15 取有用信号时间段，运用接收声音信号能量的计算公式： Yi（ t） =gis（ t） /di2（ t）+i(t)， i=1,2,3… .( gi: ：节点噪声系数取 1； s（ t） ： t时刻声源能量取 10000； di（ t） ：节点i 与声源目标之间距离； i(t) ：均值为 0，。