本文關鍵詞：基于TDOA的無線傳感器網(wǎng)絡時鐘同步與定位技術研究

  更多相關文章： 無線傳感器網(wǎng)絡 達到時間差 鐘差補償 實時定位系統(tǒng)

【摘要】：無線傳感器網(wǎng)絡脫胎于自然科研專用的小型無線網(wǎng)絡,最初部署于廣袤的自然界以實現(xiàn)實時觀測和數(shù)據(jù)收集,如森林防火、動植物生長觀測、海洋大氣環(huán)境變化監(jiān)測等。如今,無線傳感器網(wǎng)絡已經(jīng)發(fā)展成為一門日益成熟的技術,并呈現(xiàn)出多樣化、集成化的發(fā)展趨勢并大規(guī)模應用于農(nóng)牧業(yè)管理、工業(yè)生產(chǎn)監(jiān)管乃至國防軍事安全。該技術的現(xiàn)實意義和發(fā)展需求在于能夠通過預先或者臨時性布置大量傳感器節(jié)點,無線傳感器網(wǎng)絡收集到龐大的物理性質的數(shù)據(jù)監(jiān)測信息,為人們的決策部署提供信息參考。其研究探討在近幾年一直都很活躍,國家在863項目和自然科學基金項目中都給予了傾向性地支持。隨著專業(yè)領域的不斷細化,無線傳感器網(wǎng)絡研究也在這幾年分化出諸多專業(yè)的分支學科。本文簡要介紹了無線傳感器網(wǎng)絡概況,及其定位技術、定位方法和基于測距的相關定位算法,對時間異步的傳感器網(wǎng)絡提出了基于鐘差補償?shù)臅r鐘同步和節(jié)點定位結合算法。該算法的思路是每個位置已知的錨節(jié)點周期性地發(fā)送廣播信號,各個錨節(jié)點記錄下廣播信號的到達時間(TOA),考慮到錨節(jié)點時鐘之間總是存在一定的頻率偏差,只有消除錨節(jié)點之間時鐘差的影響,才能夠得到準確的時差測量值。論文首先通過匯集錨節(jié)點廣播信號在鄰居錨節(jié)點的TOA,對錨節(jié)點的鐘差和頻差進行估計;其次采用最小二乘的方法實現(xiàn)頻差漂移的跟蹤,將估計值補償各錨節(jié)點時鐘的鐘差,實現(xiàn)傳感器之間的時鐘同步;最后,記錄下標簽節(jié)點一次廣播信號在各錨節(jié)點的TOA,將補償后的TDOA信息應用于雙曲線定位的最大似然估計,迭代求解以估計出標簽節(jié)點的位置。這種方法運算簡單,適用于異步錨節(jié)點的無線傳感器網(wǎng)絡。仿真結果表明,通常測量噪聲均方差為810-的情況下,定位精度在2米附近。論文最后將定位系統(tǒng)有關功能予以工程化實現(xiàn)。論文首先對系統(tǒng)總體結構設計進行概述,再分別對STM32處理器、NA5TR1無線通信模塊、各接口的結構設計、嵌入式系統(tǒng)定位流程以及定位服務器軟件設計等部分結合相關開發(fā)代碼作了詳細的介紹。軟件測試證明,該定位系統(tǒng)估計出的標簽節(jié)點位置精度達2米,總體設計達到了工程應用的要求。
【關鍵詞】：無線傳感器網(wǎng)絡 達到時間差 鐘差補償 實時定位系統(tǒng)
【學位授予單位】：國防科學技術大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN929.5;TP212.9
【目錄】：

• 摘要9-10
• ABSTRACT10-11
• 第一章 緒論11-18
• 1.1 研究背景與目的11-15
• 1.1.1 研究背景11-14
• 1.1.2 研究目的14-15
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀15-17
• 1.3 本文的主要內(nèi)容和章節(jié)框架17-18
• 第二章 基于時間同步的定位系統(tǒng)18-28
• 2.1 無線傳感器網(wǎng)絡結構18
• 2.2 無線網(wǎng)絡傳感器定位技術18-25
• 2.2.1 節(jié)點測距方法19-22
• 2.2.2 典型的節(jié)點定位方法22-25
• 2.3 基于時間同步的無線網(wǎng)絡傳感器定位技術概述25-27
• 2.4 本章小結27-28
• 第三章 補償鐘差的TDOA定位算法28-43
• 3.1 TDOA定位基本數(shù)學原理28-29
• 3.2 模型建立29-31
• 3.3 估計頻差和鐘差31-34
• 3.4 TDOA信息的補償與標簽定位34-38
• 3.4.1 TDOA信息的補償34-35
• 3.4.2 標簽的定位35-36
• 3.4.3 標簽定位計算的克拉美羅下限36-38
• 3.5 仿真結果38-42
• 3.5.1 頻差鐘差估計結果38-40
• 3.5.2 標簽定位估計結果40-42
• 3.6 本章小結42-43
• 第四章 用于定位的無線傳感器網(wǎng)絡平臺構建43-73
• 4.1 系統(tǒng)結構設計43-44
• 4.2 錨節(jié)點硬件平臺設計44-52
• 4.2.1 基于IEEE 802.15.4a的協(xié)議標準45
• 4.2.2 錨節(jié)點總體架構設計45-46
• 4.2.3 處理器模塊46-47
• 4.2.4 無線通信模塊47-50
• 4.2.5 SPI接口設計50-52
• 4.3 錨節(jié)點程序流程52-56
• 4.3.1 主程序流程52-53
• 4.3.2 芯片 1/2 中斷處理過程53-54
• 4.3.3 數(shù)據(jù)包的處理與傳輸54-56
• 4.4 嵌入式軟件程序設計56-63
• 4.4.1 編譯環(huán)境介紹56-57
• 4.4.2 錨節(jié)點初始化程序57-58
• 4.4.3 無線收發(fā)器配置模塊程序58-62
• 4.4.4 SPI接口程序62-63
• 4.5 上位機軟件設計63-67
• 4.5.1 上位機軟件開發(fā)環(huán)境63
• 4.5.2 軟件功能設計63-65
• 4.5.3 定位計算功能實現(xiàn)65-67
• 4.6 工程實現(xiàn)67-72
• 4.7 本章小結72-73
• 結束語73-74
• 致謝74-75
• 參考文獻75-79
• 作者在學期間取得的學術成果79

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本文編號：1022288