【摘要】：隨著無線通信技術(shù)的進步,定位技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和普及。如今,位置信息已經(jīng)成為了人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡幕A(chǔ)信息之一。GPS定位技術(shù)已經(jīng)成為人們?nèi)粘３鲂械某Ｓ檬侄?但由于GPS信號固有的弱穿透性問題,GPS定位技術(shù)在室內(nèi)和城市峽谷等區(qū)域往往無法正常使用。由于人們對位置信息的需求不斷提升,因此近年來涌現(xiàn)出了許多基于民用通信設(shè)施的無線定位技術(shù),例如藍牙定位和WIFI定位等。然而,傳統(tǒng)定位技術(shù)都存在一個共同的缺陷,即都需要被定位目標攜帶相應的設(shè)備,與基站或錨節(jié)點進行通信。隨著人類社會的發(fā)展,基于位置信息的新需求和新應用層出不窮。在一些特定的應用場景,如救援現(xiàn)場、入侵檢測、安全監(jiān)控、特殊情況下的老人照料等,目標無法或者不愿意攜帶任何定位設(shè)備,傳統(tǒng)定位技術(shù)往往隨之失效。為了克服這個問題,基于無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network,WSN)的無設(shè)備目標定位技術(shù)(Device-free Localization,DFL)被提了出來。DFL技術(shù)通過監(jiān)測區(qū)域中目標對無線鏈路的影響來反演目標位置,無需目標攜帶任何定位裝置,因此基于WSN的DFL技術(shù)一經(jīng)提出,便受到了廣泛關(guān)注。由于2.4GHz頻段為ISM(Industrial Scientific Medical)開放頻段,且具有受目標影響時RSS值變化明顯的優(yōu)點,因此目前DFL系統(tǒng)大多建立在2.4GHz頻段。但2.4GHz頻段同時存在著WIFI、藍牙、ZigBee等多種信號,相互之間干擾嚴重,而且2.4GHz頻段信號具有傳輸距離較短等弊端,這些因素制約了 2.4GHz頻段DFL系統(tǒng)的定位性能和使用場合。近幾年,為了克服2.4GHz頻段DFL系統(tǒng)的不足,也出現(xiàn)了一些其他頻段的WSN系統(tǒng)(例如800/900MHz、FM頻段等),但是在使用這些頻段WSN進行定位時,又損失了 2.4GHz頻段信號的優(yōu)勢。針對這個問題,本文從多頻段DFL平臺研制和如何利用多頻段互補信息入手,對多頻段DFL定位算法進行了深入研究。論文主要工作和研究成果包括以下幾個方面:(1)自主設(shè)計和開發(fā)了多頻段DFL系統(tǒng)。該系統(tǒng)由2.4GHz頻段、433MHz頻段和915MHz頻段的三套WSN構(gòu)成。其中2.4GHz頻段無線節(jié)點模塊以TI公司的ZigBee芯片CC2530為核心構(gòu)造,433MHz和915MHz頻段的無線節(jié)點模塊由STC90LE58RD+型單片機和Silicon公司的芯片Si4463為核心組成。三個頻段的WSN系統(tǒng)都采用循環(huán)機制實現(xiàn)了組網(wǎng)功能。(2)給出了一種多頻段射頻層析成像(Radio Tomographic Imaging,RTI)融合定位和目標檢測方法。由于各頻段所受環(huán)境噪聲干擾不同,因此各頻段所呈現(xiàn)的RTI結(jié)果圖也是不盡相同的。從這點出發(fā),本文首先設(shè)計了一種基于通信質(zhì)量信息的多頻段RTI圖像加權(quán)融合方法,該方法一定程度 減輕了偽目標和背景噪聲的干擾。接著,為了應對RTI結(jié)果圖中難以避免的偽目標和背景噪聲對定位精度的影響,本文設(shè)計了一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(Convolutional Neural Network,CNN)的RTI目標檢測方法,有效地提高了定位精度。(3)給出了基于聯(lián)合稀疏模型的多頻段DFL相關(guān)匹配追蹤算法。該算法通過分析壓縮感知(Compressive Sensing,CS)框架中DFL權(quán)重字典部分原子間的高相關(guān)性問題,以及傳統(tǒng)解決方法的局限性,設(shè)計了一種可以利用字典原子間相關(guān)性的相關(guān)匹配追蹤算法。在該算法的基礎(chǔ)上,受聯(lián)合稀疏模型(Joint Sparse Model,JSM)的啟發(fā),提出了壓縮感知框架下的多頻段DFL融合定位算法。最后總結(jié)了本論文的研究工作,并對現(xiàn)有工作中的不足進行了歸納,也對不足之處提出了改進意見,以便在今后的研究中進行完善。
【學位授予單位】：南京師范大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP212.9;TN929.5
【圖文】：

基于ＷＳＮ的ＤＦＬ技術(shù)是一種利用監(jiān)測目標對無線通信鏈路接收信號產(chǎn)生的逡逑影響（如接收信號強度（Ｒｅｃｅｉｖｅｄ邋Ｓｉｇｎａｌ邋Ｓｔｒｅｎｇｔｈ，邋ＲＳＳ）變化）對目標位置進行估計逡逑的技術(shù)。如圖１．１所示，基于ＷＳＮ的ＤＦＬ技術(shù)一般是通過在監(jiān)測區(qū)域周圍設(shè)置逡逑若干無線射頻信號收發(fā)節(jié)點來實現(xiàn)。無線節(jié)點間能夠相互通信，在空間內(nèi)形成許逡逑多無線鏈路，當一個目標進入該區(qū)域，便會引起一部分鏈路的變化，相應的這一逡逑部分鏈路的ＲＳＳ值也會發(fā)生變化。因此可以通過無線收發(fā)節(jié)點所收集到的ＲＳＳ逡逑１逡逑

該ＺｉｇＢｅｅ模塊集成了邋ＣＣ２５３０芯片和與其匹配的功率放大器ＣＣ２５９１。硬件逡逑部分除了邋ＺｉｇＢｅｅ模塊，還集成了串口通信、下載程序等功能電路；軟件部分使逡逑用ＴＩ公司設(shè)計的Ｚ－ｓｔａｃｋ?yún)f(xié)議棧進行開發(fā)。其無線節(jié)點實物圖，如圖２．１所示。逡逑圖２．１邋２．４ＧＨｚ頻段無線傳感器節(jié)點實物圖逡逑２．３邐４３３ＭＨｚ與９１５ＭＨｚ頻段無線傳感器網(wǎng)絡設(shè)計逡逑２．３．１邋Ｓｉ４４６３模塊簡介逡逑Ｓｉ４４６３模塊是以Ｓｉｌｉｃｏｎ邋Ｌａｂｓ研發(fā)的Ｓｉ４４６３芯片為核心構(gòu)成的無線電射頻模逡逑塊。它是一款高性能低功耗的射頻收發(fā)器，其輸出功率最大可達２0ｄＢｍ，在空逡逑曠環(huán)境下，通信距離最遠可達１５００ｍ，數(shù)據(jù)傳輸速率可在０．１２３Ｋｂｐｓ至１Ｍｂｐｓ逡逑間調(diào)節(jié)，接收靈敏度也達到了優(yōu)異的－１２６ｄＢｍ【４３】。由于該芯片性能強勁穩(wěn)定，己逡逑被廣泛用于無線電表［４４］、智能家居１４５］、測控系統(tǒng)［４６］等領(lǐng)域。逡逑７逡逑

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本文編號：2713238