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基于无线传感器网络的定位技术研究与实现

作　者: 俞建平
导　师: 杨小牛；章坚武
学　校: 杭州电子科技大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 无线传感器网络多载波码分多址测距非视距误差嵌入式系统三维定位
分类号: TN929.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 98次
引　用: 4次
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内容摘要

近年来,无线传感器网络已经成为通信领域的研究热点。从无线传感器网络的应用角度出发,传感器节点位置信息的获得是任何应用的基础。在卫星定位信号缺失或不宜采用卫星定位系统等场景下,本文研究一种特殊的基于MC-CDMA的传感器节点用于提供位置参考功能。假设在传感目标区域中撒放大量普通传感器节点和少量该类节点,在近距离锚节点不足的环境下,该类节点可以通过与其它具有MC-CDMA模块的已知节点进行远距离测距并实现高精度自身定位,然后升级为锚节点,进而为该网络的其他未知节点提供位置参考功能。以下是本文的主要工作:首先,本文在分析几种测距手段的基础上,选择了适合本文传感器节点的基于扩频码的MC-CDMA测距技术用于距离测量,并介绍了实现测距的基本原理。并且针对影响测距的各种误差因素进行分析,重点考虑了非视距误差的抑制问题,从基于代价和基于应用时机两种角度对非视距误差的抑制算法进行分类。其次,重点分析介绍了本文研究的基于TOA双程测距的传感器节点设计方案及具体工作流程。本传感器节点分测距模块和定位模块两部分,测距模块由基于扩频码的MC-CDMA测距方案实现,本文主要从测距流程、精度控制等方面进行阐述。而定位模块的分析主要从硬件和软件两方面出发,本节点的硬件平台是以S3C2440A微处理器为中央控制芯片的开发板为基础的,软件是以裁剪后的嵌入式Linux操作系统为基础的。由于本节点的测距模块和定位模块之间是通过串口连接的,所以对串口的设置进行了分析介绍。另外对定位的流程、发送的定位信息的格式等都进行了相应的介绍。最后,提出了一种适用于三维空间的节点定位算法。考虑到当前多数定位研究都是基于二维空间的状况,通过分析研究当前基于三维空间的无线传感器网络节点的定位技术,提出了基于球面坐标的无线传感网络三维静态定位算法,该算法是在(得知)四点球面坐标的基础上通过求球心坐标的方法实现定位的。在如何选择合适的四点问题上,本文提出了基于PIT方法进行分析比较来获得通信半径内的最佳四点来进行定位计算。通过仿真实验及性能分析,在邻居节点密度满足定位要求的情况下,相比于没有采用PIT选择方法的情况,该算法可获得相对较高的定位精度。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第1章绪论  11-16
  1.1 研究背景  11
  1.2 无线传感器网络节点定位概述  11-14
    1.2.1 无线传感器网络概念  11-12
    1.2.2 无线传感器网络定位的基本概念  12-14
    1.2.3 国内外研究现状  14
  1.3 论文的工作及组织结构  14-16
第2章传感器网络定位基本理论  16-22
  2.1 无线传感器网络节点定位算法分类  16
  2.2 节点测距技术介绍  16-18
    2.2.1 测距手段  16-18
    2.2.2 测距原理  18
  2.3 节点位置的计算方法  18-21
    2.3.1 三边测量法  19
    2.3.2 三角测量法  19-20
    2.3.3 极大似然估计法  20-21
  2.4 本章小结  21-22
第3章基于MC-CDMA 的测距技术  22-34
  3.1 MC-CDMA 原理  22-24
  3.2 基于扩频码的MC-CDMA 的测距算法  24-27
    3.2.1 测距算法分析  24-25
    3.2.2 算法原理  25-27
  3.3 影响测距的误差抑制  27-33
    3.3.1 NLOS 误差抑制  27-29
    3.3.2 抑制算法分类  29-31
      3.3.2.1 基于代价的分类方法  29-30
      3.3.2.2 基于应用时机的分类方法  30-31
    3.3.3 两种综合应用  31-33
  3.4 本章小结  33-34
第4章基于TOA 双程测距的节点设计  34-55
  4.1 节点整体方案设计  34-35
    4.1.1 节点模块划分  34
    4.1.2 节点工作流程  34-35
  4.2 基于MC-CDMA 系统的测距模块  35-37
    4.2.1 测距模块  35-36
      4.2.1.1 测距手段的选择  35
      4.2.1.2 测距流程的介绍  35-36
    4.2.2 精度控制  36-37
      4.2.2.1 测距计数器  36-37
      4.2.2.2 到达时间的检测  37
  4.3 基于S3C2440A 微处理器的定位模块  37-44
    4.3.1 嵌入式硬件平台的实现  37-40
      4.3.1.1 定位模块硬件平台  37-39
      4.3.1.2 RS232 接口  39-40
    4.3.2 嵌入式Linux 软件平台的实现  40-44
      4.3.2.1 软件平台的组成  40-42
      4.3.2.2 建立交叉编译环境  42-44
  4.4 定位信息通信接口的实现  44-49
    4.4.1 串行通信概述  44-45
    4.4.2 串行口的设置  45-48
    4.4.3 数据包的格式  48-49
  4.5 定位仿真分析  49-53
  4.6 本章小结  53-55
第5章无线传感器网络节点三维定位算法  55-61
  5.1 基于球面坐标的球心坐标算法  55-56
  5.2 基于PIT 判定的球心坐标算法  56-58
    5.2.1 三维空间中的PIT 算法  56-57
    5.2.2 空间模型  57
    5.2.3 算法原理  57-58
  5.3 仿真分析  58-60
  5.4 本章小结  60-61
第6章总结和展望  61-63
  6.1 全文总结  61-62
  6.2 研究展望  62-63
致谢  63-64
参考文献  64-67
附录  67

基于无线传感器网络的定位技术研究与实现

内容摘要

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