基于TDOA的无线传感器网络时钟同步与定位技术研究

发布时间：2017-10-13 02:22

  本文关键词：基于TDOA的无线传感器网络时钟同步与定位技术研究

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【摘要】：无线传感器网络脱胎于自然科研专用的小型无线网络,最初部署于广袤的自然界以实现实时观测和数据收集,如森林防火、动植物生长观测、海洋大气环境变化监测等。如今,无线传感器网络已经发展成为一门日益成熟的技术,并呈现出多样化、集成化的发展趋势并大规模应用于农牧业管理、工业生产监管乃至国防军事安全。该技术的现实意义和发展需求在于能够通过预先或者临时性布置大量传感器节点,无线传感器网络收集到庞大的物理性质的数据监测信息,为人们的决策部署提供信息参考。其研究探讨在近几年一直都很活跃,国家在863项目和自然科学基金项目中都给予了倾向性地支持。随着专业领域的不断细化,无线传感器网络研究也在这几年分化出诸多专业的分支学科。本文简要介绍了无线传感器网络概况,及其定位技术、定位方法和基于测距的相关定位算法,对时间异步的传感器网络提出了基于钟差补偿的时钟同步和节点定位结合算法。该算法的思路是每个位置已知的锚节点周期性地发送广播信号,各个锚节点记录下广播信号的到达时间(TOA),考虑到锚节点时钟之间总是存在一定的频率偏差,只有消除锚节点之间时钟差的影响,才能够得到准确的时差测量值。论文首先通过汇集锚节点广播信号在邻居锚节点的TOA,对锚节点的钟差和频差进行估计;其次采用最小二乘的方法实现频差漂移的跟踪,将估计值补偿各锚节点时钟的钟差,实现传感器之间的时钟同步;最后,记录下标签节点一次广播信号在各锚节点的TOA,将补偿后的TDOA信息应用于双曲线定位的最大似然估计,迭代求解以估计出标签节点的位置。这种方法运算简单,适用于异步锚节点的无线传感器网络。仿真结果表明,通常测量噪声均方差为810-的情况下,定位精度在2米附近。论文最后将定位系统有关功能予以工程化实现。论文首先对系统总体结构设计进行概述,再分别对STM32处理器、NA5TR1无线通信模块、各接口的结构设计、嵌入式系统定位流程以及定位服务器软件设计等部分结合相关开发代码作了详细的介绍。软件测试证明,该定位系统估计出的标签节点位置精度达2米,总体设计达到了工程应用的要求。
【关键词】：无线传感器网络 达到时间差 钟差补偿 实时定位系统
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.5;TP212.9
【目录】：

• 摘要9-10
• ABSTRACT10-11
• 第一章 绪论11-18
• 1.1 研究背景与目的11-15
• 1.1.1 研究背景11-14
• 1.1.2 研究目的14-15
• 1.2 国内外研究现状15-17
• 1.3 本文的主要内容和章节框架17-18
• 第二章 基于时间同步的定位系统18-28
• 2.1 无线传感器网络结构18
• 2.2 无线网络传感器定位技术18-25
• 2.2.1 节点测距方法19-22
• 2.2.2 典型的节点定位方法22-25
• 2.3 基于时间同步的无线网络传感器定位技术概述25-27
• 2.4 本章小结27-28
• 第三章 补偿钟差的TDOA定位算法28-43
• 3.1 TDOA定位基本数学原理28-29
• 3.2 模型建立29-31
• 3.3 估计频差和钟差31-34
• 3.4 TDOA信息的补偿与标签定位34-38
• 3.4.1 TDOA信息的补偿34-35
• 3.4.2 标签的定位35-36
• 3.4.3 标签定位计算的克拉美罗下限36-38
• 3.5 仿真结果38-42
• 3.5.1 频差钟差估计结果38-40
• 3.5.2 标签定位估计结果40-42
• 3.6 本章小结42-43
• 第四章 用于定位的无线传感器网络平台构建43-73
• 4.1 系统结构设计43-44
• 4.2 锚节点硬件平台设计44-52
• 4.2.1 基于IEEE 802.15.4a的协议标准45
• 4.2.2 锚节点总体架构设计45-46
• 4.2.3 处理器模块46-47
• 4.2.4 无线通信模块47-50
• 4.2.5 SPI接口设计50-52
• 4.3 锚节点程序流程52-56
• 4.3.1 主程序流程52-53
• 4.3.2 芯片 1/2 中断处理过程53-54
• 4.3.3 数据包的处理与传输54-56
• 4.4 嵌入式软件程序设计56-63
• 4.4.1 编译环境介绍56-57
• 4.4.2 锚节点初始化程序57-58
• 4.4.3 无线收发器配置模块程序58-62
• 4.4.4 SPI接口程序62-63
• 4.5 上位机软件设计63-67
• 4.5.1 上位机软件开发环境63
• 4.5.2 软件功能设计63-65
• 4.5.3 定位计算功能实现65-67
• 4.6 工程实现67-72
• 4.7 本章小结72-73
• 结束语73-74
• 致谢74-75
• 参考文献75-79
• 作者在学期间取得的学术成果79

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