基于多节点定位的光电无线传感网络构建及其控制器设计

摘要

随着无线通信技术、视觉定位技术、分布式信息融合处理技术的不断发展，光电无线传感网络(Electro-Optic Wireless Sensor Networks,EOWSN)在军事、反恐、边防等领域有着广阔应用前景。就定位方面而言，传统无线传感定位或光电定位技术已难以实现更高要求的定位需求。
　　本课题针对无线传感网络(Wireless Sensor Networks,WSN)节点定位(Node Localization,NL)需要提前部署锚节点，且在网络覆盖范围中难以进行实物检测和定位问题，研究了EOWSN总体关键技术（包括光电传感器、控制器、WSN，等），提出一种NL和双目定位综合算法对双重目标（节点和覆盖范围内人们感兴趣的事物）精确定位，对节点控制器进行了相应设计，并对定位系统进行了总体构建、程序设计和指标验证。
　　首先，就整体系统而言，研究了网络自组织、网络自配置、通信协议、数据管理及数据融合、节能、定位等技术。在重点研究了多种 WSN定位算法(Localization Algorithm,LA)和光电交叉LA的基础上，提出一种基于输出射频控制寄存器值与距离拟合算法，融合双目定位原理对双重目标进行精确定位的系统方法。
　　其次，构建了光电无线传感网络系统，尤其对网络节点系统的构建，重点研究了节点系统组成和工作原理、设计要求，对部分模块方案选型进行对比论证，明确了本课题硬件设计方向。重点以CC2530作为主控芯片的最小系统进行了硬件设计，尤其在天线匹配网络方面进行了相应软件仿真设计。针对节点系统指标要求进行了相应软件仿真、器件选择和相应电路设计。就定位功能需求，重点对人体红外传感器和光电图像传感器进行了器件选型和相应电路设计。
　　最后，针对提出的LA、节点系统控制器及系统设计结果进行相应实验验证及误差分析，结果表明：
　　1）节点硬件及系统整体设计结果均能达到相应指标要求；
　　2）提出的系统LA在相应实验环境条件下具有其可行性。其中结合整体最小二乘法(TLS)对节点定位最大绝对误差为1.07m，较质心定位法(Centroid Location Algorithm,CLA)提高了0.75m；TLS定位相对误差均值为1.18％，比CLA提高38.14％。
　　3）网络节点相对坐标的确定也就是节点系统中摄像头坐标的确定，通过系统中多个光电摄像传感器利用光电测距交叉定位原理对实际15个目标点进行三维定位，其定位误差为ez≈0.76％>ex≈0.54％>ey≈0.5％，系统对实际目标点定位精度较高，其易于实现。
　　该课题研究及其设计对 EOWSN定位系统的发展和应用具有其理论上的方法创新性和工程实现上的指导作用。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 课题目的及意义

1.2 EOWSN研究现状

1.3 EOWSN的应用

1.4 论文主要工作内容

第2章 光电无线传感网络总体研究

2.1 网络自组织

2.2 网络自配置

2.3 通信协议

2.4 分布式数据管理

2.5 数据融合技术

2.6 节省能耗

2.7 光电无线定位

2.8 本章小结

第3章 多节点定位算法研究

3.1 定位作用与分类

3.2 定位算法评价标准

3.3 典型WSN节点定位算法研究

3.4 典型光电定位算法研究

3.5 EOWSN综合定位

3.6 本章小结

第4章 光电无线传感网络的构建及方案选择

4.1 总体方案构建

4.2 网络节点系统构建

4.3 节点系统硬件技术指标及方案论证

4.4 本章小结

第5章 光电无线传感网络节点控制器设计

5.1 控制器特性分析

5.2 最小控制器外围电路设计

5.3 节点系统执行部件选取及其电路设计

5.4 节点系统模块测试及结果分析

5.5 本章小结

第6章 实验验证

6.1系统调试设备

6.2 系统组网及联通性测试软件设计

6.3 光电无线传感网络定位实验结果与误差分析

6.4 定位系统实验结果分析

6.5 本章小结

第7章 全文总结与展望

7.1 全文总结

7.2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢