基于精确超声波TOF测量方法的ZigBee无线室内定位系统的研究

摘要

无线通信技术和电子技术的快速发展促使传感器可以发展为低成本、低功耗、功能集成的传感器节点。传感器对信息的采集技术也从单一化模式向集成化、智能化、微型化和网络化方向发展，无线传感器网络应运而生，发展为新型信息获取技术的代表。无线传感器网络的成本低廉、节点部署方便、跟踪精确可靠等特点，促进了无线定位技术的发展。虽然室外定位技术的研究已渐趋成熟，取得了相当卓越的成绩，但是室内定位技术的研究还处于起步阶段，具有广阔的研究和发展空间。
　　本文的研究工作主要包括以下四个方面:
　　1.设计了室内无线定位系统，采用具有低成本、低速率、低功耗特点的ZigBee协议组建无线通信网络，实现节点间的数据传输。
　　2.对定位中常用的传播媒介和定位算法进行了介绍与分析，根据室内定位环境的特点与要求选择用超声波信号进行距离测量并利用经典的TOA(Time of Arrival)定位算法对目标节点进行定位计算。
　　3.在定位系统中，目标节点与信标节点间距离的精确测量是实现精确定位的前提。在超声波TOF测量中，发射机与接收机之间的同步对测量精度有着较大的影响，针对时钟漂移对超声波TOF测量精度的影响，给出具有时钟漂移补偿的精确超声波TOF测量方法，并对所提出方案进行了仿真分析，仿真结果表明测量误差得到了明显的抑制。
　　4.本文搭建了系统节点硬件平台，采用TI公司推出的CC2530作为节点的微控制器与无线模块，结合超声波传感器设计了符合系统要求的系统节点。并且对节点的通信性能进行测试，实验表明节点通信具有较高的可靠性和实时性。此外，为降低节点的功耗，采用了节点发射功率自适应机制，并对其进行仿真分析，结果表明节点功耗显著降低。

目录

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摘要

图目录

表目录

符号说明

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．2 相关技术介绍

1．2．1 无线传感网络

1．2．2 室内无线定位技术

1．3 论文的主要内容及结构安排

第二章 室内定位相关技术

2．1 定位系统中的传播媒介

2．1．1 基于GPS的定位技术

2．1．2 基于RFID的定位技术

2．1．3 基于移动蜂窝的定位技术

2．1．4 基于超宽带的定位技术

2．1．5 基于无线局域网(IEEE 802．11)的定位技术

2．1．6 基于蓝牙(IEEE 802．15)的定位技术

2．1．7 基于超声波的定位技术

2．2 测量原理与定位算法

2．2．1 三角测量

2．2．2 场景分析

2．2．3 接进度(Proximity)定位算法

2．3 本章小结

第三章 超声波的精确TOF测量方法

3．1 精确超声波测量方法的研究现状

3．2 时钟漂移补偿方法

3．2．1 PTP协议概述

3．2．2 算法描述

3．2．3 算法实现

3．3 本章小结

第四章 硬件平台与低功耗设计

4．1 引言

4．2 系统设计

4．2．1 终端节点

4．2．2 中心节点

4．2．3 中控主机

4．3 节点设计

4．3．1 处理器模块

4．3．2 无线模块

4．3．3 传感器模块

4．3．4 节点整体硬件设计

4．4 节点低功耗设计

4．5 本章小结

第五章 实验仿真分析

5．1 节点通信性能试验与分析

5．2 精确度分析

5．2．1 时钟同步精度

5．2．2 定位精度

5．3 节点低功耗分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢

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