基于TOA測距的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自定位技術(shù)研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是指由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作的感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。其具有十分廣闊的應(yīng)用前景，能應(yīng)用于軍事國防、城市管理、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境監(jiān)測、搶險(xiǎn)救災(zāi)、危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制等諸多領(lǐng)域。定位技術(shù)是傳感器網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)支撐技術(shù)，是傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行目標(biāo)識別、監(jiān)控、跟蹤等眾多應(yīng)用的前提，也是傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中的熱點(diǎn)問題之一。 本文

2、主要對一種基于TOA(Time OfArrival)測距的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自定位技術(shù)進(jìn)行研究。將多頻連續(xù)波測距技術(shù)應(yīng)用到傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位中，對傳統(tǒng)的采用多個(gè)正弦調(diào)制頻率進(jìn)行測距的方法進(jìn)行了改進(jìn)，采用單個(gè)方波信號代替多個(gè)正弦調(diào)制頻率，根據(jù)方波信號頻譜分量豐富的特性，方波的各次諧波分量可作為多個(gè)正弦連續(xù)波來處理，從而實(shí)現(xiàn)單頻率調(diào)制信號完成多頻率測量的目的，降低了硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，減小了系統(tǒng)的功耗。采用直接數(shù)字合成技術(shù)(Direct Di

3、gital Synthesis，簡稱DDS)設(shè)計(jì)了無線測距信號源。可同時(shí)輸出頻率可調(diào)的正弦波和方波，輸出頻率范圍大致為0～20MHz。信號源采用微控制器控制，輸出頻率能方便快速的切換，具有很高的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。采用ISM波段的芯片CC1100設(shè)計(jì)了用于收發(fā)測距信號的射頻前端，可以同時(shí)收發(fā)傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)和方波測距信號，通過設(shè)定不同的通信頻道，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對多點(diǎn)的無干擾通信。以THS1209模數(shù)轉(zhuǎn)換器為核心實(shí)現(xiàn)了高速雙通道的同步數(shù)據(jù)

4、采集，能同時(shí)對發(fā)射信號和回波信號進(jìn)行采樣，每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換速度最高可達(dá)到4MSPS，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)位數(shù)為12位，采樣精度為±1LSB?；赥MS320VC5402 DSP(Digital Signal：Processor)設(shè)計(jì)了數(shù)字檢相單元的硬件電路，采用C語言與匯編語言相結(jié)合的方法編寫了FFT(Fast Fourier Fransform)頻域分析法檢相程序。分析了數(shù)字信號處理中常用的窗函數(shù)的特性，選擇Hanning窗對采集到的發(fā)射信號和

5、回波信號進(jìn)行處理，通過對數(shù)據(jù)加窗減小了頻譜分析時(shí)的能量泄漏。對加窗后的數(shù)據(jù)采用FFT算法計(jì)算出信號的離散傅立葉變換，得到發(fā)射信號和回波信號頻譜中基波分量和各次諧波分量功率譜的實(shí)部與虛部，再根據(jù)頻譜中相角的定義就可以計(jì)算出發(fā)射信號與回波信號的相位差。測量精度可達(dá)到±0.025rad。集成測距信號源、射頻前端、數(shù)據(jù)采集和數(shù)字檢相等各功能單元，設(shè)計(jì)了測距系統(tǒng)的硬件平臺。 在對系統(tǒng)進(jìn)行測試的過程中采用單元測試與系統(tǒng)測試相結(jié)合的方法，首先