王含蕾開題報(bào)告

中北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告學(xué)生姓名：王含蕾學(xué)號(hào)：0905094102學(xué)院、系： 信息與通信工程學(xué)院通信工程系專業(yè)： 信息對(duì)抗技術(shù)設(shè)計(jì)題目：基于陣列震動(dòng)傳感器的定位方法研究指導(dǎo)教師: 韓焱、石雅榕2013年3月18日畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告1?文獻(xiàn)綜述：1?1本課題研究的背景、目的及意義隨著通信技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)和傳感技術(shù)的迅速發(fā)展，傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)越來越廣泛。傳感器網(wǎng)絡(luò)通暢由體積小、價(jià)格低廉的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，這些節(jié)點(diǎn)具有信息收集、處理、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)的能力。傳感器網(wǎng)路可以應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測(cè)、戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視和狀態(tài)檢修等方面，而在眾多應(yīng)用中，目標(biāo)定位一直是傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究的重點(diǎn)⑴。位置信息對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)活動(dòng)至關(guān)重要，事件發(fā)生的位置和獲取信息的節(jié)點(diǎn)位置是傳感器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)信息的重要內(nèi)容，沒有位置信息的監(jiān)測(cè)消息往往毫無意義。因此，確定事件發(fā)生的位置是傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的功能之一，對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的有效性起著關(guān)鍵作用。定位信息除用來報(bào)告事件發(fā)生的地點(diǎn)外，還具有廣泛的用途：目標(biāo)跟蹤，實(shí)時(shí)檢測(cè)目標(biāo)的行動(dòng)路線，預(yù)測(cè)目標(biāo)的前進(jìn)軌跡；進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理，利用傳感器節(jié)點(diǎn)傳回的位置信息構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，并實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋情況，對(duì)節(jié)點(diǎn)密度低的地區(qū)及時(shí)采取必要措施等⑵。作為信息領(lǐng)域新興的研究熱點(diǎn)，傳感器網(wǎng)絡(luò)是涉及多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，其關(guān)鍵技術(shù)包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、時(shí)間同步、數(shù)據(jù)融合和管理以及定位技術(shù)。而目標(biāo)定位技術(shù)被廣泛的應(yīng)用⑶。目標(biāo)定位有巨大的意義，在探測(cè)敵方目標(biāo)的入侵，運(yùn)動(dòng)方向，以及探測(cè)事件發(fā)生地點(diǎn)方面起著重要作用，為后面的正確決策以及采取相應(yīng)的措施提供了有力的保證。用傳感器網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行目標(biāo)的定位，主要是運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)搜集到的關(guān)于目標(biāo)的一些信息，并對(duì)信息進(jìn)行一定的處理來得到目標(biāo)的位置。目標(biāo)定位是傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的功能之一,對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的有效性起著關(guān)鍵的作用［4］。1?2定位技術(shù)定位技術(shù)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)來說有著特殊的意義⑸。傳感器網(wǎng)絡(luò)存在的主要目的是完成對(duì)環(huán)境信息及敏感信息的監(jiān)測(cè)。其中三邊測(cè)量法、極大似然估計(jì)法和最小最大法等定位方法應(yīng)用到了傳感器網(wǎng)絡(luò)中去，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)入到監(jiān)測(cè)區(qū)域的目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)、定位和跟蹤⑵。定位研究的重點(diǎn)是定位算法的設(shè)計(jì)。定位算法按照不同的參考方式分為集中式計(jì)算與分布式計(jì)算、基于測(cè)距技術(shù)的定位和無需測(cè)距技術(shù)的定位、絕對(duì)定位與相對(duì)定位［6］。目前有很多學(xué)者都在對(duì)定位算法進(jìn)行研究，并取得了一些成果。例如Y.J.Chen和Q.Pan等人提出一種基于RSSI的自適應(yīng)加權(quán)質(zhì)心定位算法。S.H.Chaudhary和A.K.Bashir等人提出一種能量高效的定位算法。隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的深入開展，其特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)日益顯著，應(yīng)用也越來越廣泛［%傳感器網(wǎng)絡(luò)定位可分為自定位和目標(biāo)定位兩種。目前目標(biāo)定位算法的一些成果：1） 文獻(xiàn)⑺提出了一種基于追蹤的目標(biāo)定位算法，該算法基于這樣一個(gè)事實(shí)：當(dāng)目標(biāo)在傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中移動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)軌跡在時(shí)間和空間上都是連續(xù)的。一旦目標(biāo)進(jìn)入該區(qū)域，就已經(jīng)處于某個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)范圍中；當(dāng)目標(biāo)離開某個(gè)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)范圍的同時(shí)，立即進(jìn)入到其相鄰節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)范圍中，直到目標(biāo)離開傳感器網(wǎng)絡(luò)所覆蓋的地理區(qū)域。它利用目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行追蹤，首先找到一個(gè)曾經(jīng)監(jiān)測(cè)到目標(biāo)的節(jié)點(diǎn)，然后利用相鄰節(jié)點(diǎn)間的本地消息跟蹤目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡⑷。2） 文獻(xiàn)⑻提出的目標(biāo)定位系統(tǒng)基于測(cè)量接收信號(hào)的強(qiáng)度（RSSI）并在匯聚節(jié)點(diǎn)上采用最大似然算法（ML）計(jì)算目標(biāo)位置［4］。3） 文獻(xiàn)⑼提出了一種利用閾值估計(jì)進(jìn)行目標(biāo)定位的算法⑷。4） 在文獻(xiàn)a中，針對(duì)隨機(jī)分布的傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，用統(tǒng)計(jì)學(xué)上的觀點(diǎn)進(jìn)行目標(biāo)定位。通常有兩種方法解決定位問題，一種是使用特殊的硬件來進(jìn)行定位，另一種是使用概率估計(jì)的方法⑷。未來的定位算法不僅應(yīng)該立足達(dá)到精確度高、分布式計(jì)算、能耗少、收斂快等傳統(tǒng)性的目標(biāo)，而且在如下幾個(gè)方面也應(yīng)該力求完美：不僅能夠適應(yīng)真實(shí)環(huán)境，而且能夠適應(yīng)真實(shí)環(huán)境的變化；算法應(yīng)該在各個(gè)性能之間做別良好的平衡，不能顧此失彼；安全性高，可以抵御或者過濾各靜種常見酶攻擊或攻擊組合［11］。1?3震動(dòng)探測(cè)相關(guān)內(nèi)容1.3.1震動(dòng)探測(cè)用于探測(cè)墻壁、樓板、天花板和位置移動(dòng)的各種方法中，特別是震動(dòng)探測(cè)器，近年來已被證實(shí)具有重大的意義［⑵。震動(dòng)探測(cè)器最主要的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)有盜竊危險(xiǎn)發(fā)生的跡象時(shí)，它具有事先報(bào)警的能力［12］。震動(dòng)探測(cè)器是以探測(cè)入侵者走動(dòng)或破壞活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)信號(hào)來觸發(fā)報(bào)警的探測(cè)器［13］。震動(dòng)傳感器是震動(dòng)探測(cè)器的核心組成部件。它可以將因各種原因所引起的震動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)，此電信號(hào)再經(jīng)過適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理電路進(jìn)行加工處理后，轉(zhuǎn)換為可以為報(bào)警控制器接受的電信號(hào)。當(dāng)引起的震動(dòng)信號(hào)超過一定的強(qiáng)度時(shí)，即可觸發(fā)報(bào)警［14］。震動(dòng)傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是，探測(cè)距離遠(yuǎn)、靈敏度高，同時(shí)，震動(dòng)傳感器還具有一定的目標(biāo)分辨能力，不僅可區(qū)分人為震動(dòng)與自然擾動(dòng)，還能區(qū)分目標(biāo)［15］。1.3.2發(fā)展及應(yīng)用基于地面震動(dòng)的探測(cè)系統(tǒng)主要是對(duì)地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，通過地震動(dòng)傳感器探測(cè)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的地震動(dòng)信號(hào)，通過信號(hào)處理完成目標(biāo)信號(hào)的特征提取，進(jìn)而對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、定位和跟蹤并根據(jù)需要進(jìn)行顯示與報(bào)警，無論在軍用還是民用方面都有很大的應(yīng)用價(jià)值［16］。CD軍事方面的發(fā)展?fàn)顩r：地震動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)在國(guó)外屬于軍事應(yīng)用中無人值守地面?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)UGS的一種，最早出現(xiàn)于20實(shí)際60年代的越南戰(zhàn)爭(zhēng)期間美軍的“熱帶樹”無人值守傳感器。70年代美國(guó)研制出最著名的REMBASS，該系統(tǒng)在監(jiān)視區(qū)域內(nèi)沒有目標(biāo)時(shí),能自動(dòng)處于所謂的“休眠狀態(tài)”，當(dāng)有目標(biāo)進(jìn)入監(jiān)視區(qū)域時(shí)，它能根據(jù)傳感器探測(cè)的信號(hào)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行判定。80年代中期以后，該系統(tǒng)裝備于軍隊(duì)，90年代進(jìn)一步改進(jìn)為IREMBASS系統(tǒng)，美國(guó)1995年研制除了更先進(jìn)的系統(tǒng)IDEWS。英國(guó)開發(fā)的RGS-2740系統(tǒng)，利用震動(dòng)傳感器可以區(qū)分人員、輪式車和履帶車。八十年代以來，我國(guó)開展了地面?zhèn)刹橄到y(tǒng)的研究，進(jìn)入九十年代以來，多家單位共同合作，主要研究震動(dòng)探測(cè)等系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)第一種地面戰(zhàn)場(chǎng)偵查傳感器系統(tǒng)使用的傳感器就包括震動(dòng)傳感器。此外，國(guó)內(nèi)一些單位也先后研制出了多種利用震動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)的傳感器系統(tǒng)［16］。非軍事方面的發(fā)展?fàn)顩r：地震動(dòng)探測(cè)對(duì)于防御以及安全監(jiān)測(cè)應(yīng)用例如周界、國(guó)家邊界以及區(qū)域保護(hù)等都是一種很重要的防護(hù)方式［16］。參考文獻(xiàn)陳偉光?無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于節(jié)點(diǎn)選擇的目標(biāo)定位跟蹤算法及其應(yīng)用研究?碩士學(xué)位論文.西安:西安交通大學(xué),2011李偉.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域覆蓋及目標(biāo)定位的研究.碩士學(xué)位論文.沈陽(yáng)：東北大學(xué),2008袁榮超.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位技術(shù)研究.碩士學(xué)位論文.南京:南京郵電大學(xué),2010周暉?無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中目標(biāo)定位的研究?碩士學(xué)位論文?上海:上海交通大學(xué)，2008杜菲.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)定位跟蹤算法研究.碩士學(xué)位論文.蘇州:蘇州大學(xué)，2011崔志彥.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)簇目標(biāo)跟蹤算法研究.碩士學(xué)位論文.大連:大連理工大學(xué),2009KaminWhitehouse,ChrisKarlof,AlecWoo,FredJiang,andDavidCuller.Theeffectsofrangingnoiseonmultihoplocalization:anempiricalstudy[C],InThInternationalConferenceonInformationProcessinginSensorNetworks,2005王正志，薄濤.進(jìn)化算法[M],長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)出版社,2005,10-31PhoebusChen,SonghwaiOh,MichaelManzo.Closingtheloopinsensornetworks[C].InIEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomationVideo2007HUJinwen,LIANGYan,PANQuan.Studyonpartialcoveragealgorithmandconnectivityofwirelesssensornetworks[J],ComputerEngineeringandApplications,2008,44(3):24-27李新?無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)定位算法的研究?博士學(xué)位論文.安徽：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2008震動(dòng)探測(cè)器?中國(guó)安防產(chǎn)品信息[J].1996年04期華強(qiáng)電子網(wǎng)?什么是振動(dòng)探測(cè)器?技術(shù)資料./tech/circuit/001003007_799623.html樂可利公司.震動(dòng)探測(cè)器的基本工作原理.技術(shù)文章.2012/lekeli_A07-Article-40863/王永龍.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)探測(cè)技術(shù)研究.碩士學(xué)位論文.太原：中北大學(xué),2008.5孫潔娣.基于多地震動(dòng)傳感器的管道安全監(jiān)測(cè)預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)的研究.博士學(xué)位論文.天津：天津大學(xué)，2008畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告2?本設(shè)計(jì)擬采用的方法和手段：2?1本設(shè)計(jì)要解決的內(nèi)容這次研究的內(nèi)容是完成多路震動(dòng)信號(hào)的獲取、定位。在本次設(shè)計(jì)中，需要用到傳感器，它可以感受到被測(cè)量的信息，并能將信號(hào)輸出。之后，通過模擬放大器，仿真出結(jié)果。其次，在本次設(shè)計(jì)中，會(huì)涉及到多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)信息的收集。最后，通過編寫定位定向算法，準(zhǔn)確地確定目標(biāo)的位置，對(duì)于定位定向算法，可用Matlab軟件仿真來實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)最后一步，是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。2.2系統(tǒng)框圖2.3各模塊介紹2.3.1模擬放大器運(yùn)算放大器用于代表一種特殊類型的放大器，經(jīng)由恰當(dāng)選取的外部元件，它能夠構(gòu)成各種運(yùn)算。運(yùn)算放大器的首次應(yīng)用是在模擬計(jì)算機(jī)中。事實(shí)上運(yùn)算放大器已經(jīng)持續(xù)不斷地滲透到模擬和模擬-數(shù)字電子學(xué)的每個(gè)領(lǐng)域。模擬運(yùn)算放大器從誕生至今，已有40多年的歷史了。經(jīng)過多年的發(fā)展，模擬運(yùn)算放大器技術(shù)已經(jīng)成熟，性能日臻完善。運(yùn)算放大器的靜態(tài)技術(shù)指標(biāo)一般有：輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流、輸入偏置電流、輸入失調(diào)電壓溫漂、輸入失調(diào)電流溫漂、最大差模輸入電壓、最大共模輸入電壓等。運(yùn)算放大器的動(dòng)態(tài)技術(shù)指標(biāo)有：開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)、差模輸入電阻、共模抑制比、-3dB帶寬等。2.3.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)隨著微電子設(shè)計(jì)技術(shù)與工藝的發(fā)展，數(shù)字集成電路從電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路逐步發(fā)展到今天的專用集成電路（ASIC）。在本次設(shè)計(jì)中，我們會(huì)在ASIC電路的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是將現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、傳輸、顯示、存儲(chǔ)等操作的設(shè)備。該系統(tǒng)涉及到傳感器技術(shù)、模擬信號(hào)處理技術(shù)、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)等。一般來說，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集電路三部分組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本組成在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，要考慮：1） 輸入信號(hào)的特性；2） 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)：系統(tǒng)的通過速率、系統(tǒng)的分辨率、系統(tǒng)的精度;3） 接口特性，包括采樣數(shù)據(jù)的輸出形式、數(shù)據(jù)的編碼格式、與什么數(shù)據(jù)總線相接。2.3.3Matlab在傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用中，定位是傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能之一。傳感器節(jié)點(diǎn)必須明確自身位置才能詳細(xì)說明“在什么位置或區(qū)域發(fā)生了特定事件”實(shí)現(xiàn)對(duì)外部目標(biāo)的定位和追蹤。在本次設(shè)計(jì)中，對(duì)目標(biāo)的定位用Matlab軟件仿真實(shí)現(xiàn)。MATLAB是一種高效的工程計(jì)算語(yǔ)言，它將計(jì)算、可視化和編程等功能集于一個(gè)易于使用的環(huán)境。其典型應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)方面：數(shù)學(xué)計(jì)算、算法開發(fā)、數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)建模和仿真、數(shù)據(jù)分析和可視化、科學(xué)和工程繪圖、應(yīng)用軟件開發(fā)。2.4具體設(shè)計(jì)流程2.4.1震動(dòng)信號(hào)分析人員走動(dòng)時(shí)腳步施加于地面的激勵(lì)為脈沖激勵(lì)。不同類型的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的震動(dòng)信號(hào)是不同的。人的信號(hào)波形幅度變化是隨著腳步的落地變化的。2.4.2振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)振動(dòng)是指物體經(jīng)過它的平衡位置所作的往復(fù)運(yùn)動(dòng)或系統(tǒng)物理量在其平均值（或平衡值）附近的來回運(yùn)動(dòng)。振動(dòng)信號(hào)是自然界最普遍的信號(hào)之一。振動(dòng)信號(hào)最基本的模型是簡(jiǎn)諧振動(dòng)，任何復(fù)雜的振動(dòng)都可以分解為簡(jiǎn)諧振動(dòng)的疊加。在構(gòu)建各種復(fù)雜的振動(dòng)中，無外乎都是通過直接檢測(cè)振動(dòng)信號(hào)中相關(guān)的力學(xué)參量，感興趣的參數(shù)也是振動(dòng)信號(hào)的力學(xué)參數(shù)。基本的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)參量有振動(dòng)位移，振動(dòng)速度，加速度。在實(shí)際測(cè)量工作中選用什么運(yùn)動(dòng)量測(cè)量合適，和運(yùn)動(dòng)頻率的大小有關(guān)系，一般來說在頻率較低時(shí)，加速度數(shù)值不大，宜測(cè)量位移；而頻率較高時(shí)，加速度數(shù)值較大，宜測(cè)量加速度；在中等頻率時(shí)，則宜測(cè)量速度。振動(dòng)傳感器的檢測(cè)原理也就是基于測(cè)量位移或者加速度，通常稱為慣性式測(cè)量。傳感器基本工作方式框圖振動(dòng)信號(hào)測(cè)量常用的方式都是動(dòng)態(tài)測(cè)量方式，加速度測(cè)量作為振動(dòng)信號(hào)動(dòng)態(tài)測(cè)量一個(gè)非常重要的技術(shù)指標(biāo)，也是最常用來測(cè)量的一個(gè)振動(dòng)運(yùn)動(dòng)量。加速度的測(cè)量有多種測(cè)量方法，以下介紹幾種最常用的加速度傳感器。電容式加速度傳感器：將振動(dòng)位移參量的變化轉(zhuǎn)變成為電容量的變化。壓電式加速度傳感器：基于某些晶體的壓電效應(yīng)，它是一種無源式傳感器，直接將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能。光纖傳感器：將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成光的某些參數(shù)的變化來進(jìn)行檢測(cè)的傳感器。應(yīng)變式傳感器：通過測(cè)量電阻應(yīng)變片的電阻阻值變化，可以檢測(cè)出作用在彈性敏感元件上相應(yīng)的機(jī)械量。2.4.3定位傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)定位算法要具備以下一條特點(diǎn)：對(duì)于靜態(tài)目標(biāo)，目標(biāo)定位算法應(yīng)盡可能的保證定位的精度，還需要考慮定位的速度。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的目標(biāo)定位是指在某一個(gè)時(shí)刻的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)被監(jiān)測(cè)目標(biāo)的空間位置。一般有如下步驟：首先是目標(biāo)發(fā)現(xiàn)階段，在這個(gè)階段網(wǎng)絡(luò)內(nèi)一部分節(jié)點(diǎn)處于目標(biāo)監(jiān)測(cè)狀態(tài)，其余節(jié)點(diǎn)處于睡眠態(tài)；其次是測(cè)距階段，節(jié)點(diǎn)感知到目標(biāo)源的特征信息，然后各節(jié)點(diǎn)之間相互交換信息并對(duì)不同特征進(jìn)行分析得到目標(biāo)的空間位置信息；最后是修正階段。在目標(biāo)測(cè)距階段，目標(biāo)定位算法通常有以下幾種分類：根據(jù)定位過程中是否測(cè)量目標(biāo)到節(jié)點(diǎn)