王含蕾開題報告

中北大學畢業(yè)設計開題報告學生姓名：王含蕾學號：0905094102學院、系： 信息與通信工程學院通信工程系專業(yè)： 信息對抗技術設計題目：基于陣列震動傳感器的定位方法研究指導教師: 韓焱、石雅榕2013年3月18日畢業(yè)設計開題報告1?文獻綜述：1?1本課題研究的背景、目的及意義隨著通信技術、微機電系統(tǒng)和傳感技術的迅速發(fā)展，傳感器網(wǎng)絡的應用領域已經(jīng)越來越廣泛。傳感器網(wǎng)絡通暢由體積小、價格低廉的傳感器節(jié)點構成，這些節(jié)點具有信息收集、處理、存儲和轉發(fā)的能力。傳感器網(wǎng)路可以應用在環(huán)境監(jiān)測、戰(zhàn)場監(jiān)視和狀態(tài)檢修等方面，而在眾多應用中，目標定位一直是傳感器網(wǎng)絡應用研究的重點⑴。位置信息對傳感器網(wǎng)絡的監(jiān)測活動至關重要，事件發(fā)生的位置和獲取信息的節(jié)點位置是傳感器節(jié)點檢測信息的重要內容，沒有位置信息的監(jiān)測消息往往毫無意義。因此，確定事件發(fā)生的位置是傳感器網(wǎng)絡最基本的功能之一，對傳感器網(wǎng)絡應用的有效性起著關鍵作用。定位信息除用來報告事件發(fā)生的地點外，還具有廣泛的用途：目標跟蹤，實時檢測目標的行動路線，預測目標的前進軌跡；進行網(wǎng)絡管理，利用傳感器節(jié)點傳回的位置信息構建網(wǎng)絡拓撲圖，并實時統(tǒng)計網(wǎng)絡的覆蓋情況，對節(jié)點密度低的地區(qū)及時采取必要措施等⑵。作為信息領域新興的研究熱點，傳感器網(wǎng)絡是涉及多學科交叉的研究領域，其關鍵技術包括網(wǎng)絡拓撲控制、網(wǎng)絡協(xié)議、時間同步、數(shù)據(jù)融合和管理以及定位技術。而目標定位技術被廣泛的應用⑶。目標定位有巨大的意義，在探測敵方目標的入侵，運動方向，以及探測事件發(fā)生地點方面起著重要作用，為后面的正確決策以及采取相應的措施提供了有力的保證。用傳感器網(wǎng)絡來進行目標的定位，主要是運用網(wǎng)絡中的節(jié)點搜集到的關于目標的一些信息，并對信息進行一定的處理來得到目標的位置。目標定位是傳感器網(wǎng)絡最基本的功能之一,對傳感器網(wǎng)絡應用的有效性起著關鍵的作用［4］。1?2定位技術定位技術對傳感器網(wǎng)絡來說有著特殊的意義⑸。傳感器網(wǎng)絡存在的主要目的是完成對環(huán)境信息及敏感信息的監(jiān)測。其中三邊測量法、極大似然估計法和最小最大法等定位方法應用到了傳感器網(wǎng)絡中去，實現(xiàn)對進入到監(jiān)測區(qū)域的目標進行檢測、定位和跟蹤⑵。定位研究的重點是定位算法的設計。定位算法按照不同的參考方式分為集中式計算與分布式計算、基于測距技術的定位和無需測距技術的定位、絕對定位與相對定位［6］。目前有很多學者都在對定位算法進行研究，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的自適應加權質心定位算法。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)絡研究的深入開展，其特點和優(yōu)勢日益顯著，應用也越來越廣泛［%傳感器網(wǎng)絡定位可分為自定位和目標定位兩種。目前目標定位算法的一些成果：1） 文獻⑺提出了一種基于追蹤的目標定位算法，該算法基于這樣一個事實：當目標在傳感器網(wǎng)絡覆蓋的地理區(qū)域中移動時，其運動軌跡在時間和空間上都是連續(xù)的。一旦目標進入該區(qū)域，就已經(jīng)處于某個傳感器節(jié)點的監(jiān)測范圍中；當目標離開某個節(jié)點檢測范圍的同時，立即進入到其相鄰節(jié)點的監(jiān)測范圍中，直到目標離開傳感器網(wǎng)絡所覆蓋的地理區(qū)域。它利用目標的運動軌跡進行追蹤，首先找到一個曾經(jīng)監(jiān)測到目標的節(jié)點，然后利用相鄰節(jié)點間的本地消息跟蹤目標的運動軌跡⑷。2） 文獻⑻提出的目標定位系統(tǒng)基于測量接收信號的強度（RSSI）并在匯聚節(jié)點上采用最大似然算法（ML）計算目標位置［4］。3） 文獻⑼提出了一種利用閾值估計進行目標定位的算法⑷。4） 在文獻a中，針對隨機分布的傳感器網(wǎng)絡的特點，用統(tǒng)計學上的觀點進行目標定位。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行定位，另一種是使用概率估計的方法⑷。未來的定位算法不僅應該立足達到精確度高、分布式計算、能耗少、收斂快等傳統(tǒng)性的目標，而且在如下幾個方面也應該力求完美：不僅能夠適應真實環(huán)境，而且能夠適應真實環(huán)境的變化；算法應該在各個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震動探測相關內容1.3.1震動探測用于探測墻壁、樓板、天花板和位置移動的各種方法中，特別是震動探測器，近年來已被證實具有重大的意義［⑵。震動探測器最主要的優(yōu)點是當有盜竊危險發(fā)生的跡象時，它具有事先報警的能力［12］。震動探測器是以探測入侵者走動或破壞活動時產(chǎn)生的震動信號來觸發(fā)報警的探測器［13］。震動傳感器是震動探測器的核心組成部件。它可以將因各種原因所引起的震動信號轉變?yōu)槟M信號，此電信號再經(jīng)過適當?shù)男盘柼幚黼娐愤M行加工處理后，轉換為可以為報警控制器接受的電信號。當引起的震動信號超過一定的強度時，即可觸發(fā)報警［14］。震動傳感器的主要優(yōu)點是，探測距離遠、靈敏度高，同時，震動傳感器還具有一定的目標分辨能力，不僅可區(qū)分人為震動與自然擾動，還能區(qū)分目標［15］。1.3.2發(fā)展及應用基于地面震動的探測系統(tǒng)主要是對地面運動目標進行檢測，通過地震動傳感器探測目標運動產(chǎn)生的地震動信號，通過信號處理完成目標信號的特征提取，進而對目標進行識別、定位和跟蹤并根據(jù)需要進行顯示與報警，無論在軍用還是民用方面都有很大的應用價值［16］。CD軍事方面的發(fā)展狀況：地震動檢測系統(tǒng)在國外屬于軍事應用中無人值守地面?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)UGS的一種，最早出現(xiàn)于20實際60年代的越南戰(zhàn)爭期間美軍的“熱帶樹”無人值守傳感器。70年代美國研制出最著名的REMBASS，該系統(tǒng)在監(jiān)視區(qū)域內沒有目標時,能自動處于所謂的“休眠狀態(tài)”，當有目標進入監(jiān)視區(qū)域時，它能根據(jù)傳感器探測的信號對目標進行判定。80年代中期以后，該系統(tǒng)裝備于軍隊，90年代進一步改進為IREMBASS系統(tǒng)，美國1995年研制除了更先進的系統(tǒng)IDEWS。英國開發(fā)的RGS-2740系統(tǒng)，利用震動傳感器可以區(qū)分人員、輪式車和履帶車。八十年代以來，我國開展了地面?zhèn)刹橄到y(tǒng)的研究，進入九十年代以來，多家單位共同合作，主要研究震動探測等系統(tǒng)。國內第一種地面戰(zhàn)場偵查傳感器系統(tǒng)使用的傳感器就包括震動傳感器。此外，國內一些單位也先后研制出了多種利用震動進行檢測的傳感器系統(tǒng)［16］。非軍事方面的發(fā)展狀況：地震動探測對于防御以及安全監(jiān)測應用例如周界、國家邊界以及區(qū)域保護等都是一種很重要的防護方式［16］。參考文獻陳偉光?無線傳感器網(wǎng)絡基于節(jié)點選擇的目標定位跟蹤算法及其應用研究?碩士學位論文.西安:西安交通大學,2011李偉.基于無線傳感器網(wǎng)絡的區(qū)域覆蓋及目標定位的研究.碩士學位論文.沈陽：東北大學,2008袁榮超.無線傳感器網(wǎng)絡目標定位技術研究.碩士學位論文.南京:南京郵電大學,2010周暉?無線傳感器網(wǎng)絡中目標定位的研究?碩士學位論文?上海:上海交通大學，2008杜菲.無線傳感器網(wǎng)絡的目標定位跟蹤算法研究.碩士學位論文.蘇州:蘇州大學，2011崔志彥.無線傳感器網(wǎng)絡動態(tài)簇目標跟蹤算法研究.碩士學位論文.大連:大連理工大學,2009KaminWhitehouse,ChrisKarlof,AlecWoo,FredJiang,andDavidCuller.Theeffectsofrangingnoiseonmultihoplocalization:anempiricalstudy[C],InThInternationalConferenceonInformationProcessinginSensorNetworks,2005王正志，薄濤.進化算法[M],長沙：國防科技大學出版社,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)絡中節(jié)點定位算法的研究?博士學位論文.安徽：中國科學技術大學,2008震動探測器?中國安防產(chǎn)品信息[J].1996年04期華強電子網(wǎng)?什么是振動探測器?技術資料./tech/circuit/001003007_799623.html樂可利公司.震動探測器的基本工作原理.技術文章.2012/lekeli_A07-Article-40863/王永龍.基于無線傳感器網(wǎng)絡的目標探測技術研究.碩士學位論文.太原：中北大學,2008.5孫潔娣.基于多地震動傳感器的管道安全監(jiān)測預警關鍵技術的研究.博士學位論文.天津：天津大學，2008畢業(yè)設計開題報告2?本設計擬采用的方法和手段：2?1本設計要解決的內容這次研究的內容是完成多路震動信號的獲取、定位。在本次設計中，需要用到傳感器，它可以感受到被測量的信息，并能將信號輸出。之后，通過模擬放大器，仿真出結果。其次，在本次設計中，會涉及到多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，來實現(xiàn)對目標信息的收集。最后，通過編寫定位定向算法，準確地確定目標的位置，對于定位定向算法，可用Matlab軟件仿真來實現(xiàn)。設計最后一步，是對系統(tǒng)進行調試。2.2系統(tǒng)框圖2.3各模塊介紹2.3.1模擬放大器運算放大器用于代表一種特殊類型的放大器，經(jīng)由恰當選取的外部元件，它能夠構成各種運算。運算放大器的首次應用是在模擬計算機中。事實上運算放大器已經(jīng)持續(xù)不斷地滲透到模擬和模擬-數(shù)字電子學的每個領域。模擬運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，模擬運算放大器技術已經(jīng)成熟，性能日臻完善。運算放大器的靜態(tài)技術指標一般有：輸入失調電壓、輸入失調電流、輸入偏置電流、輸入失調電壓溫漂、輸入失調電流溫漂、最大差模輸入電壓、最大共模輸入電壓等。運算放大器的動態(tài)技術指標有：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)隨著微電子設計技術與工藝的發(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）。在本次設計中，我們會在ASIC電路的基礎上設計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)進行處理、傳輸、顯示、存儲等操作的設備。該系統(tǒng)涉及到傳感器技術、模擬信號處理技術、模數(shù)轉換和數(shù)模轉換技術、信號處理技術等。一般來說，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器、信號調理電路、數(shù)據(jù)采集電路三部分組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本組成在設計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時，要考慮：1） 輸入信號的特性；2） 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術指標：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)絡實際應用中，定位是傳感器網(wǎng)絡的基本功能之一。傳感器節(jié)點必須明確自身位置才能詳細說明“在什么位置或區(qū)域發(fā)生了特定事件”實現(xiàn)對外部目標的定位和追蹤。在本次設計中，對目標的定位用Matlab軟件仿真實現(xiàn)。MATLAB是一種高效的工程計算語言，它將計算、可視化和編程等功能集于一個易于使用的環(huán)境。其典型應用主要包括以下幾個方面：數(shù)學計算、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、科學和工程繪圖、應用軟件開發(fā)。2.4具體設計流程2.4.1震動信號分析人員走動時腳步施加于地面的激勵為脈沖激勵。不同類型的目標運動時所產(chǎn)生的震動信號是不同的。人的信號波形幅度變化是隨著腳步的落地變化的。2.4.2振動信號檢測振動是指物體經(jīng)過它的平衡位置所作的往復運動或系統(tǒng)物理量在其平均值（或平衡值）附近的來回運動。振動信號是自然界最普遍的信號之一。振動信號最基本的模型是簡諧振動，任何復雜的振動都可以分解為簡諧振動的疊加。在構建各種復雜的振動中，無外乎都是通過直接檢測振動信號中相關的力學參量，感興趣的參數(shù)也是振動信號的力學參數(shù)?；镜恼駝舆\動參量有振動位移，振動速度，加速度。在實際測量工作中選用什么運動量測量合適，和運動頻率的大小有關系，一般來說在頻率較低時，加速度數(shù)值不大，宜測量位移；而頻率較高時，加速度數(shù)值較大，宜測量加速度；在中等頻率時，則宜測量速度。振動傳感器的檢測原理也就是基于測量位移或者加速度，通常稱為慣性式測量。傳感器基本工作方式框圖振動信號測量常用的方式都是動態(tài)測量方式，加速度測量作為振動信號動態(tài)測量一個非常重要的技術指標，也是最常用來測量的一個振動運動量。加速度的測量有多種測量方法，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：將振動位移參量的變化轉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，它是一種無源式傳感器，直接將機械能轉變成電能。光纖傳感器：將被測量轉換成光的某些參數(shù)的變化來進行檢測的傳感器。應變式傳感器：通過測量電阻應變片的電阻阻值變化，可以檢測出作用在彈性敏感元件上相應的機械量。2.4.3定位傳感器網(wǎng)絡的目標定位算法要具備以下一條特點：對于靜態(tài)目標，目標定位算法應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)絡中的目標定位是指在某一個時刻的網(wǎng)絡內被監(jiān)測目標的空間位置。一般有如下步驟：首先是目標發(fā)現(xiàn)階段，在這個階段網(wǎng)絡內一部分節(jié)點處于目標監(jiān)測狀態(tài)，其余節(jié)點處于睡眠態(tài)；其次是測距階段，節(jié)點感知到目標源的特征信息，然后各節(jié)點之間相互交換信息并對不同特征進行分析得到目標的空間位置信息；最后是修正階段。在目標測距階段，目標定位算法通常有以下幾種分類：根據(jù)定位過程中是否測量目標到節(jié)點