王含蕾開題報告

中北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計開題報告學(xué)生姓名：王含蕾學(xué)號：0905094102學(xué)院、系： 信息與通信工程學(xué)院通信工程系專業(yè)： 信息對抗技術(shù)設(shè)計題目：基于陣列震動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(shù)、微機電系統(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、價格低廉的傳感器節(jié)點構(gòu)成，這些節(jié)點具有信息收集、處理、存儲和轉(zhuǎn)發(fā)的能力。傳感器網(wǎng)路可以應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測、戰(zhàn)場監(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⑴。位置信息對傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測活動至關(guān)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(nèi)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(luò)最基本的功能之一，對傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的有效性起著關(guān)鍵作用。定位信息除用來報告事件發(fā)生的地點外，還具有廣泛的用途：目標(biāo)跟蹤，實時檢測目標(biāo)的行動路線，預(yù)測目標(biāo)的前進軌跡；進行網(wǎng)絡(luò)管理，利用傳感器節(jié)點傳回的位置信息構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓撲圖，并實時統(tǒng)計網(wǎng)絡(luò)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(lǐng)域新興的研究熱點，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)拓撲控制、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、時間同步、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，在探測敵方目標(biāo)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(yīng)的措施提供了有力的保證。用傳感器網(wǎng)絡(luò)來進行目標(biāo)的定位，主要是運用網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點搜集到的關(guān)于目標(biāo)的一些信息，并對信息進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(yīng)用到了傳感器網(wǎng)絡(luò)中去，實現(xiàn)對進入到監(jiān)測區(qū)域的目標(biāo)進行檢測、定位和跟蹤⑵。定位研究的重點是定位算法的設(shè)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(shù)的定位和無需測距技術(shù)的定位、絕對定位與相對定位［6］。目前有很多學(xué)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(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，其特點和優(yōu)勢日益顯著，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事實：當(dāng)目標(biāo)在傳感器網(wǎng)絡(luò)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(biāo)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(dāng)目標(biāo)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(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)的運動軌跡進行追蹤，首先找到一個曾經(jīng)監(jiān)測到目標(biāo)的節(jié)點，然后利用相鄰節(jié)點間的本地消息跟蹤目標(biāo)的運動軌跡⑷。2） 文獻⑻提出的目標(biāo)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(biāo)位置［4］。3） 文獻⑼提出了一種利用閾值估計進行目標(biāo)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(luò)的特點，用統(tǒng)計學(xué)上的觀點進行目標(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(yīng)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(biāo)，而且在如下幾個方面也應(yīng)該力求完美：不僅能夠適應(yīng)真實環(huán)境，而且能夠適應(yīng)真實環(huán)境的變化；算法應(yīng)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(guān)內(nèi)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(dāng)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(zhuǎn)變?yōu)槟M信號，此電信號再經(jīng)過適當(dāng)?shù)男盘柼幚黼娐愤M行加工處理后，轉(zhuǎn)換為可以為報警控制器接受的電信號。當(dāng)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(biāo)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(biāo)［15］。1.3.2發(fā)展及應(yīng)用基于地面震動的探測系統(tǒng)主要是對地面運動目標(biāo)進行檢測，通過地震動傳感器探測目標(biāo)運動產(chǎn)生的地震動信號，通過信號處理完成目標(biāo)信號的特征提取，進而對目標(biāo)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(yīng)用價值［16］。CD軍事方面的發(fā)展?fàn)顩r：地震動檢測系統(tǒng)在國外屬于軍事應(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(nèi)沒有目標(biāo)時,能自動處于所謂的“休眠狀態(tài)”，當(dāng)有目標(biāo)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(biāo)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(nèi)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(nèi)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?fàn)顩r：地震動探測對于防御以及安全監(jiān)測應(yīng)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(luò)基于節(jié)點選擇的目標(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：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.進化算法[M],長沙：國防科技大學(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)點定位算法的研究?博士學(xué)位論文.安徽：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),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(shù)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(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.基于多地震動傳感器的管道安全監(jiān)測預(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)計開題報告2?本設(shè)計擬采用的方法和手段：2?1本設(shè)計要解決的內(nèi)容這次研究的內(nèi)容是完成多路震動信號的獲取、定位。在本次設(shè)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(jié)果。其次，在本次設(shè)計中，會涉及到多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，來實現(xiàn)對目標(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，對于定位定向算法，可用Matlab軟件仿真來實現(xiàn)。設(shè)計最后一步，是對系統(tǒng)進行調(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)成各種運算。運算放大器的首次應(yīng)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(xué)的每個領(lǐng)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(shù)已經(jīng)成熟，性能日臻完善。運算放大器的靜態(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。運算放大器的動態(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)計中，我們會在ASIC電路的基礎(chǔ)上設(shè)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(shè)備。該系統(tǒng)涉及到傳感器技術(shù)、模擬信號處理技術(shù)、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)、信號處理技術(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(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(biāo)的定位和追蹤。在本次設(shè)計中，對目標(biāo)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(yīng)用主要包括以下幾個方面：數(shù)學(xué)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(xué)和工程繪圖、應(yīng)用軟件開發(fā)。2.4具體設(shè)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(biāo)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(fù)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(fù)雜的振動都可以分解為簡諧振動的疊加。在構(gòu)建各種復(fù)雜的振動中，無外乎都是通過直接檢測振動信號中相關(guān)的力學(xué)參量，感興趣的參數(shù)也是振動信號的力學(xué)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(guān)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(shù)指標(biāo)，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(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，直接將機械能轉(zhuǎn)變成電能。光纖傳感器：將被測量轉(zhuǎn)換成光的某些參數(shù)的變化來進行檢測的傳感器。應(yīng)變式傳感器：通過測量電阻應(yīng)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(yīng)的機械量。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：對于靜態(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)定位是指在某一個時刻的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)被監(jiān)測目標(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，在這個階段網(wǎng)絡(luò)內(nèi)一部分節(jié)點處于目標(biāo)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(biāo)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(biāo)的空間位置信息；最后是修正階段。在目標(biāo)測距階段，目標(biāo)定位算法通常有以下幾種分類：根據(jù)定位過程中是否測量目標(biāo)到節(jié)點