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基于无线传感器网络节点的声源定位技术研究

作　者: 王建亮
导　师: 孟令军
学　校: 中北大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 无线传感器网络声源定位阵列互相关时延估计算法
分类号: TN929.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 232次
引　用: 3次
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内容摘要

无线传感器网络是综合了传感器技术、嵌入式计算、网络及无线通信等技术的一种全新信息获取和处理技术。定位问题是传感器网络进行目标识别、监控、跟踪等众多应用的前提,也是无线传感器网络重要支撑技术之一。它由部署在监测区域内的大量传感节点组成,节点可通过测量目标的热、红外、声纳、雷达或震动等信号获取温度、光强度、噪声、压力、运动物体大小、速度和方向等目标属性,网络通过多节点协作,完成对特定目标属性或事件的感知、采集和处理,并及时告知用户。无线传感器网络具有高可靠、易部署和可扩展等特点,正逐渐受到人们的重视,并得到了迅速发展。本文把声源定位技术应用到无线传感器网络节点中。在硬件方面,设计了基于Y型阵列的声源定位系统。该系统以TI公司的数字信号处理器TMS320F2812为核心,对声阵列采集到的声信号进行互相关计算和方位角计算,达到了对声源的实时精确定位。在软件方面,首先,对互相关时延估计算法和阵列角度算法从理论上进行了仿真,仿真结果表明了算法的可行性。其次,采用DSP程序开发环境(CCS)对程序代码进行编译和优化,完成了系统各个功能模块的设计。最后,功耗是无线传感器网络的生命线。设计和实现了系统空闲、备用和休眠三种低功耗模式以及三种模式的唤醒方式,使功耗降低到正常运行状态的25%,延长了节点的工作寿命。通过对声源信号进行实测,从根本上解决了对于周期性信号的定位模糊性,提高了定位精度。测试结果表明,该定位系统最大定位误差约4.0122°,实现了对声源的精确定位。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1. 绪论  9-18
  1.1 课题研究的目的和意义  9
  1.2 无线传感器网络技术概述  9-12
  1.3 声源定位技术概述  12-14
  1.4 国内外研究现状及发展趋势  14-17
  1.5 论文研究内容及主要工作  17-18
2 .基于 WSN 节点的声源定位技术  18-34
  2.1 声探测系统的特点  18
  2.2 声波传播机理及声场模型  18-21
    2.2.1 声波的传播机理  18-21
    2.2.2 声场模型  21
  2.3 节点声源定位技术  21-23
  2.4 时延估计方法  23-28
    2.4.1 基于时域分析的互相关时延估计方法  24-26
    2.4.2 基于频域分析的互相关时延估计方法  26-27
    2.4.3 基于自适应滤波的时延估计方法  27-28
  2.5 阵列技术  28-33
    2.5.1 平面Y 型阵的定位原理  29-31
    2.5.2 定位算法的Matlab 仿真  31-33
  2.6 本章小结  33-34
3. 系统硬件设计  34-45
  3.1 系统结构  34
  3.2 模块设计  34-43
    3.2.1 处理器模块  34-38
    3.2.2 传感器模块  38-40
    3.2.3 无线通信模块  40-41
    3.2.4 外围模块  41-43
  3.3 本章小结  43-45
4. 系统软件设计  45-57
  4.1 系统开发环境  45-46
  4.2 DSP 程序设计  46-55
    4.2.1 DSP 初始化程序设计  46-47
    4.2.2 DSP ADC 程序设计  47-50
    4.2.3 DSP SCI 接口程序设计  50-51
    4.2.4 定位算法在DSP 中的设计及实现  51-53
    4.2.5 低功耗模式软件设计  53-55
  4.3 程序流程设计  55-56
  4.4 本章小结  56-57
5. 试验结果  57-65
  5.1 传感器模块测试  57-58
  5.2 信号采集试验测试  58-59
  5.3 系统功耗试验测试  59-60
  5.4 算法优化试验测试  60-61
  5.5 声源定位试验测试  61-65
6. 结论及展望  65-67
附录  67-68
参考文献  68-72
攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果  72-73
致谢  73

基于无线传感器网络节点的声源定位技术研究

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