基于无线传感器网络的地震动定位关键技术研究

论文摘要

本文设计了一个基于无线传感器网络的地震动定位系统,通过采集目标运动时激发的振动信号对目标进行定位。在研究了地震波的相关理论及无线传感器网络的基础上,设计了系统的整体实现方案,完成了硬件电路的设计制作、软件的编写和定位算法的设计。本文重点研究了人员走动时激发的地震波的速度和能量在地表传播的规律、基于EMD算法的滤波去除噪声技术和基于TDOA的无线定位算法等。首先本文设计了基于EMD的自适应低通滤波器,用于滤除混杂于目标信号中的噪声；其次提出了一种适用于采用地震波定位目标的算法,在研究了Chan算法定位与Taylor算法定位各自优势的基础上,将Chan算法的计算结果作为Taylor算法的初值进行定位；本文将TDOA测量值分组后通过Chan与Taylor联合定位的方法计算获得多组目标位置估计结果,最后通过偏差平方和最小的思想重新对目标位置进行估计,得到最终的目标位置估计值。MATLAB仿真结果表明,与其它算法相比本文提出的定位算法具有更高的定位精度。在系统硬件调试成功的基础上进行了同步触发及时钟测试实验；通过实验验证了地震波在地表传播时速度、能量与传播距离的关系；完成了上位机程序的编写；进行了现场实验,实现了对单个目标的定位。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究背景意义及目的
• 1.2 基于无线传感器网络的地震动定位系统发展现状
• 1.3 课题研究的目的与主要工作
• 2 地震波基础理论概述
• 2.1 地震波分类与传播特性
• 2.2 地震波的衰减机理
• 2.3 本章小结
• 3 地震动定位系统的传感器网络节点硬件及软件设计
• 3.1 传感器网络节点硬件设计总体方案
• 3.2 地震检波器的选型
• 3.3 传感器网络节点硬件电路具体实现
• 3.3.1 信号调理电路的设计
• 3.3.2 基于AD7854的模数转换电路的设计
• 3.3.3 基于TLV3701的外触发电路设计
• 3.3.4 基于DS1625的数据存储电路设计
• 3.3.5 电源电路设计
• 3.3.6 晶振电路设计
• 3.3.7 基于EPlC3T144C6的FPGA控制电路设计
• 3.3.8 基于CC2530的射频电路设计
• 3.4 传感器网络节点的应用软件设计
• 3.4.1 基于CC2530的无线数据收发软件
• 3.4.2 基于FPGA的控制程序
• 3.5 本章小结
• 4 地震动定位系统的传感器网络节点性能测试及分析
• 4.1 系统无线触发响应时间测试
• 4.1.1 无线数据传输延时的不确定性
• 4.1.2 同步触发响应时间测试结果分析
• 4.2 地震动定位系统晶振测试实验
• 4.2.1 硬件时钟模型和软件时钟模型简介
• 4.2.2 时钟漂移及时钟差异的测试及分析
• 4.3 地震动信号的能量衰减和速度传播规律标定实验
• 4.3.1 目标震源的等效模型及干扰源分析
• 4.3.2 地震波的能量衰减规律实验
• 4.3.3 地震波的速度传播规律标定实验
• 4.4 本章小结
• 5 基于无线传感器网络的地震动目标定位方法研究
• 5.1 地震动定位系统的网络结构设计
• 5.2 无线传感器网络的目标定位方法概述
• 5.3 基于测距的定位技术
• 5.3.1 基于TOA估计的定位原理
• 5.3.2 基于DOA估计的定位原理
• 5.3.3 RSSI（基于接收信号强度指示）定位原理
• 5.3.4 基于TDOA估计的定位原理
• 5.4 本文提出的地震动定位算法的实现
• 5.4.1 基于Chan与泰勒算法的地震动定位算法
• 5.4.2 基于EMD的自适应低通滤波技术
• 5.4.3 TDOA测量值的获取
• 5.4.4 偏差平方和最小思想对定位结果的修正
• 5.5 本文提出的地震动定位算法的仿真和结果分析
• 5.5.1 本文提出的地震动定位算法的MATLAB语言实现
• 5.5.2 本文提出的地震动定位算法的仿真及分析
• 5.6 定位系统上位机界面编程实现
• 5.7 定位系统的现场实验及数据分析
• 5.8 本章小结
• 6 总结和展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A
• 附录B
• 附录C