基于载波相位差和无线传感网络的室内定位系统研究

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传统的Wifi、Bluetooth等室内定位方法在非视距环境下定位精度较低,而UWB定位系统对节点同步性要求极高,增加了部署成本。利用载波相位差进行定位无需严格的时间同步并且在室内环境下有着较高的定位精度,因此本文将载波相位差定位技术与无线传感网络技术相结合提出了一种基于载波相位差与无线传感网络的室内定位系统,利用双天线结构的传感器节点测量信号源载波相位差值,并借助无线传感网络实现了分布式传感器节点的相位差值汇总。文章主要从载波相位差定位原理、无线传感网络架构与通讯机制、节点设计以及定位算法这四个方面对定位系统的具体实现方式进行阐述,具体研究内容如下:介绍了系统的定位原理,利用HFSS仿真软件建立用于载波信号收发的433MHz全向天线模型,仿真该天线模型的辐射场相位验证了双天线结构模型的载波相位差测量值与实际距离差值的一致性,证明理想环境下该定位方案的可行性。设计了树状双信道的无线传感网络拓扑结构,在此基础上研究了基于TPSN的时间同步算法并采用TDMA的数据传输机制提高了无线传感网络的数据传输速度以及节点协同能力。在实验部分对网络的时间同步特性、信道质量进行了测试,结果表明无线传感网络各指标符合定位系统的设计要求。对信号源、传感器节点以及基站节点进行了设计:采用STM32F103逻辑控制芯片、CC2630无线通信模块搭建了定位系统主要框架,利用ADF4351数字频率合成器以及AD8302相位测量芯片实现了目标位置信息的检测。为解决非线性方程(双曲线方程)组求解问题,分析经典Chan算法与Taylor算法,通过对后者的改进提出了基于先验坐标与泰勒级数展开的最小二乘迭代法,在保证算法收敛的前提下解决了系统中的传感器信息冗余、测量误差干扰的问题。MATLAB仿真结果以及最后的定位实验都证明了该算法的有效性。
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