專(zhuān)利名稱(chēng)：面向時(shí)間異步節(jié)點(diǎn)的往返時(shí)間的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)距方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種面向時(shí)間異步節(jié)點(diǎn)的往返時(shí)間的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)距方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)成了研究的熱點(diǎn)。它的應(yīng)用非常廣泛，從軍事上 的目標(biāo)軌跡跟蹤，到日常生活中的環(huán)境監(jiān)測(cè)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)處不在。在分 布式無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，特別是軌跡跟蹤、定位等系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)的地理位置信息 非常重要。比如，在一個(gè)分布式智能傳感器網(wǎng)絡(luò)控制的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)中，機(jī) 器人的具體位置就非常重要。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位，主要是通過(guò)測(cè)量節(jié)點(diǎn) 之間的距離來(lái)完成的，也有少數(shù)的免測(cè)距定位方法。免測(cè)距定位不需要精確的 位置信息，而基于測(cè)距的定位算法則需要通信節(jié)點(diǎn)之間的距離信息。
在最近的幾年中，測(cè)距方面的研究已經(jīng)做了很多工作。其中，最典型的測(cè)
距方式是信號(hào)時(shí)間到達(dá)測(cè)距，稱(chēng)為T(mén)OA。在基于TOA的測(cè)距方法中，比如GPS 測(cè)距，是計(jì)算RF信號(hào)在空中的運(yùn)行時(shí)間。這種方法用到傳感器網(wǎng)絡(luò)中，會(huì)有很 多限制。在一個(gè)低能耗的自主系統(tǒng)中，計(jì)算RF信號(hào)的傳輸時(shí)間存在很多問(wèn)題。 為了計(jì)算RF信號(hào)的傳輸時(shí)間，需要在傳輸節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)之間建立嚴(yán)格的時(shí)間 同步機(jī)制，但是這個(gè)在類(lèi)似Mica2的硬件平臺(tái)上是很難實(shí)現(xiàn)的。所以研究者開(kāi) 始利用聲音信號(hào)來(lái)測(cè)距。聲音信號(hào)的測(cè)量要容易些，因?yàn)樗膫鞑ニ俣认鄬?duì)較 慢，而且利用RF可以很容易的達(dá)到時(shí)間同步。其中最成功的一種算法叫做信號(hào) 到達(dá)時(shí)間差異算法，它是通過(guò)計(jì)算聲音信號(hào)和射頻信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差來(lái)計(jì)算測(cè) 距。其他的算法還有基于信號(hào)到達(dá)角(Angle of Arrival, AOA),基于接收信號(hào)強(qiáng)度 的算法(Received Signal Strength,RSS)和基于射頻干涉距離的算法。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種面向時(shí)間異步節(jié)點(diǎn)的往返時(shí)間的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng) 絡(luò)測(cè)距方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案的步驟是-
1) 節(jié)點(diǎn)A^向節(jié)點(diǎn)A^發(fā)送聲音信號(hào)，記錄發(fā)送時(shí)間&和接收節(jié)點(diǎn)接收時(shí)間
A,考慮兩節(jié)點(diǎn)間因工作時(shí)序不同而產(chǎn)生的時(shí)間偏移，計(jì)算聲音信號(hào)傳播時(shí)間;
2) 節(jié)點(diǎn)A^向節(jié)點(diǎn)7V。發(fā)送聲音信號(hào)，記錄發(fā)送時(shí)間"'和接收時(shí)間/a'，考慮時(shí)間偏移，計(jì)算聲音信號(hào)傳播時(shí)間；
3) 發(fā)送聲音信號(hào)的命令的發(fā)出和實(shí)際聲音信號(hào)發(fā)出存在時(shí)間上的間隔，計(jì) 算出這個(gè)時(shí)間間隔Asounder;
4) 將兩個(gè)傳播時(shí)間公式相加，消去時(shí)間偏移，測(cè)量環(huán)境溫度后，得到聲音 在當(dāng)時(shí)環(huán)境下的傳播速度，然后計(jì)算節(jié)點(diǎn)間距離；
5) 利用校正公式，最后計(jì)算得出實(shí)際節(jié)點(diǎn)間的距離。
在室內(nèi)環(huán)境、走廊環(huán)境、室外環(huán)境分別進(jìn)行多次測(cè)量，分別得出三種環(huán)境 下測(cè)試結(jié)果和實(shí)際距離的線(xiàn)性擬合曲線(xiàn)，對(duì)測(cè)試的公式進(jìn)行校正，得出最后的 距離測(cè)量公式。
本發(fā)明具有的有益效果是
不用考慮時(shí)間同步問(wèn)題，算法簡(jiǎn)單高效，精度高，對(duì)硬件平臺(tái)的要求小。
圖1是本發(fā)明實(shí)施例中發(fā)送節(jié)點(diǎn)到接收節(jié)點(diǎn)信號(hào)發(fā)送時(shí)序圖。 圖2是本發(fā)明實(shí)施例中接收節(jié)點(diǎn)到發(fā)送節(jié)點(diǎn)信號(hào)發(fā)送時(shí)序圖。 圖3是考慮了本地聲音信號(hào)傳播延遲后發(fā)送節(jié)點(diǎn)到接收節(jié)點(diǎn)信號(hào)發(fā)送時(shí)序圖。
圖4是考慮了本地聲音信號(hào)傳播延遲后接收節(jié)點(diǎn)到發(fā)送節(jié)點(diǎn)信號(hào)發(fā)送時(shí)序圖。
圖5是是本發(fā)明實(shí)施例中走廊環(huán)境下數(shù)據(jù)校正圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
圖l本方法的工作原理圖。圖中豎線(xiàn)代表發(fā)送端與接收端，實(shí)線(xiàn)代表信號(hào)發(fā) 送，虛線(xiàn)代表為統(tǒng)一時(shí)刻。節(jié)點(diǎn)a(記為7V。)與節(jié)點(diǎn)b(記為M)為一需測(cè)距的節(jié)點(diǎn)
對(duì)。假定At為異步節(jié)點(diǎn)7V。與A^系統(tǒng)時(shí)鐘的差異，定義&、"分別為節(jié)點(diǎn)Wa、
A^系統(tǒng)時(shí)鐘的當(dāng)前時(shí)刻。則有^^+&=&。節(jié)點(diǎn)W。與A^互相交換聲音信號(hào)。 首先，如圖l所示，節(jié)點(diǎn)7V。向節(jié)點(diǎn)A^發(fā)送聲音信號(hào)，發(fā)送信號(hào)的本地時(shí)刻為L(zhǎng), 接收信號(hào)的本地時(shí)刻為"；接著，如圖2所示，節(jié)點(diǎn)A^以同樣的方法向節(jié)點(diǎn)iV。
發(fā)送聲音信號(hào)，發(fā)送信號(hào)的本地時(shí)刻為"'，接收信號(hào)的本地時(shí)刻為。設(shè)節(jié)點(diǎn)A/a 與A^之間的相對(duì)時(shí)間偏移為A^ ，則式1與式2成立，式中^^2和/7^2'分別為聲
音信號(hào)的往返時(shí)間。
"+Af+ /V"2=& 1式子1與2相加，則節(jié)點(diǎn)間的相對(duì)時(shí)間偏移A纟被抵消，可求得聲音信號(hào)空中傳
播時(shí)間，如式3所示。
<formula>formula see original document page 5</formula>
在本發(fā)明中，僅僅需要記錄時(shí)刻L， "， ^'，"'，而不需要復(fù)雜的時(shí)間同步
過(guò)程，也避免時(shí)間同步過(guò)程中引入不必要的誤差。給定聲音的傳播速度V，基
于式4，很容易估算出節(jié)點(diǎn)間距離^/7W2<formula>formula see original document page 5</formula>
采用Mica2平臺(tái)對(duì)本算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。Mica2節(jié)點(diǎn)是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域 最常用的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，是Crossbow公司的產(chǎn)品。Mica2節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)用程序是基于 Tinyos操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。Tinyos是一種基于時(shí)間的操作系統(tǒng)，應(yīng)用程序使用一種 Nesc語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。Nesc語(yǔ)言是一種基于組件的結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言，它是C編程語(yǔ)言的一 種擴(kuò)展，主要應(yīng)用在嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。
基于Mica2平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)表明，由式2、 3計(jì)算所得的節(jié)點(diǎn)間距離常常大于實(shí)際 距離。經(jīng)分析，這是由于Mica2傳感器板使用的蜂鳴器的特性所引起的。Mica2 平臺(tái)上使用的是低成本蜂鳴器，它從接受系統(tǒng)下達(dá)的發(fā)聲指定的時(shí)刻到聲音信 號(hào)最早可以被外界檢測(cè)出的時(shí)刻之間有一個(gè)不可忽略的時(shí)延，定義為Asounder， 如圖3、 4所示。這個(gè)時(shí)延與硬件相關(guān)，隨著蜂鳴器的不同而又差異。因此，為 了獲得準(zhǔn)確的聲音信號(hào)空中傳播時(shí)間，必須估計(jì)這個(gè)發(fā)送端時(shí)延并在式2將之消 除。多次計(jì)算可得，Asounder為2ms。
考慮了發(fā)送端延時(shí)后，式1和式2被改寫(xiě)為式5和式6<formula>formula see original document page 5</formula>
因此，基于本測(cè)距算法，聲音信號(hào)在空氣中的傳播時(shí)間 ^)￡-7^2可以通過(guò)式7估算，相應(yīng)的距離計(jì)算公式為8
<formula>formula see original document page 5</formula>
其中V為聲音在空氣中的傳播速度，V = (331.45 + 0.59T), T為環(huán)境溫度。 最后是對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校正。我們?cè)谌N環(huán)境在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。節(jié)點(diǎn)離地面的 距離為50cm。節(jié)點(diǎn)間的距離從0cm到600cm，步長(zhǎng)為50cm。如圖5所示，橫坐標(biāo)為實(shí)際距離，縱座標(biāo)為公式5計(jì)算所得距離。細(xì)線(xiàn)為理想的曲線(xiàn)。測(cè)試的時(shí)候， 每個(gè)測(cè)試點(diǎn)，重復(fù)測(cè)量15次，計(jì)算每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的平均值，然后把每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的 平均值畫(huà)在坐標(biāo)圖上。將這些平均值用加粗的實(shí)線(xiàn)連接起來(lái)，加粗的實(shí)線(xiàn)為本 發(fā)明算法在走廊環(huán)境下測(cè)距結(jié)果的擬合曲線(xiàn)。根據(jù)擬合曲線(xiàn)，得出最終的距離 檢測(cè)公式，另外兩種環(huán)境下的數(shù)據(jù)用相同的方法進(jìn)行橋正。下表為三種環(huán)境下 的距離校正。X為式8計(jì)算出來(lái)的距離，y為校正后本發(fā)明測(cè)距最終結(jié)果。
表三種環(huán)境下的距離校正公式
走廊環(huán)境 室內(nèi)環(huán)境 室外環(huán)境"1.2344 xx_ 0.1419 1.2252 x;c- 0.0847 _y= 1.2252 xjc- 0扁權(quán)利要求
1、一種面向時(shí)間異步節(jié)點(diǎn)的往返時(shí)間的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)距方法，其特征在于該方法的步驟如下1)節(jié)點(diǎn)Na向節(jié)點(diǎn)Nb發(fā)送聲音信號(hào)，記錄發(fā)送時(shí)間ta和接收節(jié)點(diǎn)接收時(shí)間tb，考慮兩節(jié)點(diǎn)間因工作時(shí)序不同而產(chǎn)生的時(shí)間偏移，計(jì)算聲音信號(hào)傳播時(shí)間；2)節(jié)點(diǎn)Nb向節(jié)點(diǎn)Na發(fā)送聲音信號(hào)，記錄發(fā)送時(shí)間tb′和接收時(shí)間ta′，考慮時(shí)間偏移，計(jì)算聲音信號(hào)傳播時(shí)間；3)發(fā)送聲音信號(hào)的命令的發(fā)出和實(shí)際聲音信號(hào)發(fā)出存在時(shí)間上的間隔，計(jì)算出這個(gè)時(shí)間間隔Δsounder；4)將兩個(gè)傳播時(shí)間公式相加，消去時(shí)間偏移，測(cè)量環(huán)境溫度后，得到聲音在當(dāng)時(shí)環(huán)境下的傳播速度，然后計(jì)算節(jié)點(diǎn)間距離；5)利用校正公式，最后計(jì)算得出實(shí)際節(jié)點(diǎn)間的距離。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聲源端時(shí)延消除的頻率檢測(cè)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng) 絡(luò)測(cè)距方法，其特征在于在室內(nèi)環(huán)境、走廊環(huán)境、室外環(huán)境分別進(jìn)行多次測(cè) 量，分別得出三種環(huán)境下測(cè)試結(jié)果和實(shí)際距離的線(xiàn)性擬合曲線(xiàn)，對(duì)測(cè)試的公式 進(jìn)行校正，得出最后的距離測(cè)量公式。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種面向時(shí)間異步節(jié)點(diǎn)的往返時(shí)間的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)距方法。該方法的步驟如下節(jié)點(diǎn)N<sub>a</sub>向節(jié)點(diǎn)N<sub>b</sub>發(fā)送聲音信號(hào)，記錄發(fā)送時(shí)間t<sub>a</sub>和接收節(jié)點(diǎn)接收時(shí)間t<sub>b</sub>，考慮節(jié)點(diǎn)間因工作時(shí)序不同而產(chǎn)生的時(shí)間偏移，計(jì)算聲音信號(hào)傳播時(shí)間；節(jié)點(diǎn)N<sub>b</sub>向節(jié)點(diǎn)N<sub>a</sub>發(fā)送聲音信號(hào)，記錄發(fā)送時(shí)間t<sub>b</sub>′和接收時(shí)間t<sub>a</sub>′，考慮時(shí)間偏移，計(jì)算聲音信號(hào)傳播時(shí)間；發(fā)送聲音信號(hào)的命令的發(fā)出和實(shí)際聲音信號(hào)發(fā)出存在時(shí)間上的間隔，計(jì)算出這個(gè)時(shí)間間隔Δsounder；將兩個(gè)傳播時(shí)間公式相加，消去時(shí)間偏移，測(cè)量環(huán)境溫度后，得到聲音在當(dāng)時(shí)環(huán)境下的傳播速度，然后計(jì)算節(jié)點(diǎn)間距離；利用校正公式，計(jì)算得出實(shí)際節(jié)點(diǎn)間的距離。本發(fā)明不考慮時(shí)間同步問(wèn)題，算法簡(jiǎn)單高效，精度高，對(duì)硬件平臺(tái)的要求小。
文檔編號(hào)G01S11/14GK101320090SQ20081012002
公開(kāi)日2008年12月10日 申請(qǐng)日期2008年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月15日
發(fā)明者孫優(yōu)賢, 申興發(fā), 迪 繆, 陳積明 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)