專利名稱：：聲源端時延消除的頻率檢測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測距方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種聲源端時延消除的頻率檢測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測距方法。
背景技術(shù)：
：近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成了研究的熱點。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，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無處不在。在分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，特別是軌跡跟蹤、定位等系統(tǒng)中，節(jié)點的地理位置信息非常重要。比如，在一個分布式智能傳感器網(wǎng)絡(luò)控制的移動機器人系統(tǒng)中，機器人的具體位置就非常重要。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位，主要是通過測量節(jié)點之間的距離來完成的，也有少數(shù)的免測距定位方法。免測距定位不需要精確的位置信息，而基于測距的定位算法則需要通信節(jié)點之間的距離信息。在最近的幾年中，測距方面的研究已經(jīng)做了很多工作。其中，最典型的測距方式是信號時間到達(dá)測距，稱為TOA。在基于TOA的測距方法中，比如GPS測距，是計算RF信號在空中的運行吋間。這種方法用到傳感器網(wǎng)絡(luò)中，會有很多限制。在一個低能耗的自主系統(tǒng)中，計算RF信號的傳輸時間存在很多問題。為了計算RF信號的傳輸時間，需要在傳輸節(jié)點和接收節(jié)點之間建立嚴(yán)格的時間同步機制，但是這個在類似mica2的硬件平臺上是很難實現(xiàn)的。所以研究者開始利用聲音信號來測距。聲音信號的測量要容易些，因為它的傳播速度相對較慢，而且利用RF可以很容易的達(dá)到時間同步。其中最成功的一種算法叫做信號到達(dá)時間差異算法，它是通過計算聲音信號和射頻信號的到達(dá)時間差來計算測距。其他的算法還有基于信號到達(dá)角(AngleofArrival,AOA)，基于接收信號強度的算法(ReceivedSignalStrength,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聲源端時延消除的頻率檢測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測距方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案的步驟如下-1)發(fā)送節(jié)點A^在A時刻發(fā)送射頻信號，接收節(jié)點A^在"時刻接收到射頻信號后，建立時間同步機制；2)發(fā)送節(jié)點在時間間隔為A1的6時刻發(fā)送聲音信號；3)發(fā)送聲音信號的命令的發(fā)出和實際聲音信號發(fā)出存在時間上的誤差，實際的聲音信號發(fā)出時間為^，計算出這個時間間隔Asounder，接收端在ho時刻接收到聲音信號；4)計算聲音信號的傳播時間，—row=(ho-h)-Al-Asounder，測量環(huán)境溫度后，得知聲音的傳播速度，測得節(jié)點之間的距離；5)利用校正公式，最后計算得出實際節(jié)點間的距離。在室內(nèi)環(huán)境、走廊環(huán)境、室外環(huán)境分別進(jìn)行多次測量，分別得出三種環(huán)境下測試結(jié)果和實際距離的線性擬合曲線，對測試的公式進(jìn)行校正，最后分別得出三種環(huán)境下的距離測量公式。本發(fā)明具有的有益效果是采用聲音信號測距，計算誤差小，精度高，對硬件平臺的要求低。圖1是本發(fā)明實施例中發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點工作時序圖。圖2是本發(fā)明實施例中走廊環(huán)境下數(shù)據(jù)校正圖。具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。測距方法的原理如圖l所示。圖中豎線代表發(fā)送端與接收端，實線代表信號發(fā)送，虛線代表為統(tǒng)一時刻。節(jié)點a(記為見)與節(jié)點b(記為M)為一需測距的節(jié)點對。假定A^為異步節(jié)點見與M系統(tǒng)時鐘的差異，定義"、"分別為節(jié)點見、A^系統(tǒng)時鐘的當(dāng)前時刻，則有^^+&="，例如Af十/i=h。在/i、/3時刻，節(jié)點A^。分別發(fā)出射頻信號與聲音信號，相應(yīng)地，在"、Ao時刻節(jié)點A^接收到這兩個信號。使用射頻信號進(jìn)行節(jié)點對同步時，射頻信號從發(fā)送端到接收端存在時延，如圖1所示，這個時延記為A2:"-/2。引入射頻同步造成的誤差主要是由三部分組成發(fā)送時間、傳播時間、接收時間。由于射頻信號的傳播速度很快，傳播時間可以忽略不計。而聲音信號從發(fā)送端到接收端的時延記為A3=/10-/6。假定聲音信號的發(fā)送時間與接收時間相等，則A3與A2的差值即為聲音信號在空中的傳播時間，記為fro。j，滿足式lto>j=A3—A2<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>傳統(tǒng)TDOA算法認(rèn)為射頻信號與聲音信號同時發(fā)出，即滿足^3"i。但根據(jù)實驗經(jīng)驗，為了避免資源受限傳感器節(jié)點上的射頻信號與聲音信號之間的互相影響，在tt與t3之間引入一個常值時延Al，即為Ahf3-h。由圖1可以得到/3-/1="-^。則式1可以重寫為2。=Zio—"—Al2若給定聲音在空中的傳播速度V，則節(jié)點間距離^JDo4可以通過式3計算^/ZDo4-加。v4xV3采用Mica2平臺進(jìn)行實驗。Mica2節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域最常用的開發(fā)平臺，是Crossbow公司的產(chǎn)品。Mica2節(jié)點上的應(yīng)用程序是基于Tinyos操作系統(tǒng)開發(fā)。Tinyos是一種基于時間的操作系統(tǒng)，應(yīng)用程序使用一種Nesc語言開發(fā)。Nesc語言是一種基于組件的結(jié)構(gòu)化語言，它是C編程語言的一種擴(kuò)展，主要應(yīng)用在嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中?；贛ica2平臺的實驗表明，由式2，3計算所得的節(jié)點間距離常常大于實際距離。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)聲指定的時刻^到聲音信號最早可以被外界檢測出的時刻/5之間有一個不可忽略的時延，定義為△sounder=纟5-^，如圖1所示。這個時延與硬件相關(guān)，隨著蜂鳴器的不同而又差異。因此，為了獲得準(zhǔn)確的聲音信號空中傳播時間，必須估計這個發(fā)送端時延并在式2將之消除。基于聲源端時延消除的頻率檢測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測距方法(SDE-TDoA)使用發(fā)送端自檢測的方法消除發(fā)送端時延。Mica2傳感器板上有與蜂鳴器配套的麥克風(fēng)傳感器，算法利用它檢測本地發(fā)出的聲音信號，將首次檢測到聲音信號的時刻作為"的時刻估計。SDE-TDoA算法得到的聲音信號空中傳播時間feM-ro。」，計算公式為式4節(jié)點間距離A加-7Da4也由式5重新計算。=(△3—-A2=(△3-(/5-h))-A2=0—A)—門)—/3)=(/io—/4)—△1—△sounder4^/so五-r飼=/艦-7xwxV5基于式4，只需要記錄時刻^,",5，就可以估算出聲音信號空中傳播時間f皿-ro。h從而得到節(jié)點間距離A加-77W。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。為了避免同平頻噪聲的干擾，讓麥克風(fēng)傳感器連續(xù)采樣區(qū)分聲音信號與噪聲。當(dāng)Mic.readToneDetector()函數(shù)連續(xù)返回n個O時，認(rèn)為探測到的是聲音信號，否則認(rèn)為是噪聲。n的數(shù)值由使用者根據(jù)環(huán)境狀況設(shè)置。當(dāng)同頻噪聲的持續(xù)時間大于一p時(p為麥克風(fēng)傳感器的采樣周期)，麥克風(fēng)將會輸出錯誤的結(jié)果，從而造成測距失敗。最后是對計算結(jié)果進(jìn)行校正。我們在三種環(huán)境在進(jìn)行實驗。節(jié)點離地面的距離為0.5m。節(jié)點間的距離從0m到6m，步長為0.5m。如圖2所示，橫坐標(biāo)為實際距離，縱座標(biāo)為公式5計算所得距離。細(xì)線為理想的曲線。測試的時候，每個測試點，重復(fù)測量15次，計算每個測試點的平均值，然后把每個測量點的平均值畫在坐標(biāo)圖上。將這些平均值用虛線連接起來，虛線為本發(fā)明算法在走廊環(huán)境下測距結(jié)果的擬合曲線。根據(jù)擬合曲線，得出最終的距離檢測公式。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5計算出來的距離，y為校正后本發(fā)明測距最終結(jié)果。表三種環(huán)境下的距離校正公式<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>權(quán)利要求1、一種聲源端時延消除的頻率檢測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測距方法，其特征在于該方法的步驟如下1)發(fā)送節(jié)點Na在t1時刻發(fā)送射頻信號，接收節(jié)點Nb在t4時刻接收到射頻信號后，建立時間同步機制；2)發(fā)送節(jié)點在時間間隔為Δ1的t3時刻發(fā)送聲音信號；3)發(fā)送聲音信號的命令的發(fā)出和實際聲音信號發(fā)出存在時間上的誤差，實際的聲音信號發(fā)出時間為t5，計算出這個時間間隔Δsounder，接收端在t10時刻接收到聲音信號；4)計算聲音信號的傳播時間，tSDE-TDoA＝(t10-t4)-Δ1-Δsounder，測量環(huán)境溫度后，得知聲音的傳播速度，測得節(jié)點之間的距離；5)利用校正公式，最后計算得出實際節(jié)點間的距離。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聲源端時延消除的頻率檢測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測距方法，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)行多次測量，分別得出三種環(huán)境下測試結(jié)果和實際距離的線性擬合曲線，對測試的公式進(jìn)行校正，最后分別得出三種環(huán)境下的距離測量公式。全文摘要本發(fā)明公開了涉及一種聲源端時延消除的頻率檢測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測距方法。該方法的步驟如下發(fā)送節(jié)點N_a在t1時刻發(fā)送射頻信號，接收節(jié)點N_b在t₄時刻接收到射頻信號后，建立時間同步機制；發(fā)送節(jié)點在時間間隔為Δ1的t₃時刻發(fā)送聲音信號；發(fā)送聲音信號的命令的發(fā)出和實際聲音信號發(fā)出存在時間上的誤差，實際的聲音信號發(fā)出時間為t₅，計算出這個時間間隔Δsounder，接收端在t₁₀時刻接收到聲音信號；計算聲音信號的傳播時間，t_SDE-T_DoA＝(t₁₀-t₄)-Δ1-Δsounder，測量環(huán)境溫度后，得知聲音的傳播速度，測得節(jié)點之間的距離；利用校正公式，最后計算得出實際節(jié)點間的距離。本發(fā)明采用聲音信號測距，計算誤差小，精度高，對硬件平臺的要求低。文檔編號G01S11/00GK101320091SQ200810120028公開日2008年12月10日申請日期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,陳積明申請人:浙江大學(xué)