專利名稱：基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的超聲波立體定位系統(tǒng)時間同步機制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線立體定位技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于超聲波定位和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的立體定位系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
超聲波測距定位是一種非接觸式測量技術(shù)，并以其測距精度高、指向性強、能量消耗低和對電磁場不敏感等特點在測距定位上得到普遍使用。有線超聲波定位系統(tǒng)可由一個目標(biāo)節(jié)點和若干個參考節(jié)點組成，在微機指令信號的作用下參考節(jié)點通過有線介質(zhì)向目標(biāo)節(jié)點發(fā)射電信號，目標(biāo)節(jié)點在收到電信號后同時向參考節(jié)點發(fā)射超聲波信號，從而根據(jù)指令信號與超聲波到達(dá)的時間差計算出待測距離。最后利用三個或三個以上不在同一直線上的參考節(jié)點，通過相關(guān)計算法則確定出目標(biāo)節(jié)點的位置。但此種定位方式也存在一定的局限性，有線介質(zhì)的引入限制了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，無法應(yīng)用于不適合布線或布線成本較高的 環(huán)境。無線超聲波定位技術(shù)具有免于布線、不受空間限制和可大規(guī)模擴(kuò)展等優(yōu)勢。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是近年來的研究熱點，在生活中各個領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，用無線替代有線是立體定位技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。無線超聲波定位系統(tǒng)中，超聲波收發(fā)節(jié)點之間的時間同步是進(jìn)行精確定位的關(guān)鍵所在。在有線方式下，一個微控制器利用定時器完全可以實現(xiàn)從發(fā)射控制到接收中斷時間上的嚴(yán)格控制，但無線方式下，目標(biāo)節(jié)點與多個參考節(jié)點各有其自身系統(tǒng)時鐘，這些本地時鐘并不精確同步，總是存在一定的時間誤差，因而不能直接根據(jù)時間間隔來計算，必須對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合補償，對時鐘差異適當(dāng)修正。時間同步問題成為基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的超聲波立體定位系統(tǒng)中一道必須突破的難關(guān)。本發(fā)明將超聲波精確定位的優(yōu)勢與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，為立體定位技術(shù)提供一個協(xié)同定位的新思路，并提出一種簡單可靠的時間同步機制，解決基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的超聲波立體定位系統(tǒng)中普遍存在的節(jié)點時鐘不同步問題。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為了解決基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的超聲波立體定位系統(tǒng)中普遍存在的節(jié)點時鐘不同步的問題，提出一種簡單可靠的時間同步機制。本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的目標(biāo)節(jié)點I分別和參考節(jié)點2、3、4、5進(jìn)行共四次握手通信，通過計算消除固有時間誤差，統(tǒng)一全局時間基準(zhǔn)，精確測距。并利用改進(jìn)的質(zhì)心法算法實現(xiàn)目標(biāo)定位，定位精度可達(dá)1cm。其硬件構(gòu)成按功能不同可以分為目標(biāo)節(jié)點1，參考節(jié)點2、3、4、5，遙控器節(jié)點6和基站節(jié)點7。其中目標(biāo)節(jié)點I是待測節(jié)點，由射頻模塊、超聲波模塊、控制器模塊、電機驅(qū)動模塊和電源模塊五部分組成，可以接受遙控器節(jié)點6的指令而做出左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)、停止等動作。參考節(jié)點2、3、4、5的位置信息是已知的，目標(biāo)節(jié)點I的位置信息將根據(jù)其和參考節(jié)點的距離計算得到。遙控器節(jié)點6負(fù)責(zé)發(fā)出遙控指令，指揮目標(biāo)節(jié)點I做出相應(yīng)的動作。參考節(jié)點2、3、4、5和遙控器節(jié)點6均由射頻模塊、超聲波模塊、控制器模塊和電源模塊四部分組成?；竟?jié)點7由射頻模塊、液晶顯示模塊、控制器模塊、串口模塊和電源模塊五部分組成，負(fù)責(zé)收集網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息和對整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制。目標(biāo)節(jié)點1，參考節(jié)點2、3、4、5，遙控器節(jié)點6采用無線自組織方式構(gòu)成一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，新的參考節(jié)點可以動態(tài)加入到網(wǎng)絡(luò)中，無效的參考節(jié)點也可以及時退出網(wǎng)絡(luò)，從而具有很強的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。在整個網(wǎng)絡(luò)中，目標(biāo)節(jié)點I和各參考節(jié)點2、3、4、5各自維護(hù)一個本地時鐘，但是各個節(jié)點的本地時鐘并不是嚴(yán)格同步。假設(shè)目標(biāo)節(jié)點I與參考節(jié)點2、3、4、5分別存在固有的系統(tǒng)時鐘差1\_2、1\_3、1\_4、1\_5。不失一般性，以目標(biāo)節(jié)點I和參考節(jié)點2為例，設(shè)無線電波在空氣中的傳播時間為At"，目標(biāo)節(jié)點I無線激發(fā)后的時刻記為ta2，信號經(jīng)過空氣傳播到達(dá)參考節(jié)點2接收后的時刻記為te2。目標(biāo)節(jié)點I首先向參考節(jié)點2發(fā)送一個請求信號，根據(jù)上述參數(shù)設(shè)定，有ta 2+At1^2 = t J52-T1^2 參考節(jié)點2收到目標(biāo)節(jié)點I的信號后立即向目標(biāo)節(jié)點I回發(fā)一個用于確認(rèn)的無線信號，從而完成目標(biāo)節(jié)點I與參考節(jié)點2之間的一次握手通信。將參考節(jié)點2信號激發(fā)后時刻記為tY2，經(jīng)空氣傳播在目標(biāo)節(jié)點I接收后時刻記為tS2，則有ty2+A I2 = t S2-IV2聯(lián)立以上兩個等式，經(jīng)過計算可以得到無線電信號在空氣中的傳播時間At"和目標(biāo)節(jié)點I與參考節(jié)點2的時鐘差I(lǐng)V2 A ti-2 = (tg 2+t 8 2-t Y 2_t a 2) /2T1^2 = (t02+tY2-ta2-t52)/2同理利用上述方法，再經(jīng)過三次握手通信，可以測量出參考節(jié)點3、4、5與目標(biāo)節(jié)點I之間的時鐘差1\_3、1\_4、IV5 T1^3 = (t03+tY3-ta3-t53)/2T1^4= (tfi4+tY4-ta4-t54)/2T 卜5 = (t 0 5+t Y 5-t a 5-t 8 5) /2然后就可利用時鐘差進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)同步調(diào)整，實現(xiàn)全局統(tǒng)一時間基準(zhǔn)，從而保證立體定位的精確度和實時性。本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和積極效果第一，本發(fā)明使用無線射頻信號作為時間同步的輔助信號，避免了傳統(tǒng)有線方式導(dǎo)致的布線復(fù)雜、空間受限等問題，擴(kuò)展了定位系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，具有良好的安全性能，易于推廣。第二，由于目標(biāo)節(jié)點與多個參考節(jié)點具有各自的系統(tǒng)時鐘，利用有線定位方式中時間間隔的方法來測距是不可實現(xiàn)的。本發(fā)明創(chuàng)新地提出一種適合無線方式定位的時間同步機制，通過四次握手通信消除固有時間誤差、統(tǒng)一全局時間，可有效解決節(jié)點間的時間不同步問題，為系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和實時性提供有力保證。第三，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于無線立體定位，定位系統(tǒng)中的目標(biāo)節(jié)點和參考節(jié)點以自組織無線方式形成網(wǎng)絡(luò)，只要增加參考節(jié)點的數(shù)目就可以擴(kuò)大定位的范圍，而該時間同步機制在擴(kuò)大后的定位范圍內(nèi)仍然適用。

圖I是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的超聲波立體定位系統(tǒng)參考節(jié)點分布圖；圖2是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的超聲波立體定位原理示意圖；圖3是節(jié)點硬件原理框圖；圖4是時間同步機制示意 具體實施方式為使本發(fā)明的實施方案與意義優(yōu)勢表述得更為清楚，下面結(jié)合后文附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行更為詳細(xì)的說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋說明，并不用于限定本發(fā)明。本系統(tǒng)的實際被測目標(biāo)空間范圍是一個4. 0mX4. 0mX2. Om的立體空間，空間頂端使用三腳架固定九個參考節(jié)點，如圖I所示。九個節(jié)點將被測空間分成4個
2.OmX 2. OmX 2. Om的定位單兀。以其中一個單元為例，圖2顯示了該單元內(nèi)超聲波立體定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。其中目標(biāo)節(jié)點I選用電動小車作為其載體，可在被測空間內(nèi)中自由移動；空間頂端固定放置四個參考節(jié)點2、3、4、5 ;空間外側(cè)利用遙控器節(jié)點6控制目標(biāo)節(jié)點I的前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)彎、停止等功能；基站節(jié)點7負(fù)責(zé)接收參考節(jié)點2、3、4、5所傳輸?shù)木嚯x數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和空間坐標(biāo)計算。圖3是節(jié)點硬件原理框圖。其中目標(biāo)節(jié)點I由無線收發(fā)模塊、超聲波模塊、控制器模塊、電機驅(qū)動模塊和電源模塊五部分組成，如圖3a所示；參考節(jié)點2、3、4、5和遙控器節(jié)點6由無線收發(fā)模塊、超聲波模塊、控制器模塊和電源模塊四部分組成，如圖3b所示；基站節(jié)點由無線收發(fā)模塊、液晶顯示模塊、控制器模塊、串口模塊和電源模塊五部分組成，如圖3c所示。圖4是本發(fā)明設(shè)計的時間同步機制示意圖，該機制通過目標(biāo)節(jié)點與參考節(jié)點之間進(jìn)行握手通信來消除固有時間誤差，統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)節(jié)點時間。節(jié)點間的無線信號傳輸可以分解成無線激發(fā)、無線傳播、無線接收三個過程，并假設(shè)目標(biāo)節(jié)點I與參考節(jié)點2、3、4、5分別存在固有的系統(tǒng)時鐘差1\_2、1\_3、1\_4、1\_5。。以目標(biāo)節(jié)點I和參考節(jié)點2為例，設(shè)無線電波在空氣中的傳播時間為At"，目標(biāo)節(jié)點I無線激發(fā)后的時刻記為ta2，信號經(jīng)過傳播在參考節(jié)點2接收后的時刻記為te2。目標(biāo)節(jié)點I首先向參考節(jié)點2發(fā)送一個請求信號，根據(jù)上述參數(shù)設(shè)定，有ta 2+At1^2 = t J52-T1^2參考節(jié)點2收到目標(biāo)節(jié)點I的信號后立即向目標(biāo)節(jié)點I回發(fā)一個用于確認(rèn)的無線信號，從而完成目標(biāo)節(jié)點I與參考節(jié)點2之間的一次握手通信。將參考節(jié)點2信號激發(fā)后時刻記為tY2，經(jīng)空氣傳播在目標(biāo)節(jié)點I接收后時刻記為tS2，則有tY2+A t卜2 = tS2-I\_2聯(lián)立以上兩個等式，經(jīng)過計算可以得到無線電信號在空氣中的傳播時間At"和目標(biāo)節(jié)點I與參考節(jié)點2的時鐘差I(lǐng)V2
A t卜2 = (t0 2+t 8 2-t Y 2_t a 2) /2T1^2 = (t02+tY2-ta2-t52)/2同理利用上述方法，再經(jīng)過三次握手通信，可以測量出參考節(jié)點3、4、5與目標(biāo)節(jié)點I之間的時鐘差1\_3、1\_4、IV5 1\_3 = (tgg+ty 3_t a3-t53)/2T1^4= (tfi4+tY4-ta4-t54)/2IV5= (t05+tY 5-t a5-t55)/2在此基礎(chǔ)上就可統(tǒng)一全網(wǎng)節(jié)點的時間基準(zhǔn)，實現(xiàn)對目標(biāo)的有效立體定位。定位時首先分別獲取目標(biāo)節(jié)點I和參考節(jié)點2、3、4、5之間的距離信息，然后通過融合、打包發(fā)送到基站節(jié)點7，基站節(jié)點7將對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析、提取和處理。本系統(tǒng)采用基于質(zhì)心法的改進(jìn) 算法，先判斷四個距離的大小，根據(jù)大小順序去除掉距離最遠(yuǎn)點，僅使用最近三點的測距信息計算，得到最終的立體定位結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的超聲波立體定位系統(tǒng)時間同步機制，其系統(tǒng)硬件構(gòu)成按功能不同分為目標(biāo)節(jié)點1，參考節(jié)點2、3、4、5，遙控器節(jié)點6和基站節(jié)點7。其中目標(biāo)節(jié)點I是待測節(jié)點，由射頻模塊、超聲波模塊、控制器模塊、電機驅(qū)動模塊和電源模塊五部分組成，可以接受遙控器節(jié)點6的指令而做出左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)、停止等動作。參考節(jié)點2、3、4、5的位置信息是已知的。遙控器節(jié)點6負(fù)責(zé)發(fā)出遙控指令，指揮目標(biāo)節(jié)點I做出相應(yīng)的動作。參考節(jié)點2、3、4、5和遙控器節(jié)點6均由射頻模塊、超聲波模塊、控制器模塊和電源模塊四部分組成?；竟?jié)點7由射頻模塊、液晶顯示模塊、控制器模塊、串口模塊和電源模塊五部分組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所描述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的超聲波立體定位系統(tǒng)時間同步機制，其特征在于目標(biāo)節(jié)點I和參考節(jié)點2、3、4、5以無線自組織方式構(gòu)成一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，基站節(jié)點7收集目標(biāo)節(jié)點I和參考節(jié)點2、3、4、5的信息并對整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，目標(biāo)節(jié)點I分別和參考節(jié)點2、3、4、5進(jìn)行共四次握手通信，通過計算消除系統(tǒng)固有的時間誤差，統(tǒng)一全局時間基準(zhǔn)，然后基站7根據(jù)目標(biāo)節(jié)點I和參考節(jié)點2、3、4、5的距離信息，利用改進(jìn)的質(zhì)心法算法，計算得到目標(biāo)節(jié)點I的空間位置，即實現(xiàn)了目標(biāo)節(jié)點I的定位，定位精度可達(dá) Icm0
3.根據(jù)權(quán)利要求I所描述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)超聲波立體定位系統(tǒng)時間同步機制，其工作原理為在整個網(wǎng)絡(luò)中，目標(biāo)節(jié)點I和各參考節(jié)點2、3、4、5各自維護(hù)一個本地時鐘，但是各個節(jié)點的本地時鐘并不是嚴(yán)格同步。假設(shè)目標(biāo)節(jié)點I與參考節(jié)點2、3、4、5分別存在固有的系統(tǒng)時鐘差1\_2、1\_3、1\_4、1\_5。不失一般性，以目標(biāo)節(jié)點I和參考節(jié)點2為例，設(shè)無線電波在空氣中的傳播時間為At"，目標(biāo)節(jié)點I無線激發(fā)后的時刻記為ta2，信號經(jīng)過空氣傳播到達(dá)參考節(jié)點2接收后的時刻記為te2。目標(biāo)節(jié)點I首先向參考節(jié)點2發(fā)送一個請求信號，根據(jù)上述參數(shù)設(shè)定，有ta2+A = t J52-T1^2 參考節(jié)點2收到目標(biāo)節(jié)點I的信號后立即向目標(biāo)節(jié)點I回發(fā)一個用于確認(rèn)的無線信號，從而完成目標(biāo)節(jié)點I與參考節(jié)點2之間的一次握手通信。將參考節(jié)點2信號激發(fā)后時刻記為tY2，經(jīng)空氣傳播在目標(biāo)節(jié)點I接收后時刻記為tS2，則有 tY2+A ti-2 = t S2-T1^2 聯(lián)立以上兩個等式，經(jīng)過計算可以得到無線電信號在空氣中的傳播時間At"和目標(biāo)節(jié)點I與參考節(jié)點2的時鐘差I(lǐng)V2 Ath2= (te2+tS2-tY2-ta2)/2Ti-2 = (t02+tY2-ta2-t52)/2 同理利用上述方法，再經(jīng)過三次握手通信，可以測量出參考節(jié)點3、4、5與目標(biāo)節(jié)點I之間的時鐘差TnIVd5 Ti-S = (t03+tY3-ta3-tS3)/2Th= (t04+tY4-ta4-tS4)/2Ti-S = (t05+tY5-ta5-tS5)/2 然后就可利用時鐘差進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)同步調(diào)整，實現(xiàn)全局統(tǒng)一時間基準(zhǔn)，從而保證立體定位的精確度和實時性。
全文摘要
一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的超聲波立體定位時間同步機制，屬于無線立體定位技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，利用目標(biāo)節(jié)點和參考節(jié)點之間的四次握手通信，解決了無線超聲波立體定位中的時間同步問題，使得全局網(wǎng)絡(luò)節(jié)點保持相同的時間基準(zhǔn)，對目標(biāo)節(jié)點的定位準(zhǔn)確性高、實時性強，克服了有線方式超聲波立體定位系統(tǒng)的布線復(fù)雜以及無線方式中因為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點時鐘不同步而導(dǎo)致的定位精度差等問題。本發(fā)明適用范圍廣，可擴(kuò)展性強，可用于解決不同無線立體定位系統(tǒng)中的時間同步問題。
文檔編號H04W84/18GK102752845SQ20121026282
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月27日
發(fā)明者孫桂玲, 左杰, 張穎, 李曉晨, 李洲周, 楊長銳 申請人:南開大學(xué)