朱海洋,張合,馬少杰,潘菡

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇南京210094)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中四元無線聲陣列節(jié)點(diǎn)選擇及目標(biāo)定位算法

朱海洋,張合,馬少杰,潘菡

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇南京210094)

低成本、小型化的無線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)(WASN)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)只配備一個(gè)麥克風(fēng)而非麥克風(fēng)陣列,針對隨機(jī)拋撒的WASN區(qū)域外聲源目標(biāo)定位問題,依據(jù)聲壓衰減模型和幾何定位機(jī)制,提出了四節(jié)點(diǎn)無線聲陣列聲源定位算法。在此基礎(chǔ)上分析了聲音衰減系數(shù)和陣列形狀對定位精度的影響,進(jìn)而選擇以Y型陣列作為感知模型,當(dāng)Y型陣列的中軸線與目標(biāo)聲源的夾角為60°～100°時(shí),定位誤差小于1 m.依據(jù)仿真結(jié)果提出節(jié)點(diǎn)選擇算法并進(jìn)行了Y型陣列目標(biāo)定位實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,Y型無線聲傳感器陣列滿足對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)拋撒區(qū)域外50 m處目標(biāo)的預(yù)警需求。

兵器科學(xué)與技術(shù);無線聲傳感器網(wǎng)絡(luò);四元無線聲傳感器陣列;節(jié)點(diǎn)選擇;目標(biāo)定位

DOI:10.3969/j.issn.1000-1093.2016.01.013

0 引言

傳聲器陣列被廣泛地應(yīng)用于陸上與水下目標(biāo)探測、識別與跟蹤等軍事領(lǐng)域。傳統(tǒng)的聲傳感器陣列的各陣元通過有線方式連接,根據(jù)陣列形狀的不同可分為線陣、四元平面方陣、五元十字陣、圓陣和四元立體方陣等。這種固定聲陣列的節(jié)點(diǎn)體積較大,限制了陣列部署的靈活性。隨著信號處理技術(shù)和通訊技術(shù)的進(jìn)步,使得多個(gè)空間分布的聲傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信媒介連接而成的無線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)(WASN)成為可能。

WASN中的每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)只配備一個(gè)麥克風(fēng)作為感知設(shè)備,節(jié)點(diǎn)間通過無線通信方式連接,因此節(jié)點(diǎn)體積小,價(jià)格便宜,可通過更隨意的方式大規(guī)模部署在監(jiān)測區(qū)域。對于隨機(jī)拋撒的WASN目標(biāo)聲源定位,由于沒有事先存在的傳感器陣列,因此首要問題是在節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多的WASN中選擇合適的節(jié)點(diǎn)組成陣列,節(jié)點(diǎn)選擇算法能夠使建立的目標(biāo)定位算法得到更高的定位精度,令能源受限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)得到最大生存時(shí)間。針對不同的目標(biāo)定位算法,節(jié)點(diǎn)選擇算法也會有所不同。目前,大量關(guān)于WASN的研究都集中于節(jié)點(diǎn)拋撒區(qū)域內(nèi)部的聲源定位與跟蹤,大部分的算法都是利用如下3種物理量進(jìn)行定位的:信號到達(dá)時(shí)間差(TDOA)、到達(dá)角度(DOA)和接收信號能量(RSS).TDOA方法[1-4]對于定位寬帶信號目標(biāo)具有良好的效果,而DOA算法對于定位窄帶信號目標(biāo)具有良好的效果。然而,TDOA方法和DOA方法[5]要求傳感器節(jié)點(diǎn)之間有精確的時(shí)間同步,并且采樣頻率必須足夠高才能截取信號有效特征,這些在WSN的應(yīng)用中是較為困難的[6-7]。RSS目標(biāo)定位算法對硬件要求低,計(jì)算量小,因此更加適應(yīng)WSN的應(yīng)用環(huán)境。對于多目標(biāo)定位常用極大似然估計(jì)法[8-11],而對于單目標(biāo)定位常用最近點(diǎn)法、質(zhì)心法和最小二乘法。最小二乘法需要通過大量節(jié)點(diǎn)迭代[12-14],而最近點(diǎn)法和質(zhì)心法只適用于定位拋撒區(qū)域內(nèi)部的聲源目標(biāo)。

上述算法沒有一種適用于WSN拋撒區(qū)域外目標(biāo)定位情況。本文依據(jù)聲壓衰減模型和幾何定位機(jī)制,提出基于能量的四節(jié)點(diǎn)聲陣列目標(biāo)定位算法,對處于WASN拋撒區(qū)域外的目標(biāo)聲源進(jìn)行初步定位和預(yù)警。在對影響定位算法精度的誤差源分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提出節(jié)點(diǎn)選擇算法。

1 四元無線聲傳感器陣列目標(biāo)定位算法

WASN中包含一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和數(shù)量較多的傳感器節(jié)點(diǎn),可通過飛機(jī)或火箭大規(guī)模部署在遠(yuǎn)距離監(jiān)測區(qū)域,如圖1所示。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)一個(gè)麥克風(fēng)作為感知設(shè)備,一個(gè)微處理器用于數(shù)據(jù)和信號處理,一個(gè)無線數(shù)據(jù)傳輸模塊用于信息交換和一個(gè)電池作為電源供應(yīng)。一定數(shù)量的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)同時(shí)配備一個(gè)定位模塊獲取自身位置,各節(jié)點(diǎn)通過射頻組成無線多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)除了上述硬件,還配備北斗一代通信模塊,從而通過北斗一代通訊衛(wèi)星與遠(yuǎn)距離控制中心建立通訊鏈路。節(jié)點(diǎn)間可通過基于測距的節(jié)點(diǎn)自定位算法并輔以信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的物理位置,對各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位,本文假設(shè)各節(jié)點(diǎn)位置已知。

圖1 WASN目標(biāo)聲源定位示意圖Fig.1 Schematic diagram of source localization in WASN

式中:Ii(t)為節(jié)點(diǎn)i在時(shí)間t的測量聲音能量值; S(t)為距聲源單位距離處得到的能量值;di為節(jié)點(diǎn)i與聲源之間的距離;gi為節(jié)點(diǎn)i的校正因子,取值為1;α為聲音衰減系數(shù);εi(t)為模型誤差和觀測誤差之和。在實(shí)際應(yīng)用中,測量某一時(shí)刻的瞬時(shí)聲壓意義不大,往往在一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)多次取值,并通過短時(shí)能量法求得這段時(shí)間內(nèi)的能量值。根據(jù)聲音衰減公式并結(jié)合幾何定位法,提出基于能量法的四元分布式聲陣列目標(biāo)定位算法。對于節(jié)點(diǎn)i,(1)式整理后可得

則節(jié)點(diǎn)j得到(4)式對應(yīng)的方程

(3)式與(4)式相減可得

此算法最少需要3個(gè)獨(dú)立的方程來求解未知數(shù),因此至少需要4個(gè)節(jié)點(diǎn)參與目標(biāo)的定位計(jì)算。對于四節(jié)點(diǎn)模型,可得方程組

式中:(χ,y)為目標(biāo)位置;(χk,yk)為第k個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的位置。

(5)式可寫成矩陣形式

由于存在背景噪聲,實(shí)際測得的聲音能量并不準(zhǔn)確,導(dǎo)致方程組在求解時(shí)產(chǎn)生定位誤差 Δd=

2 目標(biāo)定位算法誤差源分析

定位誤差的主要來源是背景噪聲,會導(dǎo)致定位算法產(chǎn)生誤差。而不恰當(dāng)?shù)穆曇羲p系數(shù)和不合理的四節(jié)點(diǎn)模型會導(dǎo)致定位誤差變大甚至定位算法無解。因此在存在背景噪聲的情況下,研究能夠使定位誤差在合理的范圍內(nèi)的最佳聲音衰減系數(shù)和四節(jié)點(diǎn)模型顯得尤為重要。由于節(jié)點(diǎn)是隨機(jī)撒布的,因此很難從數(shù)學(xué)表達(dá)式上分析出形狀、尺寸和方位角對誤差的影響。因此本文采用控制變量法來研究,通過大量的仿真計(jì)算獲取可使誤差相對較小的聲音衰減系數(shù)和最優(yōu)四節(jié)點(diǎn)模型。

2.1 聲音衰減系數(shù)

實(shí)際的測量環(huán)境中,聲音衰減系數(shù) α≠2,若(1)式仍然按照α=2進(jìn)行求解,會產(chǎn)生較大定位誤差。為了量化聲音衰減系數(shù)對定位精度的影響大小,本文對不同聲音衰減系數(shù)下的定位誤差進(jìn)行仿真分析。設(shè)β=α/2,其中α為實(shí)際聲音衰減系數(shù),理論聲音衰減系數(shù)為2,在不同的實(shí)際聲音衰減的環(huán)境中,(1)式利用實(shí)際聲音衰減系數(shù)與利用理論聲音衰減系數(shù)的定位誤差仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 噪聲衰減系數(shù)對定位精度的影響Fig.2 Influence of attenuation coefficient on positional accuracy

由圖2可知:當(dāng)β＜1.0時(shí),(1)式利用理論噪聲衰減系數(shù)α=2求解的誤差值比按實(shí)際環(huán)境下的α值所得的定位誤差值大;當(dāng)β＞1時(shí),α=2的定位誤差曲線卻比實(shí)際噪聲衰減系數(shù)曲線小。因此,在對目標(biāo)進(jìn)行定位之前,應(yīng)對測試環(huán)境的噪聲衰減系數(shù)進(jìn)行測量。若α＜2,按實(shí)際噪聲衰減系數(shù)進(jìn)行求解;當(dāng)α≥時(shí),噪聲衰減系數(shù)應(yīng)當(dāng)取值為2.

2.2 無線傳聲器陣列模型

4個(gè)節(jié)點(diǎn)可組成的圖形有線型、圓形和四邊形(三角形可看作四邊形的一種特例)。由計(jì)算可知,當(dāng)陣列形狀為線型以及圓形時(shí),(1)式無解。任意不在同一條直線上的四節(jié)點(diǎn)模型可視為圓上3點(diǎn)和圓內(nèi)或圓外上的1點(diǎn)。因此,將無線四節(jié)點(diǎn)聲陣列模型的3點(diǎn)固定于圓上,通過改變另外一點(diǎn)的位置來研究陣列形狀對定位精度的影響。無線四節(jié)點(diǎn)聲陣列模型如圖3所示。

2.2.1 R、a對定位精度的影響

由于模型參數(shù)較多,根據(jù)控制變量法,將圓內(nèi)三角形設(shè)為等邊三角形,節(jié)點(diǎn)2坐標(biāo)為(Rcos 0°,Rsin 0°),節(jié)點(diǎn)3坐標(biāo)為(Rcos 120°,Rsin 120°),節(jié)點(diǎn)4坐標(biāo)為(Rcos 240°,Rsin 240°).目標(biāo)方位設(shè)為(50cos 30°,50sin 30°),聲音衰減系數(shù)α=2.通過仿真可知,當(dāng)a≤R時(shí),定位誤差較大。在a=R時(shí)甚至出現(xiàn)無解的情況。因此仿真過程中,將a設(shè)為4～10 m,所以,當(dāng)R取2 m和3 m時(shí),節(jié)點(diǎn)1在不同角度下的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖3 四節(jié)點(diǎn)無線聲傳感器陣列模型Fig.3 Model of four-node wireless acoustic array

圖4 節(jié)點(diǎn)1在不同位置時(shí)定位誤差仿真結(jié)果Fig.4 Simulated results of location error of node 1 in different positions

圖4的極徑表示誤差值,極角表示節(jié)點(diǎn)1的變換角度。由圖4可知:a值越大,誤差值越小。對比圖4(a)和圖4(b)可知:R值越小,誤差值越小。但是,根據(jù)實(shí)際WSN的部署情況和節(jié)點(diǎn)密度的不同,R與a的取值也受到限制,本文取R=2 m,a=10 m.

2.2.2 目標(biāo)聲源與陣列的相對位置

由2.1節(jié)仿真結(jié)果可知,目標(biāo)方位的變化對無線聲傳感器陣列的定位效果有很大的影響。為了避免陣列與目標(biāo)聲源處在定位誤差較大的相對位置上,需研究目標(biāo)聲源與陣列的相對位置對定位精度的影響。在仿真過程中,取R=2 m,a=10 m,目標(biāo)距離圓心50 m,目標(biāo)方位角為θ.當(dāng)節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)4分別組成等邊三角形、直角三角形和鈍角三角形,目標(biāo)方位角θ取0、π/4 rad、π/2 rad和3π/4 rad時(shí),節(jié)點(diǎn)1在不同角度定位誤差的仿真結(jié)果如圖5所示。

對比圖5(a)～圖5(c)可以看出:圓內(nèi)三角形形狀隨著目標(biāo)聲源位置的不同所產(chǎn)生的誤差趨勢是一致的,說明三角形的形狀對定位誤差影響不大。通過圖5(a)～圖5(c)還可分別看出:隨著目標(biāo)聲源的方位變化,定位誤差隨節(jié)點(diǎn)1位置的變化的曲線相差較大。沒有一種陣列模型能夠使全向的目標(biāo)定位精度達(dá)到最佳。但是,當(dāng)節(jié)點(diǎn)1方向與目標(biāo)聲源方向夾角為60°～100°時(shí),定位誤差達(dá)到最小值?；谏鲜龇治?為了方便實(shí)驗(yàn)進(jìn)行,并根據(jù)實(shí)際研究的項(xiàng)目,本文提出Y型無線聲傳感器陣列,如圖6所示。當(dāng)目標(biāo)聲源在50 m的距離上360°變換時(shí),仿真出該模型的定位誤差,如圖7所示。由圖7可以看出,當(dāng)目標(biāo)聲源的方位角在60°～100°和260°～300°時(shí),定位誤差＜1 m.在實(shí)際的節(jié)點(diǎn)選擇過程中,沒有必要一定選取Y型無線聲傳感器陣列,只需要滿足半徑R盡可能小,距離a盡可能大,并且節(jié)點(diǎn)1的方向與目標(biāo)聲源方向夾角60°～100°.

3 節(jié)點(diǎn)選擇算法

WSN自組織目標(biāo)定位算法的核心是在大量節(jié)點(diǎn)中選擇合適的節(jié)點(diǎn)[15],從而使所提出的四節(jié)點(diǎn)無線聲傳感器陣列的定位算法達(dá)到最佳定位精度。本文WSN的各節(jié)點(diǎn)位置已知,并采用集中式處理模式,即所有數(shù)據(jù)處理都可在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行。因此在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上可把WSN看成是分布在以網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)為中心、χ軸指向東、y軸指向北的直角坐標(biāo)系中。當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)接收到的信號強(qiáng)度達(dá)到閾值時(shí),喚醒周邊其他節(jié)點(diǎn),并在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行節(jié)點(diǎn)選擇算法。根據(jù)第2節(jié)仿真分析結(jié)果,節(jié)點(diǎn)選擇可通過3個(gè)步驟實(shí)現(xiàn),如圖8所示。

圖5 圓上3點(diǎn)不同形狀時(shí)定位誤差仿真結(jié)果Fig.5 Simulated results of location errors with different forms in the circle

圖6 Y型無線聲傳感器陣列模型Fig.6 Model of Y-type wireless acoustic array

圖7 Y型陣列模型目標(biāo)定位誤差Fig.7 Location error of Y-type array

圖8 節(jié)點(diǎn)選擇算法示意圖Fig.8 Schematic diagram of node selection algorithm

1)通過貪婪搜索算法確定接收能量最大的傳感器節(jié)點(diǎn)[4],并以該節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的連線作為目標(biāo)的初始估計(jì)方向,如圖8中點(diǎn)畫線所示。

2)在以Q點(diǎn)為圓心,2 m為半徑的圓上隨意選擇3個(gè)節(jié)點(diǎn),作為四元無線聲陣列的從節(jié)點(diǎn)。其中,Q為初始估計(jì)方向上距邊界10 m的點(diǎn)。

3)以Q為起點(diǎn),在80°方向選擇距Q點(diǎn)10 m的主節(jié)點(diǎn)。圖8中,上下兩個(gè)80°方向可隨意選擇一個(gè)。

由于目標(biāo)聲源相對于陣列軸線的方位角在60°～100°和260°～300°時(shí),陣列定位誤差最小。且初步估計(jì)的目標(biāo)方向誤差較大,因此選擇80°的偏轉(zhuǎn)角度來確定主節(jié)點(diǎn),從而留有余量容忍初步估計(jì)的目標(biāo)方向誤差。在節(jié)點(diǎn)選擇過程中,可優(yōu)先按照實(shí)際項(xiàng)目確定初始選擇方案,如果并沒有合適的四節(jié)點(diǎn)陣列,可以修改陣型參數(shù),以得到更優(yōu)或次優(yōu)的定位結(jié)果,從而增加四元無線聲陣列的適應(yīng)性。

當(dāng)無線聲傳感器陣列確定后,主節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集其他3個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息,計(jì)算出目標(biāo)的方位。WSN區(qū)域外目標(biāo)自組織定位過程如圖9所示。

圖9 WSN區(qū)域外自組織定位流程圖Fig.9 Flow chart of self-organizing localization outside WSN

由于目標(biāo)必須在與陣列軸線較為垂直的位置上,使得單個(gè)無線四元聲陣列的適應(yīng)性極低。但是,有別于傳統(tǒng)的固定聲陣列,在WSN中可通過選擇不同的節(jié)點(diǎn),得到不同形狀、位置、大小的無線聲陣列,不同的目標(biāo)可根據(jù)角度的約束條件選擇與之對應(yīng)的聲陣列。可簡單地認(rèn)為,WSN中存在無線聲陣列的集合,每個(gè)不同時(shí)刻、不同位置的目標(biāo)都能在集合中尋找到合適的無線聲陣列。因此對于單個(gè)無線聲陣列是缺乏普遍性的,WSN具有的聲陣列集合彌補(bǔ)了這一缺陷。因此,WSN可根據(jù)目標(biāo)的位置不斷的更新聲陣列,從而實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動目標(biāo)的跟蹤。

4 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及目標(biāo)定位實(shí)驗(yàn)

4.1 四元無線聲傳感器陣列

在最佳四節(jié)點(diǎn)陣列模型被選擇出來后,節(jié)點(diǎn)單元主要是通過聲傳感器采集目標(biāo)信號進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。主節(jié)點(diǎn)在負(fù)責(zé)信號采集的同時(shí),還需通過無線通訊方式收集其他節(jié)點(diǎn)信息,最后利用多路數(shù)據(jù)的算法融合實(shí)現(xiàn)對聲源的定位估計(jì)。傳感器節(jié)點(diǎn)電路主要包括信號采集模塊、信號調(diào)理模塊、信號處理模塊、無線通訊模塊和電源模塊,如圖10所示。

圖10 傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖Fig.10 Photograph of sensor node

4.2 聲音衰減系數(shù)測試實(shí)驗(yàn)

在距聲源154 m范圍內(nèi),每隔1 m對信號進(jìn)行采集,對采集的數(shù)據(jù)作短時(shí)能量處理,將處理后的數(shù)值通過Origin進(jìn)行曲線擬合。在擬合工具中,選擇Power冪函數(shù)方程進(jìn)行擬合,Power冪函數(shù)方程的表達(dá)式為擬合后的曲線如圖11所示,其中a= 657,b=2.14,因此實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的聲音衰減系數(shù)為2.14.由第3節(jié)的仿真分析可知,當(dāng)噪聲衰減系數(shù)大于2時(shí),(1)式按衰減系數(shù)為2計(jì)算的結(jié)果誤差更小,因此本文取α=2.

圖11 噪聲衰減系數(shù)擬合圖Fig.11 Fitting chart of attenuation coefficient

4.3 Y型四元無線聲傳感器陣列目標(biāo)定位實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上文仿真分析,選擇實(shí)錄的坦克行進(jìn)聲音作為聲源,按照Y型陣列擺放傳感器節(jié)點(diǎn),陣列中軸線與目標(biāo)聲源的夾角為80°,如圖12所示。模型所涉及到的參數(shù)包括半徑R和節(jié)點(diǎn)1到圓心的距離a.圖13為a=8 m、R=2 m時(shí)Y型陣列各節(jié)點(diǎn)采集的波形圖。

圖12 Y型無線聲傳感器陣列目標(biāo)定位實(shí)驗(yàn)場景圖Fig.12 Experimental scene of source localization by Y-type array

圖13 a=8 m、R=2 m時(shí)各節(jié)點(diǎn)采集波形圖Fig.13 Oscillograms of different nodes for a=8 m and R=2 m

表1 a=8 m、R=2 m時(shí)Y型陣列各節(jié)點(diǎn)接收能量Tab.1 Received energies of nodes in Y-type array V2

將表1中Ek的數(shù)值和各節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置信息代入方程組計(jì)算,得到定位誤差大小為0.469 m.

改變Y型陣列半徑R和節(jié)點(diǎn)1距圓心距離a,驗(yàn)證參數(shù)R和a的對陣列定位精度的影響。R分別取1.0 m、1.5 m和2.0 m,a分別取4 m、6 m和8 m.表2為不同參數(shù)下Y型陣列定位誤差比較。

表2 不同參數(shù)下Y型陣列定位誤差比較Tab.2 Location errors of Y-type array with different parameters

由表2可知,Y型陣列半徑R越小,節(jié)點(diǎn)1距離圓心距離a越大的模型的定位精度越高。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,如果在WSN中選擇了合適的四元無線聲陣列,目標(biāo)定位誤差可被控制在1 m左右理想范圍內(nèi),從而滿足WSN拋撒區(qū)域外50 m處目標(biāo)定位的精度要求。

5 結(jié)論

本文針對WSN拋撒區(qū)域外目標(biāo)的定位問題,提出了四元無線聲傳感器陣列定位算法。分析了影響定位算法精度的兩個(gè)誤差源,聲音衰減系數(shù)和四元陣列模型。當(dāng)測試環(huán)境中的聲音衰減系數(shù)和理論值進(jìn)行比較時(shí),衰減系數(shù)應(yīng)選取小于等于2的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。利用控制變量法對構(gòu)成四元陣列模型的各參數(shù)進(jìn)行了仿真,提出了Y型陣列,當(dāng)Y型陣列中軸線與目標(biāo)聲源夾角為60°～100°時(shí),定位誤差小于1 m.在上述仿真的基礎(chǔ)上,提出了四元無線聲傳感器陣列節(jié)點(diǎn)選擇算法并進(jìn)行了Y型陣列目標(biāo)定位實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所提出的四元無線聲陣列模型和定位算法能夠滿足WSN拋撒區(qū)域外50 m處目標(biāo)的預(yù)警需求。

References)

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Node Selection and Source Localization of Four-node Wireless Acoustic Array in Wireless Sensor Network

ZHU Hai-yang,ZHANG He,MA Shao-jie,PAN Han
(School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,Jiangsu,China)

Instead of using microphone array,each sensor node in the sensor network uses only a single microphone as its sensing device in low-cost and miniature wireless acoustic sensor network(WASN).According to the energy decay model and geometric positioning mechanism,an external acoustic source localization estimation method with four-node wireless microphone array is presented for the application in randomly deployed WASN.Major error sources,such as sound attenuation coefficient and array shape,of the localization method are analyzed,and Y-type array model is selected as sensing model.The location error is less than 1m when the angle between the central axis of Y-type array and the target is 60°～100°.A node selection algorithm is proposed,and the experiment of source localization is done.The experimental result shows that Y-type wireless acoustic array can warn about target at 50m away from the wireless sensor network(WSN).

ordnance science and technology;wireless acoustic sensor network;four-node wireless acoustic array;node selection;source localization

TN915.5

A

1000-1093(2016)01-0083-08

2015-05-05

朱海洋(1989—),男,博士研究生。E-mail:njustzhu@163.com;張合(1957—),男,教授,博士生導(dǎo)師。E-mail:hezhangz@mail.njust.edu.cn