劉洲洲，張亞杰，全定可

(1.西安航空學(xué)院，陜西 西安 710077；2.西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710072；3.西安元智系統(tǒng)技術(shù)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710000)

基于超聲波檢測(cè)的傳感器網(wǎng)絡(luò)定位測(cè)距系統(tǒng)

劉洲洲1,2，張亞杰2，全定可3

(1.西安航空學(xué)院，陜西 西安 710077；2.西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710072；3.西安元智系統(tǒng)技術(shù)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710000)

為了實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部、節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間有效的通信，根據(jù)定位網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求以及數(shù)據(jù)命令的用途，制定了節(jié)點(diǎn)消息格式、消息類(lèi)型和消息內(nèi)容，明確了消息的具體走向，確定了節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層框架結(jié)構(gòu)。其中，Sink節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的建立、上位機(jī)命令的分析處理和操作、數(shù)據(jù)的收集等任務(wù)，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理中心，在上位機(jī)和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)之間起到橋梁的作用；每個(gè)節(jié)點(diǎn)由無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊和主控DSP模塊組成，同一節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)模塊之間通過(guò)UART總線(xiàn)進(jìn)行通信，節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)無(wú)線(xiàn)RF射頻方式進(jìn)行通信；Sink節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)使用UART總線(xiàn)進(jìn)行通信，通過(guò)超聲波相關(guān)定位測(cè)距的算法來(lái)對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的定位測(cè)距性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。定位測(cè)距實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，構(gòu)建系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)可測(cè)得最遠(yuǎn)距離為19 m，平均定位測(cè)距誤差為3.6 cm，最大定位測(cè)距誤差為17.2 cm，相對(duì)定位測(cè)距誤差范圍為0%～0.91%。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)；超聲波；定位測(cè)距；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引 言

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN)具有信息采集、傳輸、處理功能和動(dòng)態(tài)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。微小型傳感器節(jié)點(diǎn)具有計(jì)算能力、通信能力，將其部署在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，構(gòu)成可以自主自組織完成特定任務(wù)的WSN智能網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)[1]。無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)自定位是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，在軍事領(lǐng)域占據(jù)著舉足輕重的地位。無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)不僅要能夠?qū)崿F(xiàn)自身定位，還要能在監(jiān)控區(qū)域出現(xiàn)入侵者時(shí)，有效地安排適當(dāng)?shù)墓?jié)點(diǎn)來(lái)消滅入侵者，起到自主防御的作用。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外的高校、科研機(jī)構(gòu)以及其他組織已經(jīng)開(kāi)發(fā)出很多成熟的WSN定位系統(tǒng)。比如基于RSSI的定位[2]無(wú)需添加額外的硬件設(shè)備就能進(jìn)行時(shí)間同步和RSSI值測(cè)量，但是需要提前對(duì)應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行建模，且定位測(cè)距誤差通常較大，不適合定位測(cè)距精度較高的應(yīng)用。聲定位[3]系統(tǒng)需要大量底層硬件的支持，在一定程度上增加了節(jié)點(diǎn)的成本和系統(tǒng)功耗?；诔暡ǖ亩ㄎ粶y(cè)距技術(shù)定位[4]測(cè)距誤差小、精度高，在對(duì)定位精度要求較高的環(huán)境中，超聲波定位測(cè)距技術(shù)是一種可靠的方法。當(dāng)準(zhǔn)確計(jì)算網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)后，節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)使用文本表示，并不能清晰直觀(guān)地將其位置表示出來(lái)[5-7]。

針對(duì)上述問(wèn)題，以節(jié)點(diǎn)高精度系統(tǒng)定位為目標(biāo)，研究相關(guān)定位測(cè)距技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于超聲波相關(guān)檢測(cè)定位測(cè)距系統(tǒng)，可以為WSN提供更好的節(jié)點(diǎn)自身定位服務(wù)支持。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)定位系統(tǒng)的實(shí)際要求，設(shè)計(jì)了WSN定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由兩部分組成：定位網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控系統(tǒng)。定位網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的位置隨機(jī)部署，其位置不確定，節(jié)點(diǎn)通過(guò)超聲波相關(guān)定位測(cè)距技術(shù)使用相關(guān)檢測(cè)算法計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的距離，通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式將距離信息轉(zhuǎn)發(fā)至Sink節(jié)點(diǎn)。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)又分為Sink節(jié)點(diǎn)信息處理和終端界面顯示兩個(gè)子部分，Sink節(jié)點(diǎn)根據(jù)收集到的節(jié)點(diǎn)距離信息來(lái)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，終端界面顯示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。

1.1傳感器節(jié)點(diǎn)架構(gòu)

根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景的不同，節(jié)點(diǎn)的總體框架主要由DSP、RAM、ATZB-900-B0無(wú)線(xiàn)傳輸模塊、射頻收發(fā)天線(xiàn)、溫度測(cè)量模塊、A/D采樣模塊、超聲波收發(fā)電路以及電源模塊組成。

1.2無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信模塊

無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信模塊選用Atmel公司的ATZB-900-B0模塊，它是一個(gè)靈敏度高、功耗低、超緊湊型的IEEE 802.15.4/ZigBee模塊。定位系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組建以及節(jié)點(diǎn)間的消息傳輸都是通過(guò)ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。通信模塊的實(shí)物圖如圖1所示。

1.3節(jié)點(diǎn)傳感器模塊

超聲波定位測(cè)距傳感器是一種以超聲波為載體的微小型定位測(cè)距雷達(dá)，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、能耗低、信息處理簡(jiǎn)單可靠、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，不受光照、電磁、粉塵以及煙霧等因素的干擾[8]。為了解決單一超聲波傳感器指向性唯一的問(wèn)題，采用六元陣列[9-10]的方法，將六組超聲波收發(fā)探頭均勻分布在正六邊形的邊上，保證超聲信號(hào)的二維平面全向收發(fā)。

圖1 通信模塊實(shí)物圖

2 節(jié)點(diǎn)通信消息設(shè)計(jì)

在傳感器網(wǎng)絡(luò)[10-11]中，采用ZigBee通信協(xié)議時(shí)，節(jié)點(diǎn)被分為Coordinator、Router以及End Device三種。Coordinator負(fù)責(zé)系統(tǒng)的初始化工作，選擇網(wǎng)絡(luò)的信道等參數(shù)，建立網(wǎng)絡(luò)供其他節(jié)點(diǎn)加入；Router負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)之間命令消息的路由轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)；End Device負(fù)責(zé)消息的發(fā)送和接收，只能和父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，不具有路由轉(zhuǎn)發(fā)的功能。Sink節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的建立、上位機(jī)命令的分析處理和操作、數(shù)據(jù)的收集等任務(wù)，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理中心，在上位機(jī)和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)之間起到橋梁的作用，是系統(tǒng)應(yīng)用中的Coordinator。監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的待定位節(jié)點(diǎn)要具備消息轉(zhuǎn)發(fā)與路由其他節(jié)點(diǎn)的能力，需要給所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息，也可以接收到所有節(jié)點(diǎn)的消息，是系統(tǒng)應(yīng)用中的Router。每個(gè)節(jié)點(diǎn)由無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊和主控DSP模塊組成，同一節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)模塊之間通過(guò)UART總線(xiàn)進(jìn)行通信，節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)無(wú)線(xiàn)RF射頻方式進(jìn)行通信。Sink節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)使用UART總線(xiàn)進(jìn)行通信，未知節(jié)點(diǎn)的通信方式中并不包含該通信方式。節(jié)點(diǎn)的通信方式如圖2所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)通信方式

對(duì)系統(tǒng)中應(yīng)用層所使用的消息格式進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)定，如表1所示。其中，消息頭字段為固定字節(jié)0x7e 0x44 0x00，目的節(jié)點(diǎn)地址字段為信息接收節(jié)點(diǎn)的ID信息二進(jìn)制高8位和低8位，消息類(lèi)型字段表示消息內(nèi)容的屬性，消息長(zhǎng)度字段表示消息體字段的字節(jié)數(shù)，CRC校驗(yàn)保存信息的校驗(yàn)結(jié)果，消息尾字段為固定字節(jié)0x7e。在所有節(jié)點(diǎn)被部署之前，需要對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始狀態(tài)的配置，主要是對(duì)節(jié)點(diǎn)的16位短地址進(jìn)行配置，保證部署后的節(jié)點(diǎn)有唯一確定的短地址號(hào)。其中Sink節(jié)點(diǎn)的16位短地址的默認(rèn)配置為0x0000，其余節(jié)點(diǎn)短地址從0x0001開(kāi)始遞增。當(dāng)定位網(wǎng)絡(luò)內(nèi)未知節(jié)點(diǎn)已經(jīng)被隨機(jī)部署，定位網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入等待定位狀態(tài)。在PC端，上位機(jī)軟件直接下發(fā)命令，定位網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始進(jìn)行相應(yīng)的定位操作。

表1 消息格式

2.1Sink節(jié)點(diǎn)任務(wù)設(shè)計(jì)

Sink節(jié)點(diǎn)(Coordinator)的任務(wù)主要包括節(jié)點(diǎn)的初始化，建立網(wǎng)絡(luò)，以及應(yīng)用層任務(wù)命令，這里將Sink節(jié)點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)模塊和DSP模塊看作一個(gè)整體。應(yīng)用層任務(wù)命令包括檢測(cè)和分析上位機(jī)下發(fā)的命令以及根據(jù)上位機(jī)命令做出相應(yīng)的處理操作。應(yīng)用層命令主要是Sink節(jié)點(diǎn)分別和上位機(jī)、定位網(wǎng)絡(luò)之間的交互，交互示意如圖3所示。

圖3 交互示意圖

初始化：系統(tǒng)整體上電后，Sink節(jié)點(diǎn)需要對(duì)硬件電路和系統(tǒng)資源進(jìn)行初始化，包括對(duì)無(wú)線(xiàn)模塊、DSP的硬件電路以及系統(tǒng)資源等。無(wú)線(xiàn)模塊在這個(gè)階段完成網(wǎng)絡(luò)所需的配置，如網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類(lèi)型定義，無(wú)線(xiàn)發(fā)射功率等的設(shè)定，通用IO口、串口、中斷、LED燈等的初始化。主控芯片DSP在該階段完成類(lèi)似的初始化工作，包括外設(shè)、通用接口、定時(shí)器、串口等的初始化。

建立網(wǎng)絡(luò)：在初始化結(jié)束后，節(jié)點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)模塊進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求階段，發(fā)起網(wǎng)絡(luò)組建請(qǐng)求，由網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧自動(dòng)完成網(wǎng)絡(luò)的組建過(guò)程。Sink節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類(lèi)型為Coordinator，設(shè)備將啟動(dòng)一個(gè)建立網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程。未知節(jié)點(diǎn)自動(dòng)掃描檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)后，向Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送加入請(qǐng)求網(wǎng)絡(luò)的消息，Sink節(jié)點(diǎn)接收到請(qǐng)求后，允許節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。

消息處理：在完成初始化和網(wǎng)絡(luò)建立工作之后，Sink節(jié)點(diǎn)處于等待任務(wù)狀態(tài)。任務(wù)命令由PC通過(guò)上位機(jī)軟件進(jìn)行發(fā)送，任務(wù)命令包括三種類(lèi)型的任務(wù)：定位網(wǎng)絡(luò)未知節(jié)點(diǎn)狀況確認(rèn)、定位網(wǎng)絡(luò)未知節(jié)點(diǎn)間定位測(cè)距和定位網(wǎng)絡(luò)未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息獲取。這里分別對(duì)其進(jìn)行描述：

(1)定位網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)狀態(tài)確認(rèn)。

該類(lèi)型的任務(wù)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)未知節(jié)點(diǎn)狀況的查詢(xún)，是進(jìn)行定位測(cè)距之前的必要檢測(cè)工作。Sink節(jié)點(diǎn)依據(jù)該命令查詢(xún)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)ID、節(jié)點(diǎn)的總數(shù)量、節(jié)點(diǎn)當(dāng)前所處的環(huán)境溫度以及在該溫度下超聲波信號(hào)的傳播速度。確認(rèn)過(guò)程中，Sink節(jié)點(diǎn)按照對(duì)消息a的應(yīng)答順序?qū)σ呀?jīng)應(yīng)答的節(jié)點(diǎn)ID進(jìn)行存儲(chǔ)。確認(rèn)完畢以后，Sink節(jié)點(diǎn)將節(jié)點(diǎn)總數(shù)量、環(huán)境溫度和超聲波聲速信息反饋至PC端上位機(jī)軟件，并進(jìn)行顯示。

(2)定位網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間定位測(cè)距。

該類(lèi)型的任務(wù)主要是實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的定位測(cè)距。當(dāng)接收到該類(lèi)型命令之后，Sink節(jié)點(diǎn)打開(kāi)定時(shí)器，利用未知節(jié)點(diǎn)狀況確認(rèn)命令獲取到的未知節(jié)點(diǎn)ID信息，按照存儲(chǔ)順序依次命令未知節(jié)點(diǎn)作為超聲波信號(hào)源進(jìn)行定位測(cè)距任務(wù)。當(dāng)Sink節(jié)點(diǎn)接收到距離信息時(shí)，存儲(chǔ)并將該信息發(fā)送至PC端上位機(jī)軟件進(jìn)行距離數(shù)據(jù)顯示，同時(shí)檢測(cè)所有未知節(jié)點(diǎn)是否都參與了該任務(wù)，如果存在未參與該任務(wù)的未知節(jié)點(diǎn)，重復(fù)上述過(guò)程，否則，該任務(wù)結(jié)束。

(3)定位網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息獲取。

該類(lèi)型的任務(wù)主要實(shí)現(xiàn)從Sink節(jié)點(diǎn)處獲取節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息。收到該類(lèi)型命令時(shí)，Sink節(jié)點(diǎn)開(kāi)始根據(jù)已獲取到的節(jié)點(diǎn)間距離信息計(jì)算所有節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值。計(jì)算結(jié)束后，依次將坐標(biāo)信息發(fā)送至PC端上位機(jī)軟件，最終將未知節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息和圖形信息顯示出來(lái)。

以上三種類(lèi)型的命令是順序執(zhí)行的，下一類(lèi)型任務(wù)的執(zhí)行需要以上一類(lèi)型任務(wù)獲取到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，執(zhí)行順序不可以顛倒。

2.2未知節(jié)點(diǎn)任務(wù)設(shè)計(jì)

未知節(jié)點(diǎn)(Router)是定位網(wǎng)絡(luò)的主體部分，其主要任務(wù)是完成節(jié)點(diǎn)之間的距離測(cè)量，為定位工作做好準(zhǔn)備。未知節(jié)點(diǎn)的任務(wù)包括節(jié)點(diǎn)初始化，加入網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)間定位測(cè)距。同樣，這里也將未知節(jié)點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)模塊和DSP模塊看作一個(gè)整體。

初始化：未知節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)整體上電之后，對(duì)節(jié)點(diǎn)的硬件電路和系統(tǒng)資源進(jìn)行一系列的初始化工作。與Sink節(jié)點(diǎn)的初始化工作類(lèi)似，包括對(duì)無(wú)線(xiàn)模塊以及主控芯片DSP的硬件電路和系統(tǒng)資源初始化。無(wú)線(xiàn)模塊在這個(gè)階段完成網(wǎng)絡(luò)所需的配置，如網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類(lèi)型定義，節(jié)點(diǎn)地址、無(wú)線(xiàn)發(fā)射功率等的設(shè)定，串口、中斷、LED燈等的初始化工作。主控芯片DSP在該階段完成類(lèi)似的初始化工作，包括外設(shè)、通用接口、中斷、定時(shí)器、串口、EMIF接口的初始化以及超聲波發(fā)射電路的控制電路和可編程增益設(shè)置配置。

加入網(wǎng)絡(luò)：在初始化結(jié)束后，節(jié)點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)模塊進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)加入階段，采用信道掃描的方式尋找當(dāng)前區(qū)域內(nèi)可用的網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)并加入Sink節(jié)點(diǎn)建立的網(wǎng)絡(luò)。

定位測(cè)距任務(wù)：當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)加入到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)后，節(jié)點(diǎn)處于等待狀態(tài)，等待與定位測(cè)距有關(guān)的任務(wù)。定位測(cè)距任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)會(huì)在不同情況下扮演兩種不同的角色：一種是未知節(jié)點(diǎn)作為超聲波信號(hào)源節(jié)點(diǎn)，另一種是未知節(jié)點(diǎn)作為超聲波信號(hào)接收節(jié)點(diǎn)。這里分別對(duì)其進(jìn)行描述：

(1)未知節(jié)點(diǎn)作為超聲信號(hào)源節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)接收到Sink類(lèi)型消息時(shí)，該節(jié)點(diǎn)發(fā)射RF同步信號(hào)，所有其他未知節(jié)點(diǎn)接收該同步信號(hào)，準(zhǔn)備進(jìn)入超聲信號(hào)采集狀態(tài)。此時(shí)，該未知節(jié)點(diǎn)開(kāi)始發(fā)出超聲信號(hào)。

(2)未知節(jié)點(diǎn)作為超聲信號(hào)接收節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)接收到RF同步信號(hào)時(shí)，該未知節(jié)點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)入信號(hào)采集狀態(tài)。采樣結(jié)束后，該節(jié)點(diǎn)根據(jù)采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)獲取節(jié)點(diǎn)間的距離值信息并將距離信息發(fā)送至Sink節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)超聲信號(hào)采樣節(jié)點(diǎn)計(jì)算并向Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送節(jié)點(diǎn)間的距離信息后，該輪定位測(cè)距任務(wù)結(jié)束，所有未知節(jié)點(diǎn)開(kāi)始等待下一輪定位測(cè)距任務(wù)。直到所有未知節(jié)點(diǎn)都作為超聲信號(hào)源節(jié)點(diǎn)完成定位測(cè)距任務(wù)，系統(tǒng)定位測(cè)距任務(wù)結(jié)束。

3 定位測(cè)距系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

節(jié)點(diǎn)的定位測(cè)距性能主要通過(guò)節(jié)點(diǎn)的定位測(cè)距精度和定位測(cè)距量程來(lái)直觀(guān)反映，而節(jié)點(diǎn)的定位測(cè)距性能又直接影響系統(tǒng)的定位性能[11-14]。對(duì)已經(jīng)研究設(shè)計(jì)的定位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一系列的定位測(cè)距實(shí)驗(yàn)。首先進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的定位測(cè)距性能實(shí)驗(yàn)，然后進(jìn)行性能分析。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境是實(shí)驗(yàn)室外走廊，溫度為14 ℃～18 ℃，使用一個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)和兩個(gè)未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過(guò)多次測(cè)量，取測(cè)量結(jié)果的平均值作為最終結(jié)果來(lái)減小定位測(cè)距誤差。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，Sink節(jié)點(diǎn)可以自由移動(dòng)，以無(wú)線(xiàn)方式控制兩個(gè)未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位測(cè)距。Sink節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口線(xiàn)與PC端連接，使用上位機(jī)軟件進(jìn)行命令的發(fā)送和距離測(cè)量數(shù)據(jù)的收集顯示。將一個(gè)未知節(jié)點(diǎn)設(shè)置為超聲信號(hào)接收節(jié)點(diǎn)，放置在一個(gè)固定的位置；另一個(gè)設(shè)置為超聲信號(hào)源節(jié)點(diǎn)，等間距移動(dòng)測(cè)量。超聲信號(hào)源節(jié)點(diǎn)從距離接收節(jié)點(diǎn)1 m處開(kāi)始測(cè)量，每隔1 m進(jìn)行一組測(cè)量，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)50次，取這50次定位測(cè)距結(jié)果的平均值作為該測(cè)量點(diǎn)的定位測(cè)距結(jié)果。實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如圖4所示。在該環(huán)境中，節(jié)點(diǎn)可以測(cè)得的最遠(yuǎn)距離為19 m，平均定位測(cè)距誤差為3.6 cm，最大定位測(cè)距誤差為17.2 cm(在實(shí)際距離為19 m處)，相對(duì)定位測(cè)距誤差范圍為0%～0.91%，基本滿(mǎn)足了系統(tǒng)對(duì)定位測(cè)距范圍和定位測(cè)距精度的要求。

圖4 節(jié)點(diǎn)定位測(cè)距實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于產(chǎn)生的定位測(cè)距誤差，原因有三個(gè)方面[15-17]：

(1)環(huán)境因素。通常情況下，實(shí)驗(yàn)中并不考慮濕度對(duì)聲速的影響。但是實(shí)際上，在20℃時(shí)，濕度對(duì)聲速的影響為0.15%，這就導(dǎo)致了在10 m距離會(huì)有1 cm的標(biāo)準(zhǔn)誤差，該誤差雖然微小但確實(shí)存在。在進(jìn)行定位測(cè)距時(shí)，走廊內(nèi)會(huì)有人員走動(dòng)，對(duì)RF信號(hào)和超聲波信號(hào)的傳輸會(huì)產(chǎn)生一定的干擾，也會(huì)導(dǎo)致定位測(cè)距精度和穩(wěn)定性的降低，誤差增大。

(2)設(shè)備因素。根據(jù)定位測(cè)距原理可知，只有在超聲信號(hào)源節(jié)點(diǎn)開(kāi)始發(fā)射超聲信號(hào)，超聲信號(hào)接收節(jié)點(diǎn)也剛好開(kāi)始進(jìn)行接收信號(hào)采樣時(shí)，信號(hào)采集才不會(huì)有時(shí)間誤差。但這種情況幾乎是很難實(shí)現(xiàn)的，這主要和軟件系統(tǒng)的性能有關(guān)。軟件系統(tǒng)的性能好壞與程序流程控制有關(guān)，需要通過(guò)修改程序進(jìn)一步減小誤差。

(3)人為因素。節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行實(shí)際距離測(cè)量的方式為人工使用卷尺測(cè)量，測(cè)量時(shí)會(huì)引入一定的讀數(shù)誤差，影響系統(tǒng)定位測(cè)距精度。

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在定位測(cè)距實(shí)驗(yàn)中，節(jié)點(diǎn)除了受定位測(cè)距的各種因素的影響外，還受到硬件自身的差異性以及硬件節(jié)點(diǎn)擺放位置的影響。節(jié)點(diǎn)硬件元器件的差異性具有不確定性，很難控制。節(jié)點(diǎn)的收發(fā)探頭中心頻率相同，但是其諧振頻率、接受靈敏度等都有所差別，這就造成了節(jié)點(diǎn)的接收效果不同。而節(jié)點(diǎn)的擺放位置、超聲探頭的朝向方向都會(huì)直接影響信號(hào)的接收，包括信號(hào)的強(qiáng)度衰減和偏差距離。

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部、節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間有效的通信；根據(jù)系統(tǒng)需求和節(jié)點(diǎn)類(lèi)型的不同，設(shè)計(jì)并說(shuō)明了不同節(jié)點(diǎn)的程序流程；通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的定位測(cè)距性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)基本滿(mǎn)足對(duì)定位測(cè)距范圍和定位測(cè)距精度的要求和節(jié)點(diǎn)定位的技術(shù)要求。下一步將在其他硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)定位功能并在不同噪聲環(huán)境下提高定位精度。

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DesignofWirelessSensorNetworkLocalizationSystemwithUltrasonicTesting

LIU Zhou-zhou1,2，ZHANG Ya-jie2，QUAN Ding-ke3

(1.Xi’an Aeronautical University,Xi’an 710077,China；2.School of Electronics and Information,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China；3.Xi’an Micro Wise System Technology Co.,Ltd.,Xi’an 710000，China)

In order to realize the effective communication among nodes and between nodes in wireless sensor networks,according to the application requirements of the location network and the use of data commands,the node message format,message type and message content are developed,the specific direction of the message is clarified and the application layer framework of nodes is determined.The Sink node is responsible for monitoring the network establishment,analysis and operation of upper commands,data collection and other tasks,which is the center of data storing and processing in whole network,as the bridge between the upper computer and the monitoring networks.Each node is composed of wireless data transmission module and DSP control module.The two modules of the same node are in the communication through the UART bus,and the nodes by wireless RF radio frequency.The Sink node communicates with the upper computer by UART bus.The location and ranging performance of network nodes is analyzed by means of ultrasonic correlation location ranging in the experiment which shows that the maximum distance measured by the node of the constructed system is 19 m,the average positioning error is 3.6 cm,the maximum positioning error is 17.2 cm,and the range of relative positioning range is 0%～0.91%.

wireless sensor network;ultrasonic;localization ranging;system design

TP302.1

A

1673-629X(2017)10-0156-05

2016-11-02

2017-03-09 < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間

時(shí)間：2017-07-11

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61401499)；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃面上項(xiàng)目(2017JM6096)；陜西省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目(16JK1395)

劉洲洲(1981-)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)閭鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)與智能算法。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170711.1457.084.html

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.10.033