PAGEIV摘要無線傳感器網(wǎng)絡(WirelessSensorNetworks，WSNs)是由大量散布的傳感器節(jié)點通過一定方式構成的無線網(wǎng)絡。傳感器節(jié)點通過相互之間的分工協(xié)作，可感知、監(jiān)測和采集分布區(qū)域內(nèi)的移動對象或周圍環(huán)境的信息。MUTE定位系統(tǒng):一個無線傳感器網(wǎng)絡技術、傳感器技術、數(shù)據(jù)處理技術的實驗開發(fā)平臺。本系統(tǒng)主要基于TOA(timeofarrival)測距定位原理，與GPS定位原理相似。本論文描述了系統(tǒng)的總體結構框架設計，包括硬件、軟件、數(shù)據(jù)結構以及通訊接口，以及開發(fā)過程包含的軟硬件工具。關鍵詞:無線傳感器網(wǎng)絡室內(nèi)定位超聲波傳感器陣列AbstractWirelessSensorNetworks(WSNs)iscollectedbyanumberofsensornodeswhichhavecertaintopology.Nodeswhichcooperatewitheachothercansense,measure,andobtaintheinformationofenvironmentandmobiletargetinthearea.MUTElocalizationsystemplatformwhichbasedonWSNstechnology,ultrasonicsensortechnology,anddataanalysistechnology.MUTEusesTOA(timeofarrival)technology,likeGPSlocalization.Thisthesiswilldescriptarchitectureanddesignofthissystem,whichcontainhardware,software,datastructureandinterface,andtools.Keyword:WirelessSensorNetworks;indoorlocalization;ultrasonicsensorarray目錄摘要 IAbstract II第一章緒論 11.1研究背景 11.2設計目標 11.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 11.3.1Cricket定位支持系統(tǒng) 11.3.2Bat定位系統(tǒng) 21.3.3ActiveBadge定位系統(tǒng) 21.3.4RADAR定位系統(tǒng) 21.3.5Constellation追蹤系統(tǒng) 21.3.6其他定位技術 21.4本文的研究內(nèi)容和結構安排 3第二章超聲波定位基本概念及原理 42.1定位基本概念 42.2室內(nèi)定位相關技術指標 42.3定位算法的主要種類 42.3.1基于信標的定位技術 42.3.2無需信標的定位技術 62.4本章小節(jié) 6第三章MUTE室內(nèi)定位系統(tǒng)及其體系結構 83.1MUTE系統(tǒng)概述 83.3MUTE系統(tǒng)的結構和接口 103.3主要的電子元件、硬件工具和設備 103.4本章小結 10第四章本系統(tǒng)中超聲波傳感器設計及其誤差分析 114.1超聲波定位傳感器設計 114.1.1低功耗設計 114.1.2信號延遲 114.1.3測距精度 134.1.4定位速度 134.1.5移動sink節(jié)點 134.2開發(fā)工具 134.2.1硬件 134.2.2軟件 134.3傳感器電路 134.3.1信號處理電路 144.3.2AVR單片機控制板 154.3.3傳感器信號覆蓋范圍 154.3.4移動節(jié)點的結構分析 164.4基于事件—消息的嵌入式系統(tǒng) 164.5實驗 174.5.1距離測量 174.5.2測試校正 184.6本章小節(jié) 19第五章結論與未來展望 21致謝 22參考文獻 23PAGE23第一章緒論1.1研究背景傳感器網(wǎng)絡是當前國際上備受關注的、由多學科高度交叉的新興前沿研究熱點領域，是信息采集和環(huán)境感知的一場革命，被認為是21世紀最重要的技術之一，將會對人類未來的生活方式產(chǎn)生深遠影響。傳感器網(wǎng)絡作為“無處不在”思想衍生的產(chǎn)物，可以被廣泛地應用在搶險救災，搜索救援[1][2]飛行機器人導航[3]、路徑規(guī)劃[4]、跟蹤運動物體[5]、環(huán)境監(jiān)測[6]、交通管理[7]、醫(yī)療衛(wèi)生[8]等領域，擁有巨大的應用價值。從目前國外的研究進展來看，雖然傳感器網(wǎng)絡的應用前景十分美好，但由于仍然面臨很多技術難題，還不能走向廣泛應用。1.2設計目標本論文對比國內(nèi)外室內(nèi)定位跟蹤系統(tǒng)，對無線傳感器網(wǎng)絡環(huán)境下的室內(nèi)移動目標定位進行了研究，提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡的室內(nèi)定位系統(tǒng)設計框架，MUTE系統(tǒng)的設計目標是通過預先實現(xiàn)定位，然后逐步實現(xiàn)目標跟蹤以及導航。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)當前對傳感器網(wǎng)絡的研究才剛剛起步，還處在概念、理論和技術跟蹤研究的初級階段，研究的范圍也主要是在高校和研究所范圍內(nèi)。但是傳感器網(wǎng)絡是一個新興技術，國內(nèi)與國際水平的差距并不很大，及時開展這項對人類未來生活影響深遠的前沿科技的研究，對整個國家的社會、經(jīng)濟將有重大的戰(zhàn)略意義?；诓煌膽媚康?，實現(xiàn)目標和技術方法，目前國外已有一些利用基于測距技術實現(xiàn)的室內(nèi)定位跟蹤系統(tǒng)，他們各自有不同的優(yōu)點和使用環(huán)境，其中有的系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化。1.3.1Cricket定位支持系統(tǒng)Cricket定位支持系統(tǒng)[9][10]采用TDOA原理測距，提出了利用傳感器網(wǎng)絡來支持定位的方法。它由散布在建筑物內(nèi)位置固定的錨節(jié)點和需要定位的人或物體攜帶的未知節(jié)點(稱為Listener)組成。錨節(jié)點隨機地同時發(fā)射RF和超聲波信號，RF信號中包含該錨節(jié)點的位置和ID。未知節(jié)點使用TDOA技術測量其與錨節(jié)點的距離，當它能夠獲得3個以上錨節(jié)點距離時即使用三邊測量法提供物理定位，否則就以房間為單位提供符號定位。Cricket的系統(tǒng)只支持位置信息獲取，并不能做追蹤以及導航，而且因為傳感器節(jié)點作為信標需要不斷廣播無線信號和超聲波信號，會大大的增加網(wǎng)絡整體能耗，降低節(jié)點的工作壽命。1.3.2Bat定位系統(tǒng)AT&T的ActiveBat系統(tǒng)通過有線介質(zhì)連接到中心控制器.特點是適用于室內(nèi)環(huán)境，具有較高的精確性和實時性，時間同步和錨節(jié)點間的協(xié)調(diào)問題容易解決.但這種部署策略限制了系統(tǒng)的可擴展性，代價較大，無法應用于不適合布線的環(huán)境[11]。1.3.3ActiveBadge定位系統(tǒng)ActiveBadge定位系統(tǒng)[12]是BAT定位系統(tǒng)的前一版，主要目的是定位辦公室內(nèi)人員的位置。因此需要的精度并不需要很高。ActiveBadge的中文翻譯意思是活動徽章，在他們的論文描述中，室內(nèi)的人員每個佩戴一個徽章，由徽章上的紅外傳感器發(fā)射信號給標簽傳感器。每隔15秒發(fā)射100毫秒的紅外信號。標簽傳感器接收到紅外信號后將信息傳遞給中央處理器，集中處理后再把計算結果通知用戶。1.3.4RADAR定位系統(tǒng)RADAR定位系統(tǒng)是一個利用無線信號強度進行距離估計，然后再利用多個距離值估算出目標位置坐標的系統(tǒng)。RADAR屬于緊密耦合型。系統(tǒng)需要建立一個環(huán)境中各處RF信號強度的數(shù)據(jù)庫。正常狀態(tài)下，各個節(jié)點向中央處理器匯聚數(shù)據(jù)，然后通過與數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)容比較得出結果[13]。1.3.5Constellation追蹤系統(tǒng)Constellation追蹤系統(tǒng)為一種室內(nèi)精確定位系統(tǒng)[14]。Constellation追蹤系統(tǒng)不僅使用了超聲波傳感器而且還增加了多種傳感器來輔助提高定位的精度，例如紅外傳感器，陀螺儀。他與Cricket系統(tǒng)一樣，都采用布置在天花板上的超聲波發(fā)射器做信標。接收器通過紅外傳感器與超聲波信號的時間差來計算距離。1.3.6其他定位技術除了文中上述的典型室內(nèi)定位系統(tǒng)以外，還有一些定位技術被關注。超寬帶無線傳感器網(wǎng)絡采用新開放的頻率，在做定位方面的應用近來被研究者關注，在國外已經(jīng)有產(chǎn)品上市，但是實際成本目前還比較高。在中等規(guī)模的定位中，基于無線信號強度的位置估計被提出，其利用低成本傳感器節(jié)點的無線信號，優(yōu)點在于可以做到低成本的解決方案，其定位范圍小于手機網(wǎng)絡。GPS定位在傳感器網(wǎng)絡定位研究之初就被提出，在室外大范圍傳感器網(wǎng)絡定位應用中是目前使用得最多的技術手段。利用現(xiàn)有無線電話網(wǎng)絡開發(fā)基于定位的應用，也是一種低成本的解決方案。1.4本文的研究內(nèi)容和結構安排位置感知是無線傳感器網(wǎng)絡重要的基礎性支撐技術之一。本文主要的研究內(nèi)容為通過傳感器網(wǎng)絡感知特征信息，經(jīng)過分析處理從而得的目標的位置，通過本次研究探索為無線傳感器網(wǎng)絡—發(fā)射源系統(tǒng)構建一個模塊化，可重構的控制框架;為傳感器節(jié)點開發(fā)、傳感器網(wǎng)絡協(xié)議研究、傳感器數(shù)據(jù)融合技術提供一個實驗平臺。本論文的工作是圍繞無線傳感器網(wǎng)絡室內(nèi)環(huán)境下移動目標定位展開的，主要以數(shù)據(jù)獲取，數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)分析為主脈絡，結構安排如下:第一章介紹了本文的設計目的，研究背景，設計動機;介紹了國內(nèi)外同類型研究的成果；第二章介紹了超聲波定位基本概念及原理；第三章闡述了本研究相關的概念和原理，并且大體描述了一些需要用到的軟硬件開發(fā)工具和協(xié)議;第四章圍繞超聲波定位傳感器陣列的開發(fā)，研究了數(shù)據(jù)獲取模塊的內(nèi)部構成，相互關系；第五章總結全文，并展望未來工作。第二章超聲波定位基本概念及原理2.1定位基本概念定位就是確定位置，其包含兩種含義：一種是確定自己在系統(tǒng)中的位置，另一種是確定目標在系統(tǒng)中的位置。位置信息的類型包括物理位置和符號位置。物理位置指物體在特定坐標系下的位置數(shù)值，表示目標的絕對或相對位置；符號位置指在移動節(jié)點與一個信標節(jié)點或多個信標節(jié)點接近程度的信息，表示移動節(jié)點與信標節(jié)點的連通關系，提供目標大致所在的范圍。2.2室內(nèi)定位相關技術指標（1）IEEE802.11IEEE802.11[15][16]是無線局域網(wǎng)通用的標準，它是由IEEE所定義的無線網(wǎng)絡通信的標準，美國電氣和電子工程師協(xié)會公告的無線區(qū)域網(wǎng)路標準，適用于有線站臺與無線用戶或無線用戶之間的溝通連結。（2）位置信息的精確程度精確程度包含兩個方面：一方面是絕對精度，即以長度為單位度量的精度。另一方面是相對精度，即以節(jié)點之間距離的百分比來定義。（3）覆蓋范圍覆蓋范圍是另一個重要的技術指標，它和精度是一對矛盾，相關數(shù)據(jù)如下：超聲波定位精度為分米級，覆蓋范圍為十多米；Wi-Fi和藍牙的定位精度為3米，覆蓋范圍為100米；GSM系統(tǒng)精度為100米，覆蓋范圍為公里級。2.3定位算法的主要種類在傳感器網(wǎng)絡定位技術中，主要分為兩種：基于信標的定位技術和無需信標的定位技術。前者需要測量相鄰節(jié)點間的絕對距離或者方位，并利用節(jié)點間的實際距離來計算未知節(jié)點的位置；后者無需測量節(jié)點間的絕對距離或方位，而是利用節(jié)點間的估計距離計算節(jié)點位置。2.3.1基于信標的定位技術其方法分包括信號強度（RSS）、信號傳播時間/時間差（TOA/TDOA）及接收信號角度定位（AOA）。（1）TOA定位的原理需要已知測量信號的傳播速度，利用信號的到達時間計算出節(jié)點之間的距離，然后根據(jù)已經(jīng)設定的公式計算出節(jié)點的位置。（2）TDOA定位的原理為由發(fā)射節(jié)點同時發(fā)射兩種傳播速度不同的信號，根據(jù)接收點接收到兩種不同傳播速度信號的時間差計算出兩個節(jié)點之間的距離，再通過公式計算出節(jié)點的位置。發(fā)射節(jié)點同時發(fā)射無線電信號(無線射頻信號)和超聲波信號，接收節(jié)點記錄兩種信號到達時間T，T，已知無線射頻信號和超聲波傳播速度為，，那么兩點之間的距離為(T-T)S，其中（2-1）（3）基于信號強度的定位原理為已知發(fā)射節(jié)點的發(fā)射信號強度，在接收節(jié)點根據(jù)接收到的信號強度，計算出信號的傳播耗損，利用理論和經(jīng)驗模型將傳輸損耗轉換為距離，再利用已有的三邊位置算法計算出節(jié)點的位置。（4）接收信號角度定位的原理圖2-1接收信號角度定位的原理圖已知兩個頂點和夾角的射線，其中坐標為，與水平方向夾角為；坐標為，與水平方向夾角為，則節(jié)點N的坐標為（2-2）圖2-2接收信號角度定位的原理圖已知三點和三個夾角確定一點，其中坐標為，坐標為，坐標為，夾角如圖所示，則節(jié)點N的坐標計算公式為（2-3）2.3.2無需信標的定位技術無需信標的定位技術分為質(zhì)心算法、APIT算法、DV-HOP算法、Amorphous算法等。（1）質(zhì)心算法質(zhì)心算法是一種基于網(wǎng)絡連通性的室外定位算法。信標節(jié)點周期性的向鄰近節(jié)點廣播信標分組，信標分組中包含信標節(jié)點的標識號和位置信息。當未知節(jié)點收到來自不同信標節(jié)點的信標分組數(shù)量超過某一門限或接收一定時間后，就確定自身位置為這些信標節(jié)點所組成的多邊形的質(zhì)心。（2）APIT定位算法APIT定位算法的理論基礎是最佳三角形內(nèi)點測試法PIT。PIT測試原理是假如存在一個方向，未知節(jié)點沿著此方向移動會同時遠離或接近三個信標節(jié)點，那么未知節(jié)點位于三個信標節(jié)點構成的三角形的外部；否則，未知節(jié)點位于三角形內(nèi)。（3）DV-HOP定位算法DV-HOP定位算法利用距離矢量路由和GPS定位的思想提出的一種方法由三個階段組成：首先，使網(wǎng)絡中所有節(jié)點獲得距離信標節(jié)點的跳數(shù)；其次，當獲得其他信標節(jié)點位置和相隔跳距后，信標節(jié)點計算網(wǎng)絡平均每跳距離，賦予其生存期，然后將這個帶有生存期的校正值在網(wǎng)絡廣播。未知節(jié)點僅記錄先收到的第一個校正值，并轉發(fā)給鄰近節(jié)點。（4）Amorphous算法該算法采用與DV-HOP類似的方法獲得距信標節(jié)點的跳數(shù)。然后假設網(wǎng)絡中節(jié)點的通信半徑相同，平均每跳距離為節(jié)點的通信半徑，未知節(jié)點計算到每個信標節(jié)點的跳段距離。最后利用三邊測量或極大似然估計法計算未知節(jié)點的位置。2.4本章小節(jié)本章主要介紹了超聲波定位基本概念及原理距離。目前提出的定位機制主要有信號強度、傳播時間/時間差、DV-Hop、質(zhì)心算法、APIT和Amorphous算法等?；谛殴?jié)點間標定位的算法，能得到節(jié)點間比較精確的距離，但對于節(jié)點硬件的要求也很高，消耗能量也比較多，且容易受到溫度、障礙物等環(huán)境因素的影響，給具體應用帶來了麻煩。信標無關定位算法不需要知道未知節(jié)點到信標節(jié)點的距離，或者不需要直接測量此距離在成本和功耗方面具有優(yōu)勢。本文選擇使用基于信標的定位機制當中的基于TOA定位算法進行深入研究。第三章MUTE室內(nèi)定位系統(tǒng)及其體系結構3.1MUTE系統(tǒng)概述MUTE系統(tǒng)是一個無線傳感器網(wǎng)絡環(huán)境下高精度的室內(nèi)移動目標定位系統(tǒng)。系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結構如圖3-1所示。整個網(wǎng)絡的結構是一種簇狀型結構，每一簇覆蓋一個區(qū)域，新覆蓋區(qū)域以增加簇的方式通過一簇頭節(jié)點加入網(wǎng)絡。圖3-1MUTE系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構如圖3-2所示的是MUTE系統(tǒng)使用示意圖。通信節(jié)點具有RSSI（ReceivedSignalStrengthIndication接收的信號強度指示）和通過輔助傳感器感測移動節(jié)點的功能。在網(wǎng)絡覆蓋范圍內(nèi)的移動節(jié)點都將與周圍通信節(jié)點產(chǎn)生信息和信號的聯(lián)系，通過TOA技術可以測量得到移動節(jié)點與通信節(jié)點的距離。本文系統(tǒng)中的節(jié)點使用方式如圖3-2所示。信標節(jié)點作為主節(jié)點被放在天花板，移動發(fā)射源載著一個發(fā)射節(jié)點作為被定位的目標。根據(jù)需要在適當?shù)牡胤竭€可以靈活的增加輔助節(jié)點，輔助節(jié)點與主節(jié)點都屬于信標節(jié)點。信標節(jié)點為被動式工作。傳感器節(jié)點的工作模式采用被動式，只有達到超聲波傳感器的觸發(fā)條件，節(jié)點才工作。被動式工作比主動式工作更能節(jié)約傳感器節(jié)點的能源，以及減少無線通訊的數(shù)據(jù)量。根據(jù)現(xiàn)場實際需要，每隔一定距離(發(fā)射節(jié)點的超聲波信號覆蓋范圍內(nèi))在天花板頂部設置一個信標節(jié)點(采用電池驅(qū)動)，同時在需要網(wǎng)絡連接的地方安置一個網(wǎng)絡模塊，網(wǎng)絡模塊具有sink節(jié)點，簇頭，網(wǎng)關的功能。為了避免室內(nèi)環(huán)境中各種電器設備對無線信號的干擾，所有無線網(wǎng)絡模塊使用的都是抗干擾的直序擴頻通信方式，此外，每個模塊都有接收信號強弱指示功能(RSSI)。在精確的距離信息不夠的時候，RSSI可以起到輔助估算位置的作用。圖3-2MUTE系統(tǒng)使用示意圖如圖3-3所示，本定位系統(tǒng)利用每個節(jié)點的計算能力將信標節(jié)點與移動節(jié)點的距離分布式計算，將數(shù)據(jù)獲取，數(shù)據(jù)傳輸，定位算法劃分為3個獨立的模塊，在下面的章節(jié)將按照這樣的劃分進行描述。圖3-3系統(tǒng)定位計算原理最初的無線信號和超聲波信號被信標節(jié)點采集到后，信標節(jié)點會根據(jù)定時值計算出距離，然后通過網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳遞給定位算法模塊，同時傳遞的數(shù)據(jù)中還包括信標節(jié)點的位置信息。定位算法模塊在具有高處理能力的計算機上運行，這樣做可以采用一些復雜的計算方法，減少與硬件的耦合，使開發(fā)的軟件代碼和工具通用性、可重用性更好，并且能夠直觀的顯示過程結果。3.3MUTE系統(tǒng)的結構和接口MUTE系統(tǒng)的一個最明顯的特點就是:在布置的時候，信標節(jié)點作為傳感器信號的接受者，而移動節(jié)點作為傳感器信號的提供者。超聲波發(fā)射傳感器陣列應用在移動節(jié)點上，移動節(jié)點是被定位的對象。信標節(jié)點的超聲波傳感器是被動感應的接收器。之所以這樣設計，是考慮到節(jié)點的資源受限問題，MUTE系統(tǒng)采用的無線傳感器網(wǎng)絡具有如下的特點：l)微型化。應用中的傳感器節(jié)點要高度集成化，微小型的體積可以讓節(jié)點易于嵌入式使用和布置。2)低功耗。在大多數(shù)情況下網(wǎng)絡將一次性布置，無人職守。因此對節(jié)點有嚴格的能源要求。3)節(jié)點能力受限。節(jié)點大多數(shù)使用嵌入式處理器以及大量使用片上系統(tǒng)，處理能力和存儲容量有限。4)通信能力受限。受前面幾點的要求影響，節(jié)點的發(fā)射功率和通訊范圍都會受到限制。超聲波傳感器模塊作為數(shù)據(jù)獲取模塊具有一定程度的獨立性，它獨立開發(fā)并且具有對傳感器的操作接口，通過函數(shù)調(diào)用可以定義傳感器的工作規(guī)則，這樣做的好處是可以根據(jù)傳感器靈活配置。數(shù)據(jù)處理主要以庫的形式提供定位算法的封裝，調(diào)用相關函數(shù)可以實現(xiàn)類似Matlab函數(shù)的計算效果。數(shù)據(jù)處理一般在運算速度比較快的處理器上運行。3.3主要的電子元件、硬件工具和設備本節(jié)簡單介紹各層模塊實現(xiàn)所需要的相關電子元件、硬件工具和設備。數(shù)據(jù)獲取主要實現(xiàn)模塊是超聲波定位傳感器陣列。其硬件設計與實現(xiàn)主要所用到:超聲波傳感器元件、DC-DC直流穩(wěn)壓芯片、AVR單片機、ISP程序下載線。數(shù)據(jù)傳輸主要實現(xiàn)是MICAz節(jié)點其設計實現(xiàn)主要用到:各種傳感器元件、CC2420無線射頻芯片、AVR單片機。使用Mib510程序下載器可以將在計算機上生成的hex文件下載到MICAz節(jié)點。數(shù)據(jù)處理主要在計算機上實現(xiàn)，主要為軟件開發(fā)。3.4本章小結本章描述了MUTE室內(nèi)定位系統(tǒng)的體系結構和無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡平臺的各個功能模塊，包括網(wǎng)絡結構的特點和功能、系統(tǒng)應用方式、定位方法、節(jié)點的功能定義、接口等。第四章本系統(tǒng)中超聲波傳感器設計及其誤差分析作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取部分，超聲波傳感器陣列處于系統(tǒng)的底層，主要功能是完成數(shù)據(jù)的收集，并且保證經(jīng)過初步的過濾后傳給無線節(jié)點的是正常范圍內(nèi)的測量距離值。4.1超聲波定位傳感器設計4.1.1低功耗設計作為主要設計目標之一的低功耗電路設計一直是重點考慮的問題。取名叫無線傳感器網(wǎng)絡環(huán)境下定位超聲波傳感器，主要原因也是因為該超聲波傳感器的應用方向是針對無線傳感器網(wǎng)絡定位。降低功耗的主要方法有兩條:一是盡量減少元件耗能，在保證功能的情況下減少耗能元件就是降低了能量的消耗;二是盡可能減少耗能元件的工作時間，節(jié)點最大的功耗在處理器上，在無須工作的狀態(tài)下休眠是最好的解決方法。在以上兩條思路的指導下研究降低功能的方法，主要面臨的問題是:l)如何選擇器件。2)如何設計能夠正常工作的電路。3)如何設計電路的工作指標。4)如何選擇電路的工作方式。移動節(jié)點作為被定位的節(jié)點可以與移動發(fā)射源結合使用，因此我們的主要目標放在盡可能的降低信標節(jié)點的能耗上。實驗測得的結果在室內(nèi)環(huán)境溫度26攝氏度，3.3v/5v電壓，全速工作，MICAz節(jié)點的功耗達到了120mw，超聲波傳感器模塊功耗<50mW。4.1.2信號延遲由于使用操作系統(tǒng)的原因造成數(shù)據(jù)傳輸有延遲現(xiàn)象發(fā)生。因此，從節(jié)點1通過串口發(fā)送一幀消息，到節(jié)點2接收到并且從串口輸出該消息，中間的時間間隔差別較大，實驗測得的延遲時間為t=1~4ms。對于使用TOA原理的超聲波測距來說，t時間的延遲足夠帶來136cm的誤差。對于最大測量距離設計為300cm的目標來說，這顯然不可接受。分析其原因應該與節(jié)點的設計有關，節(jié)點通過帶寬為250Kbps無線接收到消息，經(jīng)過軟件協(xié)議處理，然后從帶寬為56Kbps的串口傳出。這個過程主要是網(wǎng)絡協(xié)議的處理引入了消息傳遞的隨機性延遲。為避免由于網(wǎng)絡結構帶來的協(xié)議處理延遲的方法之一是改變傳統(tǒng)認為的如圖4-1的方式，MUTE系統(tǒng)使用的測量方式，如圖4-2所示。傳統(tǒng)的測量距離方式如圖4-1所示的結構，由移動節(jié)點直接發(fā)出廣播，但是對信標節(jié)點來說時間為t的隨機延遲使得這種方式不可接受。本文的MUTE系統(tǒng)距離測量方案在網(wǎng)絡中有一個sink節(jié)點。sink節(jié)點的作用在于提供一個共同的時間基準，起到同步的作用。移動節(jié)點的工作方式改為:由移動節(jié)點向sink節(jié)點發(fā)起請求，當sink節(jié)點接收到移動節(jié)點的請求后發(fā)出組內(nèi)(將一簇劃分為一組)廣播，將廣播的消息當作時鐘基準。使用這個結構，可以使移動節(jié)點在需要位置信息時請求sink節(jié)點做一次組內(nèi)廣播(以下將簡稱組播)。利用sink節(jié)點的信號做時間基準，以決定移動節(jié)點的超聲波發(fā)射時刻和信標節(jié)點的傳感器打開接收時刻。如此可以避免前面所述的節(jié)點收到消息隨機性延遲t的問題，經(jīng)過實驗觀察目標節(jié)點和信標節(jié)點接收到無線信號并且輸出所花費的時間長度一樣。圖4-1傳統(tǒng)測量距離的原理圖4-2MUTE系統(tǒng)測量距離的原理4.1.3測距精度在目前眾多的定位方法中，在室內(nèi)，基于視覺和基于信標兩種方法的精度是最好的。本文采用的是基于信標計算位置的方法。在數(shù)據(jù)獲取階段，測得的距離值是基本數(shù)據(jù)，后面階段的算法使用都要基于此結果，經(jīng)過比較分析利用超聲波比無線信號的傳輸慢的原理可以在簡單的線性計算模型下獲得較高的測量精度。4.1.4定位速度如果定位一個移動的節(jié)點需要引起室內(nèi)所有節(jié)點的工作，這樣就會面臨無效數(shù)據(jù)過多的問題，從而引入復雜的數(shù)據(jù)融合要求。面對這個問題，本系統(tǒng)在設計的時候考慮將超聲波發(fā)射器裝載在移動節(jié)點上，也就是只有在超聲波信號覆蓋的小范圍內(nèi)的信標節(jié)點才工作，這樣不僅大大減少了無效的數(shù)據(jù)，而且提高了整個系統(tǒng)的響應速度，在單移動節(jié)點定位時，目前只需要100ms，大大小于ActiveBadge定位系統(tǒng)所需要的15s。4.1.5移動sink節(jié)點前面所述的是靜態(tài)的sink節(jié)點，主要的功能是完成組內(nèi)信息的收集，并傳遞到網(wǎng)絡上的計算機。實際上在移動機器人定位中，機器人本身就有需要裝載一個sink節(jié)點，以機器人強大的計算能力，通過傳感器網(wǎng)絡獲得周圍的特征信息。因此，在與計算機相連的靜態(tài)sink節(jié)點之外，本系統(tǒng)還設計有移動的sink節(jié)點，它的功能主要是收集傳感器網(wǎng)絡的信息翻譯給機器人，同時將機器人的指令翻譯成與傳感器網(wǎng)絡節(jié)點通訊的信號。4.2開發(fā)工具在完成超聲波傳感器節(jié)點的設計過程中，需要一系列的開發(fā)工具輔助。這一節(jié)將主要介紹本系統(tǒng)開發(fā)中工具配置。4.2.1硬件無線傳感器網(wǎng)絡環(huán)境下超聲波定位傳感器陣列設計采用Atmel公司的AVR8位RISC單片機Atmega8L，Atmel公司的AVR8位RISC單片機是一種非常普通的單片機.它是一個具有電擦寫可編程只讀存儲器(EEPROM)，隨機訪問存儲器(RAM)，模數(shù)轉換器，大量的輸入和輸出線路，計時器，RS-232通訊接口UART以及其他很多功能的單片集成電路。超聲波傳感器節(jié)點的開發(fā)過程中還應用了crossbow公司的傳感器網(wǎng)絡開發(fā)硬件實驗平臺，主要用到MICAz和mib510。4.2.2軟件安裝，配置和使用WinAVR可以建立一個低成本，使用開源免費軟件的程序開發(fā)環(huán)境，為開發(fā)工作提供了不可缺少的幫助。采用GNUC語言開發(fā)環(huán)境需要下列軟件:WinAVR，PonyProg2000，AVRStudio4.12，UEStudio。4.3傳感器電路超聲波傳感器陣列模塊分為:超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊、AVR單片機控制板三部分。圖4-3是超聲波定位傳感器陣列照片。圖4-3超聲波傳感器定位模塊4.3.1信號處理電路超聲波模塊主要信號分為接收信號和發(fā)射信號，其分別由接收電路和發(fā)射電路處理。如圖4-4所示，接收電路和發(fā)射電路都比較簡單，這樣能保證低功耗的設計，接收和發(fā)射都需要經(jīng)過信號放大的過程，但是二者的要求電路并不同。接收電路需要將微弱的傳感器信號放大到處理器可以識別的電平，而發(fā)射電路則是將處理器輸出的電平信號增幅后再通過傳感器發(fā)射出去因此(1)和(2)的傳感器端電壓相差非常明顯。圖4-4超聲波傳感器模糊信號處理電路4.3.2AVR單片機控制板超聲波定位傳感器模塊作為數(shù)據(jù)獲取這一環(huán)的獨立性表現(xiàn)在它可以通過一塊由AVR單片機為控制核心構成的控制板獲得直接操作傳感器硬件的接口。如圖4-5所示，通過對控制板上的單片機接口進行編程調(diào)用，可以獲得在底層觀察訪問多個資源的能力。圖4-5超聲波傳感器主要組成部分AVR單片機控制板主要由一塊ATmega8L低功耗單片機構成，其結構非常精簡，除了電源供電部分之外，所有的功能都集成在片上系統(tǒng)。4.3.3傳感器信號覆蓋范圍本節(jié)主要研究移動節(jié)點發(fā)射超聲波的信號覆蓋范圍。超聲波具有方向性，其元件發(fā)射信號的角度是50度。因此如果發(fā)射驅(qū)動能力足夠的話，理論上在天花板上的能夠達到A區(qū)域所示的信號覆蓋范圍。當發(fā)射器距離天花板3m時，A區(qū)域的半徑可以達到3.575m，如圖4-6所示。圖4-6超聲波傳感器信號覆蓋范圍4.3.4移動節(jié)點的結構分析本節(jié)主要說明了圖3-7中移動機器人所載的移動節(jié)點結構分析?？刂瓢宓拇笮〕叽鐬?8cm的正八邊形。發(fā)射傳感器模塊裝載在控制板上，傳感器元件位置x距離控制板的中心點O的距離為L4cm，如圖4-7所示。圖4-7移動節(jié)點結構分析移動節(jié)點的控制板距離天花板上的信標節(jié)點垂直距離為a，那么傳感器元件距離信標節(jié)點測出的距離為d。如果a=300cm，則d=300.0267cm，那么要區(qū)分兩個位置帶來的誤差，距離測量的精度必須達到0.0267cm，而根據(jù)后面3.5.1節(jié)的距離測量實驗可知，測距精度只能達到2.75cm。因此本文中的位置計算都將移動節(jié)點看做一個點，而不考慮發(fā)射傳感器元件之間的距離影響。而根據(jù)后面4.5.1節(jié)的距離測量實驗可知，測距精度只能達到2.75cm。因此本文中的位置計算都將移動節(jié)點看做一個點，而不考慮發(fā)射傳感器元件之間的距離影響。4.4基于事件—消息的嵌入式系統(tǒng)本節(jié)主要討論運行于ATmega8L低功耗單片機的一個基于事件一消息的嵌入式前后臺系統(tǒng)設計與實現(xiàn)。被動感應式超聲波傳感器具有較高的實時響應速度(表現(xiàn)為突發(fā)脈沖信號)，很低的能量消耗(<10mA)，簡單的任務處理等特點，因此普通的系統(tǒng)在響應速度，任務管理上具有的缺陷對利用TOA方式定位的超聲波傳感器會有很大影響。運行于ATmega8L低功耗單片機的軟件采用的是前后系統(tǒng)(Foreground/BackgroundSystem)設計，將傳感器事件的響應與處理分開。在前臺中斷服務中快速響應傳感器事件，并將傳感器數(shù)據(jù)保存在處理消息中，放入系統(tǒng)消息隊列。在后臺運行系統(tǒng)消息隊列處理程序。這樣設計的目的是盡量減少硬件中斷執(zhí)行所占用的處理器時間，防止在一個硬件中斷服務處理中忽略其他的中斷，提供對傳感器事件的響應速度。該系統(tǒng)運行經(jīng)過實際運行使用效果良好，能夠滿足及時響應超聲波傳感器事件和串口事件的需要。圖3-8是串口接收事件到系統(tǒng)消息的響應處理過程。圖4-8串口事件—系統(tǒng)消息隊列4.5實驗4.5.1距離測量本次實驗將移動節(jié)點與信標節(jié)點在已知真實距離的情況下得到測量值，即距離感知，移動節(jié)點測出它與周圍超聲波信號覆蓋范圍內(nèi)信標節(jié)點的直線距離，建立數(shù)學模型。實驗在室內(nèi)環(huán)境溫度25攝氏度情況下進行，一共使用了3個節(jié)點:1個帶超聲波發(fā)射傳感器的移動節(jié)點、1個帶超聲波接收傳感器的信標節(jié)點、1個sink節(jié)點，sink節(jié)點通過接mib510將信標節(jié)點收集到的數(shù)據(jù)傳遞給計算機處理。sink節(jié)點ID編號為0，移動發(fā)射節(jié)點ID編號為1，信標節(jié)點編號為2。首先是將sink節(jié)點收到的測得數(shù)據(jù)與實際距離描繪出來，進行對比。一共測了26組數(shù)據(jù)，每一組數(shù)據(jù)包含20次測量值，將數(shù)據(jù)通過plot()函數(shù)描點，如圖4-9，從中可以明顯的觀察到數(shù)據(jù)分成26組，每一組數(shù)據(jù)的聚集得很緊密。圖4-9實際距離與節(jié)點計數(shù)器記得的原始數(shù)據(jù)圖進一步由圖中可以看出，信標節(jié)點測得的數(shù)據(jù)比較好的表達了與真是距離之間的線性關系。每個樣本所得到的數(shù)據(jù)點聚集性比較好，這一點可以從經(jīng)驗積累分布圖中觀察得到。由圖4-9可以看出每個樣本的數(shù)據(jù)波動都比較平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)大的跳動。室內(nèi)環(huán)境比較穩(wěn)定也是本身重要的原因之一。因此，可以用每個樣本的平均值進行擬合插值進行分析。分別用到了最小二乘法，分段線性插值。效果如圖4-10。圖4-10使用算法進行修正在Matlab中通過調(diào)用polyfit()函數(shù)對樣本數(shù)據(jù)進行最小二乘法分析，如下所示的是一階與二階最小二乘法計算結果。polyfit（Xmean,Ymean,1）ans=1.0297-10.4636polyfit（Xmean,Ymean,2）ans=0.00001.0278-10.3612可以看到使用一階最小二乘法是最合適的，說明樣本數(shù)據(jù)的分布呈現(xiàn)一階線性。根據(jù)最小二乘法的計算結果，我們得到超聲波測距修正模型公式，其Matlab坐標中的效果對比見圖4-10。4.5.2測試校正本節(jié)內(nèi)容主要描述對超聲波傳感器硬件所做的測試和校正實驗，驗證超聲波定位傳感器陣列的設計結構。本超聲波定位傳感器節(jié)點根據(jù)研究的目標針對傳感器收集數(shù)據(jù)部分設計優(yōu)化。傳感器節(jié)點主要的設計指標有2個，一個是節(jié)點的信號覆蓋范圍，另一個是節(jié)點信號誤差與精度。實驗在室內(nèi)環(huán)境溫度25攝氏度情況下進行，一共使用了6個節(jié)點:5個帶超聲波傳感器的節(jié)點和一個sink節(jié)點，sink節(jié)點通過接mib510負責將信標節(jié)點收集到的數(shù)據(jù)傳遞給計算機處理。其中5個超聲波傳感器的節(jié)點又分為4個信標節(jié)點，和1個移動節(jié)點。根據(jù)實驗的設定條件搭載發(fā)射/接收傳感器。sink節(jié)點ID編號為0，移動發(fā)射節(jié)點ID編號為1，其他信標節(jié)點編號依次為2-5。使用1個信標節(jié)點，1個移動節(jié)點，各搭載1個傳感器。當把發(fā)射信號頻率調(diào)整到40kHz時，發(fā)現(xiàn)不同的接收傳感器元件能夠感應到超聲波信號的距離有較大的差別，在1.8-3.2m范圍內(nèi)波動。圖6-11所示的是4個不同的接收傳感器的最大感應距離。圖4-12四個不同接收傳感器的最大測量距離造成這種現(xiàn)象的主要原因是元件之間的差異。超聲波傳感器發(fā)射與接收都是成對校準，最大振幅對應的頻率只在40kHz附近，在圖3一10超聲波傳感器元件技術手冊中描述的元件參數(shù)為40土1.0kHz。當多個一起使用的時候，其諧振頻率不一樣，就會造成了不同元件接收效果不一樣。4.6本章小節(jié)本章首先對超聲波定位傳感器實現(xiàn)所需要解決的問題進行描述，包括:低功耗設計、信號延遲、測距精度、定位速度、移動sink節(jié)點。這些問題是在實際設計過程中逐漸提出解決的。其次，為設計超聲波定位傳感器節(jié)點，需要配置和設計一些相關軟硬件工具。集成于一體的輔助開發(fā)工具。然后，描述了超聲波信號發(fā)射、接收模塊硬件電路設計和硬件結構分析。對AVR單片機控制板的功能作用做了設計描述，并且開發(fā)了一個運行于其處理器ATmega8L之上的前后臺嵌入式系統(tǒng)。最后，實際實驗中運行了嵌入式系統(tǒng)軟件。通過對超聲波定位工作機制和測量距離的數(shù)學模型進行深入分析，使用Matlab工具軟件進行分析和評估，建立數(shù)學模型，實現(xiàn)了基礎的硬件和配套的嵌入式軟件協(xié)同工作，取得較高精度的測量結果。本部分的內(nèi)容為實現(xiàn)定位系統(tǒng)奠定了現(xiàn)實網(wǎng)絡基礎。第五章結論與未來展望無線動態(tài)傳感器網(wǎng)絡是近幾年發(fā)展起來的先進技術，隨著研究的深入，不斷有新的應用被發(fā)現(xiàn)它將會給人們的生產(chǎn)生活帶來很大的影響?，F(xiàn)在無線傳感器網(wǎng)絡正處于上升階段，距離發(fā)展成熟還有一段距離。本文以實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡環(huán)境下移動定位跟蹤為目標，采用基于信標距離定位的機制，而距離的測量原理又是采用的基于到達時間(TOA)，與室外全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS所用原理相同。無線傳感器網(wǎng)絡對國民經(jīng)濟、人民生活和國防安全將產(chǎn)生的巨大影響已被世界