MUTE室內(nèi)定位系統(tǒng)精選

1、摘要無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) (Wireless Sensor Networks，WSNs)是由大量散布的傳感器節(jié)點(diǎn)通過一定方式構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)通過相互之間的分工協(xié)作，可感知、監(jiān)測(cè)和采集分布區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)對(duì)象或周圍環(huán)境的信息。MUTE定位系統(tǒng):一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)的實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)。本系統(tǒng)主要基于TOA(time of arrival)測(cè)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(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)，包括硬件、軟件、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及通訊接口，以及開發(fā)過程包含的軟硬件工具。關(guān)鍵詞:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 室內(nèi)定位 超聲波傳感器陣列AbstractWireless Sensor N

2、etworks(WSNs) is collected by a number of sensor nodes which have certain topology .Nodes which cooperate with each other can sense ,measure, and obtain the information of environment and mobile target in the area.MUTE localization system platform which based on WSNs technology, ultrasonic sensor te

3、chnology, and data analysis technology. MUTE uses TOA(time of arrival)technology, like GPS localization. This thesis will descript architecture and design of this system, which contain hardware, software, data structure and interface, and tools. Keyword:Wireless Sensor Networks;indoorlocalization;ul

4、trasonic sensor array IV目錄摘要IAbstractII第一章 緒論11.1 研究背景11.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)11.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3.1 Cricket定位支持系統(tǒng)11.3.2 Bat定位系統(tǒng)21.3.3 Active Badge定位系統(tǒng)21.3.4 RADAR定位系統(tǒng)21.3.5 Constellation追蹤系統(tǒng)21.3.6其他定位技術(shù)21.4本文的研究?jī)?nèi)容和結(jié)構(gòu)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(guān)技術(shù)指標(biāo)42.3定位算法的主要種類42.3.1基于信標(biāo)的定位技術(shù)42.3.2無(wú)需信標(biāo)的定位技術(shù)62.4本章小節(jié)6第三章MUTE

5、室內(nèi)定位系統(tǒng)及其體系結(jié)構(gòu)83.1 MUTE系統(tǒng)概述83.3 MUTE系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和接口103.3主要的電子元件、硬件工具和設(shè)備103.4本章小結(jié)10第四章 本系統(tǒng)中超聲波傳感器設(shè)計(jì)及其誤差分析114.1超聲波定位傳感器設(shè)計(jì)114.1.1低功耗設(shè)計(jì)114.1.2信號(hào)延遲114.1.3測(cè)距精度134.1.4定位速度134.1.5移動(dòng)sink節(jié)點(diǎn)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(hào)處理電路144.3.2 AVR單片機(jī)控制板154.3.3傳感器信號(hào)覆蓋范圍154.3.4移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)分析164.4基于事件消息的嵌入式系統(tǒng)164.5實(shí)驗(yàn)174.5.1

6、距離測(cè)量174.5.2測(cè)試校正184.6本章小節(jié)19第五章結(jié)論與未來(lái)展望21致謝22參考文獻(xiàn)23第一章 緒論1.1 研究背景傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前國(guó)際上備受關(guān)注的、由多學(xué)科高度交叉的新興前沿研究熱點(diǎn)領(lǐng)域，是信息采集和環(huán)境感知的一場(chǎng)革命，被認(rèn)為是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一，將會(huì)對(duì)人類未來(lái)的生活方式產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。傳感器網(wǎng)絡(luò)作為“無(wú)處不在”思想衍生的產(chǎn)物，可以被廣泛地應(yīng)用在搶險(xiǎn)救災(zāi)，搜索救援12飛行機(jī)器人導(dǎo)航3、路徑規(guī)劃4、跟蹤運(yùn)動(dòng)物體5、環(huán)境監(jiān)測(cè)6、交通管理7、醫(yī)療衛(wèi)生8等領(lǐng)域，擁有巨大的應(yīng)用價(jià)值。從目前國(guó)外的研究進(jìn)展來(lái)看，雖然傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景十分美好，但由于仍然面臨很多技術(shù)難題，還不能走向廣泛應(yīng)用。

7、1.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)本論文對(duì)比國(guó)內(nèi)外室內(nèi)定位跟蹤系統(tǒng)，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的室內(nèi)移動(dòng)目標(biāo)定位進(jìn)行了研究，提出了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架，MUTE系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過預(yù)先實(shí)現(xiàn)定位，然后逐步實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤以及導(dǎo)航。1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)當(dāng)前對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究才剛剛起步，還處在概念、理論和技術(shù)跟蹤研究的初級(jí)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(luò)是一個(gè)新興技術(shù)，國(guó)內(nèi)與國(guó)際水平的差距并不很大，及時(shí)開展這項(xiàng)對(duì)人類未來(lái)生活影響深遠(yuǎn)的前沿科技的研究，對(duì)整個(gè)國(guó)家的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)將有重大的戰(zhàn)略意義?；诓煌膽?yīng)用目的，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)和技術(shù)方法，目前國(guó)外已有一些利用基于測(cè)距技術(shù)實(shí)現(xiàn)的室內(nèi)

8、定位跟蹤系統(tǒng)，他們各自有不同的優(yōu)點(diǎn)和使用環(huán)境，其中有的系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。1.3.1 Cricket定位支持系統(tǒng)Cricket定位支持系統(tǒng)910采用TDOA原理測(cè)距，提出了利用傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)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(diǎn)和需要定位的人或物體攜帶的未知節(jié)點(diǎn)(稱為L(zhǎng)istener)組成。錨節(jié)點(diǎn)隨機(jī)地同時(shí)發(fā)射RF和超聲波信號(hào)，RF信號(hào)中包含該錨節(jié)點(diǎn)的位置和ID。未知節(jié)點(diǎn)使用TDOA技術(shù)測(cè)量其與錨節(jié)點(diǎn)的距離，當(dāng)它能夠獲得3個(gè)以上錨節(jié)點(diǎn)距離時(shí)即使用三邊測(cè)量法提供物理定位，否則就以房間為單位提供符號(hào)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(dǎo)航，而且因?yàn)閭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)作

9、為信標(biāo)需要不斷廣播無(wú)線信號(hào)和超聲波信號(hào)，會(huì)大大的增加網(wǎng)絡(luò)整體能耗，降低節(jié)點(diǎn)的工作壽命。1.3.2 Bat定位系統(tǒng)AT&T的Active Bat系統(tǒng)通過有線介質(zhì)連接到中心控制器.特點(diǎn)是適用于室內(nèi)環(huán)境，具有較高的精確性和實(shí)時(shí)性，時(shí)間同步和錨節(jié)點(diǎn)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(kuò)展性，代價(jià)較大，無(wú)法應(yīng)用于不適合布線的環(huán)境11。1.3.3 Active Badge定位系統(tǒng)Active Badge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。 Active Badge的中文翻譯意思是活動(dòng)徽章，在他們的論文描述中，室內(nèi)的人員每

10、個(gè)佩戴一個(gè)徽章，由徽章上的紅外傳感器發(fā)射信號(hào)給標(biāo)簽傳感器。每隔15秒發(fā)射100毫秒的紅外信號(hào)。標(biāo)簽傳感器接收到紅外信號(hào)后將信息傳遞給中央處理器，集中處理后再把計(jì)算結(jié)果通知用戶。1.3.4 RADAR定位系統(tǒng)RADAR定位系統(tǒng)是一個(gè)利用無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行距離估計(jì)，然后再利用多個(gè)距離值估算出目標(biāo)位置坐標(biāo)的系統(tǒng)。RADAR屬于緊密耦合型。系統(tǒng)需要建立一個(gè)環(huán)境中各處RF信號(hào)強(qiáng)度的數(shù)據(jù)庫(kù)。正常狀態(tài)下，各個(gè)節(jié)點(diǎn)向中央處理器匯聚數(shù)據(jù)，然后通過與數(shù)據(jù)庫(kù)中的內(nèi)容比較得出結(jié)果13。1.3.5 Constellation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

11、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(lái)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(biāo)。接收器通過紅外傳感器與超聲波信號(hào)的時(shí)間差來(lái)計(jì)算距離。1.3.6其他定位技術(shù)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(shù)被關(guān)注。超寬帶無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用新開放的頻率，在做定位方面的應(yīng)用近來(lái)被研究者關(guān)注，在國(guó)外已經(jīng)有產(chǎn)品上市，但是實(shí)際成本目前還比較高。在中等規(guī)模的定位中，基于無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度的位置估計(jì)被提出，其利用低成本傳感器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線信號(hào)，優(yōu)點(diǎn)在于可以做到低成本的解決方案，其定位范圍小于手機(jī)網(wǎng)絡(luò)。GPS定位在傳感器網(wǎng)絡(luò)定位研究之

12、初就被提出，在室外大范圍傳感器網(wǎng)絡(luò)定位應(yīng)用中是目前使用得最多的技術(shù)手段。利用現(xiàn)有無(wú)線電話網(wǎng)絡(luò)開發(fā)基于定位的應(yīng)用，也是一種低成本的解決方案。1.4本文的研究?jī)?nèi)容和結(jié)構(gòu)安排位置感知是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)重要的基礎(chǔ)性支撐技術(shù)之一。本文主要的研究?jī)?nèi)容為通過傳感器網(wǎng)絡(luò)感知特征信息，經(jīng)過分析處理從而得的目標(biāo)的位置，通過本次研究探索為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)射源系統(tǒng)構(gòu)建一個(gè)模塊化，可重構(gòu)的控制框架;為傳感器節(jié)點(diǎn)開發(fā)、傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究、傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)提供一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本論文的工作是圍繞無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)環(huán)境下移動(dòng)目標(biāo)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(luò)，結(jié)構(gòu)安排如下:第一章介紹了本文的設(shè)計(jì)目的，研究

13、背景，設(shè)計(jì)動(dòng)機(jī);介紹了國(guó)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(guān)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(gòu)成，相互關(guān)系；第五章總結(jié)全文，并展望未來(lái)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(biāo)在系統(tǒng)中的位置。位置信息的類型包括物理位置和符號(hào)位置。物理位置指物體在特定坐標(biāo)系下的位置數(shù)值，表示目標(biāo)的絕對(duì)或相對(duì)位置；符號(hào)位置指在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與一個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)或多個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)接近程度的信息，表示

14、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的連通關(guān)系，提供目標(biāo)大致所在的范圍。2.2室內(nèi)定位相關(guān)技術(shù)指標(biāo)（1）IEEE 802.11IEEE 802.111516是無(wú)線局域網(wǎng)通用的標(biāo)準(zhǔn)，它是由IEEE所定義的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)公告的無(wú)線區(qū)域網(wǎng)路標(biāo)準(zhǔn)，適用于有線站臺(tái)與無(wú)線用戶或無(wú)線用戶之間的溝通連結(jié)。（2）位置信息的精確程度精確程度包含兩個(gè)方面：一方面是絕對(duì)精度，即以長(zhǎng)度為單位度量的精度。另一方面是相對(duì)精度，即以節(jié)點(diǎn)之間距離的百分比來(lái)定義。（3）覆蓋范圍覆蓋范圍是另一個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)，它和精度是一對(duì)矛盾，相關(guān)數(shù)據(jù)如下：超聲波定位精度為分米級(jí)，覆蓋范圍為十多米；Wi-Fi和藍(lán)牙的定位精度為3米，

15、覆蓋范圍為100米；GSM系統(tǒng)精度為100米，覆蓋范圍為公里級(jí)。2.3定位算法的主要種類在傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)中，主要分為兩種：基于信標(biāo)的定位技術(shù)和無(wú)需信標(biāo)的定位技術(shù)。前者需要測(cè)量相鄰節(jié)點(diǎn)間的絕對(duì)距離或者方位，并利用節(jié)點(diǎn)間的實(shí)際距離來(lái)計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的位置；后者無(wú)需測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的絕對(duì)距離或方位，而是利用節(jié)點(diǎn)間的估計(jì)距離計(jì)算節(jié)點(diǎn)位置。2.3.1基于信標(biāo)的定位技術(shù)其方法分包括信號(hào)強(qiáng)度（RSS）、信號(hào)傳播時(shí)間/時(shí)間差（TOA/TDOA）及接收信號(hào)角度定位（AOA）。（1）TOA定位的原理需要已知測(cè)量信號(hào)的傳播速度，利用信號(hào)的到達(dá)時(shí)間計(jì)算出節(jié)點(diǎn)之間的距離，然后根據(jù)已經(jīng)設(shè)定的公式計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置。（2）TDOA

16、定位的原理為由發(fā)射節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)射兩種傳播速度不同的信號(hào)，根據(jù)接收點(diǎn)接收到兩種不同傳播速度信號(hào)的時(shí)間差計(jì)算出兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離，再通過公式計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置。發(fā)射節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)射無(wú)線電信號(hào)(無(wú)線射頻信號(hào))和超聲波信號(hào)，接收節(jié)點(diǎn)記錄兩種信號(hào)到達(dá)時(shí)間T，T，已知無(wú)線射頻信號(hào)和超聲波傳播速度為，那么兩點(diǎn)之間的距離為(T- T)S，其中 （2-1）（3）基于信號(hào)強(qiáng)度的定位原理為已知發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度，在接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的信號(hào)強(qiáng)度，計(jì)算出信號(hào)的傳播耗損，利用理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯鬏敁p耗轉(zhuǎn)換為距離，再利用已有的三邊位置算法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置。（4）接收信號(hào)角度定位的原理圖2-1 接收信號(hào)角度定位的原理圖已知兩個(gè)頂點(diǎn)

17、和夾角的射線，其中坐標(biāo)為，與水平方向夾角為；坐標(biāo)為，與水平方向夾角為，則節(jié)點(diǎn)N的坐標(biāo)為 （2-2）圖2-2接收信號(hào)角度定位的原理圖已知三點(diǎn)和三個(gè)夾角確定一點(diǎn)，其中坐標(biāo)為，坐標(biāo)為，坐標(biāo)為，夾角如圖所示，則節(jié)點(diǎn)N的坐標(biāo)計(jì)算公式為 （2-3）2.3.2無(wú)需信標(biāo)的定位技術(shù)無(wú)需信標(biāo)的定位技術(shù)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(luò)連通性的室外定位算法。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)周期性的向鄰近節(jié)點(diǎn)廣播信標(biāo)分組，信標(biāo)分組中包含信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)號(hào)和位置信息。當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)收到來(lái)自不同信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)分組數(shù)量超過某一門限或接收一定時(shí)間后，就確定自身位置為這些信標(biāo)節(jié)點(diǎn)所組

18、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(chǔ)是最佳三角形內(nèi)點(diǎn)測(cè)試法PIT。PIT測(cè)試原理是假如存在一個(gè)方向，未知節(jié)點(diǎn)沿著此方向移動(dòng)會(huì)同時(shí)遠(yuǎn)離或接近三個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，那么未知節(jié)點(diǎn)位于三個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的三角形的外部；否則，未知節(jié)點(diǎn)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(gè)階段組成：首先，使網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)獲得距離信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)；其次，當(dāng)獲得其他信標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置和相隔跳距后，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)平均每跳距離，賦予其生存期，然后將這個(gè)帶有生存期的校正值在網(wǎng)絡(luò)廣播。未知節(jié)點(diǎn)僅記錄先收到的第一個(gè)校正值，并轉(zhuǎn)發(fā)給鄰近節(jié)點(diǎn)。（4

19、）Amorphous算法該算法采用與DV-HOP類似的方法獲得距信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)。然后假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的通信半徑相同，平均每跳距離為節(jié)點(diǎn)的通信半徑，未知節(jié)點(diǎn)計(jì)算到每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的跳段距離。最后利用三邊測(cè)量或極大似然估計(jì)法計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)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(jī)制主要有信號(hào)強(qiáng)度、傳播時(shí)間/時(shí)間差、DV-Hop、質(zhì)心算法、APIT和Amorphous算法等?；谛殴?jié)點(diǎn)間標(biāo)定位的算法，能得到節(jié)點(diǎn)間比較精確的距離，但對(duì)于節(jié)點(diǎn)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(yīng)用帶來(lái)了麻煩。信標(biāo)無(wú)關(guān)定位算法不需要知道未知節(jié)

20、點(diǎn)到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離，或者不需要直接測(cè)量此距離在成本和功耗方面具有優(yōu)勢(shì)。本文選擇使用基于信標(biāo)的定位機(jī)制當(dāng)中的基于TOA定位算法進(jìn)行深入研究。第三章MUTE室內(nèi)定位系統(tǒng)及其體系結(jié)構(gòu)3.1 MUTE系統(tǒng)概述 MUTE系統(tǒng)是一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下高精度的室內(nèi)移動(dòng)目標(biāo)定位系統(tǒng)。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3-1所示。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)是一種簇狀型結(jié)構(gòu)，每一簇覆蓋一個(gè)區(qū)域，新覆蓋區(qū)域以增加簇的方式通過一簇頭節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。圖3-1MUTE系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3-2所示的是MUTE系統(tǒng)使用示意圖。通信節(jié)點(diǎn)具有RSSI（Received Signal Strength Indication接收的信號(hào)強(qiáng)度指示）和通過輔助

21、傳感器感測(cè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的功能。在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)都將與周圍通信節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生信息和信號(hào)的聯(lián)系，通過TOA技術(shù)可以測(cè)量得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與通信節(jié)點(diǎn)的距離。本文系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)使用方式如圖3-2所示。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)作為主節(jié)點(diǎn)被放在天花板，移動(dòng)發(fā)射源載著一個(gè)發(fā)射節(jié)點(diǎn)作為被定位的目標(biāo)。根據(jù)需要在適當(dāng)?shù)牡胤竭€可以靈活的增加輔助節(jié)點(diǎn)，輔助節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)都屬于信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)為被動(dòng)式工作。傳感器節(jié)點(diǎn)的工作模式采用被動(dòng)式，只有達(dá)到超聲波傳感器的觸發(fā)條件，節(jié)點(diǎn)才工作。被動(dòng)式工作比主動(dòng)式工作更能節(jié)約傳感器節(jié)點(diǎn)的能源，以及減少無(wú)線通訊的數(shù)據(jù)量。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要，每隔一定距離(發(fā)射節(jié)點(diǎn)的超聲波信號(hào)覆蓋范圍內(nèi))在天花板頂部設(shè)置一個(gè)信標(biāo)節(jié)

22、點(diǎn)(采用電池驅(qū)動(dòng))，同時(shí)在需要網(wǎng)絡(luò)連接的地方安置一個(gè)網(wǎng)絡(luò)模塊，網(wǎng)絡(luò)模塊具有sink節(jié)點(diǎn)，簇頭，網(wǎng)關(guān)的功能。為了避免室內(nèi)環(huán)境中各種電器設(shè)備對(duì)無(wú)線信號(hào)的干擾，所有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊使用的都是抗干擾的直序擴(kuò)頻通信方式，此外，每個(gè)模塊都有接收信號(hào)強(qiáng)弱指示功能(RSSI)。在精確的距離信息不夠的時(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力將信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的距離分布式計(jì)算，將數(shù)據(jù)獲取，數(shù)據(jù)傳輸，定位算法劃分為3個(gè)獨(dú)立的模塊，在下面的章節(jié)將按照這樣的劃分進(jìn)行描述。圖3-3系統(tǒng)定位計(jì)算原理最初的無(wú)線信號(hào)和超聲波信號(hào)被信標(biāo)節(jié)點(diǎn)采集到后，信

23、標(biāo)節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)定時(shí)值計(jì)算出距離，然后通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳遞給定位算法模塊，同時(shí)傳遞的數(shù)據(jù)中還包括信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息。定位算法模塊在具有高處理能力的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，這樣做可以采用一些復(fù)雜的計(jì)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(jié)果。3.3 MUTE系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和接口MUTE系統(tǒng)的一個(gè)最明顯的特點(diǎn)就是:在布置的時(shí)候，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)作為傳感器信號(hào)的接受者，而移動(dòng)節(jié)點(diǎn)作為傳感器信號(hào)的提供者。超聲波發(fā)射傳感器陣列應(yīng)用在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)上，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)是被定位的對(duì)象。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的超聲波傳感器是被動(dòng)感應(yīng)的接收器。之所以這樣設(shè)計(jì)，是考慮到節(jié)點(diǎn)的資源受限問題，MUTE系統(tǒng)采用的無(wú)線傳感

24、器網(wǎng)絡(luò)具有如下的特點(diǎn)：l)微型化。應(yīng)用中的傳感器節(jié)點(diǎn)要高度集成化，微小型的體積可以讓節(jié)點(diǎn)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(luò)將一次性布置，無(wú)人職守。因此對(duì)節(jié)點(diǎn)有嚴(yán)格的能源要求。3)節(jié)點(diǎn)能力受限。節(jié)點(diǎn)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(chǔ)容量有限。4)通信能力受限。受前面幾點(diǎn)的要求影響，節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率和通訊范圍都會(huì)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(dú)立性，它獨(dú)立開發(fā)并且具有對(duì)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(kù)的形式提供定位算法的封裝，調(diào)用相關(guān)函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)類似Mat

25、lab函數(shù)的計(jì)算效果。數(shù)據(jù)處理一般在運(yùn)算速度比較快的處理器上運(yùn)行。3.3主要的電子元件、硬件工具和設(shè)備本節(jié)簡(jiǎn)單介紹各層模塊實(shí)現(xiàn)所需要的相關(guān)電子元件、硬件工具和設(shè)備。數(shù)據(jù)獲取主要實(shí)現(xiàn)模塊是超聲波定位傳感器陣列。其硬件設(shè)計(jì)與實(shí)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(jī)、ISP程序下載線。數(shù)據(jù)傳輸主要實(shí)現(xiàn)是MICAz節(jié)點(diǎn)其設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)主要用到:各種傳感器元件、CC2420無(wú)線射頻芯片、AVR單片機(jī)。使用Mib510程序下載器可以將在計(jì)算機(jī)上生成的hex文件下載到MICAz節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)處理主要在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，主要為軟件開發(fā)。3.4本章小結(jié)本章描述了MUTE室內(nèi)定位系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和無(wú)

26、線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的各個(gè)功能模塊，包括網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和功能、系統(tǒng)應(yīng)用方式、定位方法、節(jié)點(diǎn)的功能定義、接口等。第四章 本系統(tǒng)中超聲波傳感器設(shè)計(jì)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(wú)線節(jié)點(diǎn)的是正常范圍內(nèi)的測(cè)量距離值。4.1超聲波定位傳感器設(shè)計(jì) 4.1.1低功耗設(shè)計(jì)作為主要設(shè)計(jì)目標(biāo)之一的低功耗電路設(shè)計(jì)一直是重點(diǎn)考慮的問題。取名叫無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下定位超聲波傳感器，主要原因也是因?yàn)樵摮暡▊鞲衅鞯膽?yīng)用方向是針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)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

27、了能量的消耗;二是盡可能減少耗能元件的工作時(shí)間，節(jié)點(diǎn)最大的功耗在處理器上，在無(wú)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(dǎo)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(shè)計(jì)能夠正常工作的電路。3)如何設(shè)計(jì)電路的工作指標(biāo)。4)如何選擇電路的工作方式。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)作為被定位的節(jié)點(diǎn)可以與移動(dòng)發(fā)射源結(jié)合使用，因此我們的主要目標(biāo)放在盡可能的降低信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的能耗上。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)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(diǎn)的功耗達(dá)到了120mw，超聲波傳感器模塊功耗<50mW。4.1.2信號(hào)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

28、，從節(jié)點(diǎn)1通過串口發(fā)送一幀消息，到節(jié)點(diǎn)2接收到并且從串口輸出該消息，中間的時(shí)間間隔差別較大，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的延遲時(shí)間為t=14ms。對(duì)于使用TOA原理的超聲波測(cè)距來(lái)說，t時(shí)間的延遲足夠帶來(lái)136cm的誤差。對(duì)于最大測(cè)量距離設(shè)計(jì)為300cm的目標(biāo)來(lái)說，這顯然不可接受。分析其原因應(yīng)該與節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)有關(guān)，節(jié)點(diǎn)通過帶寬為250Kbps無(wú)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(gè)過程主要是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的處理引入了消息傳遞的隨機(jī)性延遲。為避免由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的協(xié)議處理延遲的方法之一是改變傳統(tǒng)認(rèn)為的如圖4-1的方式，MUTE系統(tǒng)使用的測(cè)量方式，如圖4-2所示。傳統(tǒng)的測(cè)量距離方式如圖4-1所

29、示的結(jié)構(gòu)，由移動(dòng)節(jié)點(diǎn)直接發(fā)出廣播，但是對(duì)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)來(lái)說時(shí)間為t的隨機(jī)延遲使得這種方式不可接受。本文的MUTE系統(tǒng)距離測(cè)量方案在網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)sink節(jié)點(diǎn)。sink節(jié)點(diǎn)的作用在于提供一個(gè)共同的時(shí)間基準(zhǔn)，起到同步的作用。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的工作方式改為:由移動(dòng)節(jié)點(diǎn)向sink節(jié)點(diǎn)發(fā)起請(qǐng)求，當(dāng)sink節(jié)點(diǎn)接收到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)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(dāng)作時(shí)鐘基準(zhǔn)。使用這個(gè)結(jié)構(gòu)，可以使移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在需要位置信息時(shí)請(qǐng)求sink節(jié)點(diǎn)做一次組內(nèi)廣播(以下將簡(jiǎn)稱組播)。利用sink節(jié)點(diǎn)的信號(hào)做時(shí)間基準(zhǔn)，以決定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的超聲波發(fā)射時(shí)刻和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的傳感器打開接收時(shí)刻。如此可以避免前面所述的節(jié)點(diǎn)收到消息隨機(jī)性延遲

30、t的問題，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)觀察目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到無(wú)線信號(hào)并且輸出所花費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng)度一樣。圖4-1傳統(tǒng)測(cè)量距離的原理 圖4-2MUTE系統(tǒng)測(cè)量距離的原理4.1.3測(cè)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(biāo)兩種方法的精度是最好的。本文采用的是基于信標(biāo)計(jì)算位置的方法。在數(shù)據(jù)獲取階段，測(cè)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(jié)果，經(jīng)過比較分析利用超聲波比無(wú)線信號(hào)的傳輸慢的原理可以在簡(jiǎn)單的線性計(jì)算模型下獲得較高的測(cè)量精度。4.1.4定位速度如果定位一個(gè)移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)需要引起室內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的工作，這樣就會(huì)面臨無(wú)效數(shù)據(jù)過多的問題，從而引入復(fù)雜的數(shù)據(jù)融合要求。面對(duì)這個(gè)問題，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的時(shí)候

31、考慮將超聲波發(fā)射器裝載在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)上，也就是只有在超聲波信號(hào)覆蓋的小范圍內(nèi)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)才工作，這樣不僅大大減少了無(wú)效的數(shù)據(jù)，而且提高了整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度，在單移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位時(shí)，目前只需要100ms，大大小于Active Badge定位系統(tǒng)所需要的15s。4.1.5移動(dòng)sink節(jié)點(diǎn)前面所述的是靜態(tài)的sink節(jié)點(diǎn)，主要的功能是完成組內(nèi)信息的收集，并傳遞到網(wǎng)絡(luò)上的計(jì)算機(jī)。實(shí)際上在移動(dòng)機(jī)器人定位中，機(jī)器人本身就有需要裝載一個(gè)sink節(jié)點(diǎn)，以機(jī)器人強(qiáng)大的計(jì)算能力，通過傳感器網(wǎng)絡(luò)獲得周圍的特征信息。因此，在與計(jì)算機(jī)相連的靜態(tài)sink節(jié)點(diǎn)之外，本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)有移動(dòng)的sink節(jié)點(diǎn)，它的功能主要是收集傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息翻

32、譯給機(jī)器人，同時(shí)將機(jī)器人的指令翻譯成與傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通訊的信號(hào)。4.2開發(fā)工具在完成超聲波傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下超聲波定位傳感器陣列設(shè)計(jì)采用Atmel公司的AVR 8位RISC單片機(jī)Atmega8L，Atmel公司的AVR 8位RISC單片機(jī)是一種非常普通的單片機(jī).它是一個(gè)具有電擦寫可編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)，隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器(RAM)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，大量的輸入和輸出線路，計(jì)時(shí)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(diǎn)的開發(fā)過程中還應(yīng)用了crossbow公

33、司的傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(gè)低成本，使用開源免費(fèi)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GNU C語(yǔ)言開發(fā)環(huán)境需要下列軟件:WinAVR，PonyProg2000，AVRStudio4.12，UE Studio。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(jī)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(hào)處理電路超聲波模塊主要信號(hào)分為接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)，其分別由接收電路和發(fā)射電路處理。如圖4-4所示，接收

34、電路和發(fā)射電路都比較簡(jiǎn)單，這樣能保證低功耗的設(shè)計(jì)，接收和發(fā)射都需要經(jīng)過信號(hào)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(hào)放大到處理器可以識(shí)別的電平，而發(fā)射電路則是將處理器輸出的電平信號(hào)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(hào)處理電路4.3.2 AVR單片機(jī)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(dú)立性表現(xiàn)在它可以通過一塊由AVR單片機(jī)為控制核心構(gòu)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(duì)控制板上的單片機(jī)接口進(jìn)行編程調(diào)用，可以獲得在底層觀察訪問多個(gè)資源的能力。圖4-5超聲波傳感器主要組成部

35、分AVR單片機(jī)控制板主要由一塊ATmega8L低功耗單片機(jī)構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)非常精簡(jiǎn)，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(hào)覆蓋范圍本節(jié)主要研究移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)射超聲波的信號(hào)覆蓋范圍。超聲波具有方向性，其元件發(fā)射信號(hào)的角度是50度。因此如果發(fā)射驅(qū)動(dòng)能力足夠的話，理論上在天花板上的能夠達(dá)到A區(qū)域所示的信號(hào)覆蓋范圍。當(dāng)發(fā)射器距離天花板3m時(shí)，A區(qū)域的半徑可以達(dá)到3.575m，如圖4-6所示。圖4-6超聲波傳感器信號(hào)覆蓋范圍4.3.4移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)分析本節(jié)主要說明了圖3-7中移動(dòng)機(jī)器人所載的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)分析。控制板的大小尺寸為88cm的正八邊形。發(fā)射傳感器模塊裝載在控制板上，傳感

36、器元件位置x距離控制板的中心點(diǎn)O的距離為L(zhǎng)4cm，如圖4-7所示。圖4-7移動(dòng)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)分析移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的控制板距離天花板上的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)垂直距離為a，那么傳感器元件距離信標(biāo)節(jié)點(diǎn)測(cè)出的距離為d。如果a=300cm，則d=300.0267cm，那么要區(qū)分兩個(gè)位置帶來(lái)的誤差，距離測(cè)量的精度必須達(dá)到0.0267cm，而根據(jù)后面3.5.1節(jié)的距離測(cè)量實(shí)驗(yàn)可知，測(cè)距精度只能達(dá)到2.75cm。因此本文中的位置計(jì)算都將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)看做一個(gè)點(diǎn)，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(cè)量實(shí)驗(yàn)可知，測(cè)距精度只能達(dá)到2.75cm。因此本文中的位置計(jì)算都將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)看做一個(gè)點(diǎn)，而不考慮發(fā)射傳感器元件之間的

37、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(yùn)行于ATmega8L低功耗單片機(jī)的一個(gè)基于事件一消息的嵌入式前后臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。被動(dòng)感應(yīng)式超聲波傳感器具有較高的實(shí)時(shí)響應(yīng)速度(表現(xiàn)為突發(fā)脈沖信號(hào))，很低的能量消耗 (<10mA)，簡(jiǎn)單的任務(wù)處理等特點(diǎn)，因此普通的系統(tǒng)在響應(yīng)速度，任務(wù)管理上具有的缺陷對(duì)利用TOA方式定位的超聲波傳感器會(huì)有很大影響。運(yùn)行于ATmega8L低功耗單片機(jī)的軟件采用的是前后系統(tǒng)(Foreground/Background System)設(shè)計(jì)，將傳感器事件的響應(yīng)與處理分開。在前臺(tái)中斷服務(wù)中快速響應(yīng)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(duì)列。在后

38、臺(tái)運(yùn)行系統(tǒng)消息隊(duì)列處理程序。這樣設(shè)計(jì)的目的是盡量減少硬件中斷執(zhí)行所占用的處理器時(shí)間，防止在一個(gè)硬件中斷服務(wù)處理中忽略其他的中斷，提供對(duì)傳感器事件的響應(yīng)速度。該系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行使用效果良好，能夠滿足及時(shí)響應(yīng)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(yīng)處理過程。圖4-8串口事件系統(tǒng)消息隊(duì)列4.5實(shí)驗(yàn)4.5.1距離測(cè)量本次實(shí)驗(yàn)將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)在已知真實(shí)距離的情況下得到測(cè)量值，即距離感知，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)測(cè)出它與周圍超聲波信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的直線距離，建立數(shù)學(xué)模型。實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)環(huán)境溫度25攝氏度情況下進(jìn)行，一共使用了3個(gè)節(jié)點(diǎn):1個(gè)帶超聲波發(fā)射傳感器的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)、1個(gè)帶超聲波

39、接收傳感器的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)、1個(gè)sink節(jié)點(diǎn)，sink節(jié)點(diǎn)通過接mib510將信標(biāo)節(jié)點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)傳遞給計(jì)算機(jī)處理。sink節(jié)點(diǎn)ID編號(hào)為0，移動(dòng)發(fā)射節(jié)點(diǎn)ID編號(hào)為1，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)編號(hào)為2。首先是將sink節(jié)點(diǎn)收到的測(cè)得數(shù)據(jù)與實(shí)際距離描繪出來(lái)，進(jìn)行對(duì)比。一共測(cè)了26組數(shù)據(jù)，每一組數(shù)據(jù)包含20次測(cè)量值，將數(shù)據(jù)通過plot()函數(shù)描點(diǎn)，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(shí)際距離與節(jié)點(diǎn)計(jì)數(shù)器記得的原始數(shù)據(jù)圖進(jìn)一步由圖中可以看出，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)測(cè)得的數(shù)據(jù)比較好的表達(dá)了與真是距離之間的線性關(guān)系。每個(gè)樣本所得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)聚集性比較好，這一點(diǎn)可以從經(jīng)驗(yàn)積累分布圖中觀察得到。由圖

40、4-9可以看出每個(gè)樣本的數(shù)據(jù)波動(dòng)都比較平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)大的跳動(dòng)。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(gè)樣本的平均值進(jìn)行擬合插值進(jìn)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(jìn)行修正在Matlab中通過調(diào)用polyfit()函數(shù)對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)算結(jié)果。 polyfit（Xmean,Ymean,1） ans= 1.0297 -10.4636 polyfit（Xmean,Ymean,2） ans=0.0000 1.0278 -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

41、階線性。根據(jù)最小二乘法的計(jì)算結(jié)果，我們得到超聲波測(cè)距修正模型公式，其Matlab坐標(biāo)中的效果對(duì)比見圖4-10。4.5.2測(cè)試校正本節(jié)內(nèi)容主要描述對(duì)超聲波傳感器硬件所做的測(cè)試和校正實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證超聲波定位傳感器陣列的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。本超聲波定位傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)研究的目標(biāo)針對(duì)傳感器收集數(shù)據(jù)部分設(shè)計(jì)優(yōu)化。傳感器節(jié)點(diǎn)主要的設(shè)計(jì)指標(biāo)有2個(gè)，一個(gè)是節(jié)點(diǎn)的信號(hào)覆蓋范圍，另一個(gè)是節(jié)點(diǎn)信號(hào)誤差與精度。 實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)環(huán)境溫度25攝氏度情況下進(jìn)行，一共使用了6個(gè)節(jié)點(diǎn):5個(gè)帶超聲波傳感器的節(jié)點(diǎn)和一個(gè)sink節(jié)點(diǎn)，sink節(jié)點(diǎn)通過接mib510負(fù)責(zé)將信標(biāo)節(jié)點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)傳遞給計(jì)算機(jī)處理。其中5個(gè)超聲波傳感器的節(jié)點(diǎn)又分為4個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，

42、和1個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的設(shè)定條件搭載發(fā)射/接收傳感器。sink節(jié)點(diǎn)ID編號(hào)為0，移動(dòng)發(fā)射節(jié)點(diǎn)ID編號(hào)為1，其他信標(biāo)節(jié)點(diǎn)編號(hào)依次為2-5。使用1個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，1個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，各搭載1個(gè)傳感器。當(dāng)把發(fā)射信號(hào)頻率調(diào)整到40kHz時(shí)，發(fā)現(xiàn)不同的接收傳感器元件能夠感應(yīng)到超聲波信號(hào)的距離有較大的差別，在1.8-3.2m范圍內(nèi)波動(dòng)。圖6-11所示的是4個(gè)不同的接收傳感器的最大感應(yīng)距離。 圖4-12四個(gè)不同接收傳感器的最大測(cè)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(duì)校準(zhǔn)，最大振幅對(duì)應(yīng)的頻率只在40kHz附近，在圖3一10超聲波傳感器元件技術(shù)手冊(cè)中描述的元件參數(shù)為40土1.0kH

43、z。當(dāng)多個(gè)一起使用的時(shí)候，其諧振頻率不一樣，就會(huì)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(duì)超聲波定位傳感器實(shí)現(xiàn)所需要解決的問題進(jìn)行描述，包括:低功耗設(shè)計(jì)、信號(hào)延遲、測(cè)距精度、定位速度、移動(dòng)sink節(jié)點(diǎn)。這些問題是在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中逐漸提出解決的。其次，為設(shè)計(jì)超聲波定位傳感器節(jié)點(diǎn)，需要配置和設(shè)計(jì)一些相關(guān)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(hào)發(fā)射、接收模塊硬件電路設(shè)計(jì)和硬件結(jié)構(gòu)分析。對(duì)AVR單片機(jī)控制板的功能作用做了設(shè)計(jì)描述，并且開發(fā)了一個(gè)運(yùn)行于其處理器ATmega8L之上的前后臺(tái)嵌入式系統(tǒng)。最后，實(shí)際實(shí)驗(yàn)中運(yùn)行了嵌入式系統(tǒng)軟件。通過對(duì)超聲波定位工作機(jī)制和測(cè)量距離的

44、數(shù)學(xué)模型進(jìn)行深入分析，使用Matlab工具軟件進(jìn)行分析和評(píng)估，建立數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)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(cè)量結(jié)果。本部分的內(nèi)容為實(shí)現(xiàn)定位系統(tǒng)奠定了現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。 第五章結(jié)論與未來(lái)展望無(wú)線動(dòng)態(tài)傳感器網(wǎng)絡(luò)是近幾年發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)技術(shù)，隨著研究的深入，不斷有新的應(yīng)用被發(fā)現(xiàn)它將會(huì)給人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)很大的影響?，F(xiàn)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)正處于上升階段，距離發(fā)展成熟還有一段距離。本文以實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下移動(dòng)定位跟蹤為目標(biāo)，采用基于信標(biāo)距離定位的機(jī)制，而距離的測(cè)量原理又是采用的基于到達(dá)時(shí)間(TOA)，與室外全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS所用原理相同。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)、人民生活和國(guó)防安全將產(chǎn)生的巨大影響已被世界各國(guó)廣泛認(rèn)同，下一步的工作將集中于下列問題的解決: (l)傳統(tǒng)的傳感器設(shè)計(jì)并不能很好的滿足傳感器節(jié)點(diǎn)的需求，因此研究小體積、低功耗、高靈敏度的新型傳感器是滿足傳感器節(jié)點(diǎn)所需要的工作。 (2)資源受限以及自組織等特點(diǎn)使得傳統(tǒng)的無(wú)線通信協(xié)議并不適合應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，研究適合于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線通信協(xié)議，是提高傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的必要途徑。 (3)研究針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的特性，設(shè)計(jì)擴(kuò)展性和適應(yīng)性好，處理延遲時(shí)間短的算法組件與數(shù)據(jù)管理軟件等是傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中的熱點(diǎn)，也是未來(lái)待解決的問題。 (4)搭建硬件環(huán)境，進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證致謝首先，衷心感謝我的指導(dǎo)老師楊陽(yáng)