CN102004547A - 一种利用无线传感器阵列实现非接触式字符输入的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用无线传感器阵列实现非接触式字符输入的方法，包括如下步骤：(1)通过实验测量，拟合出光斑中某点的光强和该点距离光斑中心距离的映射关系，即“光强-距离”映射关系；(2)收集光斑的光强信息，根据步骤(1)中的映射关系，利用最小覆盖圆算法拟合光斑的位置和大小，进而得到光斑中心坐标；(3)采用多对一得无冲突无线传输算法，通过散列函数，结合TDMA思想，消除光线传输过程中的冲突。本发明提供的利用无线传感器阵列实现非接触式字符输入的方法，测量灵敏度高，能够适应移动速度较快的输入，并且具有一定的容错性，即使在部分传感器节点损坏的情况下，本发明依然可以达到较为精确的跟踪效果。

Description

一种利用无线传感器阵列实现非接触式字符输入的方法

技术领域

本发明涉及一种字符输入方法，尤其涉及一种利用无线传感器阵列实现非接触式字符输入的方法。

背景技术

利用无线传感器网络定位和跟踪物体一直是无线传感器网络应用领域的一个热点研究问题。无线传感器节点价格便宜、功能相对简单，通常被大规模地部署在指定区域以内，这也对定位和跟踪算法的实时性和准确性提出了较高的要求。

近年来，许多无线传感器网络的应用表明，使用RF信号、超声波信号、甚至UWB信号都可以实现定位与跟踪移动物体的目的，但是，这些系统都存在一些缺陷：RF信号本身具有一定的不稳定性，利用其作为输入很难保证定位结果的准确性；超声波信号和UWB信号成本较高，必须在移动物体上配置特殊的元器件才能达到定位跟踪的目的。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种利用无线传感器阵列实现非接触式字符输入的方法，以“光”信号作为输入，配合定位算法和传输协议，实现准确实时定位跟踪移动光信号的目的。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种利用无线传感器阵列实现非接触式字符输入的方法，包括如下步骤：

(1)通过实验测量，拟合出光斑中某点的光强和该点距离光斑中心距离的映射关系，即“光强-距离”映射关系；

(2)收集光斑的光强信息，根据步骤(1)中的映射关系，利用最小覆盖圆算法拟合光斑的位置和大小，进而得到光斑中心坐标；

(3)采用多对一得无冲突无线传输算法，使用TDMA调度，通过一个散列函数sn＝(3*i+j mod 3)mod 9来计算处在第i行第j列的节点发送数据的时隙序号sn，，消除光线传输过程中的冲突。

有益效果：本发明提供的利用无线传感器阵列实现非接触式字符输入的方法，测量灵敏度高，能够适应移动速度较快的输入，并且具有一定的容错性，即使在部分传感器节点损坏的情况下，本发明依然可以达到较为精确的跟踪效果。

附图说明

图1为手电筒的“光强-距离”函数；

图2为最小圆覆盖算法示意图；

图3为时间片分配示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种利用无线传感器阵列实现非接触式字符输入的方法，包括如下步骤：

(1)通过实验测量，拟合出光斑中某点的光强和该点距离光斑中心距离的映射关系，即“光强-距离”映射关系。

在本例中，采用输入光信号为从中心到四周强度均匀减弱的圆形光斑，当然也可以采用其他类型的输入信号，但需要更新相应的映射函数即可。所述圆形光斑的“光强-距离”映射关系可以通过手电筒的灯头产生的光斑来测量，其测量过程如下：

手电筒的光线入射方向与光斑形成面的垂直方向形成一定的小夹角θ，传感器感光元件位于光斑形成面的正上方，手电筒与传感器之间的距离约为1m，形成的光斑半径约为30cm。

由于实验显示，即使光线并不垂直于传感器感光元件，只要夹角θ较小，实验中采用的神笔系统仍能较为精准地定位光斑中心位置，因而可以忽略光线与传感器感光元件的夹角θ。

以手电筒形成的光斑的中心为基点，对距离光斑中心5cm，10cm，15cm，20cm，25cm，30cm各点处做出光强数据采样，每点的采样次数为200次；对采样后的数据通过使用三次样条插值法拟合出从光斑中心到边缘的衰减曲线，得到如图1所示的“光强-距离”映射关系。其中光斑中心的光强值约为60LUX，在距离光斑中心的距离约为5～25cm的范围内，衰减函数近似线性递减且斜率较大，较为适合做“光强-距离”映射关系。为了减小传感器端的计算存储开销，这个映射函数可以保存在上位机中，上位机将收到的光强信号映射到对应的距离值上，供给下一步计算使用。

(2)收集光斑的光强信息，根据步骤(1)中的映射关系，利用最小覆盖圆算法拟合光斑的位置和大小，进而得到光斑中心坐标。

传统的三点定位方法并不适合于本方法，一方面，位于光斑边缘的传感器采样得到的光强值会在阈值上下抖动，当光斑移动到传感器单元格的边缘时，无法进行稳定的定位；另一方面，三点定位法并没有发挥传感器阵列多点采样的优势，会一大半的数据。

如图2所示，每一个被光斑照亮的传感器节点，将光强信息发送给信息收集节点(简称sink节点)之后，上位机可以通过“光强-距离”映射关系得到一组距离值，进而得到各个传感器到光斑边缘的最短距离。以各个被照亮的传感器的位置为中心，以传感器到光斑边缘的最短距离为半径，做一组圆，如图2中的圆A、圆B、圆C、圆E、圆F、圆G、圆H和圆I，这一组圆一定都被光斑所覆盖，传感器D没有被照亮，其在光斑的范围以外。为了在上位机上重建光斑的位置，我们需要找到一个最小的圆盘来覆盖这些圆，通过利用最小圆覆盖算法SED可以找到这个最小圆。为了简化计算，可以用圆环上的四个点来近似的代表一个圆，以圆E为例，圆E可以被点集合{E0，E1，E2，E3}表示，如果找到的最小圆O覆盖了这四个点，就可以近似地认为圆E被圆O覆盖了，圆O的圆心即计算得出的光斑中心位置；如果需要减小光斑中心位置的偏差，只需要采用更多的等间隔的圆环上的点来表示圆E即可。

根据以下经验公式可以计算半径为r的圆形光斑覆盖传感器数目的下限k：

$k\≥\frac{\mathrm{\π}{(r-\frac{1}{\sqrt{2}})}^2}{l^2},$

其中，l为传感器阵列单元格的边长，在本例中，l＝20cm，r＝30cm，因此本例中的圆形光斑至少有两个传感器节点被覆盖。

(3)采用多对一得无冲突无线传输算法，使用TDMA调度，通过一个散列函数sn＝(3*i+j mod 3)mod 9来计算处在第i行第j列的节点发送数据的时隙序号sn，，消除光线传输过程中的冲突。

对于定位跟踪系统，实时性是一个非常关键的属性，它很大程度上决定了用户书写时的操纵感。为了使系统具有良好的实时性，一方面需要使传感器节点和信息收集节点的时间同步，另一方面高频率的采样和传输是必不可少的，此外，还必须处理好各个传感器节点的传输冲突问题。

在初始化阶段，每个传感器节点多次采集环境光强并去除最大值作为触发数据传输的阈值，因此，在系统运行时只有被手电筒照射到的传感器节点才会发送数据给信息收集节点。

在一个更新周期内，信息收集节点广播“开始采集”数据包，传感器节点收到数据包后，开始采集当前本地的光强值，采集两次并取平均值，如果得到的平均值超过阈值，则将数据有秩序的发送给信息收集节点。在本例中，设计保证在任意时刻最多只有一个3*3的传感器矩阵被照亮，通过结合TDMA的思想可以有效避免传输中的冲突。所有的传感器使用自己的节点编号和一个相同散列函数得到属于自己的传输时间片，所述传输时间片如图3所示，传输时间片序号sn的计算方法如下：

其中ID为传感器节点编号，n为传感器阵列的边长(即传感器数目)，这个函数可以保证在任意一个3*3的传感器子阵列中，每个传感器节点对应不同的时间片。如图3所示，粗体字为传感器编号，斜体字为传感器对应的时间片。在最差情况下，光斑可以照亮九个节点，但是上述散列函数依然可以完全避免传输冲突。

运行时，系统周期性地更新数据，可以设定更新周期为150ms，包含信息收集节点广播时间13ms，采样时间10ms，传输时间9*13ms和备用时间10ms。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种利用无线传感器阵列实现非接触式字符输入的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

(1)通过实验测量，拟合出光斑中某点的光强和该点距离光斑中心距离的映射关系；

(2)收集光斑的光强信息，根据步骤(1)中的映射关系，利用最小覆盖圆算法拟合光斑的位置和大小，进而得到光斑中心坐标；

(3)采用多对一得无冲突无线传输算法，使用TDMA调度，通过一个散列函数sn＝(3*i+jmod 3)mod 9来计算处在第i行第j列的节点发送数据的时隙序号sn，，消除光线传输过程中的冲突。

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