CN102209110A - 一种在线可控的传感节点定位方法 - Google Patents

Abstract

一种在线可控的传感节点定位方法，传感器定位主机通过两线制总线与多个传感器节点顺序连接，传感器定位主机与传感器节点间以单总线协议进行有线通信，各传感器节点均设有电子开关电路，顺序跨接于两线制总线之间，当传感器定位主机经总线向传感器节点发出含ID编号的定位指令时，与指令ID编号一致的传感器节点响应定位指令，该传感器节点的定时启动对应的电子开关闭合，该传感器节点处的两线制总线短接，传感器主机经总线发送的测距脉冲信号在该短接点处产生反射信号，传感器主机接受该反射信号并测量反射信号的时间间隔，计算出该传感器节点离传感器定位主机的距离，测定出该传感器节点的位置。

Description

一种在线可控的传感节点定位方法

技术领域

本发明涉及无线传感器节点的定位方法，尤其涉及一种在线可控的传感节点定位方法，属于传感器网络技术领域。

背景技术

随着无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，孕育了无线传感网络技术。无线传感网络作为新型的传感器网络，具有广阔的应用前景，可被广泛应用于国防军事、环境监测、农业设施、医疗卫生、交通管理等各个领域。但其应用也面临着诸多问题，如无线传感器节点受到本身生产成本低廉、功耗限制严格，计算能力和存储能力有限等特点的影响，为真实环境下大规模无线传感网络部署带来了很多困难；无线传感器节点的定位方法也是研究难题，基于测量距离的定位方法需要附加硬件设备；非测量距离的定位方法精度又很低。比如一般可采用通过GPS技术获得自身位置信息作为信标节点，其他节点依靠信标节点计算出自身的绝对位置。但GPS技术由于成本、功耗、扩展性问题不可能广泛使用，而且如何预先摆放信标节点，使普通节点的随机摆放可以取得更好效果也是难题。

针对以上问题，利用较低的成本在无线传感网络中加入适量的有线设备，构成混合传感器网络，可以大大的提高无线传感器网络的性能。如提供稳定的电源，作为已知锚节点完成未知传感器节点的定位，提供高速率数据传输功能等。因此，对于这种新颖的混合传感器网络，其有线传感设备的定位工作是整个传感器网络定位工作的重要部分。加州大学Richard Pon在《Networked Info mechanical Systems(NIMS)：Next Generation Sensor Networks for Environmental Monitoring》描述的NIMS(Networked Info mechanical System)系统是由大量线缆及可以在其上自由移动的传感器节点组成，线缆上的传感器节点可以通过无线信号进行彼此间的通信，这些传感器节点可以沿着线缆进行自由的移动，从而能够方便的对森林、海岸线、湿地、河流等生态系统进行全方位的监测。在诸如此类的混合传感器网络中，寻求一种有效便捷的有线传感器节点间的定位方法意义重大。

发明内容

本发明目的是克服现有技术之不足，提出一种在线可控的传感节点定位方法，可以在不变更传感器网络结构的情况下，测定有线连接的传感器节点的位置并获得传感信息。

为了实现上述发明目的，本发明采用的方案为：一种在线可控的传感节点定位方法，其特征在于：设置传感器定位主机通过含数据线和地线的两线制总线与多个传感器节点顺序连接，传感器定位主机与传感器节点间以单总线协议进行有线通信，各传感器节点均设有电子开关电路，各电子开关电路顺序跨接于两线制总线之间，当传感器定位主机经总线向传感器节点发出含ID编号的定位指令时，与指令ID编号一致的传感器节点响应定位指令，该传感器节点的微控制器定时启动对应的电子开关闭合，该传感器节点处的两线制总线短接，短接点处总线阻抗失配，传感器主机经总线发送的测距脉冲信号在该阻抗失配点处产生反射信号，传感器主机接受该反射信号并测量反射信号的时间间隔，计算出该传感器节点离传感器定位主机的距离，测定出该传感器节点的位置，定时时间完毕后，该节点对应的电子开关开路，总线恢复正常通信，依此类推，测定各个传感器节点在两线制总线上的顺序和它们到传感器定位主机间的距离。

所说电子开关电路可与传感器节点集成于一体，也可制作成单独的电子开关模块外接于已经成型的传感器节点，通过增加响应主机定位命令及以定时方式闭合电子开关的相应软件设置，实现所述的在线传感定位方法。

传感器定位主机包括现场门级可控阵列FPGA芯片、发射驱动电路、高速比较器电路、LCD显示电路、按键电路、UART接口、SDRAM芯片、FLASH芯片、配置芯片；FPGA芯片内部包含嵌入式处理器内核、液晶显示器显示控制电路、串行通信控制电路、键盘译码电路、内部嵌入式锁相环电路、脉冲产生控制电路、D触发器、高速计数器、数据锁存器等逻辑电路，所有内部逻辑电路以IEEE标准硬件描述语言编写，嵌入式处理器内核是FPGA芯片的核心，负责协调FPGA芯片内各部分电路的工作以及数据的计算。

本发明的优点及显著效果：

1)在传感器网络安装完毕后，无需对该网络结构再做变动，就能根据需要随时测定传感器节点的位置。

2)增加的电子开关电路结构简单，实施方便，可在设计传感器节点时将电子开关电路集成于其中，也可制作单独的电子开关模块，外接于已经成型的传感器节点。

3)采用FPGA高速芯片为工作核心，工作频率达200MHz，可发送优于5ns高速脉冲信号，定位算法简便，定位快速，时效性好，在线定位精度优于1m。

4)仅需2根连接线(数据线，地线)，配合简单的电子开关电路便能完成传感及定位功能。

5)可以推广应用于RS485、CAN、MBUS等现场总线，凡是以两线制总线结构的系统，应用本方法都能快速准确的测定总线上设备的有线距离。

附图说明

图1是本发明连接示意图；

图2是在现有传感器节点上增加电子开关电路示意图；

图3是在传感器节点内集成电子开关电路示意图；

图4是传感定位主机结构示意图；

图5传感定位主机的工作流程；

图6回波信号的处理流程。

具体实施方式

参看图1，以两线制总线型有线传感器网络演示系统为例，传感定位主机与若干传感器节点1、2、3...顺序连接于两线制总线(11为数据线，22为地线)上，各传感器节点均设有电子开关电路4，各电子开关电路4跨接于两线制总线之间。当传感器定位主机经总线向传感器节点发出含ID编号的定位指令时，与指令ID编号一致的传感器节点响应定位指令，该传感器节点定时控制对应的电子开关闭合，该传感器节点处的两线制总线短接，短接点处总线阻抗失配；传感器主机经总线发送的测距脉冲信号在该阻抗失配点处产生反射信号，传感器主机接受该反射信号并测量反射信号的时间间隔，计算出该传感器节点离传感器定位主机的距离，测定出该传感器节点的位置，定时时间完毕后，该节点对应的电子开关开路，总线恢复正常通信，具体定时时间由总线的定位命令中给出。依此类推，测定各个传感器节点在两线制总线上的顺序和它们到传感器定位主机间的距离。

工作原理：根据传输线时域脉冲反射原理，一条均匀、质量完好的电缆特性阻抗是电缆每个点处的阻抗是匹配的，当电磁波在处处匹配的无限长传输电缆传播时，电磁波会沿电缆一直传输下去，直到被电缆的特性阻抗完全吸收为止，电磁波发射端不会发生反射现象，也不会有反射波出现。当传感器节点接收到主机的定位命令后，以定时闭合电子开关一段时间的方式，造成电缆的阻抗不匹配。在总线处于短暂的阻抗失配期间，向电缆发射一列高速脉冲信号，脉冲信号在总线的短接点处会发生反射现象，如同声音遇到障碍会反生反射产生回音一样。根据电磁波在具体绝缘介质电缆中的传播速度v，以及主机测得的从发射脉冲到回波信号抵达主机的时间间隔t，以公式s＝(v×t)/2计算出传感器节点距离主机的距离。

如图2，对于已经成型的传感器节点，可在现有通用传感器节点上增加电子开关电路4，制成单独的电子开关模块，只需增加响应主机定位命令并以定时方式闭合电子开关的相应软件设置即可。电子开关电路4连接于两线制总线之间，电子开关闭合则总线短接，电子开关开路则总线正常通信。电子开关电路与传感器节点内部除电源及共地连接以外，电子开关的控制端占用传感器节点内部微控制器(Micro Control Unit，MCU)的一个IO口，传感器节点的微控制器通过该IO口对电子开关进行控制。如图3，电子开关电路4也可在设计传感器节点时便加入其中。

如图4，传感定位主机包括现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)芯片、发射驱动电路、高速比较器电路、液晶(Liquid Crystal Display，LCD)显示电路、按键电路、串行通信接口(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)电路、同步动态随机存储器(Synchronous Dynamic Random Access Memory，SDRAM)芯片、FLASH存储芯片、FPGA配置存储芯片等模块组成，其中：FPGA芯片是整个主机的核心器件，控制整个主机传感定位功能的处理运算；FPGA配置存储芯片是存放FPGA上电后的引导程序的存储器；FLASH存储芯片和SDRAM芯片分别作为FPGA的内部处理器软核NIOS II的存储器的复位段和扩展段；UART电路是主机与上位机之间的通讯接口；发射驱动电路用于将FPGA芯片产生的脉冲信号放大以满足测试要求，并将放大后的脉冲信号送至总线；高速比较器电路用于捕捉、采集反射的回波信号并与主机提供的电压阈值信号进行比较，输出比较结果信号给FPGA芯片，高速比较器还包括低通滤波器电路，将FPGA提供的PWM波信号经过低通滤波器电路转换成电压阈值信号；LCD显示电路和按键电路负责基本的输入输出功能，组成系统基本的人机交互接口。

FPGA芯片内部包含嵌入式处理器NIOS II软核、液晶显示器显示控制电路、串行通信控制电路、键盘译码电路、内部嵌入式锁相环电路、脉冲产生控制电路、PWM产生电路、D触发器、高速计数器、数据锁存器等逻辑电路，所有内部逻辑电路以IEEE标准硬件描述语言编写。嵌入式处理器NIOS II内核是FPGA芯片的核心，负责协调FPGA芯片内各部分电路的工作以及数据的计算等，其中串行通信控制电路负责NIOS II软核与上位机通讯；液晶显示控制电路和键盘译码电路连接NIOS II软核和外部LCD电路和按键电路，是NIOS II处理器控制外部输入输出的接口；内部嵌入式锁相环电路连接外部时钟信号，将其倍频至工作用时钟并传送给NIOS II软核、脉冲产生电路和高速计数器使用；脉冲产生控制电路与NIOS II软核相连，受NIOS II控制并产生高速脉冲，并发送给外部发射驱动电路；PWM产生电路受NIOS II软核控制，在时钟信号下产生占空比可调的PWM波形输送给外部高速比较器电路，经过外部低通滤波器电路后作为电压阈值信号使用；D触发器连接外部高速比较器电路，负责将接收到的两次脉冲信号(发射脉冲和回波信号)转换为持续的高电平信号并传送给高速计数器电路作为它的使能信号；高速计数器连接D触发器，在使能信号的作用下计数，并将计数值发送到数据锁存器；数据锁存器将高速计数器的计数值发送到NIOS II，由NIOS II软核计算计数值所表示的时间间隔。本发明系统中，选用ALTERA公司CYCLONE3系列中的EP3C10E144C8N芯片作为核心芯片，集成内部NIOS II软核；以双绞线作为数据传输总线；选用LINEAR TECHNOLOGY公司的LT1719作为高速比较器电路主芯片；以晶体管9013及限流电阻构成电子开关电路。以上所述传感定位主机及电子开关电路的结构和连接关系，应为本领域技术人员所熟知。

传感器定位主机与传感器节点间采用单总线协议通信。以480μs以上的低电平作为一条命令的开始，逻辑0表示为：60μs至120μs的低电平；逻辑1表示为：大于1μs的低电平，紧跟60μs至120μs的高电平；指令的内容包括：传感器节点的编号，操作内容(传感命令，定位命令)；相关参数(需采集的传感信息，电子开关闭合的定时时间)。传感器节点在接收到命令时，返回一个60μs至240μs的低电平以表示能够响应主机。

工作流程如图5：

1、由上位机或按键电路选择功能，传感定位主机向传感器节点发送指令。按协议约定，完整的一条指令包含命令的种类(传感或定位)，需响应该命令的传感器节点编号，传感命令还需指定传感器节点测量的传感信息内容(如温度，湿度等)，定位命令还需指定电子开关电路的定时闭合时间。

2、传感器节点接收到指令后，核对节点编号，编号一致的传感器节点响应主机。当接收到传感指令时，控制对应传感模块采集数据，并将数据送回主机；当接收到定位命令时，传感器节点控制电子开关以定时方式闭合一段时间，制造总线短接阻抗失配一段时间。

3、在电子开关闭合时段，即两线制总线短接阻抗失配时段内，传感定位主机发送测距脉冲信号，脉冲信号在短接点处发生反射，反射回波经总线到达传感定位主机，通过高速比较器电路进入FPGA内部，经过FPGA内部逻辑D触发器电路和高速计数器电路，按高速计数器的工作频率测量出回波到达的时间间隔，计算传感器节点到传感定位主机的距离。对回波信号的处理流程如图6，6是发送的测距脉冲信号；7是反射的回波信号；8是正阈值；9是负阈值；10是回波信号的比较输出；21是发送的测距脉冲信号的比较输出；12是D触发器的输出，作为高速计数器的使能信号；13是高速计数器的计数信号。

Claims (4)

1.一种在线可控的传感节点定位方法，其特征在于：设置传感器定位主机通过含数据线和地线的两线制总线与多个传感器节点顺序连接，传感器定位主机与传感器节点间以单总线协议进行有线通信，各传感器节点均设有电子开关电路，各电子开关电路顺序跨接于两线制总线之间，当传感器定位主机经总线向传感器节点发出含ID编号的定位指令时，与指令ID编号一致的传感器节点响应定位指令，该传感器节点的微控制器定时启动对应的电子开关闭合，该传感器节点处的两线制总线短接，短接点处总线阻抗失配，传感器主机经总线发送的测距脉冲信号在该阻抗失配点处产生反射信号，传感器主机接受该反射信号并测量反射信号的时间间隔，计算出该传感器节点离传感器定位主机的距离，测定出该传感器节点的位置，定时时间完毕后，该节点对应的电子开关开路，总线恢复正常通信，依此类推，测定各个传感器节点在两线制总线上的顺序和它们到传感器定位主机间的距离。

2.根据权利要求1所述的在线可控的传感节点定位方法，其特征在于：所说电子开关电路与传感器节点集成于一体。

3.根据权利要求1所述的在线可控的传感节点定位方法，其特征在于：所说电子开关电路制作成单独的电子开关模块外接于已经成型的传感器节点，通过增加响应主机定位命令及以定时方式闭合电子开关的相应软件设置，实现所述的在线传感定位方法。

4.根据权利要求1或2或3所述的在线可控的传感节点定位方法，其特征在于：传感器定位主机包括现场门级可控阵列FPGA芯片、发射驱动电路、高速比较器电路、LCD显示电路、按键电路、UART接口、SDRAM芯片、FLASH芯片、配置芯片；FPGA芯片内部包含嵌入式处理器内核、液晶显示器显示控制电路、串行通信控制电路、键盘译码电路、内部嵌入式锁相环电路、脉冲产生控制电路、D触发器、高速计数器、数据锁存器等逻辑电路，所有内部逻辑电路以IEEE标准硬件描述语言编写，嵌入式处理器内核是FPGA芯片的核心，负责协调FPGA芯片内各部分电路的工作以及数据的计算。

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