CN102411139A

CN102411139A - 一种室内声源智能定位方法

Info

Publication number: CN102411139A
Application number: CN2011102025531A
Authority: CN
Inventors: 刘海亮; 杨艾琳
Original assignee: Shenzhen Research Institute of Sun Yat Sen University
Current assignee: Shenzhen Research Institute of Sun Yat Sen University
Priority date: 2011-07-19
Filing date: 2011-07-19
Publication date: 2012-04-11

Abstract

本发明公开一种室内声源智能定位方法。该方法包括：在声源定位系统中，通过布置一个四节点的无线传感器网络获取声音到达各个节点的精确时刻；各个节点运行的时间差通通过与汇聚节点的两次握手获得，第一次握手测量节点发送本地时间给汇聚节点，汇聚节点收到完成；第二次握手汇聚节点发送本地时间给测量节点，测量节点收到完成；汇聚节点收到三个测量节点测得的三个到达时刻并发送给终端。本发明方案使用无线定位技术，省去了布线的繁琐，仅用3个节点实现定位，成本低廉，使节点的通信距离大大增加，测量范围非常广阔。

Description

一种室内声源智能定位方法

技术领域

本发明涉及数字家庭及智能家居技术领域，具体涉及一种室内声源智能定位方法。

背景技术

随着微机电系统(Micro-Electro-Mechanism System，MEMS)、片上系统(SOC，System on Chip)、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，孕育出无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)，其以低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。

基于MEMS的微传感技术和无线联网技术为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景。这些潜在的应用领域可以归纳为：军事、航空、反恐、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点，有着广阔的应用前景。

目前，人们希望能利用无线传感器网络实现室内声源智能定位。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种室内声源智能定位方法，使得可以精确实现室内声源定位。

为了实现发明目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种室内声源智能定位方法，包括：

在声源定位系统中，通过布置一个四节点的无线传感器网络获取声音到达各个节点的精确时刻；

各个节点运行的时间差通通过与汇聚节点的两次握手获得，第一次握手测量节点发送本地时间给汇聚节点，汇聚节点收到完成；

第二次握手汇聚节点发送本地时间给测量节点，测量节点收到完成；

汇聚节点收到三个测量节点测得的三个到达时刻并发送给终端。

可选的，所述方法中根据两节点之间接收到声音信号的时间差转换为距离差，得到一条双曲线；

通过三个节点测得的时间差可以得到两条或多条双曲线相交来实现对声源的定位。

可选的，系统中声源D(x，y)发出声音后，节点A、B、C接收到声音的时间分别为t_a、t_b、t_c。假设声音速度为c，存在以下公式：

\{\begin{matrix} | \sqrt{{(x - x_{a})}^{2} + {(y - y_{a})}^{2}} - \sqrt{{(x - x_{b})}^{2} + {(y - y_{b})}^{2}} | = c (t_{a} - t_{b}) \\ | \sqrt{{(x - x_{a})}^{2} + {(y - y_{a})}^{2}} - \sqrt{{(x - x_{c})}^{2} + {(y - y_{c})}^{2}} | = c (t_{a} - t_{c}) \\ | \sqrt{{(x - x_{b})}^{2} + {(y - y_{b})}^{2}} - \sqrt{{(x - x_{c})}^{2} + {(y - y_{c})}^{2}} | = c (t_{b} - t_{c}) \end{matrix}

用最小二乘规划可以求D的最优化位置。

可选的，所述方法采用LEPS路由协议，通过节点间发送邻居信息，建立到汇聚(sink)节点的最短通信路径。

可选的，从汇聚节点开始，所有节点周期性地广播自己的路由状态，节点根据路由状态信息建立起以汇聚节点为根节点的树型拓扑。节点广播的路由状态信息包括节点自身的ID、到汇聚节点的跳数、到邻居节点的链路质量评估信息及消息编号。

可选的，所有节点在接收到路由状态广播后，都将该信息保存到路由表中，节点定期检查路由表，在SendEst和RcvEst都在1/10以上且Est值大于1/6的邻居节点中选择跳数最小的作为父节点；

如果有多个最小跳数相等的节点，则选择由链路质量评估算法计算出的链路质量最好(即Est值最大)的作为父节点。

上述技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

1)使用无线定位技术，省去了布线的繁琐，仅用3个节点实现定位，成本低廉。

2)利用多跳路由协议，可以使节点的通信距离大大增加，测量范围非常广阔。

3)声音检测中使用自定义门限值，系统可以适用于不同的环境。

4)利用时间同步机制，使节点可以自由的加入和离开网络，而不影响系统的正常工作，增强了系统的健壮性。

5)利用TDOA定位算法和最小二乘规划，算法精度高，自适应性和收敛性良好。

6)适用标准的C++语言处理数据并提供具有良好的扩展性。

7)能测量定位各种客户需求的声音发出源，广泛应用于机器人保姆，办公助手，智能餐厅等智能家居领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是本发明的时间同步流程图；

图3是本发明的使用示例图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种室内声源智能定位方法，使得可以精确实现室内声源定位。

本发明的一种实现室内声源智能定位的方法，包括：

在室内的任何声源发出声音，本方法可以精确的定位声源并实时地显示在终端上，声源的位置信息提供程序接口，连接机器人或其他设备。

在声源定位系统中，通过布置一个四节点的无线传感器网络获取声音到达各个节点的精确时刻。

各个节点运行的时间差通通过与汇聚节点的两次握手获得，第一次握手测量节点发送本地时间给汇聚节点，汇聚节点收到完成。第二次握手汇聚节点发送本地时间给测量节点，测量节点收到完成。

在声源定位系统中，三个测量节点的位置已知且固定。室内的声源在移动过程中，终端的实时显示刷新率可调，默认为10Hz。

在声源定位系统中，汇聚节点收到三个测量节点测得的三个到达时刻并发送给终端。这过程通过无线射频通信实现因此可以穿透大部分障碍物。

在声源定位系统中，节点之间通过LEPS多跳路由协议自组织生成网络，节点之间无绝对的依赖关系，节点也可任意加入或离开室内声源智能定位系统，而不影响系统的正常运转。

在声源定位方法中，节点间通过LEPS多跳路由协议组网，无线传感器网络的覆盖面积不受节点间两两通信距离的限制。

以下结合附图对本发明方案进行详细介绍。

图1是本发明的系统结构示意图。

在本发明系统中，根据两节点之间接收到声音信号的时间差转换为距离差，得到一条双曲线；通过三个节点测得的时间差可以得到两条或多条双曲线相交来实现对声源的定位。

系统中声源D(x，y)发出声音后，节点A、B、C接收到声音的时间分别为t_a、t_b、t_c。假设声音速度为c，存在以下公式：

\{\begin{matrix} | \sqrt{{(x - x_{a})}^{2} + {(y - y_{a})}^{2}} - \sqrt{{(x - x_{b})}^{2} + {(y - y_{b})}^{2}} | = c (t_{a} - t_{b}) \\ | \sqrt{{(x - x_{a})}^{2} + {(y - y_{a})}^{2}} - \sqrt{{(x - x_{c})}^{2} + {(y - y_{c})}^{2}} | = c (t_{a} - t_{c}) \\ | \sqrt{{(x - x_{b})}^{2} + {(y - y_{b})}^{2}} - \sqrt{{(x - x_{c})}^{2} + {(y - y_{c})}^{2}} | = c (t_{b} - t_{c}) \end{matrix}

用最小二乘规划可以求D的最优化位置。

LEPS(Link Estimation and Parent Selection)协议是TinyOS的多跳路由协议，其实现的基本思想是通过节点间发送邻居信息，建立到汇聚(sink)节点的最短通信路径。

本系统采用LEPS(Link Estimation and Parent Selection)路由协议，通过节点间发送邻居信息，建立到汇聚(sink)节点的最短通信路径。通过统计邻居节点间分组的发送成功率估计(SendEst)和接收成功率估计(RcvEst)来衡量，并综合原先的收发成功率决定新的收发成功率，将二者的乘积作为链路质量估计(Est)。以互为邻居节点A、B为例。节点在周期性路由状态广播中包括自己到每个邻居节点的发送分组计数，经过一段时间的统计后，二者均可以得到接收来自对方的分组数目及路由状态广播中告知的发送往对方的分组数目。则节点A接收节点B发送的分组的成功率(用RcvEst_A/B表示)为：

RcvEst_A/B＝RcvCount_A/SendCount_B

由于节点在短时间内收到的分组数量随时间不同抖动比较大，为了减少链路评估的抖动，LEPS路由进一步采用指数加权位移平均(ExponentialWeighted Moving Average，EWMA)计算最终的链路估计值。在LEPS路由中，原先接收成功率(RcvEstOld)占有比例为μ，而新接收成功率(newAve)占有比例为1-μ。最后的接收成功率(RcvEst)为这二者的加权平均，即：

RcvEst_A/B＝RcvEstOld_A/B*μ+newAve_A/B*(1-μ)

在实现中，μ的取值为75％。

同理可计算出节点B接收节点A的发送分组的成功率RcvEstB/A。在节点B的周期性路由状态广播中报告自己到所有邻居节点的接收成功率，其邻居节点A将节点B的接收成功率作为自己的发送成功率，即：

SendEst_A/B＝RcvEst_B/A

由此得出链路质量估计值为：

Est_A/B＝SendEst_A/B*RcvEst_A/B

从汇聚节点开始，所有节点周期性地广播自己的路由状态，节点根据路由状态信息建立起以汇聚节点为根节点的树型拓扑。节点广播的路由状态信息包括节点自身的ID、到汇聚节点的跳数、到邻居节点的链路质量评估信息及消息编号等。所有节点在接收到路由状态广播后，都将该信息保存到路由表中，节点定期检查路由表，在SendEst和RcvEst都在1/10以上且Est值大于1/6的邻居节点中选择跳数最小的作为父节点。如果有多个最小跳数相等的节点，则选择由链路质量评估算法计算出的链路质量最好(即Est值最大)的作为父节点。

本系统采用TPSN(Timing-sync Protocol for Sensor Networks)同步算法，详细的时间同步过程如图2所示。

设上层节点和下层节点分别为R、S，传播所需时间为d。

同步过程由节点R广播开始同步信息，节点S接收到信息以后，就开始准备时间同步过程。在T₁时刻，节点S发送同步信息包(包含信息T₁)，节点R在T₂接收到同步信息，并记录下接收时间T₂，这里满足关系：

T₂＝T₁+t+d

节点R在T3时刻发送回复信息包，包含信息(T₁、T₂、T₃)。在T₄时刻S接收到同步信息包，满足关系：

T₄＝T₃-t+d

最后，节点S利用上述(2.1)和(2.2)两个表达式可计算出t的值：

t = \frac{(T_{2} - T_{4}) - (T_{1} - T_{3})}{2}

图3是本发明的使用示例图。

上述技术方案可以看出，本发明的方法用多跳路由协议支配下的无线传感器网络采集声音到达时刻，根据双曲线定位法则在终端计算并实时显示声源的精确位置，并提供数据接口给机器人等上级设备使用。本发明技术方案根据具体的室内环境可以灵活适应，能够有效的提高传统的室内声源定位方法的测量范围和测量精度，降低了定位成本。

以上对本发明实施例所提供的一种室内声源智能定位方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种室内声源智能定位方法，其特征在于，包括：

第二次握手汇聚节点发送本地时间给测量节点，测量节点收到完成

2.根据权利要求1所述的室内声源智能定位方法，其特征在于：

所述方法中根据两节点之间接收到声音信号的时间差转换为距离差，得到一条双曲线；

3.根据权利要求1或2所述的室内声源智能定位方法，其特征在于：

\{\begin{matrix} | \sqrt{{(x - x_{a})}^{2} + {(y - y_{a})}^{2}} - \sqrt{{(x - x_{b})}^{2} + {(y - y_{b})}^{2}} | = c (t_{a} - t_{b}) \\ | \sqrt{{(x - x_{a})}^{2} + {(y - y_{a})}^{2}} - \sqrt{{(x - x_{c})}^{2} + {(y - y_{c})}^{2}} | = c (t_{a} - t_{c}) \\ | \sqrt{{(x - x_{b})}^{2} + {(y - y_{b})}^{2}} - \sqrt{{(x - x_{c})}^{2} + {(y - y_{c})}^{2}} | = c (t_{b} - t_{c}) \end{matrix}

用最小二乘规划可以求D的最优化位置。

4.根据权利要求1或2所述的室内声源智能定位方法，其特征在于：

所述方法采用LEPS路由协议，通过节点间发送邻居信息，建立到汇聚sink节点的最短通信路径。

5.根据权利要求4所述的室内声源智能定位方法，其特征在于：

从汇聚节点开始，所有节点周期性地广播自己的路由状态，节点根据路由状态信息建立起以汇聚节点为根节点的树型拓扑。节点广播的路由状态信息包括节点自身的ID、到汇聚节点的跳数、到邻居节点的链路质量评估信息及消息编号。

6.根据权利要求5所述的室内声源智能定位方法，其特征在于：

所有节点在接收到路由状态广播后，都将该信息保存到路由表中，节点定期检查路由表，在SendEst和RcvEst都在1/10以上且Est值大于1/6的邻居节点中选择跳数最小的作为父节点；