CN102752845B - 基于无线传感器网络的超声波立体定位系统时间同步机制 - Google Patents

Abstract

一种基于无线传感器网络的超声波立体定位时间同步机制，属于无线立体定位技术领域。本发明基于无线传感器网络技术，利用目标节点和参考节点之间的四次握手通信，解决了无线超声波立体定位中的时间同步问题，使得全局网络节点保持相同的时间基准，对目标节点的定位准确性高、实时性强，克服了有线方式超声波立体定位系统的布线复杂以及无线方式中因为网络节点时钟不同步而导致的定位精度差等问题。本发明适用范围广，可扩展性强，可用于解决不同无线立体定位系统中的时间同步问题。

Description

基于无线传感器网络的超声波立体定位系统时间同步机制

【技术领域】

本发明属于无线立体定位技术领域，特别涉及一种基于超声波定位和无线传感器网络的立体定位系统。

【背景技术】

超声波测距定位是一种非接触式测量技术，并以其测距精度高、指向性强、能量消耗低和对电磁场不敏感等特点在测距定位上得到普遍使用。有线超声波定位系统可由一个目标节点和若干个参考节点组成，在微机指令信号的作用下参考节点通过有线介质向目标节点发射电信号，目标节点在收到电信号后同时向参考节点发射超声波信号，从而根据指令信号与超声波到达的时间差计算出待测距离。最后利用三个或三个以上不在同一直线上的参考节点，通过相关计算法则确定出目标节点的位置。但此种定位方式也存在一定的局限性，有线介质的引入限制了系统的可扩展性，无法应用于不适合布线或布线成本较高的环境。

无线超声波定位技术具有免于布线、不受空间限制和可大规模扩展等优势。无线传感器网络是近年来的研究热点，在生活中各个领域均有广泛应用，用无线替代有线是立体定位技术发展的必然趋势。无线超声波定位系统中，超声波收发节点之间的时间同步是进行精确定位的关键所在。在有线方式下，一个微控制器利用定时器完全可以实现从发射控制到接收中断时间上的严格控制，但无线方式下，目标节点与多个参考节点各有其自身系统时钟，这些本地时钟并不精确同步，总是存在一定的时间误差，因而不能直接根据时间间隔来计算，必须对测量数据进行综合补偿，对时钟差异适当修正。时间同步问题成为基于无线传感器网络的超声波立体定位系统中一道必须突破的难关。

本发明将超声波精确定位的优势与无线传感器网络相结合，为立体定位技术提供一个协同定位的新思路，并提出一种简单可靠的时间同步机制，解决基于无线传感器网络的超声波立体定位系统中普遍存在的节点时钟不同步问题。

【发明内容】

本发明的目的是为了解决基于无线传感器网络的超声波立体定位系统中普遍存在的节点时钟不同步的问题，提出一种简单可靠的时间同步机制。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

目标节点1分别和参考节点2、3、4、5进行共四次握手通信，通过计算消除固有时间误差，统一全局时间基准，精确测距。并利用改进的质心法算法实现目标定位，定位精度可达1cm。

其硬件构成按功能不同可以分为目标节点1，参考节点2、3、4、5，遥控器节点6和基站节点7。其中目标节点1是待测节点，由射频模块、超声波模块、控制器模块、电机驱动模块和电源模块五部分组成，可以接受遥控器节点6的指令而做出左转、右转、前进、停止等动作。参考节点2、3、4、5的位置信息是已知的，目标节点1的位置信息将根据其和参考节点的距离计算得到。遥控器节点6负责发出遥控指令，指挥目标节点1做出相应的动作。参考节点2、3、4、5和遥控器节点6均由射频模块、超声波模块、控制器模块和电源模块四部分组成。基站节点7由射频模块、液晶显示模块、控制器模块、串口模块和电源模块五部分组成，负责收集网络节点信息和对整个网络进行控制。目标节点1，参考节点2、3、4、5，遥控器节点6采用无线自组织方式构成一个无线传感器网络，新的参考节点可以动态加入到网络中，无效的参考节点也可以及时退出网络，从而具有很强的可维护性和可扩展性。

在整个网络中，目标节点1和各参考节点2、3、4、5各自维护一个本地时钟，但是各个节点的本地时钟并不是严格同步。假设目标节点1与参考节点2、3、4、5分别存在固有的系统时钟差T_1-2、T_1-3、T_1-4、T_1-5。不失一般性，以目标节点1和参考节点2为例，设无线电波在空气中的传播时间为Δt_1-2，目标节点1无线激发后的时刻记为t_α2，信号经过空气传播到达参考节点2接收后的时刻记为t_β2。目标节点1首先向参考节点2发送一个请求信号，根据上述参数设定，有：

t_α2+Δt_1-2＝t_β2-T_1-2

参考节点2收到目标节点1的信号后立即向目标节点1回发一个用于确认的无线信号，从而完成目标节点1与参考节点2之间的一次握手通信。将参考节点2信号激发后时刻记为t_γ2，经空气传播在目标节点1接收后时刻记为t_δ2，则有：

t_γ2+Δt_1-2＝t_δ2-T_1-2

联立以上两个等式，经过计算可以得到无线电信号在空气中的传播时间Δt_1-2和目标节点1与参考节点2的时钟差T_1-2：

Δt_1-2＝(t_β2+t_δ2-t_γ2-t_α2)/2

T_1-2＝(t_β2+t_γ2-t_α2-t_δ2)/2

同理利用上述方法，再经过三次握手通信，可以测量出参考节点3、4、5与目标节点1之间的时钟差T_1-3、T_1-4、T_1-5：

T_1-3＝(t_β3+t_γ3-t_α3-t_δ3)/2

T_1-4＝(t_β4+t_γ4-t_α4-t_δ4)/2

T_1-5＝(t_β5+t_γ5-t_α5-t_δ5)/2

然后就可利用时钟差进行网络同步调整，实现全局统一时间基准，从而保证立体定位的精确度和实时性。

【本发明的优点和积极效果】

与现有技术相比，本发明具有如下优点和积极效果：

第一，本发明使用无线射频信号作为时间同步的辅助信号，避免了传统有线方式导致的布线复杂、空间受限等问题，扩展了定位系统的应用范围，具有良好的安全性能，易于推广。

第二，由于目标节点与多个参考节点具有各自的系统时钟，利用有线定位方式中时间间隔的方法来测距是不可实现的。本发明创新地提出一种适合无线方式定位的时间同步机制，通过四次握手通信消除固有时间误差、统一全局时间，可有效解决节点间的时间不同步问题，为系统的准确性和实时性提供有力保证。

第三，将无线传感器网络技术应用于无线立体定位，定位系统中的目标节点和参考节点以自组织无线方式形成网络，只要增加参考节点的数目就可以扩大定位的范围，而该时间同步机制在扩大后的定位范围内仍然适用。

【附图说明】

图1是基于无线传感器网络的超声波立体定位系统参考节点分布图；

图2是基于无线传感器网络的超声波立体定位原理示意图；

图3是节点硬件原理框图；

图4是时间同步机制示意图；

【具体实施方式】

为使本发明的实施方案与意义优势表述得更为清楚，下面结合后文附图及实施例，对本发明进行更为详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释说明，并不用于限定本发明。

本系统的实际被测目标空间范围是一个4.0m×4.0m×2.0m的立体空间，空间顶端使用三脚架固定九个参考节点，如图1所示。九个节点将被测空间分成4个2.0m×2.0m×2.0m的定位单元。

以其中一个单元为例，图2显示了该单元内超声波立体定位系统结构图。其中目标节点1选用电动小车作为其载体，可在被测空间内中自由移动；空间顶端固定放置四个参考节点2、3、4、5；空间外侧利用遥控器节点6控制目标节点1的前进、后退、左右转弯、停止等功能；基站节点7负责接收参考节点2、3、4、5所传输的距离数据，实现数据处理和空间坐标计算。

图3是节点硬件原理框图。其中目标节点1由无线收发模块、超声波模块、控制器模块、电机驱动模块和电源模块五部分组成，如图3a所示；参考节点2、3、4、5和遥控器节点6由无线收发模块、超声波模块、控制器模块和电源模块四部分组成，如图3b所示；基站节点由无线收发模块、液晶显示模块、控制器模块、串口模块和电源模块五部分组成，如图3c所示。

图4是本发明设计的时间同步机制示意图，该机制通过目标节点与参考节点之间进行握手通信来消除固有时间误差，统一网络节点时间。节点间的无线信号传输可以分解成无线激发、无线传播、无线接收三个过程，并假设目标节点1与参考节点2、3、4、5分别存在固有的系统时钟差T_1-2、T_1-3、T_1-4、T_1-5。。

以目标节点1和参考节点2为例，设无线电波在空气中的传播时间为Δt_1-2，目标节点1无线激发后的时刻记为t_α2，信号经过传播在参考节点2接收后的时刻记为t_β2。目标节点1首先向参考节点2发送一个请求信号，根据上述参数设定，有：

t_α2+Δt_1-2＝t_β2-T_1-2

参考节点2收到目标节点1的信号后立即向目标节点1回发一个用于确认的无线信号，从而完成目标节点1与参考节点2之间的一次握手通信。将参考节点2信号激发后时刻记为t_γ2，经空气传播在目标节点1接收后时刻记为t_δ2，则有：

t_γ2+Δt_1-2＝t_δ2-T_1-2

联立以上两个等式，经过计算可以得到无线电信号在空气中的传播时间Δt_1-2和目标节点1与参考节点2的时钟差T_1-2：

Δt_1-2＝(t_β2+t_δ2-t_γ2-t_α2)/2

T_1-2＝(t_β2+t_γ2-t_α2-t_δ2)/2

同理利用上述方法，再经过三次握手通信，可以测量出参考节点3、4、5与目标节点1之间的时钟差T_1-3、T_1-4、T_1-5：

T_1-3＝(t_β3+t_γ3-t_α3-t_δ3)/2

T_1-4＝(t_β4+t_γ4-t_α4-t_δ4)/2

T_1-5＝(t_β5+t_γ5-t_α5-t_δ5)/2

在此基础上就可统一全网节点的时间基准，实现对目标的有效立体定位。定位时首先分别获取目标节点1和参考节点2、3、4、5之间的距离信息，然后通过融合、打包发送到基站节点7，基站节点7将对数据包进行解析、提取和处理。本系统采用基于质心法的改进算法，先判断四个距离的大小，根据大小顺序去除掉距离最远点，仅使用最近三点的测距信息计算，得到最终的立体定位结果。

Claims (2)

1.一种基于无线传感器网络的超声波立体定位系统时间同步机制，其系统硬件构成按功能不同分为目标节点1，参考节点2、3、4、5，遥控器节点6和基站节点7；其中目标节点1是待测节点，由射频模块、超声波模块、控制器模块、电机驱动模块和电源模块五部分组成，可以接受遥控器节点6的指令而做出左转、右转、前进、停止的动作；参考节点2、3、4、5的位置信息是已知的；遥控器节点6负责发出遥控指令，指挥目标节点1做出相应的动作；参考节点2、3、4、5和遥控器节点6均由射频模块、超声波模块、控制器模块和电源模块四部分组成，基站节点7由射频模块、液晶显示模块、控制器模块、串口模块和电源模块五部分组成；目标节点1和参考节点2、3、4、5以无线自组织方式构成一个无线传感器网络，基站节点7收集目标节点1和参考节点2、3、4、5的信息并对整个网络进行控制，目标节点1分别和参考节点2、3、4、5进行共四次握手通信，通过计算消除系统固有的时间误差，统一全局时间基准，然后基站7根据目标节点1和参考节点2、3、4、5的距离信息，利用改进的质心法算法，计算得到目标节点1的空间位置，即实现了目标节点1的定位，定位精度可达1cm。

2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络超声波立体定位系统时间同步机制，其工作原理为：在整个网络中，目标节点1和各参考节点2、3、4、5各自维护一个本地时钟，但是各个节点的本地时钟并不是严格同步；假设目标节点1与参考节点2、3、4、5分别存在固有的系统时钟差T_1-2、T_1-3、T_1-4、T_1-5；不失一般性，以目标节点1和参考节点2为例，设无线电波在空气中的传播时间为Δt_1-2，目标节点1无线激发后的时刻记为t_α2，信号经过空气传播到达参考节点2接收后的时刻记为t_β2；目标节点1首先向参考节点2发送一个请求信号，根据上述参数设定，有：

t_α2+Δt_1-2＝t_β2-T_1-2

参考节点2收到目标节点1的信号后立即向目标节点1回发一个用于确认的无线信号，从而完成目标节点1与参考节点2之间的一次握手通信；将参考节点2信号激发后时刻记为t_γ2，经空气传播在目标节点1接收后时刻记为t_δ2，则有：

t_γ2+Δt_1-2＝t_δ2-T_1-2

联立以上两个等式，经过计算可以得到无线电信号在空气中的传播时间Δt_1-2和目标节点1与参考节点2的时钟差T_1-2：

Δt_1-2＝(t_β2+t_δ2-t_γ2-t_α2)/2

T_1-2＝(t_β2+t_γ2-t_α2-t_δ2)/2

同理利用上述方法，再经过三次握手通信，可以测量出参考节点3、4、5与目标节点1之间的时钟差T_1-3、T_1-4、T_1-5：

T_1-3＝(t_β3+t_γ3-t_α3-t_δ3)/2

T_1-4＝(t_β4+t_γ4-t_α4-t_δ4)/2

T_1-5＝(t_β5+t_γ5-t_α5-t_δ5)/2

然后就可利用时钟差进行网络同步调整，实现全局统一时间基准，从而保证立体定位的精确度和实时性。