CN103115596B - 用于位移测量的无线传感器网络节点及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于位移测量的无线传感器网络节点包括处理器模块、通信模块、电源模块和传感器模块，所述通信模块传和感器模块均电连接在处理器模块上，所述电源模块分别为处理器模块、通信模块和传感器模块提供电源，所述传感器模块包括加速度传感器、方向传感器、地磁传感器和GPS模块。同时公开了一种测试节点位移的方法。从而达到精确测量节点位移的目的。

Description

用于位移测量的无线传感器网络节点及测试方法

技术领域

本发明涉及传感器领域，具体地，涉及一种用于位移测量的无线传感器网络节点及其测试方法。

背景技术

无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）的出现，改变了人类与大自然的交互方法，开启了无线传感器广阔的发展前景和应用空间。现存无线传感器节点主要集成温度传感器、湿度传感器、气体含量传感器等一些常规传感器，它们一般功能简单，只是单纯采集环境中的简单信息，不具有采集和处理多元信息的功能。

目前，众多节点定位算法可用于无线传感器网络。这些算法的思路大致相同：首先，在传感器网络中部署一定比例的特殊节点，这些节点装备有GPS接收机或可以通过其它特定方式获取自身的地理坐标，称为参考节点(ReferencePoint)或锚节点；其它的节点称为普通节点或未知节点(UnknownNode)，这些节点测量与参考节点的距离、角度、相对位置关系或网络连通性等信息，然后通过一定的计算，从而得出自身的坐标。无线传感器网络中的节点定位算法通常可以分为距离测量、坐标计算以及可选的循环求精三个阶段。在上述过程中，普通节点通过测量与参考节点的距离或方位角度进行定位的方法称为基于测距(range-based)的定位算法；而不通过测量距离，仅依据节点间的相对位置关系或网络连通性来进行定位的方法称为无需测距(range-free)的定位算法。

现存算法严重依赖于无线信号，众所周知，无线电波受环境的影响很大，尤其是在恶劣环境中信号的稳定性受到严重的考验，因此借用无线信号的节点定位算法一般精度都很低，大约在几十米到几百米。而现存利用无线信号计算位移的算法对小范围位移的计算仍然束手无策，该发明可以填补这片空白。传统的GPS系统虽然精度较高，但是存在严重的零点漂移现象。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种用于位移测量的无线传感器网络节点及其测试方法，以实现精确测量节点位移的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于位移测量的无线传感器网络节点，包括处理器模块、通信模块、电源模块和传感器模块，所述通信模块传和感器模块均电连接在处理器模块上，所述电源模块分别为处理器模块、通信模块和传感器模块提供电源，所述传感器模块包括加速度传感器、方向传感器、地磁传感器和GPS模块。

进一步的，所述电源模块采用小型电池。

进一步的，所述传感器模块和处理器模块间串联放大电路，所述放大电路：包括运放器A1和运放器A2，所述运放器A1的反相输入端串联电阻R1，电阻R3和电容C2并联在运放器A1的输出端和反相输入端之间，所述运放器A1的同相输入端和地间串联电阻R2，所述运放器A2的反相输入端串联电阻R5，电阻R7和电容C3并联在运放器A2的输出端和反相输入端之间，所述运放器A2的同相输入端和地间串联电阻R6，所述运放器A1的输出端和运放器A2的反相输入端之间串联电阻R4。

同时本发明的技术方案公开一种根据用于位移测量的无线传感器网络节点的测试方法，包括以下步骤：

将无线传感器网络节点放置在流体上，下文无线传感器网络节点简称为节点，节点上的速度传感器采集节点自身运动的加速度，方向传感器会采集节点的方向角度，利用节点的加速度数据和方向角度，通过积分运算计算得到节点的运动位移，并通过位移自校准方法、线位移校准机制和角位移校准机制对节点的运动位移进行校准。

其中，所述流体为泥石流或流沙。

所述通过积分运算计算得到节点的运动位移中的积分运算具体如下：由加速度传感器获取线加速度值，分别是相对节点界面m、n、l三个方向的加速度数值记为：、、，由方向传感器获取节点姿态，可以得到节点界面x、y、z三个方向与地面空间坐标系之间的夹角数值，分别记为、、，

将线加速度数值投影到地面空间坐标系中分别计算，地面空间坐标系中的加速度值记为、、，则：

位移计算：三个方向上的位移记为、、，

则位移计算如下：

上述计算公式中起始速度，为传感器采样时间，为时间点的传感器移动速度。

采用是大约设置为采样间隔60ms，这个时间间隔可由处理器获取。

位移在计算的时候采用累加方式计算，即通过积分的方式得到长时间段内的位移数值，如公式所示：

上式中起始值为0，为时刻之后的位移。

本发明的技术方案，通过集成加速度传感器、方向传感器、地磁传感器、GPS模块等器件，可以瞬时采集节点运动过程中三个轴向的线加速度数值和角加速度数值，通过二次积分运算可以得到节点的运动位移。当节点的运动遇到意外情况时，三轴加速度传感器和方向传感器不能及时采集节点运动信息时，我们配置了地磁传感器和GPS模块，可以对极端运动情况下节点位移进行校准，从而达到精确测量节点位移的目的。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例所述的用于位移测量的无线传感器网络节点原理框图；

图2为利用用于位移测量的无线传感器网络节点的位移测试原理框图；

图3为本发明实施例所述的放大电路的电气原理图；

图4为发明实施例所述的自校准方法、线位移校准机制和角位移校准机制的原理框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种用于位移测量的无线传感器网络节点，包括处理器模块、通信模块、电源模块和传感器模块，通信模块传和感器模块均通过导线连接在处理器模块上，与处理器模块双向通信，电源模块分别为处理器模块、通信模块和传感器模块提供电源，传感器模块包括加速度传感器、方向传感器、地磁传感器和GPS模块。

其中，电源模块采用小型电池。传感器模块和处理器模块间串联放大电路，放大电路：包括运放器A1和运放器A2，运放器A1的反相输入端串联电阻R1，电阻R3和电容C2并联在运放器A1的输出端和反相输入端之间，运放器A1的同相输入端和地间串联电阻R2，运放器A2的反相输入端串联电阻R5，电阻R7和电容C3并联在运放器A2的输出端和反相输入端之间，运放器A2的同相输入端和地间串联电阻R6，运放器A1的输出端和运放器A2的反相输入端之间串联电阻R4。

同时本发明的技术方案公开一种根据用于位移测量的无线传感器网络节点的测试方法，包括以下步骤：

将无线传感器网络节点放置在流体上，下文无线传感器网络节点简称为节点，节点上的速度传感器采集节点自身运动的加速度，方向传感器会采集节点的方向角度，利用节点的加速度数据和方向角度，通过积分运算计算得到节点的运动位移，并通过位移自校准方法、线位移校准机制和角位移校准机制对节点的运动位移进行校准。

其中，流体为泥石流或流沙。通过积分运算计算得到节点的运动位移中的积分运算具体如下：由加速度传感器获取线加速度值，分别是相对节点界面m、n、l三个方向的加速度数值记为：、、，由方向传感器获取节点姿态，可以得到节点界面x、y、z三个方向与地面空间坐标系之间的夹角数值，分别记为、、，

将线加速度数值投影到地面空间坐标系中分别计算，地面空间坐标系中的加速度值记为、、，则：

位移计算：三个方向上的位移记为、、，

则位移计算如下：

上述计算公式中起始速度，为传感器采样时间，为时间点的传感器移动速度。

采用是大约设置为采样间隔60ms，这个时间间隔可由处理器获取。

位移在计算的时候采用累加方式计算，即通过积分的方式得到长时间段内的位移数值，如公式所示：

上式中起始值为0，为时刻之后的位移。

地磁传感器和方向传感器之间存在联系，地磁传感器中获得的是三个轴向的角速度，角速度与时间的乘积就是夹角增量值，利用这个关系就可以获得节点姿态，用于投影计算。

文中的自校准方法、线位移校准机制和角位移校准机制如图4所示:自校准方法主要按照线加速度的变化和方向角的变化来划分。当线加速度数值较大时，由于线加速度传感器自身有测量范围，对超出量程的加速度数值采集丢失，这样会在加速阶段的位移测量中得到的测量值小于实际值，在减速阶段的测量值大于实际值，为了降低此类误差，依据传感器的量程限制，对超出量程的部分线加速度数值的采集丢失现象进行相应的补偿处理。当方向角有明显变化时，我们将统计变化较频繁的这段时间内的方向角的变化次数，进而知道传感器翻转的周期，在一个翻转周期内节点运动的距离是一定的，这样在一个翻转周期内，对位移的校准将通过一定的翻转距离值来修正，得到更为精确的位移测量值。

在实际的位移测量中，将采取联合校准的方法，既按照线加速度的数值大小和变化来校准，又按照方向角度的变化来校准。

位移校准机制和角位移校准机制，在运动节点上集成GPS模块和地磁传感器，借助额外的器件对线位移和角位移分别进行校准。如图4中的辅助校准方法所示，在实际的运动中GPS虽然存在一些局限性，但是当节点大范围的运动时，利用多传感器方案进行节点位移计算可能会出现较大的误差，这时候节点借助集成的GPS模块采集位置信息，降低由于各种偶然因素引起的大距离误差。同理角位移的校准可以通过节点上集成的地磁传感器来做校准。

其中处理器模块、通信模块和传感器模块采用的芯片如表1所示：

。

文中提到的节点姿态：通过方向传感器来获得，是节点坐标系中三个坐标轴与地球空间坐标系三个轴之间的夹角，用于位移的投影计算。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于位移测量的无线传感器网络节点的测试方法，用于位移测量的无线传感器网络节点，包括处理器模块、通信模块、电源模块和传感器模块，所述通信模块传和感器模块均电连接在处理器模块上，所述电源模块分别为处理器模块、通信模块和传感器模块提供电源，所述传感器模块包括加速度传感器、方向传感器、地磁传感器和GPS模块；

所述传感器模块和处理器模块间串联放大电路，所述放大电路：包括运放器A1和运放器A2，所述运放器A1的反相输入端串联电阻R1，电阻R3和电容C2并联在运放器A1的输出端和反相输入端之间，所述运放器A1的同相输入端和地间串联电阻R2，所述运放器A2的反相输入端串联电阻R5，电阻R7和电容C3并联在运放器A2的输出端和反相输入端之间，所述运放器A2的同相输入端和地间串联电阻R6，所述运放器A1的输出端和运放器A2的反相输入端之间串联电阻R4；

其特征在于，包括以下步骤：

将无线传感器网络节点放置在流体上，下文无线传感器网络节点简称为节点，节点上的速度传感器采集节点自身运动的加速度，方向传感器会采集节点的方向角度，利用节点的加速度数据和方向角度，通过积分运算计算得到节点的运动位移，并通过位移自校准方法、线位移校准机制和角位移校准机制对节点的运动位移进行校准；

所述通过积分运算计算得到节点的运动位移中的积分运算具体如下：由加速度传感器获取线加速度值，分别是相对节点界面m、n、l三个方向的加速度数值记为：a_m、a_n、a_l，由方向传感器获取节点姿态，可以得到节点界面x、y、z三个方向与地面空间坐标系之间的夹角数值，分别记为θ_x、θ_y、θ_z，

将线加速度数值投影到地面空间坐标系中分别计算，地面空间坐标系中的加速度值记为a_x、a_y、a_z，则：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_x=a_m\×cos{\mathrm{\θ}}_x\\ a_y=a_n\×{\mathrm{cos\θ}}_y\\ a_z=a_l\×{\mathrm{cos\θ}}_z\end{array}\right.$

位移计算：三个方向上的位移记为Δd_x、Δd_y、Δd_z，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{d}_x=v_{t-\mathrm{\Δ}t}\mathrm{\Δ}t+\frac{1}{2}{a}_x\mathrm{\Δ}{t}^2\\ {\mathrm{\Δd}}_y=v_{t-\mathrm{\Δ}t}\mathrm{\Δ}t+\frac{1}{2}{a}_y{\mathrm{\Δt}}^2\\ {\mathrm{\Δd}}_y=v_{t-\mathrm{\Δ}t}\mathrm{\Δ}t+\frac{1}{2}{a}_y{\mathrm{\Δt}}^2\end{array}\right.$

则位移计算如下：

${\mathrm{\Δd}}_t=\sqrt{{{\mathrm{\Δd}}_x}^2+{{\mathrm{\Δd}}_y}^2+{{\mathrm{\Δd}}_z}^2}$

上述计算公式中起始速度v₀＝0，Δt为传感器采样时间，v_t-1为_t-Δt时间点的传感器移动速度；

将Δt设置为采样间隔60ms，这个时间间隔可由处理器获取；

位移在计算的时候采用累加方式计算，即通过积分的方式得到长时间段内的位移数值，如公式所示：

d_t+Δt＝d_t+Δd_t

上式中d_t起始值为0，d_t+Δt为Δt时刻之后的位移。

2.根据权利要求1所述的用于位移测量的无线传感器网络节点的测试方法，其特征在于，所述流体为泥石流或流沙。