CN106549710B - 一种基于可见光的无线传感器网络授时与定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于可见光的无线传感器网络授时与定位系统，其特征在于，包括安装在照明位置的主控部分与安装于无线传感器网络节点上的定位授时接收部分。本发明提出一种基于可见光通信的无线传感器网络授时与定位系统，该系统不占用无线传感器网内无线信道资源，且不受周围环境中电磁信号干扰。该系统还可同时为同一区域内的多个不同拓扑结构与无线电特性的无线传感器网络进行授时与定位。该系统实现简单，仅需对现有照明系统及无线传感器网络节点稍加改造即可实现对应效果。本发明提供的系统c成本低廉、结构简单、可靠性高、可拓展性强，可为无线传感器网络在相关领域中需要绝对时间信息与空间位置信息的应用提供工程化的设计支持。

Description

一种基于可见光的无线传感器网络授时与定位系统

技术领域

本发明涉及一种利用可见光为无线传感器网络进行授时与定位的系统。

背景技术

近年来，无线传感器网络得到了快速发展，其在智能农业、工业控制、安全监测及电子商务等领域都得到了广泛应用。无线传感器网络节点设计通常需具有较为简单的结构，并受到能耗与成本的制约，这样导致其运算能力及通信能力都具有一定的限制。而无线传感器网络在工作中需要各节点协作来完成数据的监测与采集任务，在很多情况下节点需要获得其空间位置与时间信息以便实现对应的功能。但是由于无线传感器网络节点设计的特殊性，使得其无法采用计算机网络与移动智能设备类似的方法来获得时间与空间位置信息。如无线传感器网络节点通常很难直接与互联网连接，而数据汇聚节点与终端节点之间又存在一定的传输延迟，这使得NTP授时方式在无线传感器网络中难以有效施行。而由于节点成本所限，难以为每一个节点都安装GPS模块用以获得时间与位置信息，且GPS模块的能耗与搜星时间也难以适合无线传感器网络节点能耗受限与周期性休眠的特点。近年来通过研究，无线传感器网络领域中出现了多种时间同步算法，但是这些算法多依赖网络节点协作实现相对时间及局部的时间同步。对于一些需要为监测数据打上精确绝对时间(年月日时分秒)的时间戳的应用，上述依赖网络节点协作的方式多不适用。而且传统基于无线传感器网络节点协作的授时与定位方法需要各节点之间进行数据与控制信息的交互，这不仅占用了无线传感器网络内部的宝贵信道资源；而且由于射频模块较大的耗能，也消耗了一定的节点储能。如果在同一区域内有多个无线传感器网络存在，也希望通过与网内架构无关的方法实现授时与定位。此外由于近年来2.4GHz信道日趋拥挤，也希望无线传感器网络在授时与定位时，尽可能采用不受环境电磁干扰的方法。

无线光通信技术已经在多个领域得到了一定的应用，尤其是利用可见光波段的LiFi技术(LightFidelity)由于其结构简单、适用性广等优点得到了广泛关注。LiFi技术通过对LED灯光的调制实现数据传输，尤其适合进行一点对多点的数据通信。现已出现了多种利用LiFi技术为计算机等设备提供网络服务的系统，但是现阶段国内外鲜见关于可见光通信技术在无线传感器网络中的应用实例。可见光通信不挤占无线传感器领域传统的ISM信道，并易于实现基于广播方式的一对多通信，这使其在无线传感器网络授时与定位方面有其独到的优势。但是由于无线传感器网络节点运算能力受限，所以不能像用于计算机网络的可见光通信使用较为复杂的算法。另外如要将可见光通信技术引入到无线传感器网络中，其通信速率与使用方式也应适配无线传感器网络的一些特殊情况。在具体实现中，还应考虑如何在不改变原有无线传感器网络的基础上实现具体的授时与定位功能。此外系统还应满足结构简单、成本低廉、可靠性高、可拓展性强等条件。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种基于可见光的无线传感器网络授时与定位系统，其特征在于，包括安装在照明位置的主控部分与安装于无线传感器网络节点上的定位授时接收部分，其中：

主控部分包括微控制器、GPS模块、LED调制部分及光强传感部分，微控制器通过读取GPS模块的数据获得主控部分的位置信息及所对应的绝对时间信息，微控制器还通过光强传感部分读取周围环境的光照强度，当光照强度低于某一阈值后，启动LED调制部分发送绝对时间信息，并通过周期性地控制LED发光区域输出调制后的位置信息，从而供周围需要进行时间与定位的无线传感器网络节点使用；

定位授时接收部分包括低功耗微处理器及光接收部分，低功耗微处理器通过光接收部分接获由主控部分发来的绝对时间信息，并由该绝对时间信息对低功耗微处理器内部的实时时钟进行校准，在各无线传感器网络节点周围布设多个主控部分，当前无线传感器网络节点多次接收到多个主控部分发来的绝对时间信息，当前无线传感器网络节点将每次获得的绝对时间信息与其现有实时时钟值进行比较，仅当二者差值大于一定阈值时才对低功耗微处理器内部的实时时钟进行校准，若当前无线传感器网络节点需要空间定位，该定位授时接收部分通过计算主控部分发来的位置与角度信息获得当前无线传感器网络节点所处的位置，如果某一当前无线传感器网络节点上的定位授时接收部分收到多个主控部分发来的位置与角度信息，则取其信号强度最大的两个主控部分的位置与角度作为定位的标准，如果某一当前无线传感器网络节点上的定位授时接收部分收到同一个主控部分发来的位置与角度信息，则取其最新信息。

优选地，所述主控部分具有内部时钟，该内部时钟通过获取自所述GPS模块的GPS时间进行校准。

优选地，所述微控制器控制LED发光区域输出调制后的位置信息包括以下步骤：

将360度按照15度为一个扇形区域共划分为24个大小相同的扇形，各扇形区域之间的光信号使用不透明隔板分离，扇形区域中心与正北方向的夹角分别为7.5°，22.5°，37.5°，……，352.5°，微控制器依次调制每一个扇形区域的LED，逐次发送所述主控部分所在的位置信息、该扇形区域对应中心与正北方向的夹角值及实时时间值，在发送时为了避免不同主控部分之间出现冲突，每一次信息发送时刻相对上一次的发送时刻的延时都为一随机值，在每次发送时，除对应角度的扇形区域，其他扇形区域中的LED不点亮。

本发明提出一种基于可见光通信的无线传感器网络授时与定位系统，该系统不占用无线传感器网内无线信道资源，且不受周围环境中电磁信号干扰。该系统还可同时为同一区域内的多个不同拓扑结构与无线电特性的无线传感器网络进行授时与定位。该系统实现简单，仅需对现有照明系统及无线传感器网络节点稍加改造即可实现对应效果。本发明提供的系统成本低廉、结构简单、可靠性高、可拓展性强，可为无线传感器网络在相关领域中需要绝对时间信息与空间位置信息的应用提供工程化的设计支持。

附图说明

图1为一种基于可见光的无线传感器网络授时与定位方法系统原理图；

图2为实施例中主控部分的结构图；

图3为实施例中节点接收部分的结构图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

本提供的一种基于可见光的无线传感器网络授时与定位系统由安装在照明位置的主控部分与安装于节点上的定位授时接收部分组成。主控部分负责获取空间位置信息、时间信息并通过调制LED的强度与发光位置来实现授时信息发送及提供定位信号。此外主控部分还可提供日常的环境照明。安装在节点上的定位授时接收部分负责接收主控部分的授时信息，并根据主控发来的定位信号获得节点本身的位置信息。

主控部分由微控制器、GPS模块、LED调制部分、光强传感部分与供电部分组成。微控制器负责主控部分的管理，其通过读取GPS模块的数据获得主控部分所处地理位置及所对应的绝对时间信息(年月日时分秒)。微控制器还应具有内部时钟，该时钟通过GPS时间进行校准。微控制器还通过光强传感部分读取周围环境的光照强度，当光照强度低于某一阈值后，其启动LED调制部分发送绝对时间信息，并通过周期性地控制LED发光区域、输出调制后的地理位置信息，从而供周围需要进行时间与定位的无线传感器网络节点使用。在该方法中，将360度按照15度为一个扇形区域共划分为24个大小相同的扇形，各扇形区域之间的光信号使用不透明隔板分离。扇区中心与正北方向的夹角分别为[7.5°，22.5°，37.5°……352.5°]。主控部分依次调制每一个扇区的LED，逐次发送该主控部分所在的地理位置信息、该扇形对应中心与正北方向的夹角值及实时时间值。在发送时为了避免不同主控之间出现冲突，每一次信息发送时刻相对上一次的发送时刻的延时都为一随机值。在每次发送时，除对应角度的扇区，其他扇区中的LED不点亮。由于主控部分的供电部分将220V交流市电转换为直流电，供主控各部分使用。主控部分的微控制器应具有较强的抗电磁干扰能力，以避免市电供电线等带来的电磁噪声干扰。GPS模块应选择具有串口、I2C等接口的型号，以方便与微控制器连接。光强传感部分可选用适用于智能楼宇或照明控制的型号，并优选带有模拟输出或其他简单数字输出的产品。为了防止照明线路中的干扰电脉冲或噪声等对主控部分的电路产生不利影响，节点的供电模块应为隔离型AC-DC转换模块。

本实施例中，主控部分的微控制器选用PIC24FV32KA304型16位单片机，该单片机具有较好的稳定性与可靠性，且具有一定的抗电磁干扰能力，适于安置在会产生一定电磁干扰的220V照明线附近。在实施中选用TQFP-44封装的PIC24FV32KA304，供电电压为5.0V。主控部分的GPS模块采用环天BR 355S4SIRF-4-IV串口GPS定位模块。PIC24FV32KA304通过UART接口读取该模块输出的地理位置与时间信息。主控部分光强传感部分选用TSL2561光强传感模块，其输出与PIC24FV32KA304通过I2C接口连接。节点供电选用广州致远电子出品的ZY0GD0515DI2-15W型AC-DC电源模块，该模块可提供5V/15V的隔离稳定电压输出。节点的LED采用3528封装、功率1W的SD3528WN白光LED。主控部分每个15度扇形区域中安装3枚串联的SD3528WN型LED，采用三极管调制电路结构。每一个扇区的LED由微控制器的一路管脚单独控制。主控部分使用10cm半径的圆形PCB，微控制器与电源模块等电路部分设置于圆形。用于分隔扇区的遮光隔板材料选择黑色不透明的PMMA，遮光隔板厚度1mm，高度3cm，长度13cm。在主控节点安装时，注意要依据每个扇区中心针对正北方向的夹角与其安装时的空间角度位置对准。

PIC24FV32KA304微控制器维持一个内部的实时时钟，该实时时钟采用32.768kHz的时钟晶振作为参考。微控制器依据该实时时钟每隔10分钟对光强传感器的数据进行读取。当微控制器从光强传感器读取的光强值小于一预先设定的阈值后，其开始以1分钟为周期持续监测该光强值。如果该光强值持续半个小时都低于该阈值，则说明已经进入夜间。由此微控制器发出LED全部开启信号，启动所有LED用于进行环境照明。完成LED全部开启后，微控制器读取GPS模块输出的位置与时间信息。通过读取的时间信息，微控制器对其内部的实时时钟进行校准。完成校准后，节点开始发送该主控所在地理位置信息及空间角度信息。为防止相邻主控部分在分发位置与时间信息时发生冲突，每一次发送相对于上一次的发送所对应的延时应为一随机值。该随机值通过微控制器内部的随机数发生器生成。随机数的取值为1-256，对应延迟为8-2048秒。主控部分按照每个扇区与正北方向的夹角依次通过调制每个扇区的LED发送前导码(16bit，1010101011110000)、主控ID(8bit)、主控部分位置信息(32bit)、角度信息(4bit，各扇区中心角度分别对应0-11)、实时时间(32bit)。主控部分的数据发送速率为2K/s，当发送完成后即启动所有LED进入环境照明状态。

无线传感器网络节点上的定位授时接收部分由低功耗微处理器及光接收部分组成。微处理器应选择内置有实时时钟的型号。微处理器通过光接收部分接获由主控部分发来的时间信息，并由该时间信息对微控制器内部的实时时钟进行校准。由于在本专利对应的方法中无线传感器网络节点周围会布设多个主控部分，所以节点也会多次接收到多个主控部分发来的实时时钟信息。节点将每次获得的实时时钟值与其现有实时时钟值进行比较，仅当二者差值大于一定阈值时才对该微控制器内部实时时钟进行校准。如果节点需要空间定位，该定位授时接收部分通过计算主控部分发来的位置与角度信息获得该节点所处的位置。如果某一节点上的定位授时接收部分收到多个主控部分发来的位置与角度信息，则取其信号强度最大的两个主控部分的位置与角度作为定位的标准。而同一个主控则取其最新的信息为准。定位授时接收部分的微控制器应具有较高的集成度，并可通过UART、I2C总线等接口被节点访问。光接收部分中的光电二极管应选用具有较大有效面积的型号。

本实施例中，无线传感器网络节点上的定位授时接收部分也使用PIC24FV32KA304微控制器作为其管理部分。而光接收部分采用FDS-100硅光电二极管。FDS-100具有较大的接收面积(3.6mm x 3.6mm)，可检测350-1100nm的光信号，其最快上升时间10ns，可满足对主控部分光信号检测的需求。FDS-100的输出转化为电压后，被微控制器以10kb/s的速率进行采集。定位授时接收部分的微控制器与无线传感器网络节点的主控制器通过I2C接口进行通信。节点定位授时部分的实时时钟同样采用32.768kHz的无源时钟晶振作为参考。

定位授时接收部分为主控制器提供其内部的实时时钟值与最近一次授时成功的时间，此外还向节点主控制器提供附近用于定位的主控位置信息及角度信息。当节点初次上电后，节点定位授时接收部分持续对FDS-100的输出进行采集，此时如果节点主控制器查询位置与时间信息，定位授时部分就发出报错信息。当成功接收到第一个主控部分发来的信息后，节点定位授时部分依据该信息进行时间校准。当成功接收到第二个主控发来的信息后，节点定位授时部分依据角度定位方法进行定位，获得其空间位置信息。在节点定位授时部分中以48小时为周期保存接收强度最大的两个主控节点所发来的位置与角度信息。而授时中节点定位授时部分将每次获得的实时时钟值与其现有实时时钟值进行比较，仅当二者差值大于1秒时才对该微控制器内部实时时钟进行校准。校准成功后节点定位授时部分保存授时校准成功的时间。

Claims (3)

1.一种基于可见光的无线传感器网络授时与定位系统，其特征在于，包括安装在照明位置的主控部分与安装于无线传感器网络节点上的定位授时接收部分，其中：

主控部分包括微控制器、GPS模块、LED调制部分及光强传感部分，微控制器通过读取GPS模块的数据获得主控部分的位置信息及所对应的绝对时间信息，微控制器还通过光强传感部分读取周围环境的光照强度，当光照强度低于某一阈值后，启动LED调制部分发送绝对时间信息，并通过周期性地控制LED发光区域输出调制后的位置信息，从而供周围需要进行时间与定位的无线传感器网络节点使用；

定位授时接收部分包括低功耗微处理器及光接收部分，低功耗微处理器通过光接收部分接获由主控部分发来的绝对时间信息，并由该绝对时间信息对低功耗微处理器内部的实时时钟进行校准，在各无线传感器网络节点周围布设多个主控部分，当前无线传感器网络节点多次接收到多个主控部分发来的绝对时间信息，当前无线传感器网络节点将每次获得的绝对时间信息与其现有实时时钟值进行比较，仅当二者差值大于一定阈值时才对低功耗微处理器内部的实时时钟进行校准，若当前无线传感器网络节点需要空间定位，该定位授时接收部分通过计算主控部分发来的位置与角度信息获得当前无线传感器网络节点所处的位置，如果某一当前无线传感器网络节点上的定位授时接收部分收到多个主控部分发来的位置与角度信息，则取其信号强度最大的两个主控部分的位置与角度作为定位的标准，如果某一当前无线传感器网络节点上的定位授时接收部分收到同一个主控部分发来的位置与角度信息，则取其最新信息；

主控部分的供电部分将220V交流市电转换为直流电，主控部分的微控制器具有市电抗电磁干扰能力，节点的供电模块为隔离型AC-DC转换模块。

2.如权利要求1所述的一种基于可见光的无线传感器网络授时与定位系统，其特征在于，所述主控部分具有内部时钟，该内部时钟通过获取自所述GPS模块的GPS时间进行校准。

3.如权利要求1所述的一种基于可见光的无线传感器网络授时与定位系统，其特征在于，所述微控制器控制LED发光区域输出调制后的位置信息包括以下步骤：

将360度按照15度为一个扇形区域共划分为24个大小相同的扇形，各扇形区域之间的光信号使用不透明隔板分离，扇形区域中心与正北方向的夹角分别为7.5°,22.5°,37.5°,……,352.5°，微控制器依次调制每一个扇形区域的LED，逐次发送所述主控部分所在的位置信息、该扇形区域对应中心与正北方向的夹角值及实时时间值，在发送时为了避免不同主控部分之间出现冲突，每一次信息发送时刻相对上一次的发送时刻的延时都为一随机值，在每次发送时，除对应角度的扇形区域，其他扇形区域中的LED不点亮。