CN202475760U

CN202475760U - 无线传感网定位系统

Info

Publication number: CN202475760U
Application number: CN 201120572937
Authority: CN
Inventors: 汤永清; 张新红; 王毅
Original assignee: Lishui University
Current assignee: Lishui University
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2021-12-20

Abstract

本实用新型公开了一种无线传感网定位系统，其包括无线终端、无线传感器系统和信息处理器，无线终端由一个无线信号发射模块构成，无线传感系统由多个无线传感器装置组成，每个无线传感器装置由一个无线信号接收模块的输出连接到一个测信号时延模块和一个测信号到达角模块后连接到一个信息无线传送模块构成，信息处理器由一个数据处理平台模块经一个定位计算模块后连接一个定位信息显示屏构成。所述系统用于对无线传感网中的终端进行定位。本实用新型解决了现有方案中不能对无线传感网中的终端进行高精度定位的缺陷，而且具有成本低廉、使用简便及定位精度高的优点。

Description

无线传感网定位系统

技术领域

本发明涉及无线传感网中的终端定位领域，特别是提供了一种无线传感网定位系统。

背景技术

无线传感网(Wireless Sensor Network)是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知的对象信息，并将需要的信息发送给观察者。无线传感器网络还可以应用于高速公路交通监控系统、工业生产、智能家居、仓库物流管理、空间海洋探索等领域。但是影响无线传感网实际应用的因素很多，其中，定位技术就是制约其发展的主要制约因素之一。

现今，定位技术已经得到了广泛的应用。当前随着数据业务和多媒体业务的快速增加，人们对基于无线定位技术的新业务的需求日益增大，尤其在复杂的通信环境，如机场大厅、展厅、仓库、超市、图书馆、地下停车场、矿井等环境中，常常需要确定移动终端或其持有者、设施与物品在室内的位置信息，这些都推动了对无线定位技术的深入研究。同时，向用户提供精确的定位信息已经成为新一代无线通信系统的标准业务之一，无线定位技术也已经应用于紧急救援、汽车导航、智能交通等方面，参照众多行业的实际需求，无线定位技术和定位业务的发展前景将十分广阔。

同时，以最少的硬件资源、最低的成本和能耗对无线传感网中的终端节点位置进行定位的技术在无线传感网的研究和发展中备受瞩目。但是受定位时间、定位精度以及复杂室内环境等条件的限制，比较完善的定位技术目前还无法很好地利用。许多定位技术解决方案，如超声波定位技术、射频识别技术、光跟踪定位技术、GPS(全球定位系统)定位技术等定位技术将对移动站的尺寸和成本带来不利的影响。结合无线传感网提供导航、位置信息是一种新的定位方式。它由多个传感器同时接收检测终端如发射的信号，根据测量到的参数经过计算后对移动台进行定位估，可以提供物美价廉的定位服务。然而，现有无线传感网的定位系统容易受到各种干扰的影响，并在很多场景下定位精度不高而且成本很高。

发明内容

本实用新型针对现有技术的不足，提出一种定位精度高，成本低廉的无线传感网定位系统。本实用新型用于实现无线传感网中无线终端的精确定位，适用于各种复杂环境，是一种高精度实用化定位技术。

本实用新型的技术方案是：

一种无线传感网定位系统，所述系统包括无线终端、无线传感器系统和信息处理器，用于定位无线传感网中无线终端的精确位置，其特征在于其包括无线信号发射模块，无线传感器系统由多个传感器装置组成，每个传感器装置组成相同，传感器装置由无线信号接收模块、测信号时延模块、测信号到达角模块和信息无线传送模块构成，信息处理器由数据处理平台模块、定位计算模块和定位信息显示屏构成。所述无线信号接收模块接收来自无线信号发射模块发射出的无线电波信号，所述测信号时延模块的输入端连接在所述无线信号接收模块的第一输出端，测信号时延模块的输出端连接在信息无线传送模块的第一输入端，测信号到达角模块的输入端连接在所述无线信号接收模块的第二输出端，测信号到达角模块的输出端连接在信息无线传送模块的第二输入端，所述数据处理平台模块接收来自信息无线传送模块传送来的信号信息，所述定位计算模块的输出端连接至定位信息显示屏的输入端，定位计算模块的输入端连接至数据处理平台模块的输出端。

所述无线传感器系统可从接收无线终端发射出的无线电波信号中探测出无线终端的参数信息。无线终端周期性地发射线性调频基带信号经过加密和调制的无线射频信号，该发射周期为0.5秒。该线性调频基带信号有1024个时域抽样点(即其信号序列长度为1024)，具有很好的自相关性，其在无线传感器系统端也是已知的。所述无线传感器系统可由多个传感器装置组成，为了保证较高的精度和较低的成本，本实用新型采用2至5个传感器装置来实施。每个传感器装置工作流程、原理和硬件实施均相同，区别仅在于相当于无线终端它们放置在不同的物理地点，同时各传感器装置的物理位置已知。传感器装置的内部模块工作流程和原理说明如下。

所述无线信号接收模块对接收的无线射频信号进行解调和解密，然后将经过处理后的基带信号输入测信号时延模块，所述测信号时延模块应用相关计算进而得到该信号的到达时延。所述测信号时延模块的具体计算方法如下：

设测信号时延模块的输入信号时域表达式为z(n)，线性调频基带信号为C(n)，由于存在时延d，则z(n)＝C(n-d)+w(n)，其中w(n)为时域白噪声，n为时域抽样点变量。

对C(n)存在自相关计算，如下：

R_{XX} (k) = C (k) * C (- k) = Σ_{n = 0}^{N} C (n) C (n + k) \approx N \cdot E {C (n) C (n + k)} = N \cdot δ (k),

k为时域抽样点变量，N为线性调频基带信号序列长度，δ(k)为k时刻的冲击响应。

对测信号时延模块的输入信号进行相关计算：

corr (k) = z (k) * z (N - k) = Σ_{n = 0}^{N} z (k - n) z (N - n)

= Σ_{n = 0}^{N} C (k - n + d) C (N - n) + Σ_{n = 0}^{N} w (k - n) C (N - n)

由于已知R_XX(k)，故：

corr (k) = R_{XX} (k - N + d) + Σ_{n = 0}^{N} w (k - n) x (N - n) \approx N δ (k - N + d) + ξ (k)

ξ(k)为C(n)与白噪声的相关计算，由于ξ(k)为很小的值，故检测Nδ(k-N+d)，即在corr(k)值最大处时提取时延值d。

所述测信号到达角模块连接在所述无线信号接收模块的第二输出端，用于对输入信号进行方向到达角测定，通过雷达天线阵列的估计得到信号的到达角α，即无线终端相对于本传感器装置的方向角度。

所述数据处理平台模块接收来自无线传感器系统中各个传感器装置的信息无线传送模块传送来的信号信息，并将这些信息转换为定点数据，同时记录和区别各个传感器装置传送的信息。所述定位计算模块用于对输入的所有定点数据进行定位计算，从而得到无线终端的位置坐标信息。所述定位计算模块的工作流程简述如下：设各传感器装置的二维物理位置分别为(x_j，y_j)，j为传感器装置的索引，由于数据处理平台模块已经进行了数据信息区别，则传感器装置(x_j，y_j)对应测得的时延值d_j和到达角α_j可知，同时电波光速c可知，于是对于无线终端(1)的坐标位置(x，y)可得到一组非线性方程组：

c α_{j} = \sqrt{{(x - x_{j})}^{2} + {(y - y)}^{2}},

\tan d_{j} = \frac{y - y_{j}}{x - x_{j}} .

所述定位计算模块继续应用最小二乘法来求解，进而得到本次对输入数据信息计算后得到的无线终端的坐标位置。同时，由于无线终端是周期性(0.5秒)地发射信号，且在短时间内(几秒之内)可以看作是静止的，则可通过多次定位系统的测量和计算，即可对多次定位结果取均值处理，进而精确定位无线终端的位置。

所述定位信息显示屏对定位计算模块输入的信息进行转换和显示，最终，无线终端的位置坐标信息直观的显示出来。

一种无线传感网定位系统，用于实现无线传感网中无线终端的精确定位，其特征在于：测信号到达角模块采用拓普雷公司的R3500A型无线电测向机，测信号时延模块采用德国Innosent的雷达传感器，无线信号接收模块和信息无线传送模块采用德州仪器公司型号为SN65HVD11QD的收发仪器设备，数据处理平台模块采用西门子公司型号为6DD1600-0BA2模块，定位信息显示屏采用夏普LQ057Q3DC12彩屏显示屏。

本实用新型与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出性特点和显著优点：所述系统可以有效地对无线终端进行定位，而且具有成本低廉、使用简便及定位精度高的优点。

本实用新型的有益效果是，结构简单，能以较低的成本和较简便的设备模块取得更好的定位效果，可以使无线传感网的定位服务得到更为广泛的应用。

附图说明

图1为本实用新型的装置结构图；

图2为本实用新型采用的线性调频基带信号的时域图。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本实用新型进一步说明：

参见图1，一种无线传感网定位系统，包括无线终端1、无线传感器系统2和信息处理器3，用于定位无线传感网中无线终端的精确位置，其特征在于其包括无线信号发射模块101，无线传感器系统2由多个传感器装置21至2n组成，每个传感器装置组成相同，传感器装置21由无线信号接收模块211、测信号时延模块212、测信号到达角模块213和信息无线传送模块214构成，信息处理器3由数据处理平台模块301、定位计算模块302和定位信息显示屏303构成。所述无线信号接收模块211接收来自无线信号发射模块101发射出的无线电波信号，所述测信号时延模块212的输入端连接在所述无线信号接收模块211的第一输出端，测信号时延模块212的输出端连接在信息无线传送模块214的第一输入端，测信号到达角模块213的输入端连接在所述无线信号接收模块211的第二输出端，测信号到达角模块213的输出端连接在信息无线传送模块214的第二输入端，所述数据处理平台模块301接收来自信息无线传送模块214传送来的信号信息，所述定位计算模块302的输出端连接至定位信息显示屏303的输入端，定位计算模块302的输入端连接至数据处理平台模块301的输出端。

所述无线传感器系统2可从接收无线终端1发射出的无线电波信号中探测出无线终端1的参数信息。无线终端1周期性地发射线性调频基带信号经过加密和调制的无线射频信号，该发射周期为0.5秒。该线性调频基带信号有1024个时域抽样点(即其信号序列长度为1024)，具有很好的自相关性，其在无线传感器系统2也是已知的。所述无线传感器系统2可由多个传感器装置21至2n组成，为了保证较高的精度和较低的成本，本实用新型采用2至5个传感器装置来实施。每个传感器装置工作流程、原理和硬件实施均相同，区别仅在在于相当于无线终端1它们放置在不同的物理地点，同时各传感器装置的物理位置已知。传感器装置21至2n的内部模块工作流程和原理以传感器装置21为例说明如下。

所述无线信号接收模块211对接收的无线射频信号进行解调和解密，然后将经过处理后的基带信号输入测信号时延模块212，所述测信号时延模块212应用相关计算进而得到该信号的到达时延。所述测信号时延模块212的具体计算方法如下：

设测信号时延模块212的输入信号时域表达式为z(n)，线性调频基带信号为C(n)，由于存在时延d，则z(n)＝C(n-d)+w(n)，其中w(n)为时域白噪声，n为时域抽样点变量。

对C(n)存在自相关计算，如下：

R_{XX} (k) = C (k) * C (- k) = Σ_{n = 0}^{N} C (n) C (n + k) \approx N \cdot E {C (n) C (n + k)} = N \cdot δ (k),

对测信号时延模块212的输入信号进行相关计算：

corr (k) = z (k) * z (N - k) = Σ_{n = 0}^{N} z (k - n) z (N - n)

= Σ_{n = 0}^{N} C (k - n + d) C (N - n) + Σ_{n = 0}^{N} w (k - n) C (N - n)

由于已知R_XX(k)，故：

corr (k) = R_{XX} (k - N + d) + Σ_{n = 0}^{N} w (k - n) x (N - n) \approx N δ (k - N + d) + ξ (k)

所述测信号到达角模块213连接在所述无线信号接收模块211的第二输出端，用于对输入信号进行方向到达角测定，通过雷达天线阵列的估计得到信号的到达角α，即无线终端1相对于本传感器装置21的方向角度。

所述数据处理平台模块301接收来自无线传感器系统2中各个传感器装置的信息无线传送模块214至2n4传送来的信号信息，并将这些信息转换为定点数据，同时记录和区别各个传感器装置传送的信息。所述定位计算模块302用于对输入的所有定点数据进行定位计算，从而得到无线终端1的位置坐标信息。所述定位计算模块302的工作流程简述如下：设各传感器装置的二维物理位置分别为(x_j，y_j)，j为传感器装置的索引，由于数据处理平台模块301已经进行了数据信息区别，则传感器装置(x_j，y_j)对应测得的时延值d_j和到达角α_j可知，同时电波光速c可知，于是对于无线终端1的坐标位置(x，y)可得到一组非线性方程组：

c α_{j} = \sqrt{{(x - x_{j})}^{2} + {(y - y)}^{2}},

\tan d_{j} = \frac{y - y_{j}}{x - x_{j}} .

所述定位计算模块302继续应用最小二乘法来求解，进而得到本次对输入数据信息计算后得到的无线终端1的坐标位置。同时，由于无线终端1是周期性(0.5秒)地发射信号，且在短时间内(几秒之内)可以看作是静止的，则可通过多次定位系统的测量和计算，即可对这多次定位结果取均值处理，进而精确定位无线终端1的位置。

所述定位信息显示屏303对定位计算模块302输入的信息进行转换和显示，最终，无线终端1的位置坐标信息直观的显示出来。

一种无线传感网定位系统，用于实现无线传感网中无线终端的精确定位，其选用各模块型号可为：测信号到达角模块213采用拓普雷公司的R3500A型无线电测向机，测信号时延模块212采用德国Innosent的雷达传感器，无线信号接收模块211和信息无线传送模块214采用德州仪器公司型号为SN65HVD11QD的收发仪器设备，数据处理平台模块301采用西门子公司型号为6DD1600-0BA2模块，定位信息显示屏303采用夏普LQ057Q3DC12彩屏显示屏。

如图2所示为本定位系统采用的线性调频基带信号的时域图，该信号在时域上的长度为1024点。

综上所述，本实用新型结构简单，适用于各种定位环境，具有成本低、能耗低及定位精度相当高的优点，可以使无线传感网的定位服务得到更为广泛的应用。

Claims

1.一种无线传感网定位系统，所述系统包括无线终端(1)、无线传感器系统(2)和信息处理器(3)，用于定位无线传感网中无线终端的精确位置，所述系统由无线信号发射模块(101)，无线传感器系统(2)由多个传感器装置(21至2n)组成，每个传感器装置组成相同，传感器装置(21)由无线信号接收模块(211)、测信号时延模块(212)、测信号到达角模块(213)和信息无线传送模块(214)构成，信息处理器(3)由数据处理平台模块(301)、定位计算模块(302)和定位信息显示屏(303)构成，其特征在于：所述无线信号接收模块(211)接收来自无线信号发射模块(101)发射出的无线电波信号，所述测信号时延模块(212)的输入端连接在所述无线信号接收模块(211)的第一输出端，测信号时延模块(212)的输出端连接在信息无线传送模块(214)的第一输入端，测信号到达角模块(213)的输入端连接在所述无线信号接收模块(211)的第二输出端，测信号到达角模块(213)的输出端连接在信息无线传送模块(214)的第二输入端，所述数据处理平台模块(301)接收来自信息无线传送模块(214)传送来的信号信息，所述定位计算模块(302)的输出端连接至定位信息显示屏(303)的输入端，定位计算模块(302)的输入端连接至数据处理平台模块(301)的输出端。

2.根据权利要求1所述的无线传感网定位系统，其特征在于：所述无线终端(1)发射的基带信号为线性调频基带信号，其发射周期为0.5秒，该线性调频基带信号有1024个时域抽样点。

3.根据权利要求1所述的无线传感网定位系统，其特征在于：无线传感器系统(2)由多个传感器装置(21至2n)组成，个数在2至5个之间。

4.根据权利要求1所述的无线传感网定位系统，其特征在于：测信号到达角模块(213)采用拓普雷公司的R3500A型无线电测向机，测信号时延模块(212)采用德国Innosent的雷达传感器，无线信号接收模块(211)和信息无线传送模块(214)采用德州仪器公司型号为SN65HVD11QD的收发仪器设备，数据处理平台模块(301)采用西门子公司型号为6DD1600-0BA2模块，定位信息显示屏(303)采用夏普LQ057Q3DC12彩屏显示屏。