CN204556819U - 一种无线多媒体传感网定位测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型的无线多媒体传感网定位测试系统，包括数据管理服务器、多个主测试装置以及多个终端测试装置，特征在于：主测试装置通过全向天线和多个定向天线分别实现与终端测试装置之间的发送和接收，主测试装置通过无线收发模块将自身采集的数据和接收的终端测试装置的数据发送至数据管理服务器。本实用新型的测试系统，通过计算被测试节点与主测试装置上的定向天线的夹角以及信号强度，可计算出被测试节点的坐标，也可通过计算被测试节点与两个主测试装置上定位天线的夹角，来获取被测试节点的坐标。通过比较定位方法计算出的被测试节点的坐标与通过卫星定位接收模块获取的坐标的差值，来评价定位计算方法的优劣。

Description

一种无线多媒体传感网定位测试系统

技术领域

本发明涉及一种无线多媒体传感网定位测试系统，更具体的说，尤其涉及一种采用定向天线和信号强度来实现被测试节点定位的无线多媒体传感网定位测试系统。

背景技术

无线传感网(WSN)中的节点定位是WSN众多研究和应用的基础，也是一个研究热点。而如何测试和评判定位算法和定位系统的性能目前没有低成本的可靠手段。首先我们需要一个高精度的定位系统，虽然差分定位技术定位精度很高，但是系统复杂，成本高昂；而超宽带(UWB)和801.15.4a 啁啾扩频 (CSS)等基于时间的定位方法具有很高的定位精度，但是这些方法需要单独的测距过程，网络开销较大，不适合无线多媒体传感网定位测试，同时也存在成本高的问题；人工标定测量的方法繁琐且耗时，可扩展性差。另外测试系统还应能够进行定位数据的展示和存档。但是目前还没有合适的无线多媒体传感网测试平台及测试方法。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种无线多媒体传感网定位测试系统。

本发明的无线多媒体传感网定位测试系统，包括数据管理服务器、多个主测试装置以及多个终端测试装置，多媒体传感网中的被测试节点与终端测试装置经通信线连接，主测试装置与被测试节点进行自组网，主测试装置用于接收被测试节点的数据并将其转发至数据管理服务器，数据管理服务器通过对接收的数据进行分析和运算，实现被测试节点的定位并对定位算法进行分析；其特别之处在于：所述主测试装置由微控制器以及与其相连接的电源模块、卫星定位接收模块、无线收发模块、存储模块、全向天线及多个均匀分布的定向天线组成，主测试装置通过卫星定位接收模块获取自身的经纬度坐标；所述终端测试装置由微控制器以及与其相连接的电源模块、卫星定位接收模块、存储模块及与被测试节点相连接的测试节点接口组成，终端测试装置通过自身的卫星定位接收模块获取经纬度坐标；主测试装置通过全向天线和多个定向天线分别实现与终端测试装置之间的发送和接收，主测试装置通过无线收发模块将自身采集的数据和接收的终端测试装置的数据发送至数据管理服务器；数据管理服务器根据接收的数据对被测试节点进行定位并评价定位方法的准确性。

本发明的无线多媒体传感网定位测试系统，所述主测试装置和终端测试装置的微控制器均连接有环境光传感器、三轴加速度计、温湿度传感器、显示模块和按键。

本发明的无线多媒体传感网定位测试系统，所述主测试装置和终端测试装置的电源模块均由可充电磷酸铁锂电池和太阳能电池板组成，可充电磷酸铁锂电池和太阳能电池板的输出经电源切换电路与微控制器相连接，微控制器经环境光传感器对电源切换电路进行控制，微控制器经电量计电路检测可充电磷酸铁锂电池的电压。

本发明的无线多媒体传感网定位测试系统，所述主测试装置和终端测试装置的微控制器、存储模块均分别采用主控单片机、铁电存储器。

本发明的有益效果是：本发明的无线多媒体传感网定位测试系统，主测试装置上设置有多个定向天线，终端测试装置上设置有与被测试节点相连接的测试节点接口，通过计算被测试节点与主测试装置上的定向天线的夹角以及信号强度，可计算出被测试节点的坐标，也可通过计算被测试节点与两个主测试装置上定位天线的夹角，来获取被测试节点的坐标。通过比较定位方法计算出的被测试节点的坐标与通过卫星定位接收模块获取的坐标的差值，来评价定位计算方法的优劣。

该定位测试系统可同时测量被测试无线传感网节点的经纬度、海拔、加速度、方向、时间位置相参数，结合装有定向天线的无线传感网接收模块记录无线信号强度，可进行基于信号强度的定位系统测试，基于惯性导航的定位测试，以及结合卫星定位、信号强度和惯性导航的综合定位测试。 该测试装置在接收无线数据的同时完成定位数据采集，测试方法简单，并可采集环境光强、电量、温湿度等辅助参数。另外该测试系统通过太阳能电池板和可充电电池为测试装置供电，并根据环境变化进行合理的工作模式切换，可满足测试系统长时间室外定位测试的要求。同时该定位测试系统可用于定位算法的研究和测试。

附图说明

图1为本发明的定位测试系统中主测试装置的电路原理图；

图2为本发明的定位测试系统中终端测试装置的电路原理图；

图3为本发明的无线多媒体传感网定位测试系统的布设原理图；

图4为典型定向天线的方向性原理图；

图5为采用4个定向天线以90度间隔均匀放置的结构图；

图6为利用与定向天线的夹角以及信号强度的大小对被测试节点进行定位的原理图；

图7为利用与三个主测试装置上的定位天线的夹角对被测试节点进行定位的原理图。

图中：1终端测试装置，2主测试装置，3数据管理服务器，4被测试节点，5无线收发模块。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

本发明的无线多媒体传感网定位测试系统由数据管理服务器、多个主测试装置以及多个终端测试装置组成，被测试节点设置于终端测试装置上，与其具有相同的经纬度和海拔坐标，主测试装置与被测试节点通过自组网的形式形成无线多媒体传感网，用于将自身采集的数据和接收的被测试节点的数据转发至数据管理服务器，以便数据管理服务器进行存储、管理和分析。

如图1所示，给出了本发明的定位测试系统中主测试装置的电路原理图，其由主控单片机以及与其相连接的电源模块、卫星定位接收模块、无线收发模块、全向天线、多个定向天线、陀螺仪、三轴加速度计、铁电存储模块、温湿度传感器、按键模块和显示模块组成，主测试装置通过卫星定位接收模块获取自身的经纬度和海拔坐标，通过无线收发模块与数据管理服务器向通信。主测试装置通过陀螺仪和三轴加速度计可获取自身的运动方向和加速度大小，通过铁电存储模块可存储自身采集和接收的数据，通过温湿度传感器可获取周围环境中的温度和湿度信息，按键模块可对主测试装置的工作状态或模式进行控制，显示模块用于显示有关信息。主控单片机还可连接其他传感器。

主测试装置通过全向天线向被测试节点发送数据，并通过定向天线接收被测试节点发送的数据，并根据定向天线接收的无线信号来对被测试节点进行定位。

如图2所示，给出了本发明的定位测试系统中终端测试装置的电路原理图，其由主控单片机以及与其相连接的电源模块、卫星定位接收模块、测试节点接口、陀螺仪、三轴加速度计、铁电存储模块、温湿度传感器、按键模块以及显示模块组成，终端测试装置通过卫星定位接收模块获取自身的经纬度和海拔坐标，通过陀螺仪和三轴加速度计获取自身的运动方向和加速度，以便研究运动无线多媒体网络的导航和定位。终端测试装置通过温湿度传感器可获取周围环境中的温度和湿度信息，通过测试节点接口可与被测试节点相连接，以便通过被测试节点与主测试装置组成无线多媒体网络。按键模块可控制终端测试装置的工作状态，显示模块用于显示终端测试模块的工作信息。

主测试装置和终端测试装置的电源模块均由太阳能电池板、可充电磷酸铁锂电池、电源切换电路、电量计电路和环境光传感器组成，太阳能电池板和可充电磷酸铁锂电池的输出经电源切换电路对电路进行供电，主控单片机通过电量计电路测量可充电磷酸铁锂电池进行检测，主控单片机通过环境光传感器检测外界的光强度，并对电源切换电路进行控制。当外界的光强度比较大时，太阳能电池板不仅给整个电路供电，而且还对可充电磷酸铁锂电池充电。当外界光强度比较弱时，仅对电路供电或对可充电磷酸铁锂电池充电，当光强度再次减弱时，则不输出光伏电能。

如图3所示，给出了本发明的无线多媒体传感网定位测试系统的布设原理图，所示的被测试节点4设置于终端测试装置1上，终端测试装置a,b,c,d均布于一定区域范围内。主测试装置2分别为A,B,C,D，其分布于终端测试装置1所在的区域内，数据管理服务器3采用PC机，其上连接有无线收发模块5，以实现对与主测试装置2的通信。所示的主测试装置2不仅可获取自身的经纬度和海拔坐标，而且通过全向天线和多个定向天线与终端测试装置1上的被测试节点的定位，采用相应的定位计算方法，还可获取被测试节点的经纬度坐标。将通过计算方法获取的被测试节点的坐标，与通过终端测试装置1获取的经纬度坐标相比较，即可评价定位方法的优劣。

本发明的无线多媒体传感网定位测试系统的定位和测试方法，通过以下步骤来实现：

a).安装被测试节点，设要完成同一平面内的定位和测试，所有主测试装置和终端测试装置位于同一平面内，将每个被测试节点通过测试节点接口安装于终端测试装置上，每个终端测试装置具有唯一标示ID，分别记为a,b,c,...；

b).布设主测试装置，将参与测试的多个主测试装置布置于被测试节点所在的网络环境中，其分别标记为A,B,C,...，然后将每个主测试装置上的多个定向天线形成的天线阵列调整到合适的方向，使其与设置的天线朝向一致；

c).建立测试网络，以主测试装置为中心节点、终端测试装置上的被测试节点为传感节点，通过自组网的方式建立测试网络，每个被测试节点都有一个唯一的网络SID；

d).被测试节点的数据发送，被测试节点所在的终端测试模块采集自身的经纬度坐标，并通过被测试节点按照设定的时间间隔依次进行广播；

为了获取被测试节点的更多信息，被测试节点发送至主测试装置的数据不仅包括经纬度坐标，还可包括海拔坐标、加速度、方向、时间、周围环境的温度和湿度、所在终端测试装置的剩余电量信息；

e).数据的接收和转发，主测试装置接收被测试节点发送的数据，并将采集的自身经纬度坐标与接收的被测试节点发送的数据转发至数据管理服务器；

同样地，主测试装置采集的数据不仅包括自身的经纬度坐标，还可包括海拔坐标、加速度、方向、时间、周围环境的温度和湿度、所在终端测试装置的剩余电量信息，以通过数据管理服务器对其进行管理和监控；

f).被测试节点的角度定位，数据管理服务器接收到主测试装置发送的数据后，通过以下步骤实现对被测试节点的角度定位：

f-1).定向天线增益的确定，设主测试装置上在同一平面内均匀分布的定向天线的个数为n个，某一定向天线的增益定义为： ，则沿该定向天线逆时针算起，剩余的n-1个定向天线的增益依次为：、...、、...、；

如图4所示，给出了典型定向天线的方向性原理图，不同角度的增益可用公式来表示，该公式可由天线测量数据拟合或查表得到，也可由理论计算推导得到。当多个同样的定向天线以固定角度间隔组成天线阵列时各天线的增益根据天线朝向做出修正，可用公式来表示。

如图5所示，给出了采用4个定向天线以90度间隔均匀放置的结构图，所示的a、b、c、d四个天线的增益分别为、、、。

f-2).信号强度的归一化处理，设n个定向天线所接收到的同一被测试节点的信号强度分别为；取出n个信号强度中的最大值，设为，按照公式（1）将其归一化为0dBm：

+=0dBm    （1）

对于所有的信号强度依据同样的归一化因数按照公式（2）进行归一化处理：

            （2）

其中，；

f-3).信号强度阈值检测，判断所有归一化的信号强度是否小于最小检测信号强度阈值，如果小于，则视该信号强度无效；如果大于，则该信号强度参与被测试节点定位的计算；执行步骤f-3)；

f-4).信号强度的排序，将剩余的归一化的信号强度按照由大到小的强度顺序依次进行排序；

f-5).求被测试节点与定向天线的夹角，取出最强的两个信号强度，设其分别为、，按照不等式（3）求出满足要求的被测试节点与定向天线的夹角：

     （3）

其中、分别为上限误差因子和下限误差因子；为信号强度分别为、的两个定向天线之间的夹角，其通过公式（4）进行求取：

，    （4）

当只有一个角度满足不等式（3）时，该角度即为被测试节点与具有最强信号强度的定向天线之间的夹角；如果有多个角度满足不等式（3），则执行步骤f-6)；

该步骤中，满足不等式（3）的角度的求取过程中，代入的角度按照1°的变化量进行递增或递减；

f-6).利用次强信号强度进行计算，按照信号强度的排序，选取被取用的信号强度的后一信号强度作为，执行步骤f-5)，直至得到一个满足要求的角度；当所有的有效信号强度均已使用但仍然无法得到一个唯一的角度，则执行步骤f-7)；

f-7).减小上下限误差因子，减小上限误差因子和下限误差因子，重新执行步骤f-5)，直至得到一个满足要求的角度；

不等式（3）中的上限误差因子和下限误差因子的初始值分别为+10dB、-10dB，上下限误差因子减小的过程中，和均按照1dB的大小进行递减。

g).获取被测试节点的坐标，在获取被测试节点与具有最强信号强度的定向天线之间夹角的情况下，通过该定位天线所接收的信号强度的大小或者被测试天线与另两个测试装置上定位天线的夹角，来获取被测试节点相对于主测试装置的相对坐标，再通过主测试装置的经纬度坐标获取被测试节点的经纬度坐标；

如图6所示，给出了利用与定向天线的夹角以及信号强度的大小对被测试节点进行定位的原理图，在确定出了被测试节点与接收信号强度最大的定向天线之间的夹角后，再通过信号强度大小确定出被测试节点距离主测试装置之间的距离，即可获取被测试节点的坐标。

如图7所示，给出了利用与三个主测试装置上的定位天线的夹角对被测试节点进行定位的原理图，通常情况下，在获知了被测试节点与两个主测试装置上的定向天线的夹角后，由于两个主测试装置的经纬度坐标可知，即可获取被测试节点的坐标；但如果被测试节点恰好位于两个主测试装置之间的连线上，则还需根据被测试节点与第三个主测试装置上定向天线的夹角，将其位置坐标确定出来。

h).定位方法的评估，将步骤g)中通过定位方法获取的被测试节点的经纬度坐标，与通过卫星定位接收模块获取的经纬度坐标进行比较，来评价定位方法的准确性。

Claims (4)

1.一种无线多媒体传感网定位测试系统，包括数据管理服务器、多个主测试装置以及多个终端测试装置，多媒体传感网中的被测试节点与终端测试装置经通信线连接，主测试装置与被测试节点进行自组网，主测试装置用于接收被测试节点的数据并将其转发至数据管理服务器，数据管理服务器通过对接收的数据进行分析和运算，实现被测试节点的定位并对定位算法进行分析；其特征在于：所述主测试装置由微控制器以及与其相连接的电源模块、卫星定位接收模块、无线收发模块、存储模块、全向天线及多个均匀分布的定向天线组成，主测试装置通过卫星定位接收模块获取自身的经纬度坐标；所述终端测试装置由微控制器以及与其相连接的电源模块、卫星定位接收模块、存储模块及与被测试节点相连接的测试节点接口组成，终端测试装置通过自身的卫星定位接收模块获取经纬度坐标；主测试装置通过全向天线和多个定向天线分别实现与终端测试装置之间的发送和接收，主测试装置通过无线收发模块将自身采集的数据和接收的终端测试装置的数据发送至数据管理服务器；数据管理服务器根据接收的数据对被测试节点进行定位并评价定位方法的准确性。

2.根据权利要求1所述的无线多媒体传感网定位测试系统，其特征在于：所述主测试装置和终端测试装置的微控制器均连接有环境光传感器、陀螺仪、三轴加速度计、温湿度传感器、显示模块和按键。

3.根据权利要求2所述的无线多媒体传感网定位测试系统，其特征在于：所述主测试装置和终端测试装置的电源模块均由可充电磷酸铁锂电池和太阳能电池板组成，可充电磷酸铁锂电池和太阳能电池板的输出经电源切换电路与微控制器相连接，微控制器经环境光传感器对电源切换电路进行控制，微控制器经电量计电路检测可充电磷酸铁锂电池的电压。

4.根据权利要求1或2所述的无线多媒体传感网定位测试系统，其特征在于：所述主测试装置和终端测试装置的微控制器、存储模块均分别采用主控单片机、铁电存储器。