KR101188840B1 - Location estimation system using direction angle in sensor network and method thereof - Google Patents

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KR101188840B1
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국방과학연구소
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Abstract

PURPOSE: An intruder location estimating system and method are provided to precisely detect and trace an intruder by giving a feedback of target location information to a sensor node after estimating the location of the intruder based on a directional angle transmitted from the sensor node. CONSTITUTION: A plurality of sensor nodes(100) calculates vibration signal detecting time difference of other vibration sensor about a reference sensor. The plurality of sensor nodes estimates a directional angle for trespassing location of an intruder using the calculated vibration signal detecting time difference and propagation speed of a vibration signal. A central server estimates the location of the intruder using location information of each sensor node received from the each node through network, arrangement angle information, and the directional information of the intruder.

Description

센서 네트워크에서 방향각을 이용한 침입자 위치추정 시스템 및 그 방법{LOCATION ESTIMATION SYSTEM USING DIRECTION ANGLE IN SENSOR NETWORK AND METHOD THEREOF}Intruder position estimation system using direction angle in sensor network and its method {LOCATION ESTIMATION SYSTEM USING DIRECTION ANGLE IN SENSOR NETWORK AND METHOD THEREOF}

본 발명은 진동센서 어레이를 갖는 노드로 구성된 센서 네트워크에서 방향각을 이용하여 침입자의 위치추정을 수행할 수 있도록 한 침입자 위치추정 시스템 및 그 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an intruder position estimation system and method for enabling an intruder position estimation using a direction angle in a sensor network composed of nodes having a vibration sensor array.

일반적으로 무선 센서네트워크를 이용하는 시스템에서는 수동센서 또는 진동센서 어레이를 이용하여 침입자 감시경계 및 위치추정을 수행한다. In general, a system using a wireless sensor network performs an intruder monitoring boundary and position estimation using a passive sensor or a vibration sensor array.

그런데, 상기 수동센서를 사용하는 경우에는 주로 센서노드 위치기반의 탐지만 수행하거나 매우 큰 추정오차를 갖는 경우가 대부분이며, 정확한 침입자 위치추정을 위해서는 능동센서를 사용하거나 복잡한 시스템 구성이 필요하다. By the way, in the case of using the passive sensor is mainly the detection of sensor node position-based detection or have a very large estimation error, in order to accurately estimate the position of the intruder, it is necessary to use an active sensor or complex system configuration.

그리고, 상기 진동센서 어레이를 사용하는 경우에는 각 진동센서의 도착시간 차이(TDoA : Time Difference of Arrival)를 이용하여 위치추정을 수행하는데(TDoA 방식) 이 경우 위치추정오차가 심각하게 커지는 문제점이 있다.In the case of using the vibration sensor array, position estimation is performed by using a time difference of arrival (TDoA) of each vibration sensor (TDoA method). In this case, a position estimation error is seriously increased. .

또한, 상기 진동센서 어레이를 사용하는 경우에는 시간과 장소에 따라 달라지는 진동신호의 전파속도가 위치추정 오차에 큰 영향을 주며, 상기 전파속도까지 측정하여 위치를 추정하기 위해서는 각 센서별로 5개 이상의 센서 어레이 사용이 필요하다. In addition, in the case of using the vibration sensor array, the propagation speed of the vibration signal which varies depending on time and place has a great influence on the position estimation error, and in order to estimate the position by measuring the propagation speed, at least five sensors for each sensor The array needs to be used.

따라서, 본 발명의 목적은 진동센서 어레이를 갖는 노드로 구성된 센서 네트워크에서 방향각을 이용하여 침입자의 위치추정을 정밀하게 탐지할 수 있는 침입자 위치추정 시스템 및 그 방법에 관한 것이다. Accordingly, an object of the present invention relates to an intruder position estimation system and method for precisely detecting an intruder position estimation using a direction angle in a sensor network composed of nodes having a vibration sensor array.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 침입자 위치추정 시스템에서의 침입자 위치추정 방법은,각 센서노드에서, 자신의 위치정보와 배치각 정보를 서버로 전송하는 단계; 각 센서노드에서, 진동센서 어레이를 통해 침입자의 침입으로 발생된 진동신호를 감지하는 단계; 각 센서노드에서, 상기 진동센서 어레이중에서 기준센서에 대한 다른 진동센서의 진동신호 탐지시간 차이를 계산하는 단계; 각 센서노드에서, 상기 계산된 탐지시간 차이와 진동신호의 전파속도를 이용하여 침입자의 침입위치에 대한 방향각을 추정하고 이를 서버로 전송하는 단계; 및 서버에서, 각 센서노드로부터 수신한 침입자의 방향각 정보 및 각 센서노드의 위치정보와 배치각 정보를 이용하여 침입자의 최종 위치를 추정하는 단계;를 포함한다.In order to achieve the above object, the intruder position estimation method in the intruder position estimation system according to an embodiment of the present invention, transmitting each of the sensor node, its own location information and placement angle information to the server; Detecting, at each sensor node, a vibration signal generated by an intruder's intrusion through the vibration sensor array; Calculating, at each sensor node, a difference in vibration signal detection time of another vibration sensor with respect to a reference sensor in the vibration sensor array; Estimating a direction angle with respect to the intrusion position of the intruder by using the calculated detection time difference and the propagation speed of the vibration signal in each sensor node and transmitting the same to the server; And estimating, at the server, the final position of the intruder using the direction angle information of the intruder received from each sensor node, the position information and the placement angle information of each sensor node.

상기 기준센서는 진동센서 어레이중에서 임의로 선택하거나 진동신호가 가장 먼저 도착된 진동센서로 선택된다.The reference sensor is arbitrarily selected from among the vibration sensor arrays, or is selected as the vibration sensor in which the vibration signal arrives first.

상기 침입자의 방향각은 최대우도 추정방법 또는 최소제곱방법에 의해 계산된다.The direction angle of the intruder is calculated by the maximum likelihood estimation method or the least square method.

상기 진동신호의 전파속도는 서버로부터 전송된 침입자 위치정보를 근거로 각 센서노드에서 추정한다.The propagation speed of the vibration signal is estimated at each sensor node based on the intruder position information transmitted from the server.

상기 진동신호의 전파속도는 진동센서에서 감지된 진동신호를 이용하여 각 센서노드에서 직접 추정한다.The propagation speed of the vibration signal is estimated directly at each sensor node using the vibration signal detected by the vibration sensor.

상기 침입자 위치추정 방법은 추정된 침입자 위치정보를 서버에서 각 센서노드로 피드백하는 단계; 및 각 센서노드에서 피드백된 침입자 위치정보를 이용하여 진동신호의 전파속도를 추정하는 단계;를 더 포함한다.The method for estimating an intruder may include feeding back the estimated intruder location information from the server to each sensor node; And estimating a propagation speed of the vibration signal by using the intruder position information fed back from each sensor node.

상기 진동신호의 전파속도는 이동평균 방법을 이용하여 추정된다.The propagation speed of the vibration signal is estimated using a moving average method.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 침입자 위치추정 시스템은, 칩입자 탐지 개시시 위치정보와 배치각 정보를 네트워크로 전송하고, 탐지중에는 진동센서 어레이를 통해 감지된 침입자의 각 진동신호를 이용하여 침입자의 방향각 정보를 추정한 후 네트워크로 전송하는 복수의 센서노드; 및 네트워크를 통해 각 센서노드로부터 수신된 각 센서노드의 위치정보와 배치각 정보 그리고 침입자의 방향각 정보를 이용하여 침입자의 최종 위치를 추정하는 중앙 서버;로 구성된다.In order to achieve the above object, the intruder position estimation system according to the embodiment of the present invention transmits the position information and the placement angle information to the network at the start of chip particle detection, and during the detection, each of the intruder detected through the vibration sensor array. A plurality of sensor nodes for estimating the direction angle information of the intruder using the vibration signal and transmitting the information to the network; And a central server estimating the final position of the intruder using the position information, the placement angle information, and the direction angle information of the intruder received from each sensor node through the network.

상기 위치정보와 배치각 정보는 각 센서노드에 구비된 위치측정장치 및 전자 나침반을 통해 측정된다.The position information and the placement angle information are measured by a position measuring device and an electronic compass provided in each sensor node.

상기 각 센서노드는 진동센서 어레이중에서 기준센서를 선택한 후 기준센서에 대한 다른 진동센서의 진동신호 탐지시간 차이를 계산하고, 그 계산된 탐지시간 차이와 진동신호의 전파속도를 이용하여 침입자의 침입위치에 대한 방향각을 추정한다.Each sensor node selects a reference sensor from among the vibration sensor arrays, calculates a difference in detection time of the vibration signal of the other vibration sensor with respect to the reference sensor, and uses the calculated detection time difference and the propagation speed of the vibration signal. Estimate the direction angle for.

상기 각 센서노드는 서버로부터 제공된 침입자 위치정보를 이용하여 진동신호의 전파속도를 추정하거나, 진동센서 어레이에서 진동신호를 이용하여 진동신호의 전파속도를 추정한다.Each sensor node estimates the propagation speed of the vibration signal using the intruder position information provided from the server, or estimates the propagation speed of the vibration signal using the vibration signal in the vibration sensor array.

상기 진동신호의 전파속도는 이동평균 방법을 이용하여 추정된다.The propagation speed of the vibration signal is estimated using a moving average method.

상기 각 센서노드 및 서버는 최대우도 추정방법 또는 최소제곱방법을 이용하여 침입자의 방향각 정보를 계산한다.Each sensor node and server calculates the direction angle information of the intruder using the maximum likelihood estimation method or the least square method.

상기 서버는 추정된 침입자 위치정보를 각 센서노드로 피드백하고, 각 센서노드는 피드백된 침입자 위치정보를 이용하여 진동신호의 전파속도를 추정한다.The server feeds back the estimated intruder position information to each sensor node, and each sensor node estimates the propagation speed of the vibration signal using the fed back intruder position information.

본 발명은 각 센서노드별로 3개 이상의 진동센서 어레이를 이용하여 센서노드로부터 방향각을 구하여 서버로 전송하고, 서버는 각 센서노드에서 전송된 방향각을 근거로 침입자의 위치를 추정한 후 해당 위치정보를 각 센서노드로 피드백함으로써 비교적 정밀하게 침입자를 탐지 및 추적할 수 있다. The present invention obtains a direction angle from the sensor node and transmits it to the server using at least three vibration sensor arrays for each sensor node, and the server estimates the position of the intruder based on the direction angle transmitted from each sensor node, and then the corresponding position. By feeding back information to each sensor node, you can detect and track intruders with greater precision.

따라서, 본 발명을 방산분야에 사용할 경우에는 감시정찰 센서네트워크에 적용하여 침입자의 위치를 추적할 수 있으며, 수동센서인 진동센서를 사용하여 저전력으로 운용 가능한 효과가 있다. 또한 본 발명을 민수분야에 적용할 경우에는 값싼 진동센서와 저전력노드를 이용하여 비교적 정밀하게 침입자를 탐지 및 추적할 수 있는 시스템 구축이 가능한 효과가 있다. Therefore, when the present invention is used in the field of defense, it can be applied to the surveillance reconnaissance sensor network to track the position of the intruder, and there is an effect that can be operated at low power using a vibration sensor which is a passive sensor. In addition, when the present invention is applied to the civilian field, it is possible to construct a system capable of detecting and tracking an intruder relatively precisely using a cheap vibration sensor and a low power node.

도 1은 본 명세서의 실시예에 따른 각 센서노드의 구성도.
도 2는 복수의 센서노드로 구성된 센서 네트워크에서 침입자의 위치 추적을 수행하는 예를 나타낸 도면.
도 3은 침입자 위치추정 시스템에서 침입자의 위치추적을 수행하는 전체 동작을 나타낸 순서도.
1 is a block diagram of each sensor node according to an embodiment of the present disclosure.
2 is a diagram illustrating an example of tracking an intruder in a sensor network composed of a plurality of sensor nodes.
Figure 3 is a flow chart showing the overall operation of performing the location of the intruder in the intruder location estimation system.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 각 센서노드별로 3개 이상의 진동센서 어레이를 이용하여 센서노드로부터 방향각을 구하여 서버로 전송하고, 서버는 각 센서노드에서 전송된 방향각을 근거로 침입자의 위치를 추정한 후 해당 위치정보를 각 센서노드로 피드백함으로써 정밀하게 침입자를 탐지 및 추적할 수 있도록 한다. 이 경우 같은 침입자를 2개 이상의 센서노드가 탐지할 경우 비교적 정확한 침입자의 위치추정이 가능하며, 추정된 침입자 위치를 각 센서노드에게 다시 피드백 함으로써 3개 또는 4개의 진동센서 어레이만 가지고도 각 센서별로 진동신호의 전파속도 추정이 가능하다.The present invention obtains a direction angle from the sensor node and transmits it to the server using at least three vibration sensor arrays for each sensor node, and the server estimates the position of the intruder based on the direction angle transmitted from each sensor node, and then the corresponding position. By feeding back information to each sensor node, you can precisely detect and track intruders. In this case, if two or more sensor nodes detect the same intruder, it is possible to estimate the position of the intruder relatively accurately.By feeding back the estimated intruder position to each sensor node, each sensor has three or four vibration sensor arrays. The propagation speed of the vibration signal can be estimated.

도 1은 진동센서 어레이를 갖는 센서노드의 구성도이다. 1 is a configuration diagram of a sensor node having a vibration sensor array.

도 1에 도시된 바와같이, 진동센서 어레이를 갖는 센서노드(100)는 칩입자에 의한 진동을 감지하는 3개의 진동센서(10a~10c)와, 상기 진동센서(10a~10c)에서 감지된 진동신호를 근거호 칩입자에 대한 방향각을 추정하는 통신 및 신호모듈(20)과, 상기 통신 및 신호모듈(20)에서 추정된 칩입자의 방향각을 서버(미도시)로 전송하는 안테나(30)을 포함한다. 이때, 3개의 진동센서(10a~10c)가 진동센서 어레이를 형성하며, 상기 안테나(30)은 내장될 수도 있다. As shown in FIG. 1, the sensor node 100 having a vibration sensor array includes three vibration sensors 10a to 10c for detecting vibrations by chip particles, and vibrations detected by the vibration sensors 10a to 10c. Communication and signal module 20 for estimating the direction angle to the ground chip chip particles, and the antenna 30 for transmitting the direction angle of the chip particles estimated by the communication and signal module 20 to the server (not shown) ). In this case, three vibration sensors 10a to 10c form an array of vibration sensors, and the antenna 30 may be built in.

도 2는 복수의 센서노드로 구성된 센서 네트워크에서 침입자의 위치 추적을 수행하는 예를 나타내고, 도 3은 침입자 위치추정 시스템에서 침입자의 위치추적을 수행하는 전체 동작을 나타낸 순서도이다. 2 illustrates an example of performing an intruder location tracking in a sensor network composed of a plurality of sensor nodes, and FIG. 3 is a flowchart illustrating an overall operation of performing an intruder location tracking in an intruder location estimation system.

도 2에 도시된 바와같이, 각 센서노드(a~d)는 자신의 위치를 측정할 수 있는 장치(예를 들어 GPS)가 구비되어 있으며, 각 센서노드(a~d)를 설치할 때 진동센서들(10a~10c)는 미리 정해진 모양 및 크기로 설치되어야 한다. As shown in Figure 2, each sensor node (a ~ d) is equipped with a device (for example, GPS) that can measure its own position, when installing each sensor node (a ~ d) vibration sensor The fields 10a to 10c should be installed in a predetermined shape and size.

또한, 각 센서노드(a~d)는 기준방향(예를 들어 북쪽)으로 동일하게 배치되도록 설치되거나 또는 기준방향과 배치각을 알 수 있도록 전자 나침반을 구비하고 있다. 각 센서노드(a~d)는 설치가 완료되면 네트워크에 연결되어 센서 네트워크를 형성한다. In addition, each of the sensor nodes (a to d) is installed to be arranged in the same reference direction (for example, north), or is provided with an electronic compass to know the reference direction and the angle of placement. Each sensor node (a ~ d) is connected to the network when the installation is completed to form a sensor network.

상기 네트워크에 연결되면 도 및 도 3에 도시된 바와같이, 각 센서노드(a~d)는 동작되어 GPS를 통해 자신의 위치를 측정하고 전자 나침반을 통해 기준방향에 대한 센서노드의 배치각을 측정한 후 그 측정된 위치 및 배치각을 중앙 서버(이하 서버로 약칭함)로 전송하고 탐지를 시작한다(S10~S12).Once connected to the network, as shown in FIGS. 3 and 3, each sensor node a to d is operated to measure its own position through GPS and an arrangement angle of the sensor node with respect to the reference direction through an electronic compass. After that, the measured position and placement angle are transmitted to the central server (hereinafter abbreviated as server) and detection is started (S10 to S12).

이후 침입이 발생할 경우 침입자에 의한 진동신호가 각 센서노드(a~d)의 진동센서(10a~10c)(N개 설치 가능)에 의해 탐지된다(S13). 이때, 상기 탐지된 진동신호 (1~3)의 전파속도는 매질에 의해 제한적이기 때문에 동일한 진동신호라 하더라도 각 진동센서(10a~10c)에서 시간차이를 두고 탐지된다. After the intrusion occurs, the vibration signal by the intruder is detected by the vibration sensor (10a ~ 10c) (N can be installed) of each sensor node (a ~ d) (S13). At this time, since the propagation speed of the detected vibration signals 1 to 3 is limited by the medium, even the same vibration signal is detected with a time difference between the vibration sensors 10a to 10c.

각 센서노드(a~d)는 진동센서(10a~10c) 즉, 진동센서 어레이에서 임의로 하나의 진동센서를 선택하여(예를 들어 진동센서 10a) 기준센서로 설정한 후 그 기준센서에 대한 다른 진동센서의 진동신호 도착시간 차이(TDoA : Time Difference of Arrival)를 상호상관(Cross correlation)방법을 이용하여 계산한다(S14). 이때 일 실시예로서 가장 먼저 진동신호를 수신한 진동센서를 기준센서로 선택할 수 있다. 따라서, N개의 진동센서를 사용할 경우 N-1개의 서로 독립적인 TDoA 측정값을 구할 수 있다.Each sensor node (a to d) is a vibration sensor (10a ~ 10c), that is, randomly selected one vibration sensor in the vibration sensor array (for example, vibration sensor 10a) set as a reference sensor and then the other A time difference of arrival (TDoA) of the vibration sensor is calculated by using a cross correlation method (S14). In this case, as an embodiment, the vibration sensor that first receives the vibration signal may be selected as the reference sensor. Therefore, when N vibration sensors are used, N-1 independent TDoA measurements can be obtained.

이렇게 측정된 2개(N개의 진동센서를 사용할 경우 N-1개)의 도착시간 차이 (TDoA)와 진동신호의 전파속도를 이용하여 각 센서노드(a~d)의 통신 및 신호모듈 (20)은 침입자의 방향각을 최소제곱(Least square)방법 또는 최대우도 추정방법을 통해 추정한다(S15). 이하 공지된 기술인 최소제곱(Least square) 방법 또는 최대우도 추정방법을 이용하여 침입자의 방향각을 구하면 다음과 같다.
먼저 침입자의 위치를

Figure 112012057172672-pat00004
, 센서어레이(N개) 중 기준센서(0번 센서)의 위치를
Figure 112012057172672-pat00005
, 센서어레이 중 기준센서를 제외한 임의의 진동센서(i번째 센서, i=1, 2,..,N-1)의 위치를
Figure 112012057172672-pat00006
, 진동신호의 전파속도를 v 라고 하자.
최소제곱(Least square) 방법
상기 단계(S14)에서 i번째 진동센서와 기준센서의 도착시간차이(TDoA)를 구하면 식(1)과 같다.
Figure 112012057172672-pat00007
..................식(1)
Figure 112012057172672-pat00008
......식(2)
상기 식(2)에서 좌변의 두번째 항을 이용하여 양변을 제곱하여 정리하면 다음 식(3)과 같다.
Figure 112012057172672-pat00009
...식(3)
상기 식(3)을 각 진동센서(i=1, 2,..,N-1)에 적용하면 식(4)와 같이 된다.
Figure 112012057172672-pat00010
...식(4)
상기 식(4)에서 침입자의 위치(X)와 방향각(θ)을 구하면 식(5) 및 (6)과 와 같다.
Figure 112012057172672-pat00011
..................식(5)
Figure 112012057172672-pat00012
.............식(6)
상기 식(5)를 통해 추정한 침입자의 위치는 진동센서의 오차를 감안하면 실제 위치와 굉장히 큰 오차를 갖지만, 상기 식(6)을 통해 추정한 방향각(θ)은 비교적 매우 정확하다.
최대우 추정(Maximum Likelihood estimation)방법
상기 주어진 침입자의 위치, 기준센서의 위치, i번째 센서의 위치 그리고 진동신호의 전파속도에 대해 신호 도착시간 차이(TDoA)에 대한 확률은 일반적으로 아래 식(7)과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112012057172672-pat00013
..........식(7)
상기 식(7)을 이용하여 침입자의 위치에 대한 최대우(Likelihood)를 구하면 다음 식(8)과 같다.
Figure 112012057172672-pat00014
................식(8)
상기 식(7)에서 각 다른 i에 대해 TDoA에 대한 확률이 서로 독립이고 동일한 분포(I.I.D)를 갖는다면 N-1개의 측정된 TDoA에 대한 침입자의 위치(Xs)의 log Likelihood는 식 (9)와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112012057172672-pat00015
........식(9)
상기 최대우(Maximum Likelihood)를 갖는 침입자의 위치(Xs)를 찾기 위하여 다음 식(10)을 만족하는 Xs를 찾으면 된다.
Figure 112012057172672-pat00016
..............식(10)
이와같이 최대우 추정방법(MLE)을 통해 Xs를 구하면 식(6)을 이용하여 방향각(θ)을 구할 수 있게 된다. 상기 방법에 의해 추정된 방향각에 의한 방향선(a~c)는 도 2에 도시되어 있다. The communication and signal module of each sensor node (a ~ d) using the time difference of arrival (TDoA) and the propagation speed of the vibration signal of the two measured (N-1 when using N vibration sensors) Is estimated by the least square method or the maximum likelihood estimation method (S15). Hereinafter, a direction angle of an intruder is obtained by using a least square method or a maximum likelihood estimation method.
First, find out the location of the intruder.
Figure 112012057172672-pat00004
, The position of reference sensor (sensor 0) among N sensor arrays
Figure 112012057172672-pat00005
, Position of any vibration sensor (i-th sensor, i = 1, 2, .. N-1) except reference sensor among sensor array
Figure 112012057172672-pat00006
Let v be the propagation speed of the vibration signal.
Least square method
In step S14, when the arrival time difference (TDoA) of the i-th vibration sensor and the reference sensor is obtained, Equation (1) is obtained.
Figure 112012057172672-pat00007
Equation (1)
Figure 112012057172672-pat00008
Expression (2)
In both equations (2), using both terms on the left side, the squares of both sides are summarized as in the following equation (3).
Figure 112012057172672-pat00009
... (3)
Applying equation (3) to each vibration sensor (i = 1, 2, ..., N-1) is the same as equation (4).
Figure 112012057172672-pat00010
... formula (4)
The position X of the intruder and the direction angle θ in Equation (4) are obtained as in Equations (5) and (6).
Figure 112012057172672-pat00011
Equation (5)
Figure 112012057172672-pat00012
............. Equation (6)
The position of the intruder estimated by Equation (5) has a very large error with the actual position in consideration of the error of the vibration sensor, but the direction angle θ estimated by Equation (6) is relatively very accurate.
Maximum Likelihood Estimation
With respect to the position of the intruder, the position of the reference sensor, the position of the i-th sensor, and the propagation speed of the vibration signal, the probability of the difference in signal arrival time (TDoA) can be expressed as Equation (7) below.
Figure 112012057172672-pat00013
.......... Equation (7)
Using the equation (7) to obtain the maximum right (Likelihood) for the position of the intruder is as shown in the following equation (8).
Figure 112012057172672-pat00014
Equation (8)
If the probability for TDoA for each other i in the equation (7) is independent of each other and has the same distribution (IID), then the log likelihood of the intruder's position (Xs) for N-1 measured TDoAs is given by equation (9). Can be expressed as:
Figure 112012057172672-pat00015
Expression (9)
In order to find the position Xs of the intruder having the maximum likelihood, the Xs satisfying the following equation (10) can be found.
Figure 112012057172672-pat00016
Equation (10)
As described above, when Xs is obtained through the maximum right estimation method MLE, the direction angle θ can be obtained using Equation (6). Direction lines a to c by the direction angle estimated by the method are shown in FIG. 2.

상기 진동신호의 전파속도는 서버에서 전송된 침입자의 위치정보를 이용하여 추정한 속도로서, 5개 이상의 진동센서(N=5)를 사용할 경우에는 각 센서노드 (a~d)에서도 진동신호의 전파속도 추정이 가능하다.The propagation speed of the vibration signal is a speed estimated by using the intruder's location information transmitted from the server, and when five or more vibration sensors (N = 5) are used, the propagation of the vibration signal is also performed at each sensor node (a to d). Speed estimation is possible.

각 센서노드(a~d)의 통신 및 신호모듈(20)은 추정된 방향각을 안테나(30)를 통해 서버(미도시)로 전송하고(S16), 서버는 수신한 각 센서노드(a~d)의 위치정보, 배치각 및 침입자에 대한 방향각 정보를 이용하여 침입자의 위치를 추정한다(S17, S18). 추정방법으로는 앞에서와 동일하게 확률적 방법(MLE)이나 기하학적 방법 (Least square)을 사용한다.
서버에서 침입자 위치추정
각 센서노드로부터 침입자의 방향각을 수신한 서버는 공지된 기술인 다음의 최소자승(Least square)방법을 이용하여 침입자의 위치를 추정할 수 있다.
먼저, 하나의 침입자를 탐지한 센서노드 중 k번째(k=1, 2,..,K) 센서노드의 위치를

Figure 112012057172672-pat00017
, 침입자의 방향각을
Figure 112012057172672-pat00018
, 침입자의 위치를
Figure 112012057172672-pat00019
라고 하면, 다음 식(11)과 같이 나타낼 수 잇다.
Figure 112012057172672-pat00020
.........식(11)
다른 센서노드에서 방향각이 수신되어 식(11)이 두개이상 구해지면, 다음의 식(12)와 같이 행렬식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112012057172672-pat00021
.........식(12)
따라서, 상기 식(12)를 정리하면 다음의 식(13)과 같이 각 센서노드(a~d)의 위치정보, 배치각 및 침입자에 대한 방향각 정보를 이용하여 침입자의 위치를 추정할 수 있게 된다. The communication and signal module 20 of each sensor node (a ~ d) transmits the estimated direction angle to the server (not shown) through the antenna 30 (S16), the server receives each sensor node (a ~) The position of the intruder is estimated using the position information, the placement angle, and the direction angle information of the intruder in step S17 and S18. As the estimation method, the stochastic method (MLE) or the geometric method (Least square) is used.
Estimate Intruder Location on Server
The server that receives the intruder's direction angle from each sensor node can estimate the intruder's location using the following Least Square method, which is a known technique.
First, the position of the kth (k = 1, 2, .., K) sensor node among the sensor nodes that detected one intruder
Figure 112012057172672-pat00017
Intruder's direction angle
Figure 112012057172672-pat00018
Intruder's position
Figure 112012057172672-pat00019
Can be expressed as in the following equation (11).
Figure 112012057172672-pat00020
......... (11)
If a direction angle is received from another sensor node and two or more equations (11) are obtained, they may be expressed in a matrix form as shown in Equation (12) below.
Figure 112012057172672-pat00021
......... Equation (12)
Therefore, the equation (12) can be summarized so that the position of the intruder can be estimated using the position information, the placement angle, and the direction angle information of the intruder as shown in the following equation (13). do.

각 센서노드(a~d)가 3개 또는 4개의 진동센서를 사용할 경우 서버는 계산된 침입자의 위치정보를 다시 침입자를 탐지했던 센서노드(a~d)로 전송하여 진동신호의 전파속도 추정에 사용되도록 한다(S19). When each sensor node (a ~ d) uses three or four vibration sensors, the server sends the calculated intruder's location information back to the sensor nodes (a ~ d) that detected the intruder, and then estimates the propagation speed of the vibration signal. To be used (S19).

한편 각 센서노드(a~d)에서 침입자의 방향각을 추정하기 위해서는 진동신호의 전파속도가 필요하다. 그런데, 칩입자에 대한 방향각과 함께 실제 측정을 통해 진동신호의 전파속도를 계산하기 위해서는 5개 이상(N ≥ 5)의 진동센서 어레이를 사용하여야 한다. 그런데, 상기 진동신호의 전파속도는 상수가 아니며, 매질(예를 들어 토양)의 상태에 따라 즉, 장소와 시간에 따라 크게 달라질 수 있다. 또한 상기 전파속도를 잘못 알고 있을 경우 침입자의 방향각 추정에 큰 오차를 보이게 된다. On the other hand, in order to estimate the direction angle of the intruder in each sensor node (a ~ d), it is necessary to propagate the vibration signal. However, in order to calculate the propagation speed of the vibration signal through the actual measurement together with the direction angle with respect to the chip particles, five or more (N ≥ 5) vibration sensor arrays should be used. However, the propagation speed of the vibration signal is not a constant, and may vary greatly depending on a state of a medium (for example, soil), that is, a place and a time. In addition, if the propagation speed is misunderstood, a large error is shown in estimating the intruder's direction angle.

따라서, 본 발명에서는 서버에서 최종으로 추정된 침입자의 위치정보를 각 센서노드(a~d)로 전송하고, 각 센서노드(a~d)는 서버로부터 침입자의 위치정보를 수신하여 이동평균 방법을 이용하여 진동신호의 전파속도를 추정함으로써 3개 또는 4개의 진동센서 어레이만으로 진동신호의 전파속도를 추정한다(S20, S21). 즉, 각 센서노드(a~d)는 서버의 정보를 통해 보정하기 전에는 임의의 전파속도 초기값을 이용하여 방향각 계산을 할 수 있으며, 실험을 통해 설정된 값을 초기값으로 정할 수 있다. 서버로부터 침입자의 정확한 위치정보가 피드백되면, 각 센서노드(a~d)는설치된 매질의 종류 및 상태에 따른 전파속도를 상술한 식(1)을 통해 계산하여 매질의 속도를 보정할 수 있다. 이를 통해 다음 침입자 발생시 방향각의 추정 정확도를 높일 수 있게 된다. Therefore, in the present invention, the position information of the intruder finally estimated by the server is transmitted to each sensor node (a ~ d), each sensor node (a ~ d) receives the position information of the intruder from the server to perform a moving average method By estimating the propagation speed of the vibration signal using the three or four vibration sensor arrays, the propagation speed of the vibration signal is estimated (S20 and S21). That is, each sensor node (a ~ d) can calculate the direction angle by using a random propagation velocity initial value before correction through the information of the server, it is possible to set the value set through the experiment as the initial value. When the exact position information of the intruder is fed back from the server, each sensor node (a ~ d) can correct the speed of the medium by calculating the propagation speed according to the type and state of the installed medium through the above formula (1). This can increase the accuracy of the estimation of the direction angle when the next intruder occurs.

그리고, 각 센서노드(a~d)는 상기 서버에서 전송된 침입자의 위치정보를 표시부(미도시)의 화면에 표시하여 관리자가 알 수 있도록 한다. 이런 일련의 과정이 실시간으로 연속되면 침입자를 실시간으로 추적할 수 있게 된다. Each of the sensor nodes a to d displays the location information of the intruder transmitted from the server on a screen of a display unit (not shown) so that the administrator can know. This series of steps, in real time, allows the intruder to be tracked in real time.

이와같이 본 발명은 각 센서노드별로 3개 이상의 진동센서 어레이를 이용하여 센서노드로부터 방향각을 구할 수 있으며, 같은 침입자를 2개 이상의 센서노드가 탐지할 경우 비교적 정확한 침입자의 위치추정이 가능하다. 이렇게 추정된 침입자 위치를 각 센서노드에게 다시 피드백 함으로써 종래와 달리 3개 또는 4개의 진동센서 어레이만 가지고도 각 센서별로 진동신호의 전파속도를 추정할 수 있다. As described above, the present invention can obtain a direction angle from the sensor node using three or more vibration sensor arrays for each sensor node, and when two or more sensor nodes detect the same intruder, it is possible to accurately estimate the position of the intruder. By feeding back the estimated intruder position to each sensor node, it is possible to estimate the propagation speed of the vibration signal for each sensor using only three or four vibration sensor arrays.

따라서, 본 발명을 방산분야에 사용할 경우에는 감시정찰 센서네트워크에 적용하여 침입자의 위치를 추적할 수 있으며, 수동센서인 진동센서를 사용하여 저전력으로 운용 가능한 효과가 있다. 또한 본 발명을 민수분야에 적용할 경우에는 값싼 진동센서와 저전력노드를 이용하여 비교적 정밀하게 침입자를 탐지 및 추적할 수 있는 시스템 구축이 가능한 효과가 있다. Therefore, when the present invention is used in the field of defense, it can be applied to the surveillance reconnaissance sensor network to track the position of the intruder, and there is an effect that can be operated at low power using a vibration sensor which is a passive sensor. In addition, when the present invention is applied to the civilian field, it is possible to construct a system capable of detecting and tracking an intruder relatively precisely using a cheap vibration sensor and a low power node.

상기와 같이 설명된 센서 네트워크의 침입자 위치추정 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다. The intruder location estimation method of the sensor network described above is not limited to the configuration and method of the embodiments described above, the embodiments are all or part of each of the embodiments is optional so that various modifications can be made It may be configured in combination.

10a~10c : 진동센서 20 : 통신 및 신호모듈
30 : 안테나 100 : 센서노드
10a ~ 10c: vibration sensor 20: communication and signal module
30: antenna 100: sensor node

Claims (14)

각 센서노드에서, 자신의 위치정보와 배치각 정보를 서버로 전송하는 단계;
각 센서노드에서, 진동센서 어레이를 통해 침입자의 침입으로 발생된 진동신호를 감지하는 단계;
각 센서노드에서, 진동센서 어레이중에서 기준센서에 대한 다른 진동센서의 진동신호간 탐지시간 차이를 계산하는 단계;
각 센서노드에서, 계산된 탐지시간 차이와 진동신호의 전파속도를 이용하여 침입자의 침입위치에 대한 방향각을 추정하고 이를 서버로 전송하는 단계;
서버에서, 각 센서노드로부터 수신한 침입자의 방향각 정보 및 각 센서노드의 위치정보와 배치각 정보를 이용하여 침입자의 위치를 추정하는 단계;
서버에서, 추정된 침입자 위치정보를 각 센서노드로 피드백하는 단계; 및
각 센서노드에서 피드백된 침입자 위치정보를 이용하여 매질에 따른 진동신호의 전파속도를 추정하여 침입자의 침입위치에 대한 방향각을 추정하는 단계;를 포함하는 침입자 위치추정 방법.
Transmitting, at each sensor node, its own location information and placement angle information to a server;
Detecting, at each sensor node, a vibration signal generated by an intruder's intrusion through the vibration sensor array;
Calculating, at each sensor node, a detection time difference between vibration signals of another vibration sensor with respect to the reference sensor in the vibration sensor array;
At each sensor node, estimating a direction angle with respect to the intrusion position of the intruder by using the calculated detection time difference and the propagation speed of the vibration signal and transmitting the same to the server;
Estimating the position of the intruder using the direction angle information of the intruder received from each sensor node, the position information and the placement angle information of each sensor node;
At the server, feeding back the estimated intruder location information to each sensor node; And
Estimating the propagation speed of the vibration signal according to the medium using the intruder position information fed back from each sensor node to estimate a direction angle with respect to the intrusion position of the intruder.
제1항에 있어서, 상기 기준센서는
진동센서 어레이중에서 임의로 선택하거나 진동신호가 가장 먼저 도착된 진동센서로 선택되는 것을 특징으로 하는 침입자 위치추정 방법.
The method of claim 1, wherein the reference sensor
Intruder position estimation method characterized in that the randomly selected from the vibration sensor array or the vibration signal is selected as the first arrival vibration sensor.
제1항에 있어서, 상기 침입자의 방향각은
최대우도 추정방법 또는 최소제곱방법에 의해 계산하는 것을 특징으로 하는 침입자 위치추정 방법.
The method of claim 1, wherein the inclination angle of the intruder
Intruder position estimation method characterized in that the calculation by the maximum likelihood estimation method or least square method.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 진동신호의 전파속도는
이동평균 방법을 이용하여 추정하는 침입자 위치추정 방법.
According to claim 1, wherein the propagation speed of the vibration signal is
Intruder location estimation method estimated using moving average method.
칩입자 탐지 개시시 위치정보와 배치각 정보를 네트워크로 전송하고, 탐지중에는 진동센서 어레이중에서 기준센서를 선택한 후 기준센서에 대한 다른 진동센서의 진동신호 탐지시간 차이를 계산하여, 그 계산된 탐지시간 차이와 진동신호의 전파속도를 이용하여 침입자의 침입위치에 대한 방향각을 추정한 후 네트워크로 전송하는 복수의 센서노드; 및
네트워크를 통해 각 센서노드로부터 수신된 각 센서노드의 위치정보와 배치각 정보 그리고 침입자의 방향각 정보를 이용하여 침입자의 위치를 추정하는 중앙 서버;로 구성되며,
상기 서버는 추정된 침입자 위치정보를 각 센서노드로 피드백하고, 각 센서노드는 상기 피드백된 침입자 위치정보를 이용하여 매질에 따른 진동신호의 전파속도를 추정하여 방향각 계산에 이용하는 것을 특징으로 하는 침입자 위치추정 시스템.
At the start of chip particle detection, location information and placement angle information are transmitted to the network, and during detection, the reference sensor is selected from the vibration sensor array, and the difference of vibration signal detection time of other vibration sensors with respect to the reference sensor is calculated. A plurality of sensor nodes for estimating a direction angle with respect to the intrusion position of the intruder using the difference and the propagation speed of the vibration signal and transmitting the estimated angle to the network; And
And a central server estimating the location of the intruder using the location information, the placement angle information, and the direction angle information of the intruder received from each sensor node through the network.
The server feeds back the estimated intruder position information to each sensor node, and each sensor node uses the feedback intruder position information to estimate the propagation speed of a vibration signal according to a medium and use the calculated intruder. Positioning system.
제8항에 있어서, 상기 위치정보와 배치각 정보는
각 센서노드에 구비된 위치측정장치 및 전자 나침반을 통해 측정되는 것을 특징으로 하는 침입자 위치추정 시스템.
The method of claim 8, wherein the location information and the placement angle information
Intruder position estimation system, characterized in that measured by the position measuring device and the electronic compass provided in each sensor node.
삭제delete 삭제delete 제8항에 있어서, 상기 각 센서노드는
이동평균 방법을 이용하여 진동신호의 전파속도를 추정하는 것을 특징으로 하는 침입자 위치추정 시스템.
The method of claim 8, wherein each sensor node
An intruder position estimation system comprising estimating the propagation speed of a vibration signal using a moving average method.
제8항에 있어서, 상기 각 센서노드 및 서버는
최대우도 추정방법 또는 최소제곱방법을 이용하여 침입자의 방향각 정보와 침입자의 위치를 각각 계산하는 것을 특징으로 하는 침입자 위치추정 시스템.
The method of claim 8, wherein each sensor node and server
An intruder position estimation system, comprising calculating the direction angle information of the intruder and the position of the intruder using a maximum likelihood estimation method or a least square method.
삭제delete
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101305998B1 (en) * 2013-02-13 2013-09-12 한국건설생활환경시험연구원 Security apparatus by using door impact sensing
KR101324032B1 (en) 2013-02-13 2013-11-01 송재빈 Security method by using door impact sensing
KR101465246B1 (en) * 2013-12-24 2014-11-25 주식회사 케이티 Apparatus for determining place generating noise between floors and method thereof
KR20170081858A (en) * 2016-01-05 2017-07-13 주식회사 엘지유플러스 Apparatus for judging position of a sound source

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101041851B1 (en) 2010-09-07 2011-06-15 엘아이지넥스원 주식회사 Sensor network for estimating target size and method thereof

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101041851B1 (en) 2010-09-07 2011-06-15 엘아이지넥스원 주식회사 Sensor network for estimating target size and method thereof

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101305998B1 (en) * 2013-02-13 2013-09-12 한국건설생활환경시험연구원 Security apparatus by using door impact sensing
KR101324032B1 (en) 2013-02-13 2013-11-01 송재빈 Security method by using door impact sensing
KR101465246B1 (en) * 2013-12-24 2014-11-25 주식회사 케이티 Apparatus for determining place generating noise between floors and method thereof
KR20170081858A (en) * 2016-01-05 2017-07-13 주식회사 엘지유플러스 Apparatus for judging position of a sound source
KR102462803B1 (en) 2016-01-05 2022-11-04 주식회사 엘지유플러스 Apparatus for judging position of a sound source

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