摘 要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以傳感探測、通信及計算機等科學(xué)技術(shù)為依托而構(gòu)筑的目標(biāo)感知和監(jiān)測系統(tǒng)，由于其巨大的應(yīng)用前景而備受學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。定位問題是傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與應(yīng)用中的一個重要問題。傳感器節(jié)點的位置信息在傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)管理、節(jié)點間協(xié)作、目標(biāo)跟蹤等方面都具有重要的理論和實際意義。本文詳細闡述了基于聲波測距的傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法的實現(xiàn)策略，對具體實現(xiàn)機制進行了分析并給出相關(guān)結(jié)論。
　　關(guān)鍵詞：傳感器網(wǎng)絡(luò) 定位算法 聲波測距

　　1.引言

　　處理器、存儲和無線通信技術(shù)的不斷進步為網(wǎng)絡(luò)化傳感器開辟了新的發(fā)展空間，網(wǎng)絡(luò)化傳感器不僅僅是一個簡單的傳感器，它由處理器、存儲器、無線收發(fā)機、電池和一組傳感器構(gòu)成，具有傳感、計算和通信等多種功能。而且伴隨著制造工藝的不斷革新，網(wǎng)絡(luò)化傳感器的體積變得越來越小，因此人們形象的稱它為“智能塵�！�。由這種“智能塵�！苯M成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)被廣泛的應(yīng)用到各方面，例如環(huán)境監(jiān)測、軍事偵察等。定位問題是傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與應(yīng)用中的一個重要問題。傳感器節(jié)點的位置信息在傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)管理、節(jié)點間協(xié)作、目標(biāo)跟蹤等方面都具有重要的理論和實際意義。

　　2. 基于測距的定位

　　2.1 軟硬件環(huán)境及可行性分析

　　我們使用的節(jié)點是CrossBow公司的MPR400CB，節(jié)點上所使用的處理器是ATmega128L。ATmega128L處理器的約為主頻 7.4MHz，CPU時鐘周期是136ns，另外ATmega128L處理器使用的是精簡指令集和流水線技術(shù)，大部分指令的執(zhí)行周期都只占用一個CPU時鐘周期，中斷的響應(yīng)周期占4個CPU時鐘周期。如果測10cm的距離，聲速假設(shè)是340m/s，那么則ΔT應(yīng)該大約為0.294ms;假設(shè)每條指令的執(zhí)行時間都是136ns，那么在ΔT這段時間內(nèi)節(jié)點可以大約執(zhí)行2161條指令，所以說處理器在處理速度上是足夠了。另外處理器中計數(shù)器晶振的頻率最快可以達到每毫秒7373次，所以計時器也具有足夠的精確度用來計時。所以，聲波法測距中，計時的環(huán)節(jié)上不存在問題。

　　我們所用的傳感器板是CrossBow公司的MTS310CA。MTS310CA傳感器板上同時集成了蜂鳴器和麥克風(fēng)。蜂鳴器是一個簡單的4KHz壓電共鳴器。它的驅(qū)動和頻率控制電路是內(nèi)部集成的。對它的操作只需控制開關(guān)就行了。MTS310CA傳感器板提供了麥克風(fēng)，有兩個主要用途，一個用途是用來做聲音的測距，另一個用途是用來錄音和測量聲音。其中麥克風(fēng)自帶了濾波器和聲音解碼器，可以用來對MTS310CA傳感器板上蜂鳴器發(fā)出的4kHz的聲音進行監(jiān)聽。

　　節(jié)點上運行的操作系統(tǒng)為TinyOS。TinyOS是一種源代碼開放的操作系統(tǒng)，是美國加州大學(xué)伯克利分校為低功率的嵌入式網(wǎng)絡(luò)傳感器而設(shè)計的基于事件驅(qū)動的嵌入式操作系統(tǒng)，它以最少的硬件配置支持網(wǎng)絡(luò)化傳感器所需的并發(fā)密集操作，是一種微線程、事件觸發(fā)的操作系統(tǒng)。它保持了網(wǎng)絡(luò)化傳感器所特有的諸多特性，高效的管理硬件系統(tǒng)，同時支持并發(fā)密集操作，從某種意義上達到高效的模塊化和運行的健壯性。

　　2.2 算法實現(xiàn)

　　為了用聲波測距且將距離的最小分辨率提高到至少10厘米，我們必須對TinyOS提供的定時器TimerC進行改造�？紤]到TinyOS本身的一些其他重要組件，如節(jié)點間無線通信模塊GenericComm.nc、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADCC等都用到了系統(tǒng)提供的TimerC組件。所以我們?nèi)绻�要改�?TimerC，那么在改造的同時還要保證原來的功能不變。另外一種方法是利用處理的另外一個硬件資源，也就是Timer/Counter1，自己編寫一個專用的Timer。比較兩種方法，前一種在原來的基礎(chǔ)上稍加改進節(jié)省硬件資源;后一種方法的話比較簡單，但專門用了處理器的一個定時計數(shù)器只實現(xiàn)一個 Timer，從硬件角度看浪費較大，不過它可以達到很高的計時速度，可以用來進行高頻率的采樣。

　　這種方法的基本思想為：Beacon節(jié)點以固定的時間間隔先通過無線發(fā)射裝置向Listener節(jié)點發(fā)射一條準備測距的消息，其中包含一個時間戳，沒法一次準備測距的消息時Beacon節(jié)點將時間戳加1。這里Beacon節(jié)點是用兩個定時器，第一個定時器用來控制向Listener發(fā)送準備測距的消息的時間間隔，第二個定時器用來控制蜂鳴器的發(fā)聲時間。這里兩節(jié)點通過Beacon使用的SendMsg接口的 SendMsg.sendDone（TOS_MsgPtr sent, result_t success）事件和Listener使用的 ReceiveMsg接口的event TOS_MsgPtr ReceiveMsg.receive（TOS_MsgPtr m）事件達到兩節(jié)點間的同步。也就是說，對于Beacon來說，當(dāng)SendMsg的發(fā)送完成時即產(chǎn)生SendMsg.sendDone事件，Beacon將蜂鳴器打開一段時間;對 Listener來說當(dāng)ReceiveMsg產(chǎn)生ReceiveMsg.receive事件時，Listener節(jié)點開始計時。

　　2.3 結(jié)果分析

　　程序在傳感器節(jié)點上運行，在基站接收到的數(shù)據(jù)（如圖1）是兩節(jié)點距離20厘米時的測量結(jié)果，其中發(fā)回基站標(biāo)出的數(shù)值乘以10厘米就是兩節(jié)點間的實際距離。

圖1 基站接收到原始數(shù)據(jù)

　　圖1中橫線的數(shù)據(jù)表示節(jié)點測量到的距離，比例因子是10厘米。從數(shù)據(jù)流可以看出，測量的結(jié)果不穩(wěn)定，有漂流而且較大。但其中有正確的結(jié)果02也就是 20厘米，同樣，將兩節(jié)點的距離放置30厘米、40厘米、50厘米、60厘米、70厘米和80厘米，得到的數(shù)據(jù)有類似的特點。仔細對聲波測距的誤差分布圖分析后，發(fā)現(xiàn)其誤差的分布以一種比較隨意的分布，不能用我們常用的例如正態(tài)分布等分布來對其進行擬合。然而，我們使用一種比較簡單的最小值濾波得到了比較好的效果。因為對接收到的數(shù)據(jù)流仔細觀察，雖然在同一距離中測量值偏差的分布沒有任何規(guī)律，但是從某一寬度的時間窗口，也就是同一距離時連續(xù)測到的一組數(shù)據(jù)（例如連續(xù)的10個測量值），內(nèi)中必有和真實距離相符的正確的測量值，而且在這一組數(shù)據(jù)中值最小。

　　由上面分析得到數(shù)據(jù)的特點我們決定采用最小值濾波法來改進測量，也就是在一組連續(xù)的數(shù)據(jù)（試驗中發(fā)現(xiàn)10個連續(xù)的數(shù)據(jù)長度是在可以保證數(shù)據(jù)的正確率大于98%的情況下的最短距離）中找出這些數(shù)據(jù)中值最小的那個值來代表著一段時間內(nèi)測距結(jié)果。這樣兩節(jié)點的一次測距，通過10對他們的10次連續(xù)測距并采用最小濾波得到。不過這種方法的缺點也是比較明顯的，也就是增加了節(jié)點之間的測距所需要的時間，如果原來是每一秒鐘測一次距離，那么用這種算法如果濾波的長度取10的話，變成每10秒鐘測一次距離，也就是10秒定一次位。這使測量的實時性降低，為了提高實時性，可以縮短Beacon每次發(fā)射準備測距信號的時間間隔，如每100毫秒進行一次，這樣就使得同樣的算法情況下定位測距的時間縮短到1秒鐘一次。

　　將算法改進，對兩節(jié)點的一次測距值，通過連續(xù)的10測距并采用最小濾波得到。將改進的程序燒上載到傳感器節(jié)點，將兩節(jié)點的距離分別放置為10厘米、 20厘米、30厘米……200厘米，觀察基站接收到的數(shù)據(jù)。接收到的數(shù)據(jù)也就是測量值比較穩(wěn)定且與兩節(jié)點之間實際的距離最大誤差在正負10厘米之內(nèi)。

　　在這里我們使用最小值濾波的原因是，我們對時間的讀數(shù)總不可能比聲音到達的時間快，所以這里用最小的值估計應(yīng)該是最接近真實值的。

　　3. 結(jié)論

　　由于在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，時間同步是一個需要解決的核心科學(xué)問題，同時也是一個難題，而在節(jié)點的測距和定位過程中，我們又需要精確的時間同步。采用對特定的聲音頻率（4kHz蜂鳴器發(fā)出的聲音）產(chǎn)生中斷來判斷聲音是否到達從而進行測距的方法，我們得出以下幾點結(jié)論：

　　l 外界環(huán)境對于測距的影響較大，尤其是外界噪聲和蜂鳴器發(fā)出的聲音的回聲;

　　l 當(dāng)測距較遠時，如果是在室內(nèi)回音對于測距結(jié)果影響很大，即使采用最小值濾波法也不會得到穩(wěn)定的值。為了消除回音的影響，應(yīng)該將蜂鳴器的發(fā)聲時間間隔取小，兩次發(fā)聲之間的時間間隔取大，從而消除室內(nèi)回音影響，在采用上述方法消除回音的影響之后，在長距離的測量中得到穩(wěn)定而正確的數(shù)據(jù);

　　l 對于距離的分辨率，可以通過改變Listener計時器觸發(fā)的時間間隔來控制，也就是 call Timer.start2（TIMER_REPEAT,10），將第二個參數(shù)的數(shù)值變小可以提高，但不能變得太小，太小的話會使其負載增大，反而使測量結(jié)果不準確。另外由于麥克風(fēng)不夠靈敏的原因?qū)⑵渲翟O(shè)置得太小對測量結(jié)果影響不大。實驗表明10厘米的分辨率是一個比較好的取值，而且國外大部分采用聲音測距的誤差也是10厘米，由于硬件本身的因素，誤差無法進一步減小;

　　l 該方法的定位時間比較長，不如信號強度定位好，適用于節(jié)點間相對位置較為穩(wěn)定或者變化速度不是很快的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中的定位。

　　本文作者創(chuàng)新點：通過簡單而有效的時間戳來達到近似的時間同步并對測量數(shù)據(jù)進行最小濾波來實現(xiàn)測距和定位。

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