节点的测距与定位

１ 引言
处理器、 存储和无线通信技术的不断进步为网络化传感器 开辟了 新的发展空间， 网络化传感器不仅仅是一个简单的传感 器， 它由处理器、 存储器、 无线收发机、 电池和一组传感器构成， 具有传感、 计算和通信等多种功能。而且伴随着制造工艺的不 断革新， 网络化传感器的体积变得越来越小， 因此人们形象的 称它为 “ 智能尘埃” 由这种 “ 。 智能尘埃” 组成的无线传感网络 被广泛的应用到各方面， 例如环境监测、 军事侦察等。 定位问题 是传感器网络设计与应用中的一个重要问题。 传感器节点的位 置信息在传感器网络的协议设计、 网络管理、 节点间协作、 标 目 跟踪等方面都具有重要的理论和实际意义。
３ 结论
由于在传感器网络中， 时间同步是一个需要解决的核心科 学问题， 同时也是一个难题 ， 而在节点的测距和定位过程中， 我
ｅ ｎ ｏ＿ｓ ｔ ｅｉＭｇ ｃｖ ５ ｓ ｔ ） ｖ ｔ ｓＭｇ Ｒｃｖ ｓ ｅｅ ＿ ｇｒ 事件达到两 ｅｒ Ｐ ｅｅ ｒ ｉ阴 Ｍ ｐ ｍ ｒ ｅ 步。 ４ ｚ ｋ 节点间的同 也就是说， ｅａ ｎ 步。 对于Ｂｃ 来说， ｅ Ｍ 的 ｏ 当ｓ ｄ ｓ 发 们又需要精确的时间同 采用对特定的声音频率（ Ｈ 蜂鸣 ｎ ｇ 声音） 产生中断 来判断声音是否到达从而进行测距的 送完成时即 产生Ｓ ｄ ｓｓ ｄｏ 事件， ａｎ ｅ Ｍｇｅ Ｄｎ ｎ ｎ ｅ Ｂ ｃ 将蜂鸣器打开 器发出的 ｅｏ 我们得出以下几点结论： 一段时间； ｉ ｎ 来说当Ｒｃｖ ｓ产生Ｒｃｖ ｓｒ 方法， 对Ｌｔｅ ｓ ｒ ｅ ｅ ｉＭｇ ｅｅ ｅ ｉＭｇｅ ｅｅ ． －
ｃｖ事件时，ｓｎ 节点开始计时。 ｅｅ ｉ Ｌｔ ｅ ｉ ： ｅ ２ 结果分析 ． ３ 程序在传感器节点上运行， 在基站接收到的数据（ ） 如图１ 是 两节点距离２ 厘米时的测量结果， ０ 其中发回 基站标出的数值
乘以 １ 厘米就是两节点间的实际距离。 ０
＊ 外界环境对于测距的影响较大， 尤其是外界噪声和蜂鸣 器发出的声音的回 声； ， 当测距较远时，如果是在室内回音对于测距结果影响很 大， 即使采用最小值滤波法也不会得到稳定的值。为了消除回 音的影响， 应该将蜂鸣器的发声时间间隔取小， 两次发声之间 的时间间隔取大， 从而消除室内回音影响， 在采用上述方法消 除 回音 的影 响之后 ， 在长距离 的测量 中得到稳定 而正确 的数据； ＊ 对于距离的分辨率，可以通过改变 Ｌ ｎｒ ｉ ｅ计时器触发 ｅ ｔ ｓ 的时间间隔来控制，也就是 ｃ Ｔ ｅｓ Ｚ ＩＥ ＿ Ｅ Ｅ Ｔ ｌ ｍ． ａ ｉ ｒ ｔ 汀Ｍ Ｒ Ｒ Ｐ Ａ Ｔ ａ ，
６国网局阅： ６０‘ “ 自邮、号 一３ 年 ” 控 ２ 元 ８ ６ 一 ４ ９
传感器 与仪器仪表
中文核心期刊 《 微计算机信息》测控自动化） ０ 年第２ 卷第 ５ 期 （ ２７ ０ ４ 一 ，
二个定时器用来控制蜂鸣器 的发声时间。这里两节点通过
Ｂａ ｎ ｅ ｏ 使用的ｓ ｄ ｓ接口的ｓ ｄ ｓｓ ｄｏ （ ＳＭｇ廿 ｃ ｅ Leabharlann Baiduｇ ｎ ｅ Ｍｇｅ Ｄｎ Ｔ ＿ ｓ ｎ ．ｎ ｅ Ｏ ｐ ｓ ｔ ｓｔ ｓ ｃ ｓ ｅ ， ｕ ｔ ｃ ｓ事件和Ｌｔｅ使用的Ｒｃｖ ｓ接口的 ｎ ｒ ｌ ｕ ｅ） ｅ － ｉ ｎｒ ｓ ｅ ｅ ｉＭｇ ｅｅ
米， 我们必须对Ｔ ｏ 提供的 ｉ ｓ ｙ ｎ 定时器Ｔ ｅ 进行改造。 ｉ ｒ ｍｃ 考虑到 ｉ Ｓ Ｔ Ｏ 本身的一些其他重要组件， ｙ ｎ 如节点间无线通信模块 ｅ ｅｃ０ ｍ 。 ＧｎｒＣｍ ． 、模数转换器 Ａ ｃ 等都用到了系统提供的 ｉ ｎ Ｄｃ
ｉ 川组件。所以我们如果要改造 Ｔ ｅ ， Ｔ ｅ ｍ ｉ ｒ 那么在改造的同时 ｍＣ 还要保证原来的功能不变。 另外一种方法是利用处理的另外一 个硬件资源，也就是 Ｔ ｅＣ ｎ ｌ ｉ ｒ ｏｔ ，自己编写一个专用的 ｍ／ ｕ ｅ ｒ ｉｒ Ｔｅ ｍ 。比较两种方法， 前一种在原来的基础上稍加改进节省硬 件资源； 后一种方法的话比较简单， 但专门用了处理器的一个 定时计数器只实现一个 Ｔ ｅ， ｉ ｒ ｍ 从硬件角度看浪费较大， 不过它 可以达到很高的计时速度， 可以用来进行高频率的采样。 这种方法的基本思想为： ａ 节点以固定的时间间隔先 ｅ ｏ Ｂｃ ｎ 我们所用的传感器板是 Ｃ ｓ ｏ ｏＢ ｒｓ ｗ公司的 Ｍ Ｓ１ Ａ Ｔ３０ 。 Ｃ 通过无线发射装置向Ｌ ｎ： ｉ ｅ 节点发射一条准备测距的消息， ｅ ｔ ｓ Ｍ ３ Ｃ 传感器板上同时集成了 Ｓ０ Ｔ １Ａ 蜂鸣器和麦克风。 蜂鸣器是 其中包含一个时间戳， 没法一次准备测距的消息时 Ｂａ 节 ｅｃ ｎ ｏ 刘 刚： 博士研究生 点将时间戳加 １ 。这里 Ｂａ 节点是用两个定时器， ｅｃ ｎ ｏ 第一个定 基金项 目： 国家自然科学基金资助项 目（ 课题编号 ６５３６ ０７１１ ） 时器用来控制向 Ｌ ｔ ｒ ｉ ｅ 发送准备测距的消息的时间间隔， ｓｎ ｅ 第 《仁 ｐ Ｃ技术应用２ ０ ０ 例》
２ 基 于测距 的定位
２ 软硬件环境及可行性分析 ． １ 我们使用的节点是Ｃ ｓ ｏ 公司的Ｍ Ｒ０Ｃ ， ｏＢ ｒｓｗ Ｐ４ Ｂ节点上所 使用的处理器是Ａ ｍ ａ ８。 Ｔ ｅ １８ 处理器的约为主频 Ｔ ｅ ｌ Ａｍｇ ２ ｇ２ Ｌ ａ Ｌ ７Ｍ ｚ Ｐ ． Ｈ ， ｕ时钟周期是 １ ｎ， ４ ｃ ３ｓ ６ 另外Ａ ｅ ｌ Ｌ ｍ ａ ８ ｒ ｇ ２ 处理器使用
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文章编号： ０一５０ ０７ ５ １０８一２ １ ８０７（ ０） 一一 １９ ０ ２ ０
传 感器 与仪 器 仪 表
传感器网络节点的测距与定位
Ｒ ｎ ｉｇａ ｄＬ ｃＩａ ｏ ｎ 训 ｒｌ ｓｓ ｎ ｏ Ｎ 八 ｏ ａ ｇｎ ｎ ｏａ ｔ ｎｉ ／ ｅ ｅ ｓ ｒ ｅ ｖ ｒ Ｚ’ ｉＩ ｉ ｓ ｅ ｋ
节 运行的 操作系 点上 统为Ｔ ｏ 。 ｎ Ｓ 种源代码开 ｉ ｓＴ ０ 是一 ｙ ｎ ｉ ｙ
放的操作系统， 是美国加州大学伯克利分校为低功率的嵌人式 网络传感器而设计的基于事件驱动的嵌人式操作系统， 它以最 少的硬件配置支持网络化传感器所需的并发密集操作 ， 是一种 微线程、 事件触发的操作系统。它保持了网络化传感器所特有 的诸多特性， 高效的管理硬件系统， 同时支持并发密集操作， 从 某种意义上达到高效的模块化和运行的健壮性。 ． ２ 算法实现 ２ 为了用声波测距且将距离的最小分辨率提高到至少 １ 厘 ０
中图分类号：Ｐ ｎ Ｔ ３ 文献标识码： Ａ
Ａ ｓ ａ ： ｗｒｅ ｅｓ ｎｔｏ ｎ ｇ ｔ ｅｓ ， Ｅ Ｓａｄｃｍ ｕｉ ｉ ｅ ｏ ｓ Ｍ ｒ ａｄｍ ｒ ａａｅ ｉ ｅ ｅ ｈｒ ｎ ｂｔ ｃ Ａ ｉｌ ｓｓ ｏ ｅ ｒ ｔ ａ ｓｓ ｏ Ｍ Ｍ ｎ ｏ ｍ ｎ ａｏ ｔ ｒ ． ｏ ｎ ｒｔ ｅ ｓ ｎ ｒ ｗ ｋｉｅ ｅ ｎ ｒ ｒ ｃ ｎｎ ｗｋ ｔ ｅ ｏ ｃｄｍｃｒ ａ ｅ ｄ ｅ ｓ ｃ ｒ ｓａ ｈ Ｐｌｃ ｉ ｉ ｉ ｒ ａ ｎ雌ｅ ｎｄｖｌ ｉ ｉｌ ｓ ｅｓ ｎｔｏ ｓ ｕ ｏｔ ｉｂｉ ｔ ｔ ｅｗｔ ａｏｓａＰ ｃｔｎ．Ｉ ｔ ｉ Ｐ Ｐ ｒ ａ ｇ 一 ｎ ｄｓ ｒ ｇ ｄｉ ｅｅ ｐ ｇｗｒｅ ｓ ｏ ｅ ｒ ｄｅｔ ｈ ｒ ｒｈ ｆ ｒ ｉ ｒ ｕ ｌａｏｓ ｎ ｔ ｓ ａ ｅ ，ｒ ｎ ｅ ｓ ｅ ｅｅ ｏｎ ｅ ｓ ｎｒ ｗｋ ｅ ｇ ｕ ｕ ｈｖ ｉ ａ Ｐ ｉ ｔ ｎ Ｐ ｌａｌ ｏ ｂ ｓ ｄ ｌｃ ｉａｉｎ ｉ ｄ ｃｓ ｄｉ ｅ ｉａｄｏ ａ ｓ 一ａ ｄｒ ｇ ｇ叩Ｐ ａ ｓｐ ｓ ｔ ， ｔ ｎｔ ｌ ｒ ｍ ｐｒｒａｃ ｎ ａ ｅ ｏ ａ ｚ ｏ ｓ ｉｕ ｅ ｎｄｔｌ ｎ ｕ ｃ ｔ ｂｓ ａ ｉ ｌ ｔ ｏ ｆ ｓ ｓ ａ ｒ ｏ ｉ ｕ ｃ ｅ ｎｎ ｒ ｈｉ ｒ ｅ ｅ ｈ ｈ ｇｉｈ ｅ ｍｎ ｅａｄ ｏ ｃ ｅ ｎ ｄ ｅ ｅａ ｏｔ ｃ ｎ ｌ ｓｏ ｓ ａ Ｐｏｉ ｄ ｏ ｃｕ ｉｎ ｒ ｅ ｒ ｄ ｖｅ 竺ｙ ｗ ｒ ： ｒ ｅ ｓｎｏ ｎｔｏＫｒｎ一 ａｅ ｏａｚ ｏ，ｃｕｔ一 ａｅ ａｇ ｇ ｅ ｓｉ ｌ ｓ ｗ ｍｏ ｄ ｗ ｅ ｓ ｅ ｒ ｅ ｒ ａｇｂ ｄｌｃ ａ ｎ ａ ｓｉ ｂｓｄｒ ｉ 里ｅ 、 ｓ ｉ ｉ ｌ ｔ ｏ ｃ ｎ ｎ
晒北 业 学刘 ） 刚 周兴社 马骏岩 王 刚 工大
ＬＵ ＧＡＮＧ Ｚ ｌ ＨＯＵ Ｘｌ ＮＧＳＨＥ ＭＡ Ｊ Ｙ ＵＮ ＡＮ Ｗ ＡＮＧ Ｇ ＡＮＧ
摘要： 无线传感器网络是 以传感探测 、 通信及计算机等科 学技 术为依托 而构筑的 目标感知和监测 系统 ， 由于其 巨大的应用前 景而备 受学术界和工业界的广泛关注。 定位 问题是传感器网络设计与应用中的一个重要 问题。 传感 器节点的位置信息在传 感 器网络 的协议设计、 网络管理 、 节点间协作 、 目标跟踪等方面都具有重要的理论和 实际意义。 文详细阐述 了基 于声波测 本 距的传感器网络定位算法的实现策略 ， 对具体 实现机制进行 了分析并给 出相关结论。 关键词： 传感器网络； 定位算法； 声波测距
的是精简指令集和流水线技术， 大部分指令的执行周期都只占 用一个 Ｃ Ｕ时钟周期 ， Ｐ 中断的响应周期占４ Ｃ Ｕ时钟周期。 个 Ｐ 如果测 １ｃ ０ ｍ的距离， 声速假设是 ３ Ｉｓ ０／ 那么则 △ 应该大约 ４ｎ ， Ｔ 为 ０ ９ｍ ； ． ４ ｓ假设每条指令的执行时间都是 １６ｓ那么在 △ ２ ３ｎ ， Ｔ 这段时间内节点可以大约执行 ２６ 条指令 ， １１ 所以说处理器在 处理速度上是足够了。 另外处理器中计数器晶振的频率最快可 以达到每毫秒 ７７ 次， ３３ 所以计时器也具有足够的精确度用来 计时。所以， 声波法测距中， 计时的环节上不存在问题。
图１ 基站接收到原始数据 图１ 横线的数据表示节点测量到的距离， 中 比例因子是 １ ０ 厘米。从数据流可以看出， 测量的结果不稳定 ， 有漂流而且较 大。 但其中有正确的结果０ 也就是 ２ 厘米， ２ ０ 同样， 将两节点的 距离放置 ３ 厘米 、 厘米、 厘米 、 厘米 、 厘米和 ８ 厘 ０ ０ ４ ０ ５ ０ ６ ０ ７ ０ 米， 得到的数据有类似的特点。仔细对声波测距的误差分布图 分析后， 发现其误差的分布以一种比较随意的分布， 不能用我 们常用的例如正态分布等分布来对其进行拟合。然而， 我们使 用一种比较简单的最小值滤波得到了比 较好的效果。 因为对接 收到的数据流仔细观察， 虽然在同一距离中测量值偏差的分布 没有任何规律， 但是从某一宽度的时间窗口， 也就是同一距离
１， ） ０ 将第二个参数的 数值变小可以 提高， 但不能变得太小， 太小
的话会使其负载增大， 反而使测量结果不准确。另外由于麦克 风不够灵敏的原因将其值设置得太小对测量结果影响不大。 实 验表明 １ 厘米的分辨率是一个比较好的取值， ０ 而且国外大部 分采用声音测距的误差也是 １ 厘米， ０ 由于硬件本身的因素 ， 误 差无法进一步减小； ＊ 该方法的定位时间比较长， 不如信号强度定位好， 适用于 节点间相对位置较为稳定或者变化速度不是很快的网络拓扑 结构中的定位。 本文作者创新点： 通过简单而有效的时间戳来达到近似的 时间同步并对测量数据进行最小滤波来实现测距和定位。
一个简单的４ Ｈ 压电共鸣器。它的驱动和频率控制电路是内 Ｋｚ
部 集成的。 对它的 操作只 制开 行了 Ｍｓ１ Ａ 感 需控 关就 。 Ｔ３ ｃ 传 ０
器板提供了麦克风， 有两个主要用途， 一个用途是用来做声音 的测距， 另一个用途是用来录音和测量声音。其中麦克风自带 了滤波器和声音解码器， 可以用来对Ｍ １ｃ 传感器板上蜂 仆３ Ａ ０ 鸣器发出的４Ｈ 的声音进行监听。 ｋ ｚ