一种基于TDOA的无线传感网络中节点定位方法及装置

摘要

本发明涉及一种基于TDOA的无线传感网络中节点定位方法及装置，属于嵌入式开发与无线通信的交叉领域。本发明网络中的节点之间首先采用超声波信号和RF射频信号测量距离，然后使用CC2420射频模块完成节点之间的数据通信；其中网络中的锚节点负责开始整个网络节点之间的测距，接收各个节点的数据，将这些数据融合再上传到上位机；网络中的未知节点负责确定发送测距信号以及传输采集的传感数据。本发明不需要实现时间同步，降低了方法的复杂性及通信开销；不需要安装昂贵的天线阵列，降低了成本；通过使用TDOA的方法测距，使得方法具有厘米级别的精度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于TDOA的无线传感网络中节点定位方法及装置，属于嵌入式开发与无线通信的交叉领域。

背景技术

无线传感网络（Wireless Sensor Network，WSN）的研究起步于20世纪90年代末期，是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息。由于传感器网络的巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注.无线传感器网络通过节点之间的相互协作来完成任务。因此能应用于许多领域。因此传感器网络系统可以被广泛地应用于国防、军事、安全、环境监测、交通管理、医疗卫生等许多领域。

无线传感网络中传感器节点采集的信息，都需要包含有位置信息才有意义。所以无线传感网络中定位是现在所面临的一个难题。现有的定位技术中常用的GPS定位室外定位精度6m，室内无法定位，而且成本昂贵；到达角度（Angle Of Arrival，AOA）方式定位需要添加天线阵列，实现复杂且增加了节点成本和功耗开销；接收信号强度（Received Signal Strength Indicator，RSSI）方式虽然成本低，使用简单，但是误差是通信距离的20%-50%，不能满足高精度定位的要求；到达时间（Time of Arrival，TOA）方式需要无线传感网实现节点之间的同步，通常基于自组织网络的定位算法存在多跳方式产生的累积误差问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有定位技术中需要实现时间同步，成本高及定位精度低的不足，提供了一种基于TDOA（Time Difference Of Arrival，到达时间差）的无线传感网络中节点定位方法及装置。

本发明的技术方案是：一种基于TDOA的无线传感网络中节点定位方法，网络中的节点之间首先采用超声波信号和RF射频信号测量距离，然后使用CC2420射频模块完成节点之间的数据通信；其中网络中的锚节点负责开始和结束整个网络节点之间的测距，接收各个节点的数据，将这些数据融合再上传到上位机；网络中的未知节点负责确定发送测距信号以及传输采集的传感数据；所述定位方法的具体步骤如下：

步骤1：锚节点1负责开始和结束测距的步骤：

步骤1.1：初始化锚节点1并设定其ID=01；

步骤1.2：通过锚节点1的RF12射频模块Ⅰ14广播一个ID=01的信号作为系统测距的开始信号；

步骤1.3：广播ID=01的信号后，立刻通过超声波收发模块Ⅰ15发送一个超声波信号；

步骤1.4：延时等待接收CC2420信号；

步骤1.5：判断延时△T₁是否超过阈值△T₀：

如果△T₁＞△T₀，则通过RF12模块发送ID=00表示系统结束测距，将数据发送到上位机；

如果△T₁≤△T₀，则成功接收CC2420信号并保存数据，同时返回至步骤1.4；

步骤2：未知节点2的测距步骤：

步骤2.1：初始化未知节点2，给每一个未知节点分配一个ID=2,3,4…N并初始化FLAG=1；

步骤2.2：未知节点开始等待RF信号；

步骤2.3：未知节点接收到RF信号时，记录节点ID和到达时刻t₁，并对ID进行判断：

如果ID不等于00，则开始计时等待超声波信号并判断等待延时△T₂是否超过阈值△T₃：如果△T₂＞△T₃，则重新等待RF信号；如果△T₂≤△T₃，则记录到达时刻t₂，并判断FLAG是否等于1：当FLAG=1时，则开始延时△T并判断是否接收到新的RF信号：如果接收到，则通过CC2420射频模块Ⅱ22发送接收到的数据到锚节点1；如果未接收到，则发送包含自身ID的RF信号、设置FLAG-1、发送超声波信号并通过CC2420射频模块Ⅱ22发送接收到的数据到锚节点1；当FLAG≠1时，则直接通过CC2420射频模块Ⅱ22发送接收到的数据到锚节点1；其中，△T=(i-j)×10ms，根据接收到的超声波信号时刻t₂及RF信号到达时刻t₁得到距离公式：S_i,_j=(t₂-t₁)×344m/s，式中 i表示接收到RF信号的节点ID，j表示被接收RF信号的节点ID；

如果ID等于00，则结束测距过程；

步骤2.4：通过CC2420射频模块Ⅱ22发送接收到的数据到锚节点1后返回步骤2.2。

一种基于TDOA的无线传感网络中节点定位装置，所述定位装置由锚节点1和未知节点2组成；所述锚节点1包括电源模块Ⅰ11、CC2420射频模块Ⅰ12、处理器模块Ⅰ13、RF12射频模块Ⅰ14、超声波收发模块Ⅰ15、JTAG接口Ⅰ16、传感器接口Ⅰ17、串口模块18，所述未知节点2包括电源模块Ⅱ21、CC2420射频模块Ⅱ22、处理器模块Ⅱ23、RF12射频模块Ⅱ24、超声波收发模块Ⅱ25、JTAG接口Ⅱ26、传感器接口Ⅱ27；其中处理器模块通过SPI接口与CC2420射频模块连接，通过通用I/O接口模拟SPI接口功能分别与RF12射频模块、超声波收发模块连接。

所述锚节点1和未知节点2中的电源模块使用2节1.5v干电池及使用升压芯片构成的升压电路和稳压芯片构成的稳压电路为各个模块供电。

本发明的有益效果是：

1、本发明不需要实现时间同步，降低了方法的复杂性及通信开销。

2、本发明不需要安装昂贵的天线阵列，降低了成本。

3、通过使用TDOA的方法测距，使得方法具有厘米级别的精度。

附图说明

图1为本发明中所述锚节点的结构连接框图；

图2为本发明中所述未知节点的结构连接框图；

图3为本发明中所述锚节点的测距流程图；

图4为本发明中所述未知节点的测距流程图；

图5为本发明中电源模块的电路图；

图6为本发明中处理器模块与各个模块连接的电路图；

图中各标号为：1为锚节点、11为电源模块Ⅰ、12为CC2420射频模块Ⅰ、13为处理器模块Ⅰ、14为RF12射频模块Ⅰ、15为超声波收发模块Ⅰ、16为JTAG接口Ⅰ、17为传感器接口Ⅰ、18为串口模块、2为未知节点、21为电源模块Ⅱ、22为CC2420射频模块Ⅱ、23为处理器模块Ⅱ、24为RF12射频模块Ⅱ、25为超声波收发模块Ⅱ、26为JTAG接口Ⅱ、27为传感器接口Ⅱ。

具体实施方式

实施例1：如图1-6所示，一种基于TDOA的无线传感网络中节点定位装置，所述定位装置由锚节点1和未知节点2组成；所述锚节点1包括电源模块Ⅰ11、CC2420射频模块Ⅰ12、处理器模块Ⅰ13、RF12射频模块Ⅰ14、超声波收发模块Ⅰ15、JTAG接口Ⅰ16、传感器接口Ⅰ17、串口模块18，所述未知节点2包括电源模块Ⅱ21、CC2420射频模块Ⅱ22、处理器模块Ⅱ23、RF12射频模块Ⅱ24、超声波收发模块Ⅱ25、JTAG接口Ⅱ26、传感器接口Ⅱ27；其中处理器模块通过SPI接口与CC2420射频模块连接，通过通用I/O接口模拟SPI接口功能分别与RF12射频模块、超声波收发模块连接。

所述锚节点1和未知节点2中的电源模块使用2节1.5v干电池及使用升压芯片构成的升压电路和稳压芯片构成的稳压电路为各个模块供电。

1、电源模块设计：电源模块使用2节1.5v干电池为上述所有模块提供电源。为了满足超声波收发模块需要5V电压，因此设计了以BL8530芯片为核心的升压电路，将3v电源提高到5v。同时针对电源使用出现的电压不稳定的缺点，设计了使用REG1117芯片构成的稳压电路为各个模块提供能源。

2、CC2420射频模块设计：CC2420射频模块由CC2420芯片，外围电路和天线组成。发送时：CC2420芯片将数据送到发送缓存器，通过外围电路对数据进行扩频、D/A变换、低通滤波、调制、放大后，最后经过天线发送。接收时：天线接收到射频信号，经过下变频处理、滤波、放大、A/D变换、数字解调，恢复出传输的正确数据包放到CC2420芯片的FIFO缓存器中，通过SPI接口传输给ATMEGAL128芯片。

3、处理器模块设计：锚节点和未知节点的处理器均使用ATMEGAL128L芯片，ATMEGAL128L芯片使用SPI接口与CC2420射频模块连接，使用通用I/O接口模拟SPI接口功能与RF12模块连接。

4、RF12射频模块设计：RF12模块内部集成所有射频功能，因此发送时：处理器通过I/O接口配置好RF12的参数，再将需要发送的数据通过I/O接口写入RF12发射寄存器，RF12自动将数据调制后通过天线发送。接收时：当RF12成功接收到信息时，通过中断的方式，通知处理器读取数据。

5、超声波收发模块设计：超声波发送电路由MAX232、外围电路和换能头构成。当ATMEGAL128芯片的引脚PE3引脚输出高电平、 PE4和PE5引脚以40KHz的频率交替输出高低电平时，MAX232芯片将PE4和PE5的信号经过放大发送到换能头，换能头将信号转化成超射波发送出去。超声波接收电路由TL074四路运算放大器、外围电路、换能头构成。当换能头接收到超声波信号将其转化成电信号，信号通过外围电路的滤波，TL074四路运算放大器的放大后传输到ATMEGAL128芯片的引脚PE7。

6、JTAG接口设计：使用2.54mm双排针将ATMEGAL128芯片支持的IEEE1149.1协议标准的JTAG接口扩展出来，以便完成对非易失性存储器、熔丝位进行编程，以及调试仿真。

7、传感器接口设计：使用1.25mm单排针将ATMEGAL128芯片的PA0～PA3的I/O接口扩展出来，以便和采集不同物理信息的传感器连接。

8、串口模块设计：由MAX3232芯片和外围电路组成，主要完成锚节点与上位机的通信。通过串口，上位机可以读取锚节点处理器中储存的数据。    

一种基于TDOA的无线传感网络中节点定位方法，网络中的节点之间首先采用超声波信号和RF射频信号测量距离，然后使用CC2420射频模块完成节点之间的数据通信；其中网络中的锚节点负责开始和结束整个网络节点之间的测距，接收各个节点的数据，将这些数据融合再上传到上位机；网络中的未知节点负责确定发送测距信号以及传输采集的传感数据；所述定位方法的具体步骤如下：

步骤1：锚节点1负责开始和结束测距的步骤：

步骤1.1：初始化锚节点1并设定其ID=01；

步骤1.2：通过锚节点1的RF12射频模块Ⅰ14广播一个ID=01的信号作为系统测距的开始信号；

步骤1.3：广播ID=01的信号后，立刻通过超声波收发模块Ⅰ15发送一个超声波信号；

步骤1.4：延时等待接收CC2420信号；

步骤1.5：判断延时△T₁是否超过阈值△T₀：

如果△T₁＞△T₀，则通过RF12模块发送ID=00表示系统结束测距，将数据发送到上位机；

如果△T₁≤△T₀，则成功接收CC2420信号并保存数据，同时返回至步骤1.4；

步骤2：未知节点2的测距步骤：

步骤2.1：初始化未知节点2，给每一个未知节点分配一个ID=2,3,4…N并初始化FLAG=1；

步骤2.2：未知节点开始等待RF信号；

步骤2.3：未知节点接收到RF信号时，记录节点ID和到达时刻t₁，并对ID进行判断：

如果ID不等于00，则开始计时等待超声波信号并判断等待延时△T₂是否超过阈值△T₃：如果△T₂＞△T₃，则重新等待RF信号；如果△T₂≤△T₃，则记录到达时刻t₂，并判断FLAG是否等于1：当FLAG=1时，则开始延时△T并判断是否接收到新的RF信号：如果接收到，则通过CC2420射频模块Ⅱ22发送接收到的数据到锚节点1；如果未接收到，则发送包含自身ID的RF信号、设置FLAG-1、发送超声波信号并通过CC2420射频模块Ⅱ22发送接收到的数据到锚节点1；当FLAG≠1时，则直接通过CC2420射频模块Ⅱ22发送接收到的数据到锚节点1；其中，△T=(i-j)×10ms，根据接收到的超声波信号时刻t₂及RF信号到达时刻t₁得到距离公式：S_i,_j=(t₂-t₁)×344m/s，式中 i表示接收到RF信号的节点ID，j表示被接收RF信号的节点ID；

如果ID等于00，则结束测距过程；

步骤2.4：通过CC2420射频模块Ⅱ22发送接收到的数据到锚节点1后返回步骤2.2。

实施例2：如图1-6所示，一种基于TDOA的无线传感网络中节点定位方法，网络中的节点之间首先采用超声波信号和RF射频信号测量距离，然后使用CC2420射频模块完成节点之间的数据通信；其中网络中的锚节点负责开始和结束整个网络节点之间的测距，接收各个节点的数据，将这些数据融合再上传到上位机；网络中的未知节点负责确定发送测距信号以及传输采集的传感数据；所述定位方法的具体步骤如下：

步骤1：锚节点1负责开始和结束测距的步骤：

步骤1.1：初始化锚节点1并设定其ID=01；

步骤1.2：通过锚节点1的RF12射频模块Ⅰ14广播一个ID=01的信号作为系统测距的开始信号；

步骤1.3：广播ID=01的信号后，立刻通过超声波收发模块Ⅰ15发送一个超声波信号；

步骤1.4：延时等待接收CC2420信号；

步骤1.5：判断延时△T₁是否超过阈值△T₀（根据网络中节点的个数可以设置阈值：如果网络中节点个数为21个，则△T₀设为200ms，△T₀=（n-1）*△T₃ ；n为节点个数，△T₃为未知节点等待超声波信号延时阈值）：

如果△T₁＞△T₀，则通过RF12模块发送ID=00表示系统结束测距，将数据发送到上位机；

如果△T₁≤△T₀，则成功接收CC2420信号并保存数据，同时返回至步骤1.4；

步骤2：未知节点2的测距步骤：

步骤2.1：初始化未知节点2，给每一个未知节点分配一个ID=2,3,4…N并初始化FLAG=1；

步骤2.2：未知节点开始等待RF信号；

步骤2.3：未知节点接收到RF信号时，记录节点ID和到达时刻t₁，并对ID进行判断：

如果ID不等于00，则开始计时等待超声波信号并判断等待延时△T₂是否超过阈值△T₃（由于超声波能传输距离限制，假设每个节点的通信距离为3m，则根据3m/344m/s=0.0087s，由此我们设置一个等待超声波信号延时阈值△T₃=10ms；其中△T₃>（S/344m/s），S为通信距离）：如果△T₂＞△T₃，则重新等待RF信号；如果△T₂≤△T₃，则记录到达时刻t₂，并判断FLAG是否等于1：当FLAG=1时，则开始延时△T并判断是否接收到新的RF信号：如果接收到，则通过CC2420射频模块Ⅱ22发送接收到的数据到锚节点1；如果未接收到，则发送包含自身ID的RF信号、设置FLAG-1、发送超声波信号并通过CC2420射频模块Ⅱ22发送接收到的数据到锚节点1；当FLAG≠1时，则直接通过CC2420射频模块Ⅱ22发送接收到的数据到锚节点1；其中，△T=(i-j)×10ms，根据接收到的超声波信号时刻t₂及RF信号到达时刻t₁得到距离公式：S_i,_j=(t₂-t₁)×344m/s，式中 i表示接收到RF信号的节点ID，j表示被接收RF信号的节点ID；

如果ID等于00，则结束测距过程；

步骤2.4：通过CC2420射频模块Ⅱ22发送接收到的数据到锚节点1后返回步骤2.2。

一种基于TDOA的无线传感网络中节点定位装置，所述定位装置由锚节点1和未知节点2组成；所述锚节点1包括电源模块Ⅰ11、CC2420射频模块Ⅰ12、处理器模块Ⅰ13、RF12射频模块Ⅰ14、超声波收发模块Ⅰ15、JTAG接口Ⅰ16、传感器接口Ⅰ17、串口模块18，所述未知节点2包括电源模块Ⅱ21、CC2420射频模块Ⅱ22、处理器模块Ⅱ23、RF12射频模块Ⅱ24、超声波收发模块Ⅱ25、JTAG接口Ⅱ26、传感器接口Ⅱ27；其中处理器模块通过SPI接口与CC2420射频模块连接，通过通用I/O接口模拟SPI接口功能分别与RF12射频模块、超声波收发模块连接。

所述锚节点1和未知节点2中的电源模块使用2节1.5v干电池及使用升压芯片构成的升压电路和稳压芯片构成的稳压电路为各个模块供电。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。