一种基于波的干涉的无线传感器网络节点角度测量方法

摘要

一种基于波的干涉的无线传感器网络节点角度测量方法，方法为：传感器信标节点发送命令，超声波发射机S1、S2工作，同时通知传感器待测节点准备接收超声波信号；成对工作的超声波发射机同时发出频率相同、初相位相同的超声波信号；传感器待测节点上的超声波接收机接收干涉后的合成超声波，把数据传输给传感器待测节点；并进行数据处理，计算合成波强度的变化周期或频率；若待测节点无法计算，则通知信标节点无法测量，关闭该组超声波发射机S1、S2，启动另一组超声波发射机S3、S4，重复上述步骤，计算合成波强度的变化周期或频率；待测节点利用已知的超声波发射机间距、超声波速率、超声波信号源频率的变化速率计算信标节点和待测节点间的角度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于波的干涉的无线传感器网络节点角度测量方法，属无线传感器网络定位技术领域。

背景技术

无线传感器网络(WSN)是一种集微电子、通信、计算机和传感器技术于一体的网络，在民用、军事、工业等领域有着广泛的应用前景。定位技术作为WSN的关键技术之一，对目标监测和追踪等无线传感器网络应用有重要作用。

无线传感器网络的定位方法可以分为基于距离的定位算法(Range-Based)和距离无关的定位算法(Range-Free)。在基于距离的定位中，首先要测量未知节点与信标节点的距离或角度，然后利用三边或三角等定位法，根据测量出来的距离或角度计算出具体位置；距离无关的定位算法则无需距离和角度信息，仅根据网络连通性等信息即可实现。

基于到达角度算法(AOA)是一种常用的基于距离的传感器网络定位算法，在此算法中传感器网络未知节点通过多个超声波接收机感知传感器信标节点发射信号的到达方向，计算未知节点和信标节点之间的相对方位或角度，再通过三角测量法计算出未知节点的位置。AOA算法的缺点是需要大量的额外硬件，在硬件尺寸和功耗上不适用于大规模的传感器网络。

发明内容

为克服现有技术的缺陷和不足，本发明提供一种基于波的干涉的无线传感器网络节点角度测量方法。

一种利用上述基于波的干涉的无线传感器网络节点角度测量方法，步骤如下：

1)传感器信标节点发送命令让成对工作的2台超声波发射机S1、S2工作，同时通知传感器待测节点准备接收超声波信号；

2)成对工作的2台超声波发射机S1、S2同时发出频率相同、初相位相同的超声波信号，在1-5秒内以匀速f’增加超声波信号的频率，其中f’为超声波信号源频率的变化速率；

3)传感器待测节点上的超声波接收机接收干涉后的合成超声波，把接收到的合成波数据传输给传感器待测节点；

4)待测节点进行数据处理，计算合成波强度的变化周期T或频率F；

5)如果待测节点无法计算出T或F，待测节点则通知信标节点无法测量，信标节点关闭该组超声波发射机S1、S2，启动另一组成对工作的2台超声波发射机S3、S4，重复步骤1)-4)，计算合成波强度的变化周期T或频率F；

6)待测节点利用已知参数超声波发射机间距2r、超声波速率v、超声波信号源频率的变化速率f’，根据公式$\theta =\arcsin \left(\frac{v}{2r{f}^{\prime }T}\right)=\arcsin \left(\frac{v}{2r·f^{\prime }}F\right)$计算信标节点和待测节点间的角度。

所述的传感器信标节点由传感器节点、GPS定位模块和超声波发射机模块组成，所述的传感器待测节点由传感器节点和超声波接收机组成；传感器节点和GPS定位模块通过数据线相连接；传感器节点和超声波发射机模块通过数据线相连接；传感器节点和超声波接收机通过数据线相连接；传感器信标节点和传感器待测节点通过无线通信相连接。

所述传感器节点用于接收、处理数据和与其他传感器节点通信，为现有通用产品。

所述GPS定位模块用于定位信标节点的位置坐标，为现有通用产品。

所述超声波发射机模块位于传感器信标节点上，两组超声波发射机S1、S2和S3、S4的性能参数完全相同，S1与S2之间和S3与S4之间的间距均为2r，S1与S2之间和S3与S4之间的连线互相垂直，S1、S2、S3和S4与连线交点等距离，均为r。

所述超声波接收机位于传感器待测节点上，用于接收传感器信标节点上超声波发射机发送的超声波经过干涉后的合成波信号。

本发明工作时，传感器信标节点发送命令让其中一对超声波发射机S1和S2工作，超声波发射机S1和S2同时发出频率相同，初相位相同的超声波，并且在1-5秒内以匀速f’增加超声波的频率，这两个超声波信号发生干涉；传感器待测节点上超声波接收机接收干涉后的合成超声波信号，把接收到的数据传输给传感器待测节点，然后待测节点进行数据处理，计算合成波强度的变化周期T或频率F；如果无法计算出结果，则通知信标节点无法测量，信标节点会关闭该组超声波发射机，启动另一组超声波发射机S3和S4工作，按照上述流程重新计算合成波强度的变化周期T或频率F；传感器待测节点利用已知参数超声波发射机间距2r、超声波速率v、超声波信号源频率的变化速率f’，根据我们由波的干涉推导出的公式$\theta =\arcsin \left(\frac{v}{2r{f}^{\prime }T}\right)=\arcsin \left(\frac{v}{2r·f^{\prime }}F\right)$计算信标节点和待测节点间的相对角度。

本发明使用的公式推导过程如下：

信标节点上两个距离为2r的超声波发射机S1和S2发出频率相同，初相位相同的超声波信号，这两个超声波信号会发生干涉现象，不失一般性，以图1所示的第一象限为例，信标节点的两个发射机S1和S2的中垂线为基准轴，P点与基准轴的夹角为θ。

根据波的干涉的原理，推导出如下公式：

$\theta =\arcsin \left(\frac{v}{2r{f}^{\prime }T}\right)=\arcsin \left(\frac{v}{2r·f^{\prime }}F\right)$

其中v为空气中声波的传播速度，2r为两个超声波发射机的间距，f’为超声信号源频率的变化速率，T为当信号源频率以速率f’改变时P点合成波强度的变化周期，F则为对应的P点合成波强度的变化频率。只要测出合成波强度的变化周期或频率，由于其它参数都是已知的，就可以求出P点相对于信标节点的角度θ，记为θ₁。

但当P点测频或测周的门限时间为T₀时，则对于$\theta <\arcsin \frac{v}{2r·f^{\prime }{T}_0}={\theta }_0$的角度，由于其合成波强度变化不足一个周期，故无法精确计算。

此时用信标节点上另外一组距离为2r的超声波发射机S3和S4发出频率相同、初相位相同的超声波，同理根据公式$\theta =\arcsin \left(\frac{v}{2r·T·f^{\prime }}\right)$计算出对于定点P的夹角θ₂。

因为这2组发射机互相垂直，根据几何知识，可以推出θ₁+θ₂＝90°。因为θ₁和θ₂互为余角，所以只要死角θ₀小于45°，θ₁和θ₂就至少有一个可以计算，然后取余角即可得另一个角度的值。

由θ₀＜45°且$f^{\prime }=\frac{\mathrm{\Delta f}}{T_0}$(其中，Δf是超声波信号的截止频率与初始频率之差)，得

$\frac{\mathrm{r\Delta f}}{v}>\frac{\sqrt{2}}{2}$

因为v为空气中声波的传播速度(一般取340m/s)，r为两个超声波发射机的间距(受节点硬件限制，一般取0＜r＜0.1m)，Δf是超声波信号的截止频率与初始频率之差(超声波频率可以从2×10⁴-10⁸HZ)，所以很容易满足公式(3)，即死角小于45°的要求是极易实现的。

本发明的有益效果是：

1、本发明利用了波的干涉原理，将角度测量转换为频率或周期测量，而频率或周期的测量是相对简单和准确的。

2、本发明对传感器网络节点的硬件要求低，能量消耗少，实现简单，适用于传感器网络。

3、本发明采用分布式计算，计算方法简单，计算精度高。

附图说明

图1为传感器信标节点上超声波发射机位置示意图。

图2为本发明的网络结构示意图，传感器信标节点和待测节点的数目、位置没有限制。

图3为传感器信标节点结构及数据流向示意图。

图4为传感器待测节点结构及数据流向示意图。

其中，1、通用传感器节点，2、超声波发射机模块，3、GPS定位模块，4、超声波接收机，S1、S2、S3、S4为超声波发射机，r为超声波发射机S1、S2和S3和S4之间的二分之一距离，P、未知节点位置，θ₁、P与S1和S2中垂线的夹角，θ₂、P与S3和S4中垂线的夹角，M、传感器信标节点，S、传感器待测节点。

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。

实施例：

在图2中，无线传感器网络包括传感器信标节点和传感器待测节点。所述的传感器信标节点由传感器节点、GPS定位模块和超声波发射机模块组成，所述的传感器待测节点由传感器节点和超声波接收机组成；传感器节点和GPS定位模块通过数据线相连接；传感器节点和超声波发射机模块通过数据线相连接；传感器节点和超声波接收机通过数据线相连接；传感器信标节点和传感器待测节点通过无线通信相连接。

所述传感器节点用于接收、处理数据和与其他传感器节点通信，为现有通用产品。

所述GPS定位模块用于定位信标节点的位置坐标，为现有通用产品。

所述超声波发射机模块位于传感器信标节点上，两组超声波发射机S1、S2和S3、S4的性能参数完全相同，S1与S2之间和S3与S4之间的间距均为2r，S1与S2之间和S3与S4之间的连线互相垂直，S1、S2、S3和S4与连线交点等距离，均为r。

所述超声波接收机位于传感器待测节点上，用于接收传感器信标节点上超声波发射机发送的超声波经过干涉后的合成波信号。

利用上述基于波的干涉的无线传感器网络节点角度测量方法如下：

1)传感器信标节点发送命令让成对工作的2台超声波发射机S1、S2工作，同时通知传感器待测节点准备接收超声波信号；

2)成对工作的2台超声波发射机S1、S2同时发出频率相同、初相位相同的超声波信号，在1-5秒内以匀速f增加超声波信号的频率，其中f’为超声波信号源频率的变化速率；

3)传感器待测节点上的超声波接收机接收干涉后的合成超声波，把接收到的合成波数据传输给传感器待测节点；

4)待测节点进行数据处理，计算合成波强度的变化周期T或频率F；

5)如果待测节点无法计算出T或F，待测节点则通知信标节点无法测量，信标节点关闭该组超声波发射机S1、S2，启动另一组成对工作的2台超声波发射机S3、S4，重复步骤1)-4)，计算合成波强度的变化周期T或频率F；

6)待测节点利用已知参数超声波发射机间距2r、超声波速率v、超声波信号源频率的变化速率f’，根据公式$\theta =\arcsin \left(\frac{v}{2r{f}^{\prime }T}\right)=\arcsin \left(\frac{v}{2r·f^{\prime }}F\right)$计算信标节点和待测节点间的角度。