專利名稱：一種基于頻率差的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測距的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測距的方法，屬無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是由大量靠無線和多跳方式通信的智能傳感器節(jié)點構(gòu)成，這些節(jié)點一般被密集布設(shè)在特定的沒有固定基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)控區(qū)域。由于傳感器節(jié)點在布設(shè)時采取隨機投放的方式，網(wǎng)絡(luò)中大多數(shù)節(jié)點位置不能事先確定。但對于很多應(yīng)用，沒有位置信息的監(jiān)測消息是毫無意義的。因此，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點的精確定位是各種應(yīng)用的前提，同時也是目標(biāo)追蹤、輔助路由等技術(shù)的重要基礎(chǔ)。
根據(jù)定位過程中是否測量節(jié)點間的實際距離，現(xiàn)有的定位方法可分為基于測距的定位算法(Range-Based)和無需測距的定位算法(Range-Free)，前者需要測量相鄰節(jié)點間的絕對距離或方位，并利用節(jié)點間的估計距離計算節(jié)點位置，后者無需實際測量，而是利用節(jié)點間的估計距離計算節(jié)點位置。
基于到達(dá)時間(TOA)和基于到達(dá)角度的算法是比較具有代表性的測距算法。測量到達(dá)未知節(jié)點時的角度或者時間進(jìn)而計算出相應(yīng)的距離。但是這些定位方法易受外界環(huán)境影響，并且對網(wǎng)絡(luò)的時間同步有著嚴(yán)格的時間同步，需要額外硬件，在硬件尺寸和功耗上不適用于大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)。


發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測距技術(shù)存在的缺陷與不足，本發(fā)明提供一種不受外界環(huán)境影響、適用于大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于頻率差的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測距的方法。
本發(fā)明的基于頻率差的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測距的方法，首先定義信標(biāo)節(jié)點和待測節(jié)點兩種節(jié)點，信標(biāo)節(jié)點是已知自己的位置信息并能夠發(fā)送既定調(diào)頻函數(shù)調(diào)頻波的節(jié)點，信標(biāo)節(jié)點之間時間要求同步；待測節(jié)點是位置信息未知、需要定位的節(jié)點，在待測節(jié)點處能夠解調(diào)出調(diào)頻波的調(diào)制信號，信標(biāo)節(jié)點和待測節(jié)點間不要求時鐘同步；具體包括以下步驟 (1)基站通知第一傳感器信標(biāo)節(jié)點發(fā)送命令讓調(diào)頻發(fā)射機S1工作，發(fā)射基站指定的調(diào)頻函數(shù)的調(diào)頻波； (2)待測節(jié)點S記錄信號到達(dá)時間，解調(diào)出調(diào)制信號后，求出調(diào)制信號到達(dá)時的值f1； (3)第二傳感器信標(biāo)節(jié)點在調(diào)頻發(fā)射機S1開始工作延遲時間T后發(fā)送命令讓調(diào)頻發(fā)射機S2工作，發(fā)射同步驟(1)中相同的調(diào)頻函數(shù)的調(diào)頻波； (4)待測節(jié)點S記錄信號到達(dá)時間，解調(diào)出調(diào)制信號后，求出調(diào)制信號到達(dá)時的值f2； (5)第三傳感器信標(biāo)節(jié)點在調(diào)頻發(fā)射機S2開始工作延遲時間T后發(fā)送命令讓調(diào)頻發(fā)射機S3工作，發(fā)射同步驟(1)中相同的調(diào)頻信號的調(diào)頻波； (6)待測節(jié)點S記錄信號到達(dá)時間，解調(diào)出調(diào)制信號后，求出調(diào)制信號到達(dá)時的值f3； (7)基站通知上述三個傳感器信標(biāo)節(jié)點重復(fù)上述過程三次，分別求出三次記錄的f1、f2或f3的平均值作為f1、f2或f3的最終值； (8)聯(lián)立上述f1、f2、f3即可解出信標(biāo)節(jié)點到待測節(jié)點的距離，進(jìn)而用三邊法完成定位。
所述傳感器信標(biāo)節(jié)點由傳感器節(jié)點、GPS定位模塊和調(diào)頻發(fā)射機模塊組成，傳感器節(jié)點和GPS定位模塊通過數(shù)據(jù)線相連接，傳感器節(jié)點和調(diào)頻發(fā)射機模塊通過數(shù)據(jù)線相連接，調(diào)頻發(fā)射機模塊位于傳感器信標(biāo)節(jié)點上，用于發(fā)射調(diào)頻波信號。傳感器節(jié)點用于接收、處理數(shù)據(jù)和與其他傳感器節(jié)點通信，為現(xiàn)有通用產(chǎn)品；GPS定位模塊用于定位信標(biāo)節(jié)點的位置坐標(biāo)，為現(xiàn)有通用產(chǎn)品。
所述傳感器待測節(jié)點由傳感器節(jié)點和調(diào)頻接收機模塊組成，傳感器節(jié)點和調(diào)頻接收機模塊通過數(shù)據(jù)線相連接，調(diào)頻接收機模塊位于傳感器待測節(jié)點上，用于接收調(diào)頻波信號。
本發(fā)明計算方法簡單，計算精度高，使得方法魯棒性大大提高，不要求傳感器網(wǎng)絡(luò)有時間同步，消除了加性噪聲對方法的影響，對信標(biāo)節(jié)點的密度和布置沒有特殊要求，對傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件要求低，能量消耗小，且容易實現(xiàn)，適用于無線傳感器網(wǎng)路。



圖1為本發(fā)明完成一次定位時的原理示意圖。
圖2為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為傳感器信標(biāo)節(jié)點的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為傳感器待測節(jié)點的結(jié)構(gòu)示意圖。
其中，1、傳感器節(jié)點，2、調(diào)頻發(fā)射機模塊，3、GPS定位模塊，4，調(diào)頻接收機模塊，S1、S2、S3為調(diào)頻發(fā)射機，S0為調(diào)頻接收機，L1、L2、L3分別為調(diào)頻發(fā)射機S1、S2、S3到調(diào)頻接收機S0的距離，M為傳感器信標(biāo)節(jié)點，S為傳感器待測節(jié)點。

具體實施例方式 圖2給出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，包括傳感器信標(biāo)節(jié)點M和傳感器待測節(jié)點S。所述傳感器信標(biāo)節(jié)點的結(jié)構(gòu)如圖3所示，由傳感器節(jié)點1、GPS定位模塊3和調(diào)頻發(fā)射機模塊2組成，傳感器節(jié)點1和GPS定位模塊3通過數(shù)據(jù)線相連接，傳感器節(jié)點1和調(diào)頻發(fā)射機模塊2通過數(shù)據(jù)線相連接；傳感器節(jié)點1用于接收、處理數(shù)據(jù)和與其他傳感器節(jié)點通信，為現(xiàn)有通用產(chǎn)品；GPS定位模塊3用于定位信標(biāo)節(jié)點的位置坐標(biāo)，為現(xiàn)有通用產(chǎn)品；調(diào)頻發(fā)射機模塊2位于傳感器信標(biāo)節(jié)點上，用于發(fā)射調(diào)頻波信號。所述傳感器待測節(jié)點的結(jié)構(gòu)如圖4所示，由傳感器節(jié)點和調(diào)頻接收機模塊4組成，傳感器節(jié)點和調(diào)頻接收機模塊4通過數(shù)據(jù)線相連接，調(diào)頻接收機模塊4位于傳感器待測節(jié)點上，用于接收調(diào)頻波信號。傳感器信標(biāo)節(jié)點和傳感器待測節(jié)點通過無線通信相連接。傳感器信標(biāo)節(jié)點的數(shù)目應(yīng)大于等于三個(大于三個可任取三個用作具體方法的實施)，傳感器待測節(jié)點的數(shù)目沒有要求。信標(biāo)節(jié)點和待測節(jié)點的位置都沒有要求。
如圖1所示，本發(fā)明基于頻率差的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測距的方法具體包括以下步驟 (1)基站通知第一傳感器信標(biāo)節(jié)點發(fā)送命令讓調(diào)頻發(fā)射機S1工作，發(fā)射基站指定的調(diào)頻函數(shù)的調(diào)頻波； (2)待測節(jié)點S記錄信號到達(dá)時間，解調(diào)出調(diào)制信號后，求出調(diào)制信號到達(dá)時的值f1； (3)第二傳感器信標(biāo)節(jié)點在調(diào)頻發(fā)射機S1開始工作延遲時間T后發(fā)送命令讓調(diào)頻發(fā)射機S2工作，發(fā)射同步驟(1)中相同的調(diào)頻函數(shù)的調(diào)頻波； (4)待測節(jié)點S記錄信號到達(dá)時間，解調(diào)出調(diào)制信號后，求出調(diào)制信號到達(dá)時的值f2； (5)第三傳感器信標(biāo)節(jié)點在調(diào)頻發(fā)射機S2開始工作延遲時間T后發(fā)送命令讓調(diào)頻發(fā)射機S3工作，發(fā)射同步驟(1)中相同的調(diào)頻信號的調(diào)頻波； (6)待測節(jié)點S記錄信號到達(dá)時間，解調(diào)出調(diào)制信號后，求出調(diào)制信號到達(dá)時的值f3； (7)基站通知上述三個信標(biāo)節(jié)點重復(fù)上述過程三次，分別求出三次記錄的f1、f2或f3的平均值作為f1、f2或f3的最終值； (8)聯(lián)立上述f1、f2、f3即可解出信標(biāo)節(jié)點到待測節(jié)點的距離，進(jìn)而用三邊法完成定位。
在測距過程中，為了防止不同信標(biāo)節(jié)點發(fā)送的調(diào)頻波在接受節(jié)點處發(fā)生互調(diào)，讓信標(biāo)節(jié)點按照一定的時間順序發(fā)送調(diào)頻波。節(jié)點M1、M2、M3為信標(biāo)節(jié)點，S為待測節(jié)點。
不失一般性，選取任一信標(biāo)節(jié)點M1，其第一次發(fā)送的調(diào)頻波表達(dá)式為
其中Vcm為調(diào)頻波幅度，wc為載波頻率，

為初相位，kf為調(diào)頻指數(shù)，vΩ(τ)為調(diào)頻函數(shù)，且 vΩ(τ)＝kΩτ， 待測節(jié)點和信標(biāo)節(jié)點間時鐘不同步，則兩者間存在一個時間差，不失一般性假設(shè)為S節(jié)點比信標(biāo)節(jié)點的時鐘快Tc。假設(shè)在t1時刻，調(diào)頻波傳播到了未知節(jié)點S處，在S0處解調(diào)出調(diào)制信號并將t1帶入表達(dá)式求出頻率值 f1＝kfvΩ(t1)＝kfkΩt1， 其中，t1＝l1/c+Tc，l1為信標(biāo)節(jié)點M1到未知節(jié)點S的距離，c為光速。
第二個階段類似于第一個階段，讓信標(biāo)節(jié)點M2在信標(biāo)節(jié)點M1發(fā)送調(diào)頻波一定時間記為T后發(fā)送相同的調(diào)頻波。

同樣在接收端S0處解調(diào)出調(diào)制信號，并將信號到達(dá)時刻t2帶入調(diào)制信號求得頻率值 f2＝kfvΩ(t2)＝kfkΩt2， 其中t2＝l2/c+Tc+T，l2為信標(biāo)節(jié)點M2到節(jié)點S的距離，c為光速。
第三個階段由信標(biāo)節(jié)點M3在信標(biāo)節(jié)點M2發(fā)送調(diào)頻波后延遲時間T后發(fā)送調(diào)頻波其表達(dá)式為
類比上階段，在接收端S0處解調(diào)出調(diào)制信號，并將信號到達(dá)時刻t3帶入調(diào)制信號求得頻率值 f3＝kfvΩ(t3)＝kfkΩt3 其中t3＝l3/c+Tc+2T，l3為信標(biāo)節(jié)點M3到節(jié)點S的距離，c為光速。
聯(lián)立上述式可得 l1-l2＝c(f1-f2+kfkΩT) l1-l3＝c(f1-f3+2kfkΩT) 將各點的坐標(biāo)帶入上述兩式可得 式中xi和yi分別為各節(jié)點的橫縱坐標(biāo)。
聯(lián)立上兩式就可得出待測節(jié)點的坐標(biāo)，即完成了對待測節(jié)點的定位。其中的特殊情況是上述式子解出兩個解來，這種情況下需要選擇另外的信標(biāo)節(jié)點進(jìn)行重新的計算，但是出現(xiàn)這種情況的概率是微乎其微的。
本發(fā)明的方法具有以下特點 1.不要求傳感器網(wǎng)絡(luò)有時間同步，并且消除了加性噪聲對方法的影響，并且對信標(biāo)節(jié)點的密度和布置沒有特殊要求。
2.對傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件要求低，能量消耗小，且容易實現(xiàn)，適用于無線傳感器網(wǎng)路。
3.計算方法簡單，計算精度高。
4.采用了多次測量求均值的方法，使得方法魯棒性大大提高。
權(quán)利要求
1.一種基于頻率差的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測距的方法，首先定義信標(biāo)節(jié)點和待測節(jié)點兩種節(jié)點，信標(biāo)節(jié)點是已知自己的位置信息并能夠發(fā)送既定調(diào)頻函數(shù)調(diào)頻波的節(jié)點，信標(biāo)節(jié)點之間時間要求同步；待測節(jié)點是位置信息未知、需要定位的節(jié)點，在待測節(jié)點處能夠解調(diào)出調(diào)頻波的調(diào)制信號；其特征是具體包括以下步驟
(1)基站通知第一傳感器信標(biāo)節(jié)點發(fā)送命令讓調(diào)頻發(fā)射機S1工作，發(fā)射基站指定的調(diào)頻函數(shù)的調(diào)頻波；
(2)待測節(jié)點S記錄信號到達(dá)時間，解調(diào)出調(diào)制信號后，求出調(diào)制信號到達(dá)時的值f1；
(3)第二傳感器信標(biāo)節(jié)點在調(diào)頻發(fā)射機S1開始工作延遲時間T后發(fā)送命令讓調(diào)頻發(fā)射機S2工作，發(fā)射同步驟(1)中相同的調(diào)頻函數(shù)的調(diào)頻波；
(4)待測節(jié)點S記錄信號到達(dá)時間，解調(diào)出調(diào)制信號后，求出調(diào)制信號到達(dá)時的值f2；
(5)第三傳感器信標(biāo)節(jié)點在調(diào)頻發(fā)射機S2開始工作延遲時間T后發(fā)送命令讓調(diào)頻發(fā)射機S3工作，發(fā)射同步驟(1)中相同的調(diào)頻信號的調(diào)頻波；
(6)待測節(jié)點S記錄信號到達(dá)時間，解調(diào)出調(diào)制信號后，求出調(diào)制信號到達(dá)時的值f3；
(7)基站通知上述三個傳感器信標(biāo)節(jié)點重復(fù)上述過程三次，分別求出三次記錄的f1、f2或f3的平均值作為f1、f2或f3的最終值；
(8)聯(lián)立上述f1、f2、f3即可解出信標(biāo)節(jié)點到待測節(jié)點的距離，進(jìn)而用三邊法完成定位。
2.如權(quán)利要求1所述的基于頻率差的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測距的方法，其特征在于，所述傳感器信標(biāo)節(jié)點由傳感器節(jié)點、GPS定位模塊和調(diào)頻發(fā)射機模塊組成，傳感器節(jié)點和GPS定位模塊通過數(shù)據(jù)線相連接，傳感器節(jié)點和調(diào)頻發(fā)射機模塊通過數(shù)據(jù)線相連接，調(diào)頻發(fā)射機模塊位于傳感器信標(biāo)節(jié)點上，用于發(fā)射調(diào)頻波信號。
3.如權(quán)利要求1所述的基于頻率差的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測距的方法，其特征在于，所述傳感器待測節(jié)點由傳感器節(jié)點和調(diào)頻接收機模塊組成，傳感器節(jié)點和調(diào)頻接收機模塊通過數(shù)據(jù)線相連接，調(diào)頻接收機模塊位于傳感器待測節(jié)點上，用于接收調(diào)頻波信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于頻率差的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測距的方法，步驟為基站通知第一傳感器信標(biāo)節(jié)點發(fā)送命令讓調(diào)頻發(fā)射機S1工作，發(fā)射既定調(diào)頻函數(shù)的調(diào)頻波，待測節(jié)點記錄信號到達(dá)時間，求出調(diào)制信號到達(dá)時的值f1；第二傳感器信標(biāo)節(jié)點在S1開始工作后讓調(diào)頻發(fā)射機S2工作，發(fā)射既定調(diào)頻函數(shù)的調(diào)頻波；待測節(jié)點記錄信號到達(dá)時間，求出調(diào)制信號到達(dá)時的值f2；第三傳感器信標(biāo)節(jié)點3在S2開始工作后發(fā)送命令讓調(diào)頻發(fā)射機S3工作，發(fā)射既定調(diào)頻函數(shù)的調(diào)頻波，待測節(jié)點記錄信號到達(dá)時間，求出調(diào)制信號到達(dá)時的值f3；求f1、f2和f3的平均值作為最終的值；聯(lián)立上述f1，f2，f3即可解出錨節(jié)點到未知節(jié)點的距離。本發(fā)明不要求傳感器網(wǎng)絡(luò)有時間同步，消除了加性噪聲對方法的影響，對信標(biāo)節(jié)點的密度和布置沒有特殊要求，對傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件要求低，能量消耗小，且容易實現(xiàn)，適用于無線傳感器網(wǎng)路。
文檔編號G01S13/12GK101799541SQ20101010187
公開日2010年8月11日 申請日期2010年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月27日
發(fā)明者陳滌, 王偉才, 張泓泉, 王洪柱 申請人:山東大學(xué)