專利名稱：一種在線可控的傳感節(jié)點(diǎn)定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線傳感器節(jié)點(diǎn)的定位方法，尤其涉及一種在線可控的傳感節(jié)點(diǎn)定位方法，屬于傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著無線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，孕育了無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)作為新型的傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有廣闊的應(yīng)用前景，可被廣泛應(yīng)用于國防軍事、環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)設(shè)施、醫(yī)療衛(wèi)生、交通管理等各個領(lǐng)域。但其應(yīng)用也面臨著諸多問題，如無線傳感器節(jié)點(diǎn)受到本身生產(chǎn)成本低廉、功耗限制嚴(yán)格，計算能力和存儲能力有限等特點(diǎn)的影響，為真實(shí)環(huán)境下大規(guī)模無線傳感網(wǎng)絡(luò)部署帶來了很多困難；無線傳感器節(jié)點(diǎn)的定位方法也是研究難題，基于測量距離的定位方法需要附加硬件設(shè)備；非測量距離的定位方法精度又很低。比如一般可采用通過GPS技術(shù)獲得自身位置信息作為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)依靠信標(biāo)節(jié)點(diǎn)計算出自身的絕對位置。但GPS技術(shù)由于成本、功耗、擴(kuò)展性問題不可能廣泛使用，而且如何預(yù)先擺放信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，使普通節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)擺放可以取得更好效果也是難題。針對以上問題，利用較低的成本在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中加入適量的有線設(shè)備，構(gòu)成混合傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以大大的提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能。如提供穩(wěn)定的電源，作為已知錨節(jié)點(diǎn)完成未知傳感器節(jié)點(diǎn)的定位，提供高速率數(shù)據(jù)傳輸功能等。因此，對于這種新穎的混合傳感器網(wǎng)絡(luò)，其有線傳感設(shè)備的定位工作是整個傳感器網(wǎng)絡(luò)定位工作的重要部分。加州大學(xué) Richard Pon 在《Networked Info mechanical Systems (NIMS) :Next Generation Sensor Networks for Environmental Monitoring》描述的 NIMS(Networked Info mechanical System)系統(tǒng)是由大量線纜及可以在其上自由移動的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，線纜上的傳感器節(jié)點(diǎn)可以通過無線信號進(jìn)行彼此間的通信，這些傳感器節(jié)點(diǎn)可以沿著線纜進(jìn)行自由的移動， 從而能夠方便的對森林、海岸線、濕地、河流等生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行全方位的監(jiān)測。在諸如此類的混合傳感器網(wǎng)絡(luò)中，尋求一種有效便捷的有線傳感器節(jié)點(diǎn)間的定位方法意義重大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有技術(shù)之不足，提出一種在線可控的傳感節(jié)點(diǎn)定位方法，可以在不變更傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的情況下，測定有線連接的傳感器節(jié)點(diǎn)的位置并獲得傳感信息。為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的方案為一種在線可控的傳感節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征在于設(shè)置傳感器定位主機(jī)通過含數(shù)據(jù)線和地線的兩線制總線與多個傳感器節(jié)點(diǎn)順序連接，傳感器定位主機(jī)與傳感器節(jié)點(diǎn)間以單總線協(xié)議進(jìn)行有線通信，各傳感器節(jié)點(diǎn)均設(shè)有電子開關(guān)電路，各電子開關(guān)電路順序跨接于兩線制總線之間，當(dāng)傳感器定位主機(jī)經(jīng)總線向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出含ID編號的定位指令時，與指令I(lǐng)D編號一致的傳感器節(jié)點(diǎn)響應(yīng)定位指令，該傳感器節(jié)點(diǎn)的微控制器定時啟動對應(yīng)的電子開關(guān)閉合，該傳感器節(jié)點(diǎn)處的兩線制總線短接，短接點(diǎn)處總線阻抗失配，傳感器主機(jī)經(jīng)總線發(fā)送的測距脈沖信號在該阻抗失配點(diǎn)處產(chǎn)生反射信號，傳感器主機(jī)接受該反射信號并測量反射信號的時間間隔，計算出該傳感器節(jié)點(diǎn)離傳感器定位主機(jī)的距離，測定出該傳感器節(jié)點(diǎn)的位置，定時時間完畢后，該節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的電子開關(guān)開路，總線恢復(fù)正常通信，依此類推，測定各個傳感器節(jié)點(diǎn)在兩線制總線上的順序和它們到傳感器定位主機(jī)間的距離。所說電子開關(guān)電路可與傳感器節(jié)點(diǎn)集成于一體，也可制作成單獨(dú)的電子開關(guān)模塊外接于已經(jīng)成型的傳感器節(jié)點(diǎn)，通過增加響應(yīng)主機(jī)定位命令及以定時方式閉合電子開關(guān)的相應(yīng)軟件設(shè)置，實(shí)現(xiàn)所述的在線傳感定位方法。傳感器定位主機(jī)包括現(xiàn)場門級可控陣列FPGA芯片、發(fā)射驅(qū)動電路、高速比較器電路、IXD顯示電路、按鍵電路、UART接口、SDRAM芯片、FLASH芯片、配置芯片；FPGA芯片內(nèi)部包含嵌入式處理器內(nèi)核、液晶顯示器顯示控制電路、串行通信控制電路、鍵盤譯碼電路、內(nèi)部嵌入式鎖相環(huán)電路、脈沖產(chǎn)生控制電路、D觸發(fā)器、高速計數(shù)器、數(shù)據(jù)鎖存器等邏輯電路， 所有內(nèi)部邏輯電路以IEEE標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言編寫，嵌入式處理器內(nèi)核是FPGA芯片的核心， 負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)FPGA芯片內(nèi)各部分電路的工作以及數(shù)據(jù)的計算。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及顯著效果1)在傳感器網(wǎng)絡(luò)安裝完畢后，無需對該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)再做變動，就能根據(jù)需要隨時測定傳感器節(jié)點(diǎn)的位置。2)增加的電子開關(guān)電路結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)施方便，可在設(shè)計傳感器節(jié)點(diǎn)時將電子開關(guān)電路集成于其中，也可制作單獨(dú)的電子開關(guān)模塊，外接于已經(jīng)成型的傳感器節(jié)點(diǎn)。3)采用FPGA高速芯片為工作核心，工作頻率達(dá)200MHz，可發(fā)送優(yōu)于5ns高速脈沖信號，定位算法簡便，定位快速，時效性好，在線定位精度優(yōu)于lm。4)僅需2根連接線(數(shù)據(jù)線，地線)，配合簡單的電子開關(guān)電路便能完成傳感及定位功能。5)可以推廣應(yīng)用于RS485、CAN、MBUS等現(xiàn)場總線，凡是以兩線制總線結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)， 應(yīng)用本方法都能快速準(zhǔn)確的測定總線上設(shè)備的有線距離。


圖1是本發(fā)明連接示意圖；圖2是在現(xiàn)有傳感器節(jié)點(diǎn)上增加電子開關(guān)電路示意圖；圖3是在傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)集成電子開關(guān)電路示意圖；圖4是傳感定位主機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；圖5傳感定位主機(jī)的工作流程；圖6回波信號的處理流程。
具體實(shí)施例方式參看圖1，以兩線制總線型有線傳感器網(wǎng)絡(luò)演示系統(tǒng)為例，傳感定位主機(jī)與若干傳感器節(jié)點(diǎn)1、2、3...順序連接于兩線制總線(11為數(shù)據(jù)線，22為地線)上，各傳感器節(jié)點(diǎn)均設(shè)有電子開關(guān)電路4，各電子開關(guān)電路4跨接于兩線制總線之間。當(dāng)傳感器定位主機(jī)經(jīng)總線向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出含ID編號的定位指令時，與指令I(lǐng)D編號一致的傳感器節(jié)點(diǎn)響應(yīng)定位指令，該傳感器節(jié)點(diǎn)定時控制對應(yīng)的電子開關(guān)閉合，該傳感器節(jié)點(diǎn)處的兩線制總線短接，短接點(diǎn)處總線阻抗失配；傳感器主機(jī)經(jīng)總線發(fā)送的測距脈沖信號在該阻抗失配點(diǎn)處產(chǎn)生反射信號，傳感器主機(jī)接受該反射信號并測量反射信號的時間間隔，計算出該傳感器節(jié)點(diǎn)離傳感器定位主機(jī)的距離，測定出該傳感器節(jié)點(diǎn)的位置，定時時間完畢后，該節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的電子開關(guān)開路，總線恢復(fù)正常通信，具體定時時間由總線的定位命令中給出。依此類推，測定各個傳感器節(jié)點(diǎn)在兩線制總線上的順序和它們到傳感器定位主機(jī)間的距離。工作原理根據(jù)傳輸線時域脈沖反射原理，一條均勻、質(zhì)量完好的電纜特性阻抗是電纜每個點(diǎn)處的阻抗是匹配的，當(dāng)電磁波在處處匹配的無限長傳輸電纜傳播時，電磁波會沿電纜一直傳輸下去，直到被電纜的特性阻抗完全吸收為止，電磁波發(fā)射端不會發(fā)生反射現(xiàn)象，也不會有反射波出現(xiàn)。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)接收到主機(jī)的定位命令后，以定時閉合電子開關(guān)一段時間的方式，造成電纜的阻抗不匹配。在總線處于短暫的阻抗失配期間，向電纜發(fā)射一列高速脈沖信號，脈沖信號在總線的短接點(diǎn)處會發(fā)生反射現(xiàn)象，如同聲音遇到障礙會反生反射產(chǎn)生回音一樣。根據(jù)電磁波在具體絕緣介質(zhì)電纜中的傳播速度V，以及主機(jī)測得的從發(fā)射脈沖到回波信號抵達(dá)主機(jī)的時間間隔t，以公式s = (vXt)/2計算出傳感器節(jié)點(diǎn)距離主機(jī)的距離。如圖2，對于已經(jīng)成型的傳感器節(jié)點(diǎn)，可在現(xiàn)有通用傳感器節(jié)點(diǎn)上增加電子開關(guān)電路4，制成單獨(dú)的電子開關(guān)模塊，只需增加響應(yīng)主機(jī)定位命令并以定時方式閉合電子開關(guān)的相應(yīng)軟件設(shè)置即可。電子開關(guān)電路4連接于兩線制總線之間，電子開關(guān)閉合則總線短接，電子開關(guān)開路則總線正常通信。電子開關(guān)電路與傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)部除電源及共地連接以外，電子開關(guān)的控制端占用傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)部微控制器(Micro Control Unit, MCU)的一個IO 口， 傳感器節(jié)點(diǎn)的微控制器通過該IO 口對電子開關(guān)進(jìn)行控制。如圖3，電子開關(guān)電路4也可在設(shè)計傳感器節(jié)點(diǎn)時便加入其中。如圖4，傳感定位主機(jī)包括現(xiàn)場可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array, FPGA)芯片、發(fā)射驅(qū)動電路、高速比較器電路、液晶(Liquid Crystal Display, IXD)顯示電路、按鍵電路、串行通信接口(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, UART) 電路、同步動態(tài)隨機(jī)存儲器(Synchronous Dynamic Random Access Memory, SDRAM)芯片、 FLASH存儲芯片、FPGA配置存儲芯片等模塊組成，其中FPGA芯片是整個主機(jī)的核心器件， 控制整個主機(jī)傳感定位功能的處理運(yùn)算；FPGA配置存儲芯片是存放FPGA上電后的引導(dǎo)程序的存儲器；FLASH存儲芯片和SDRAM芯片分別作為FPGA的內(nèi)部處理器軟核NIOS II的存儲器的復(fù)位段和擴(kuò)展段；UART電路是主機(jī)與上位機(jī)之間的通訊接口 ；發(fā)射驅(qū)動電路用于將 FPGA芯片產(chǎn)生的脈沖信號放大以滿足測試要求，并將放大后的脈沖信號送至總線；高速比較器電路用于捕捉、采集反射的回波信號并與主機(jī)提供的電壓閾值信號進(jìn)行比較，輸出比較結(jié)果信號給FPGA芯片，高速比較器還包括低通濾波器電路，將FPGA提供的PWM波信號經(jīng)過低通濾波器電路轉(zhuǎn)換成電壓閾值信號；LCD顯示電路和按鍵電路負(fù)責(zé)基本的輸入輸出功能，組成系統(tǒng)基本的人機(jī)交互接口。FPGA芯片內(nèi)部包含嵌入式處理器NIOS II軟核、液晶顯示器顯示控制電路、串行通信控制電路、鍵盤譯碼電路、內(nèi)部嵌入式鎖相環(huán)電路、脈沖產(chǎn)生控制電路、PWM產(chǎn)生電路、 D觸發(fā)器、高速計數(shù)器、數(shù)據(jù)鎖存器等邏輯電路，所有內(nèi)部邏輯電路以IEEE標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言編寫。嵌入式處理器NIOS II內(nèi)核是FPGA芯片的核心，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)FPGA芯片內(nèi)各部分電路的工作以及數(shù)據(jù)的計算等，其中串行通信控制電路負(fù)責(zé)NIOS II軟核與上位機(jī)通訊；液
5晶顯示控制電路和鍵盤譯碼電路連接NIOS II軟核和外部IXD電路和按鍵電路，是NIOS II 處理器控制外部輸入輸出的接口；內(nèi)部嵌入式鎖相環(huán)電路連接外部時鐘信號，將其倍頻至工作用時鐘并傳送給NIOS II軟核、脈沖產(chǎn)生電路和高速計數(shù)器使用；脈沖產(chǎn)生控制電路與OTOS II軟核相連，受OTOS II控制并產(chǎn)生高速脈沖，并發(fā)送給外部發(fā)射驅(qū)動電路；PWM 產(chǎn)生電路受NIOS II軟核控制，在時鐘信號下產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM波形輸送給外部高速比較器電路，經(jīng)過外部低通濾波器電路后作為電壓閾值信號使用；D觸發(fā)器連接外部高速比較器電路，負(fù)責(zé)將接收到的兩次脈沖信號(發(fā)射脈沖和回波信號)轉(zhuǎn)換為持續(xù)的高電平信號并傳送給高速計數(shù)器電路作為它的使能信號；高速計數(shù)器連接D觸發(fā)器，在使能信號的作用下計數(shù)，并將計數(shù)值發(fā)送到數(shù)據(jù)鎖存器；數(shù)據(jù)鎖存器將高速計數(shù)器的計數(shù)值發(fā)送到 NIOS II，由NIOS II軟核計算計數(shù)值所表示的時間間隔。本發(fā)明系統(tǒng)中，選用ALTERA公司 CYCL0NE3系列中的EP3C10E144C8N芯片作為核心芯片，集成內(nèi)部NIOS II軟核；以雙絞線作為數(shù)據(jù)傳輸總線；選用LINEAR TECHNOLOGY公司的LT1719作為高速比較器電路主芯片； 以晶體管9013及限流電阻構(gòu)成電子開關(guān)電路。以上所述傳感定位主機(jī)及電子開關(guān)電路的結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系，應(yīng)為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知。傳感器定位主機(jī)與傳感器節(jié)點(diǎn)間采用單總線協(xié)議通信。以480 μ s以上的低電平作為一條命令的開始，邏輯0表示為60 μ s至120 μ S的低電平；邏輯1表示為大于1 μ S 的低電平，緊跟60μ s至120μ s的高電平；指令的內(nèi)容包括傳感器節(jié)點(diǎn)的編號，操作內(nèi)容 (傳感命令，定位命令)；相關(guān)參數(shù)(需采集的傳感信息，電子開關(guān)閉合的定時時間)。傳感器節(jié)點(diǎn)在接收到命令時，返回一個60μ s至240μ s的低電平以表示能夠響應(yīng)主機(jī)。工作流程如圖5:1、由上位機(jī)或按鍵電路選擇功能，傳感定位主機(jī)向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令。按協(xié)議約定，完整的一條指令包含命令的種類(傳感或定位)，需響應(yīng)該命令的傳感器節(jié)點(diǎn)編號， 傳感命令還需指定傳感器節(jié)點(diǎn)測量的傳感信息內(nèi)容(如溫度，濕度等)，定位命令還需指定電子開關(guān)電路的定時閉合時間。2、傳感器節(jié)點(diǎn)接收到指令后，核對節(jié)點(diǎn)編號，編號一致的傳感器節(jié)點(diǎn)響應(yīng)主機(jī)。當(dāng)接收到傳感指令時，控制對應(yīng)傳感模塊采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)送回主機(jī)；當(dāng)接收到定位命令時，傳感器節(jié)點(diǎn)控制電子開關(guān)以定時方式閉合一段時間，制造總線短接阻抗失配一段時間。3、在電子開關(guān)閉合時段，即兩線制總線短接阻抗失配時段內(nèi)，傳感定位主機(jī)發(fā)送測距脈沖信號，脈沖信號在短接點(diǎn)處發(fā)生反射，反射回波經(jīng)總線到達(dá)傳感定位主機(jī)，通過高速比較器電路進(jìn)入FPGA內(nèi)部，經(jīng)過FPGA內(nèi)部邏輯D觸發(fā)器電路和高速計數(shù)器電路，按高速計數(shù)器的工作頻率測量出回波到達(dá)的時間間隔，計算傳感器節(jié)點(diǎn)到傳感定位主機(jī)的距離。 對回波信號的處理流程如圖6，6是發(fā)送的測距脈沖信號；7是反射的回波信號；8是正閾值；9是負(fù)閾值；10是回波信號的比較輸出；21是發(fā)送的測距脈沖信號的比較輸出；12是D 觸發(fā)器的輸出，作為高速計數(shù)器的使能信號；13是高速計數(shù)器的計數(shù)信號。
權(quán)利要求
1.一種在線可控的傳感節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征在于設(shè)置傳感器定位主機(jī)通過含數(shù)據(jù)線和地線的兩線制總線與多個傳感器節(jié)點(diǎn)順序連接，傳感器定位主機(jī)與傳感器節(jié)點(diǎn)間以單總線協(xié)議進(jìn)行有線通信，各傳感器節(jié)點(diǎn)均設(shè)有電子開關(guān)電路，各電子開關(guān)電路順序跨接于兩線制總線之間，當(dāng)傳感器定位主機(jī)經(jīng)總線向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出含ID編號的定位指令時，與指令I(lǐng)D編號一致的傳感器節(jié)點(diǎn)響應(yīng)定位指令，該傳感器節(jié)點(diǎn)的微控制器定時啟動對應(yīng)的電子開關(guān)閉合，該傳感器節(jié)點(diǎn)處的兩線制總線短接，短接點(diǎn)處總線阻抗失配，傳感器主機(jī)經(jīng)總線發(fā)送的測距脈沖信號在該阻抗失配點(diǎn)處產(chǎn)生反射信號，傳感器主機(jī)接受該反射信號并測量反射信號的時間間隔，計算出該傳感器節(jié)點(diǎn)離傳感器定位主機(jī)的距離，測定出該傳感器節(jié)點(diǎn)的位置，定時時間完畢后，該節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的電子開關(guān)開路，總線恢復(fù)正常通信，依此類推，測定各個傳感器節(jié)點(diǎn)在兩線制總線上的順序和它們到傳感器定位主機(jī)間的距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線可控的傳感節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征在于所說電子開關(guān)電路與傳感器節(jié)點(diǎn)集成于一體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線可控的傳感節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征在于所說電子開關(guān)電路制作成單獨(dú)的電子開關(guān)模塊外接于已經(jīng)成型的傳感器節(jié)點(diǎn)，通過增加響應(yīng)主機(jī)定位命令及以定時方式閉合電子開關(guān)的相應(yīng)軟件設(shè)置，實(shí)現(xiàn)所述的在線傳感定位方法。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的在線可控的傳感節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征在于傳感器定位主機(jī)包括現(xiàn)場門級可控陣列FPGA芯片、發(fā)射驅(qū)動電路、高速比較器電路、IXD顯示電路、按鍵電路、UART接口、SDRAM芯片、FLASH芯片、配置芯片；FPGA芯片內(nèi)部包含嵌入式處理器內(nèi)核、液晶顯示器顯示控制電路、串行通信控制電路、鍵盤譯碼電路、內(nèi)部嵌入式鎖相環(huán)電路、脈沖產(chǎn)生控制電路、D觸發(fā)器、高速計數(shù)器、數(shù)據(jù)鎖存器等邏輯電路，所有內(nèi)部邏輯電路以IEEE標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言編寫，嵌入式處理器內(nèi)核是FPGA芯片的核心，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)FPGA 芯片內(nèi)各部分電路的工作以及數(shù)據(jù)的計算。
全文摘要
一種在線可控的傳感節(jié)點(diǎn)定位方法，傳感器定位主機(jī)通過兩線制總線與多個傳感器節(jié)點(diǎn)順序連接，傳感器定位主機(jī)與傳感器節(jié)點(diǎn)間以單總線協(xié)議進(jìn)行有線通信，各傳感器節(jié)點(diǎn)均設(shè)有電子開關(guān)電路，順序跨接于兩線制總線之間，當(dāng)傳感器定位主機(jī)經(jīng)總線向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出含ID編號的定位指令時，與指令I(lǐng)D編號一致的傳感器節(jié)點(diǎn)響應(yīng)定位指令，該傳感器節(jié)點(diǎn)的定時啟動對應(yīng)的電子開關(guān)閉合，該傳感器節(jié)點(diǎn)處的兩線制總線短接，傳感器主機(jī)經(jīng)總線發(fā)送的測距脈沖信號在該短接點(diǎn)處產(chǎn)生反射信號，傳感器主機(jī)接受該反射信號并測量反射信號的時間間隔，計算出該傳感器節(jié)點(diǎn)離傳感器定位主機(jī)的距離，測定出該傳感器節(jié)點(diǎn)的位置。
文檔編號H04L29/08GK102209110SQ201110130699
公開日2011年10月5日 申請日期2011年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月18日
發(fā)明者于忠洲, 吳劍鋒, 李小敏, 李建清, 杜莉, 王佚楠 申請人:東南大學(xué)