高精度的室内超声波定位传感器节点
计算机科学２００７Ｖ０１．３４ＮＱ．９（专刊）
Ｍｕｔｅ：一种低成本、高精度的室内超声波定位传感器节点＊）
Ｍｕｔｅ：Ａ
Ｌｏｗ－ｃｏｓｔ，ＨｉｇｈＰｒｅｃｉｓｉｏｎＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＳｅｎｓｏｒＮｏｄｅｏｆ
ＷＳＮ
ｆｏｒＩｎｄｏｏｒＬｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ
张帆李文锋雷斌
（武汉理工大学
武汉４３００６３）
摘要在比较分析国内外室内定位系统的基础上，本文介绍了一种模块化低成本、高精度的室内超声波定位传感器节点。超声波定位传感器节点设计成多个模块，例如无线传输、控制、传感器、算法计算。这种模块化的设计不仅加快了开发速度，而且部分模块可以方便其它应用。通过基于传感器触发事件，事件产生消息，系统后台服务处理消息的模型，保证了信号被捕获的实时性。这种节点设计可以用来对无线传感器网络环境下的移动机器人定位跟踪，也可以用于远程感应和设备监测等方面。
关键词无线传感器网络，室内定位，超声波定位，传感器节点
１
引言
３）节点能力受限。节点大多数使用嵌入式处理器以及大量使用片上系统，处理能力和存储容量有限。
传感器网络作为“无处不在”思想衍生的产物，
４）能信能力受限。受前面几点的要求影响，节可广泛应用在国防军事、环境监测、交通管理、医疗点的发射功率和通讯范围都会受到限制。
卫生、制造业、抗灾抢险等领域，拥有巨大的应用价根据以上几点设计原则，在实验室已有ＭＩＣＡｚ值。从目前国外的研究进展来看，虽然传感器网络节点实验平台的基础上设计了一个低成本，高精度的应用前景十分美好，但由于仍然而临很多技术难的室内超声波定位传感器节点。
题，还不能走向广泛应用。
在室处可以使用ＧＰＳ辅助定位，然而在室内环２工作环境
境下ＧＰＳ一般难以应用。在要求精度较高的情况
本文的传感器节点使用方式如图１所示。信标下，比如希望能够在一栋楼内定位跟踪一个体积小
节点作为节点被放在天花板，移动机器人栽着一个于３０ｃｍＸ２０ｃｍ×３０ｃｍ的小型移动机器人，通常需发射节点作为被定位的目标。根据需要在适当的地要借助一些传感器来获得更多信息。基于无线传感方还可以灵活的增加辅助节点，复杂节点与主节点器网络的特点，可以通过在室内大规模布置传感器都属于信标节点。信标节点为被动式工作。信标节节点，利用廉价的传感器网络为移动机器人提供一点的工作模式采用被动式，只有达到超声波传感器精度合适的定位服务。文［１，２］描述了美国ＭＩＴ大的触发条件，节点才工作。被动方式工作比主动方学利用ｃｒｏｓｓｂｏｗ公司的无线传感器网络研究平台式工作更能节约传感器节点的能源，和减少无线通Ｍｉｃａ所做的研究，文［２－－一６３描述了几种不同和室内讯的数据量。
定位系统，文Ｅ７－１描述了超声波传感器阵列的设计，文［８］介绍了基于ＴＤＯＡ技术的超声波传感器定位原理和算法研究。在对比分析的基础上本文设计了一个基于无线传感器网络的超声波定位系统
ＭＵＴＥ。
传感器节点作为传感器网络的重要组成部分，应该且有一些特征。在本文设计的ＭＵＴＥ定位系统中，将传感器节点所具有一特征定义如下：
１）微型化。应用中的传感器节点要高度集成化，微小型的体积可以让节点易于嵌人式使用和布置。
（１）定位方式（２）工作环境
２）低功耗。在大多数情况下网络将一次性布图】
置．无人职守。因此节点有严格的能源要求。
ＭＵＴＥ室内超声波定位示意图
＊）基金项目：国家自然科学基金（Ｎｏ．６０４７５０３１）。张帆硕｛，生；李文锋教授．博士生导师。
・
３７
・
以房问为单位将节点划分成簇，所有安置的传感器节点将形成一个簇状的网络扑结构。在布置网络模块的位置时，可以使用异构网络连接每个簇头，可以利用已有的网络提高带宽和通信速度，又降低路由协议的复杂度，增加了网络通信的可靠性。根据Ｉｎｔｅｌ实验室的研究，单纯的８位处理器有限的资源很难支持超过５０个节点的８０２．１５．４多跳网络。在网络的结构设计中引入异构框架，试图解决网络规模的限制。异构结构的网络可以获得更大的带宽和更远的距离。
根据现场实际需要，每隔一定距离（发射节点的超声波信号覆盖范围内）在天花板顶部设置一个信标节点（采用电池驱动），同时在需要网络连接地方安置一个网络模块，网络模块具有ｓｉｎｋ节点，簇头，网关的功能。为了避免室内环境中各种电器设备对于扰的直序扩频通信方式，而且，每个模块都有接收信号强弱指示功能（ＲＳＳＩ）。在精确的距离信息不够的时候，ＲＳＳＩ可以起到辅助估算位置的作用。
超声波传感器外观如图３所示。接口电路（］Ｉ大的电路板）上面主要是ＡＴｍｅａｇａＳＩ。处理器，产圭４０Ｋｈｚ左右的发射信号或者对接收信号进行处理用来支持发射／接收电路，外形长宽高尺寸为
８０ｍｍＸ
８０ｍｍ×１４ｍｍ。传感器电路（图下方的／－
模块）根据发射／接收不同与传感器元件相接，外ｊ１长宽高尺寸为：３２ｍｍ×２３ｍｍＸ２４ｍｍ。
图３机器人小车上装载的移动节点
３超声波定位传感器节点
定位网络中，每一个网络节点或者是一个信标节点，或者是一个移动节点。不同的是：信标，节点体积要更小，耗电也少一些，上面装载超声波接收传感器；移动节点通常作为被定位的目标，装载有超声波发射传感器。
３．１
如图３，在机器人小车上装载了一个超声波皇射传感器节点。这个节点带有８个发射传感器ｔ－＇块，不仅可以增加信号的发射距离，同时还可以增力覆盖范围，而且根据实际环境可以灵活的调整发身传感器模块的数量。８个传感器模块的电路接收斥样的发射信号，同时工作，互不干扰，因此增减模毛并不会影响其它模块的工作。
３．２节点软件
节点硬件
传感器分为超声波发射传感器和超声波接收传感器，二者分别独立工作，但是可以使用同样的接口电路板与ＭＩＣＡｚ节点连接。如图２所示，ＭＩＣＡｚ节点与传感器通过ＵＳＡＲＴ接口以全双工方式通讯。这样设计主要基于以下几点考虑：１）网络协议与传感器数据获取可以分离开来研究。ＭＩＣＡｚ作为加州伯克利大学为传感器网络开发的实验平台可以专注于ＴｉｎｙＯＳ操作系统的研究与开发。２）虽然整个系统分成了２块研究，但是很容易集成，而且可以加快程序开发的速度。３）便于查找问题，各个模块独立测试成熟后再组装，便于快速找到错误。
图４节点软件处理流程
利用传感器事件触发消息进行处理是无线传挥器网络节点软件设计的一个重要特征。实际上，走声波传感器具有数据量少，计算量小的特点，但是叉
图２传感器节点实物图片
・
信号响应的实时性要求却很高，因此有利于简化ｊ点，降低设计复杂度。根据对ＴｉｎｙＯＳ内核调度击
３８
・
制的研究和对比分析，我们设计了一个前后台系统软件模型。其基本思想就是：传感器触发事件的事件在前台服务中记录并产生消息，后台服务获得消息并调用相应的函数进行处理。
节点具有以下几点属性：
・每一个需要定位的移动目标和信标节点，都携带一个无线ＩＤ；
・为了增加电池使用寿命，信标节点只有在感应到移动节点经过的时候才开始工作，平时处于节能状态；
・信标节点将计算得到的距离值发送给ｓｉｎｋ节点传往监控中心，同时也可以被移动ｓｉｎｋ节点接收；
・根据声波在空气中的传播速度，设定每次传感器感应距离，防止超声波信号反射干扰。
３．３测试校正
ＭＵＴＥ定位系统是一个基于ＷＳＮ面向室内精确定位技术的测试、分析平台。该平台主要分为三个部分：传感器收集数据，无线网络传输数据，计算机处理数据。本超声波定位传感器节点称为ＭＵＴＥ节点，是根据研究对象针对传感器收集数据部分设计。传感器节点主要的设计指标有２个，一个是节点的信号覆盖范围，另一个是节点测量的误差与精度，我们对二者进行了测试校正。
实验在室内环境温度２５摄氏度情况下进行，一共使用了６个节点：５个带超声波传感器的节点和一个ｓｉｎｋ节点，ｓｉｎｋ节点通过接ｍｉｂ５１０板负责将信标节点收集到的数据传递给计算机处理。其中５个超声波传感器的节点又分为４个信标节点，和１个移动节点。根据实验的设定条件搭载发射／接收传感器。ｓｉｎｋ节点ＩＤ编号为０，移动发射节点ＩＤ编号为１，其他信标节点编号依次为２～５。节点之间的数据帧为ＴｉｎｙＯＳ消息格式。
１个信标节点，１个移动节点，各搭载１个传感器。当把发射信号频率调整到４０ｋＨＺ时，发现不同的接收传感器元件能够感应到超声波信号的距离有较大的差别，在ｌ－８～３．２ｍ范围内波动。
图５
四个不同接收传感器的最大测量距离
如图５所示，显示的４个不同的接收传感器的最大感应距离。造成这种现象的主要原因是元件之间的差异。超声波传感器发射与接收都是成对校准，最大振幅对应的频率只在４０ｋＨＺ附近。当多个一起使用的时候，其谐振频率并不一样，就造成了不同元件接收效果不一样，需要通过实验测得一个加权平均后的频率点，通过使用多个传感器元件组成阵列可以得到更好的效果。文［６２描述了一种超声波传感器阵列的设计。
虽然超声波测量距离得到的测量值与实际距离接近，但是仍然存在一定的误差，经分析其绝对误差最大值达到１４．１３ｃｍ，平均绝对误差为６．２６ｃｍ。如果经过最小二乘法修正，可以提高精度。修正后的绝对误差最大值为７．０６ｃｍ，平均绝对误差为２．７５ｃｍ。这个精度已经满足位置计算的要求。一方面是在后期的位置估计时仍然可以采取算法进一步修正；另一方面是考虑到节点８位处理器的计算能力，这个计算工作完全可以交由节点分布式计算。总之，节点硬件作为一个系统的底层，其输出已经达到上层计算的要求。文Ｅｓ］中介绍了利用超声波定位节点测得的距离计算位置的算法。
４定位实验
我们设计了设计一个定位实验如图６所示。在地面上按坐标放置３个信标节点，分别为ａ（３０ｃｍ，０，０）、ｂ（３０ｃｍ，３０ｃｍ，０）、ｃ（Ｏ，３０ｃｍ，０）。装载超声波发射传感器的移动节点ｍ在ｍ（０，０，１００ｃｍ）处位置，朝着３个信标节点。移动节点在平面的映射点是ｏ（０，０，ｏ），这是移动节点的真实２Ｄ坐标，将与表ｌ中的实验值作对比。表１列出了根据１０次测量距离计算得到的２Ｄ映射坐标。
单位：ｃｍ
图６２Ｄ定位实验
使用３个信标节点ａ、ｂ、Ｃ？被定位的移动节点ｍ朝着信标节点发射超声波信号。
根据对表１中的数据的分析结果，使用最小均
・
３９
・
方差方法计算２Ｄ位置的平均均方误差为３．７９７５ｃｍ。计算位置、真实位置与信标的位置分布如
图７。
表ｌ实验数据列表
实际测量根据测量值计算
均方平均坐标次数
所得坐标
误差
误差ｏ（０，０）
ｌ（一２．１８１９，１．４９９６）２．６４７６３．７９７５
２（一１．３６３４，一１．８９９７）２．３３８３３ｆ一５．６７４８，一２．２６３３）６．１０９５４（－４．４８４９，０．１４６６）４．４８７３５ｆ一２．９３７６．一３．５７１７）４．６２４６６（一０．２４５６，３．０４９１）３．０５８９７（一１．１９１９，一６．９４２８）７．０４４３８ｆ１．７１９４，Ｉ．１３７７）２．０６１８９（一１．１６０６，一５．１７８３）５．３０６８ｌＯ
（０．０６０４，一０．２２７８）
０．２３５７
图７计算位置、真实位置与信标的位置分布
５相关工作
目前已有几种用于移动目标的定位跟踪系统，例如Ｃｒｉｃｋｅｔ定位支持系统、ＲＡＤＡＲ定位系统、
ＡＴ＆Ｔ的ＡｃｔｉｖｅＢａｔ系统和Ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ追踪系
统。由于价格、性能、体积等原因实际应用都比较少。通过引人无线传感器网络的低成本，大规模等应用特性，我们设计了基于无线传感器网络的ＭＵＴＥ定位系统，与已有几种系统的比较见表２。
表２
ＭＵＴＥ与已有几种系统的比较
系统ＭＵＴＥ
Ｃｒｉｃｋｅｔ
ＲＡＤＡＲ
Ｂａｔ
Ｃｏｎｓｔｅｌ功能
ｌａｔｉｏｎ
跟踪
是无是是是分布性
是否否否否异构性是
是
否
是是成本＜￥２
＜￥１０
无传感一局
一向
器花费
精度３．８ｃｍ３．２４ｃｍ２—３ｍ
３ｃｍｌｃｍ
计算
简单复杂复杂复杂复杂
・４０・
结论与未来工作展望无线传感器网络与移动机器人都是当前国内外研究的热点。在测距定位研究中测距技术具有突出的优点。本文提出并且设计实现了一种超声波定位传感器节点，主要用于研究
基于距离测量的移动机器人室内精确定位跟踪。节点的结构简单，成本低，测量精度高。通过实验证实了设计的节点能够获得３．７９７５ｃｍ的精度。该结果还可以通过优化算法进一步提高精度。
未来的工作将一方面将致力于进一步改进传感器节点的结构，减小体积，增加感应距离；一方面根据测量距离获得的数据研究移动机器人定位算法和跟踪算法。
参考文献
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Ｒａｎｇｅ
ＷｉｒｅｌｅｓｓＭｏｔｉｏｎ—ＴｒａｃｋｉｎｇＳｙｓｔｅｍｆｏｒＡｕｇｍｅｎｔｅｄＲｅａｌｉｔｙ
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Mute:一种低成本、高精度的室内超声波定位传感器节点
作者：作者单位：
张帆， 李文锋， 雷斌武汉理工大学 武汉 430063
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