于超声波的室内定位系统设计与实现

于超声波的室内定位系统设计与实现

武汉理工大学

硕士学位论文

无线传感器网络环境下基于超声波的室内定位系统设计与实现

姓名：张帆

申请学位级别：硕士

专业：控制理论与控制工程

指导教师：李文锋

20070501

于超声波的室内定位系统设计与实现

武汉理工大学硕士学位论文

摘要

无线传感器网络（ＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋｓ，ＷＳＮｓ）是由大量散布的传感器节点通过一定方式构成的无线网络。传感器节点通过相互之间的分工协作，可感知、监测和采集分布区域内的移动对象或周围环境的信息。

在无线传感器网络覆盖区域进行目标定位有着与传统方法明显不同的技术特征和要求。无线传感器网络的传感器节点要求同时满足低功耗，低成本，方便使用。目前移动机器人对于环境的位置感知仍然没有一个比较适合应用的实现，昂贵的定位设备只有高档的机器人才装备得起。针对目前这种现状，为研制低成本，高精度的具有应用前景的移动机器人位置感知系统，我们开发了ＭＵＴＥ定位系统：一个无线传感器网络技术、传感器技术，数据处理技术的实验开发平台。

本系统主要基于ＴＯＡ（ｔｉｍｅｏｆａｒｒｉｖａｌ）测距定位原理，与ＧＰＳ定位原理相似。本论文描述了系统的总体结构框架设计，包括硬件、软件、数据结构以及通讯接口，以及开发过程包含的软硬件工具。

目前基于ＩＥＥＥ８０２．１５．４的无线传感器网络的传感器节点资源有限，因此节点数目增多后网络的性能明显受到影响。异构网络可以作为潜在的解决方案，来解决如何保证网络性能的情况下，增加网络规模的问题。本系统为一种簇状型网络拓扑结构，簇头节点之闻的连接中引入了异构网架构。

不仅在无线传感器网络中有静态ｓｉｎｋ节点，而且设置了移动ｓｉｎｋ节点。机器人将不仅仅是网络中被定位跟踪的对象，通过移动ｓｉｎｋ节点机器人可以接收和处理网络信息。ＭＵＴＥ为研究移动机器人与传感器网络的动态交互提供了支持。

在对比分析国内外研究成果的基础上开发了超声波定位传感器阵列，运用．ＮＥＴ技术开发了上位机软件，动态演示数据处理解析过程，定位算法。在２Ｄ定位实验中取得３．７９７５ｅｍ的精度。关键词：无线传感器网络，室内定位，Ｔ＇ｍｙＯＳ，超声波传感器阵列，移动机器人

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Ａｂｓｔｒａｃｔ

ＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋｓ（ＷＳＮｓ）ｉｓｃｏｌｌｅｃｔｅｄｂｙａｎｕｍｂｅｒｏｆｓｅｎｓｏｒｎｏｄｅｓ

ｃａｎｓｅｎｓｅ，

ａｒｅａ．ｗｈｉｃｈｈａｖｅｃｅｒｔａｉｎｔｏｐｏｌｏｇｙ．Ｎｏｄｅｓｗｈｉｃｈｃｏｏｐｅｒａｔｅｗｉｔｈｅａｃｈｏｔｈｅｒｍｅａｓｕｒｅ，ａｎｄｏｂｔａｉｎｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄｍｏｂｉｌｅｔａｒｇｅｔｉｎｔｈｅ

ＩｔｉｓａｐｐａｒｅｎｔｌｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃａｎｄｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｂｅｔｗｅｅｎｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎｉｎＷＳＮｓａｎｄｏｔｈｅｒｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎａｐｐｒｏａｃｈ．Ｓｅｎｓｏｒｎｏｄｅｓｎｅｅｄｔｏａｃｈｉｅｖｅｌｏｗ－ｃｏｓｔ，ｓａｖｅ－ｐｏｗｅｒａｎｄｅａｓｙｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ。Ｎｏｗ，ｉｔｉｓａｐｒｏｂｌｅｍｆｏｒｓｍａｌｌｍｏｂｉｌｅｒｏｂｏｔｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄｔｒａｃｋｉｎｇ．Ｅｘｐｅｎｓｉｖｅ

ＴｈｅｒｅｉｓｎｅｅｄｆｏｒＳｅｎｓｏｒｄｅｖｉｃｅｓａｒｅｆｏｒｅｘｐｅｎｓｉｖｅｒｏｂｏｔ．ｌｏｗ－ｃｏｓＬｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ．Ｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｉｓ，ｗｅ

ｏｎｄｅｖｅｌｏｐｅｄＭＵＴＥｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｐｌａｔｆｏｒｍｗｈｉｃｈｂａｓｅｄ

ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓｅｎｓｏｒ

ＵＳｅＳＷＳＮｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄｄａｔａａｎａｌｙｓｉｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ＧＰＳＭＵＴＥＴＯＡ（ｔｉｍｅｏｆａｒｒｉｖａｌ）ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｌｉｋｅｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ．啦ｔｈｅｓｉｓ

ｈａｒｄｗａｒｅ，ｓｏｆｔｗａｒｅ，

ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ

ｓｅｎｓｏｒａｒｅｗｉｌｌｄｅｓｅｒｉｐｔａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈｃｏｎｔａｉｎｄａｔａｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｉｎｔｅｒｆａｃｅ．ａｎｄｔｏｏｌｓ．ｒｅｓｏｕｒｃｅｓｏｆｎｏｄｅｓｂａｓｅｄｏｎ住｝ＥＥ８０２．１５．４ｌｉｍｉｔｅｄ．ｉｔ＇ｓＢｅｃａｕｓｅｔｈｅｔｏｍａｉｎｔａｉｎｎｅｔｗｏｒｋｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｗｈｉｌｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ

ｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｍａｙｂｕｉｌｄ

ｗｈｉｌｅｎｏｄｅｓ．Ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓｗｉｔｈａｎｅｔｗｏｒｋｓ，ｔｈｅｐｏｔｅｎｔｉａｌｉｎｅｘｐｅｎｓｉｖｅ

ＳｅｕｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｌａｒｇｅｎｕｍｂｅｒｓｏｆｗｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎｓｏｒｎｏｄｅｓｈａｖｅｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇｈｉｇｈｌｅｖｅｌｏｆｎｅｔｗｏｒｋ’ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．ＭＵＴＥｔｏｐｏｌｏｇｙａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｏｆｄｕｓｔｅｒｔｒｅｅ，ａｎｄｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓｎｅｔｗｏｒｋｓ．

ｎｏｔＴｈｅｒｅａｒｅｏｎｌｙｓｔａｔｉｃｓｉｎｋｎｏｄｅｓ，ｂｕｔ

ｔｈｅａｌｓｏｍｏｂｉｌｅｓｉｎｋｎｏｄｅｓ．Ｍｏｂｉｌｅｒｏｂｏｔｎｅｔｗｏｒｋｄａｔａｗｉｌｌｎｏｔｍｅｒｅｌｙｂｅｔｒａｃｋｅｄｔａｒｇｅｔ；ｉｔｃａｎａｌｓｏｒｅｃｅｉｖｅａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｔｈｅ

ｔｈｒｏｕｇｈｍｏｂｉｌｅｓｉｎｋｎｏｄｅ．ＭＵＴＥ

ｂｅｔｗｅｅｎｒｏｂｏｔａｎｄＷＳＮｓ．ｏｆｆｅｒｓｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｆｏｒｄｙｎａｍｉｃｃｏｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｔｕｄｙ

Ｗｅａｎａｌｙｚｅｄｒｅｆｅｒｅｎｃｅｐａｐｅｒａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｅｄ

Ｓｅｎｓｏｒａｒｒａｙ，ａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｂａｓｅｄｏｎ．ｎｅｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

ｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄａｌｇｏｒｉｔｈｍａｓｕｉｔｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎｔｈａｔ啪ｄｙｎａｍｉｃｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｔｈｅｒｅａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ．１１ｈｅｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈｅ２Ｄｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｉｅｓａｃｈｉｅｖｅｄ３．７９７５ｃ：ｍ．

ＫｅｙＷｏｒｄｓ：Ｗｉｒｅｌｅｓｓ

ａｒｒａｙ，ｍｏｂＨｅＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋｓ，ｉｎｄｏｏｒｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ，ＴｍｙＯＳ，ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓｅｎｓｏｒｒｏｂｏｔ

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第１章绪论

１．１研究背景

传感器网络是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域，是信息采集和环境感知的一场革命，被认为是２１世纪最重要的技术之一，将会对人类未来的生活方式产生深远影响。２００３年２月份的美国《技术评论》杂志（ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｖｉｅｗＳ）评出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，传感器网络被列为第一。美国商业周刊认为，传感器网络是全球未来四大高技术产业之一。

传感器网络作为“无处不在”思想衍生的产物，可以被广泛地应用在抢险救灾，搜索救援【１，２】、飞行机器人导航【３】、路径规划【４】、跟踪运动物体【５】、环境监测【６１、交通管理网、医疗卫生【８】等领域，拥有巨大的应用价值。从目前国外的研究进展来看，虽然传感器网络的应用前景十分美好，但由于仍然面临很多技术难题，还不能走向广泛应用。美屋很早就开始这方面的研究，但直到近几年，这方面的研究活动才在各大学及研究所蓬勃开展起来。美国政府也斥巨资支持这方面的研究。在２００３年度的自然科学基金自主的专题中，便有一个是传感器与传感器系统及网络，拨款额度达到三千四百万美元。美国国防部在这方面的投入更为巨大。在其它国家和地区，如欧洲、日本、澳大利亚也开展了不少关于传感器及传感器网络的研究工作。

２０００年１２月ＩＥＥＥ成立了ＩＥＥＥＳ０２．１５．４工作组，致力于定义一种从廉价的固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。产品的方便灵活、易于连接、实用可靠及可继续延续是市场的驱动力。一般认为短距离的无线低功率通信技术最适合传感器网络使用，传感器网络是８０２．１５．４标准的主要布置对象。将传感器与８０２．１５．４设备组合，进行数据收集、处理和分析，即可决定是否需要或何时需要用户操作。满足８０２．１５．４标准的无线发射，接收机及网络得到Ｍｏｔｏｒｏｌａ、Ｐｈｉｌｉｐｓ、Ｅａｔｏｎ、Ｉｎｖｅｎｓｙｓ和Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ等多家国际通信与工业控制界巨头们积极支持。我国《信息产业科技发展“十一五”计划和２０２０年中长期规划（纲要）》中将

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“智能信息处理和物与物通信网络技术’，确定为网络与通信领域１１个主要技术领域之一，并将之确定为我国需要重点突破的核心技术。其发展目标包括“重视ＲＦＩＤ、传感器网络等物与物通信网络技术的研发，形成自主知识产权的核心技术和产品，打造完善的产业链；推广ＲＦＩＤ、传感器网络技术在全社会的应用，形成一大批有示范效应的应用范例，为无处不在、人与物共享的网络应用奠定基础”。

１．２设计目标

我们未来的生活空间将充满智能，技术的发展，使人们能够更加清晰的掌握周围的物理世界，无处不在的传感器网络为实现机器智能提供了根据环境感知动态建模的技术基础。在移动机器入的研究当中，位置感知作为一项基本的、前提性的工作，在完整的机器人实现中占有重要的位置。机器人应该象人一样拥有多种感知的能力，而无线传感器网络能够扩展感知的范围和方式，通过传感器，可以从周围很大的范围获得环境信息。这些信息经过分析与处理，就可以对动态环境建模．

本论文对比国内外室内定位跟踪系统，在国家自然科学基金项目“传感器网络环境下移动机器人的动态特征与可重构框架，６０４７５０３１”的支持下对无线传感器网络环境下的室内移动目标定位进行了研究，提出了基于无线传感器网络的室内移动机器人定位系统设计框架，并且实现了ＭＵＴＥ定位系统研究平台。ＭＵＴＥ系统的设计目标是通过预先实现定位，然后逐步实现目标跟踪以及导航。因此，ＭＵＴＥ定位系统不仅仅按照定位系统的要求来设计，而且需要综合考虑跟踪与导航的要求，通过扩展能够实现跟踪导航功能。

１．３国内外研究现状

国内当前对传感器网络的研究才刚刚起步，还处在概念，理论和技术跟踪研究的初级阶段。研究的范围也主要是在高校和研究所范围内。但是传感器网络是一个新兴技术，国内与国际水平的差距并不很大，及时开展这项对人类未来生活影响深远的前沿科技的研究，对整个国家的社会、经济将有重大的战略意义。以室内定位系统、传感器网络室内定位、超声波室内定位为题检索发现

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国内没有关于传感器网络环境下的室内定位系统实现的文章，大多数文章是研究和提出定位方法和定位技术。

基于不同的应用目的，实现目标和技术方法，目前国外已有一些利用基于测距技术实现的室内定位跟踪系统，他们各自有不同的优点和使用环境，其中有的系统已经实现了商业化，它们为ＭＵＴＥ系统的设计提供了非常好的参考，根据调研结果下面列出几个有代表性的定位跟踪系统，这几个系统使用相同的原理，但是却各有特色。

１．３．１Ｃｒｉｃｋｅｔ定位支持系统

Ｃｒｉｃｋｅｔ定位支持系统１９，ｌｏ］采用ＴＤＯＡ原理测距，提出了利用传感器网络来支持定位的方法。Ｃｒｉｃｋｅｔ系统是ＭＩＴ开发的最早的松散耦合定位系统。它由散布在建筑物内位置固定的锚节点和需要定位的人或物体携带的未知节点（称为Ｌｉｓｔｅｎｅ０组成。锚节点随机地同时发射ｌ崾和超声波信号，ＲＦ信号中包含该锚节点的位置和ＩＤ。未知节点使用ＴＤＯＡ技术测量其与锚节点的距离，当它能够获得３个以上锚节点距离时即使用三边测量法提供物理定位，否则就以房间为单位提供符号定位．

Ｃｒｉｃｋｅｔ的系统只支持位置信息获取，并不能做追踪以及导航，而且因为传感器节点作为信标需要不断广播无线信号和超声波信号，会大大的增加网络整体能耗，降低节点的工作寿命．

１．３．２Ｂａｔ定位系统

ＡＴ＆Ｔ的ＡｃｔｉｖｅＢａｔ系统通过有线介质连接到中心控制器．特点是适用于室内环境，具有较高的精确性和实时性，时问同步和锚节点间的协调问题容易解决．但这种部署策略限制了系统的可扩展性，代价较大，无法应用于不适合布线的环境【１１】。

１．３．３ＡｃｔｉｖｅＢａｄｇｅ定位系统

ＡｃｔｉｖｅＢａｄｇｅ定位系统【１２】是ＢＡＴ定位系统的前一版，主要目的是定位办公室内人员的位置。因此需要的精度并不需要很高。ＡｃｔｉｖｅＢａｄｇｅ的中文翻译意思是活动徽章，在他们的论文描述中，室内的人员每个佩戴一个徽章，由徽章上

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的红外传感器发射信号给标签传感器。每隔１５秒发射１００毫秒的红外信号。标签传感器接收到红外信号后将信息传递给中央处理器，集中处理后再把计算结果通知用户。ＡｃｔｉｖｅＢａｄｇｅ定位系统的网络结构设计如图１－１。

图１－１

ＡｃｔｉｖｅＡｃｔｉｖｅＢａｄｇｅ定位系统从传感器网络设计图Ｂａｄｇｅ定位系统的优点是因为使用了红外通信，因此功耗极低，同时也可以做到很小的体积。但是他的设计目标是用来定位人的，因此对于小型移动机器人的定位来说表现有以下一些不足：

首先，精度不够高，室内机器人的运动路径规划需要的定位精度要大大高于这个系统的设计目标。对于室内人员来说，只要知道自己相对整栋楼的大概位置就可以了，机器人却不行。

其次，过程复杂，延迟时间过长。每个徽章发射出信号要经过一个集中的处理以后才能返回结果。１５秒发射一次信号，即大概１５秒才能得到一次位置坐标的特性对于定位不停移动的机器人来说太慢。

最后，它的传感器网络是采用的有线连接方式设计。从图１．１可以看到，不仅需要有以太网线的支持，而且还需要多个工作站。这样做提高了系统的运行成本和布置难度。

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１．３．４ＲＡＤＡＲ定位系统

ＲＡＤＡＲ定位系统是一个利用无线信号强度进行距离估计，然后再利用多个距离值估算出目标位置坐标的系统。ＲＡＤＡＲ属于紧密耦合型。系统需要建立聚数据，然后通过与数据库中的内容比较㈣［１３１。

１．３．５一个环境中各处ＲＦ信号强度的数据库。正常状态下，各个节点向中央处理器汇Ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ追踪系统

Ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ追踪系统为一种室内精确定位系统１１４］。Ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ追踪系统不仅使用了超声波传感器而且还增加了多种传感器来辅助提高定位的精度，例如红外传感器，陀螺仪。他与Ｃｆｊｃｋｅｔ系统一样，都采用布置在天花板上的超声波发射器做信标。接收器通过红外传感器与超声波信号的时间差来计算距离。据文中描述其仿真结果达到了１－３ｒａｍ的精度。其硬件测距原理如图１．２所示。

图１－２ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ追踪系统硬件设计原理图

图１．３是测距模块的设计图，使用了９５０ｈｍ的红外传感器和ＰＩＣ单片机来处理信号。论文采用扩展的卡尔曼滤波过滤突发的测量噪音。该系统没有考虑到大规模布置时的环境因素，只能在一个房间实现，而Ｃｒｉｃｋｅｔ系统则考虑了两个相邻房间之间衔接的问题。该系统还使用了Ｉｎｅｒｔｉａｃｏｂｅ惯性传感器辅助定位，

。

虽然提高了精度，但是增加了成本和设备体积。

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图ｌ－３ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ追踪系统测距方法结构图

１．３．６其他定位技术

除了文【９—１４１所述的典型室内定位系统以外，还有一些定位技术被关注。超宽带无线传感器网络【１５】采用新开放的频率，在做定位方面的应用近来被研究者关注，在国外已经有产品上市，但是实际成本目前还比较高。在中等规模的定位中，基于无线信号强度的位置估计被提Ｉｔ｛［１６１，其利用低成本传感器节点的无线信号，优点在于可以做到低成本的解决方案，其定位范围小于手机网络。ＧＰＳ定位在传感器网络定位研究之初就被提出，在室外大范围传感器网络定位应用中是目前使用得最多的技术手段［１７１１１８１。利用现有无线电话网络开发基于定位的应用，也是一种低成本的解决方案［１９１。

１．４本文的研究内容和结构安排

位置感知是无线传感器网络与移动机器人框架中重要的基础性支撑技术之

一．本文主要的研究内容为通过传感器网络感知特征信息，经过分析处理从而得的目标的位置，包括：系统结构分析、系统框架构建、目标特征信息提取、传感器的设计、无线传输协议研究、传感器网络嵌入式操作系统研究、定位算法以及定位精度控制模型、定位结果演示上位机程序设计、上位机与传感器网络的接口、上位机程序执行速度的优化。期望通过本次研究探索为无线传感器网络一机器人系统构建一个模块化，可重构的控制框架；为传感器节点开发、传感器网络协议研究、传感器数据融合技术提供一个实验平台．

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本论文的工作是围绕无线传感器网络室内环境下移动目标定位展开的，主要以数据获取，数据传输，数据分析为主脉络，论文的框架如图１．４，结构安排如下：

第一章介绍了本文的设计目的，研究背景，设计动机；第二章介绍了国内外同类型研究的成果以及与本文研究内容的各项指标对比，阐述了本研究相关的概念和原理，并且大体描述了一些需要用到的软硬件开发工具和协议：第三章围绕超声波定位传感器阵列的开发，研究了数据获取模块的内部构成，相互关系，以及各项功能指标，包括：低能耗设计问题，实时性保证问题，信号质量问题以及节点微型化问题。第四章以Ｃｒｏｓｓｂｏｗ开发的ＭＩＣＡｚ传感器网络节点和ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｏｕｔｈｅｒｎＣａｌｉｆｏｒｎｉａ开发的无线传感器网络嵌入式操作系统Ｔ＇ｍｙＯＳ构成的实验平台为工具，在对ＴｉｎｙＯＳ的设计和结构进行分析的基础之上，对无线传感器网络嵌入式操作系统的内核设计进行了对比研究，同时在节点上实验实现了数据的无线发送与传输。第五章使用ＭＡＴＬＡＢ和Ｖｉｓｕａｌａ｝程序设计语言，将从ｓｉｎｋ节点获得的各节点数据，包括前面章节的实验结果进行解析和计算，主要利用上位机进行处理和分析；第六章总结全文，并展望未来工作。

图１４论文框架图

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第２章ＭＵＴＥ室内定位系统及其体系结构

２．１无线传感器网络概述

在描述ＭＵＴＥ系统之前，有必要先介绍一下系统涉及到的相关的技术、名词和概念，以及它们之甸的关系。

无线传感器网络与电子，计算机以及通信技术的发展有着密切的关系。无线传感器网络的概念最早出现在６０年代美国。无线传感器网络主要指由部署在监测区域内的大量廉价的微型传感器节点组成，这些节点通过无线的方式连接起来，形成～个多跳自组织网络系统【２０】。其目的是协作地感知，采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器网络将客观世界的信息收集，传递和分发给人类。其发展目标是提高人们对物理世界的认知能力。美国商业周刊和Ｍｒｒ技术评论在预测未来的技术发展报告中，分别将无线传感器网络列为２１世纪最有影响的２１项技术和改变世界的ｌＯ大技术之一．传感器网络与机器人的结合将极大的扩展机器人的能力，具有很好的应用前景［２１，２２，２３１。

ＩＥＥＥＳ０２．１５．４是ＩＥＥＥ在２００３年１０月通过的一个国际性的技术标准，它主要定义了物理层和媒体访问控制层规范。如将２．４～２．４８３５ＧＨＺ频段划分为１６个信道，规定采用８０２．１５．４标准的无线芯片必须支持跳频。８０２．１５．４－１－作在工业科学医疗（ＩｓＭ）频段，它定义了两个物理层，即２．４ＧＨｚ频段和８６８／９１５ＭＩ－ｌｚ频段物理层。免许可证的２．４ＧＩ－ＩｚＩＳＭ频段全世界都有，而８６８Ｍｌ－Ｉｚ和９１５Ｍｌ－Ｉｚ的ＩｓＭ频段分别只在欧洲和北美有。在８０２．１５．４中，总共分配了２７个具有三种速率的信道：在２．４ＧＩ－Ｉｚ频段有１６个速率为２５０ｋｂｉｔ／ｓ（或６２．５ｌ【ｓｙｍｂ曲７ｓ）的信道，在９１５ＭＩ－Ｉｚ频段有１０个４０ｋｂｉ临（或４０ｋｓｙｍｂｏｌ／ｓ）的信道，在８６８ＭＨｚ频段有１个２０ｋｂ“域或２０ｋｓｙｍｂｏｖｓ）的信道。ＩＳＭ频段全球都有的特点不仅免除了８０２．１５．４器件的频率许可要求，而且还给许多公司提供了开发可以工作在世界任何地方的标准化产品的难得机会。这将减少投资者的风险，与专门解决方案相比可以明显降低产品成本。在保持简单性的同时，８０２．１５．４还试图提供设计上的灵活性。一个８０２．１５．４网可以根据可用性、拥挤状况和数据速率在２７个信道中

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选择一个工作信道。从能量和成本效率来看，不同的数据速率能为不同的应用提供较好的选择。例如，对于有些计算机外围设备与互动式玩具，可能需要２５０ｋｂｉｔ／ｓ，而对于其他许多应用，如各种传感器、智能标记和家用电器等，２０ｋｂｉｔ／ｓ这样的低速率就能满足要求。

图２－１ＩＥＥＥＳ０２．１５．４／ｚｉｇｂｅｅ协议模型

Ｚｉｇｂｅｅ建立在８０２．１５。４标准之上，它确定了可以在不同制造商之间共享的应用纲要。ＩＥＥＥ８０２．１５．４是ＩＥＥＥ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＥｎｇｉｎｅｅｒ，

ａｒｅａ电子电机学会）确定的低速率，无线个域网（ｐｅｒｓｏｎａｌｎｅｔｗｏｒｋ）标准。这个

ａｃｃｅｓｓ标准定义了“物理层”（ｐｈｙｓｉｃａｌｌａｙｅｒ）和“介质访问层”（ｍｅｄｉｕｍｌａｙｅｒ）．实

体层（Ｐａｙ）规范确定了在２．４ＧＨｚ以２５０ｋｂｐｓ的基准传输率工作的低功耗扩频无线电。（另有一些以更低数据传播率工作的９１５兆赫兹和８６８兆赫兹的物理层规范，但它们不太流行）。介质访问层（ＭＡＣ）规范定义了在同一区域工作的多个８０２．１５．４无线电信号如何共享空中通道。介质存取层支持几种架构，包括星状拓扑结构（一个节点作为网络协调点，类似于８０２．１１的接入点），树状拓扑结构（一些节点依次经过另一些节点才到达网络协调点），和网状拓扑结构（无须主协调点，各个节点之间分享路由职责）．

但是仅仅定义物理层和介质访问层不足以保证不同的设备之间可以对话。于是便成立了Ｚｉｇｂｅｅ联盟。Ｚｉｇｂｅｅ从８０２．１５．４标准开始着手，目前正在定义允许不同厂商制造的设备相互对话的应用纲要。例如，“Ｚｉｇｂｅｅ灯纲要”会确定相关的所有协议，因此从Ａ公司买的Ｚｉｇｂｅｃ灯开关会和Ｂ公司的灯正常工作。

Ｚｉｇｂｅｅ使用直接序列扩频技术收发电波。利用２．４ＧＨｚ频段、８６８ＭＨｚ频段、

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９１５ＭＨｚ频段。一次调制方式使用Ｏ．ＱＰＳＫ时，最大数据传输速度为２５０ｋｂｐｓ。网络拓扑采用网状、星型、丛集树状（ｄｕｓｔｅｒ－ｔｒｅｅ）。规定了两种设备级别，一种是支持所有拓扑的“Ｆｕｌｌ

ＦｕｎｃｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅ＇’。ＦｕｎｃｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅ”。一种是只支持部分拓扑的“Ｒｅｄｕｃｅｄ

近两年无线传感器网络的飞速发展，大量无线终端诞生。这些以传感器和远程控制为代表的无线应用不需要较高的传输带宽，而需要较低的传输延时和极低的功率消耗，使用户能拥有较长的电池寿命和较多的器件阵列。蓝牙技术在这方面有很大的发展空闻，但它不是一种符合传感器和低端面向控制等简单应用的专用标准，对那些在功耗或网络性能要求较高的个人无线应用就显得无能为力了．ＩＥＥＥ８０２．１５．４／ＺｉｇＢｃｃ协议则是针对这一问题而提出的。

Ｔｉｎｙ０Ｓ有ＴｉｎｙＯＳ联盟，其主要成员是一些大学研究机构和研究者，而Ｚｉｇｂｅｅ联盟则主要由１００多家厂商组成。ＴｉｎｙＯＳ来源于美国加州伯克利大学的无线传感器网络研究项目，目前最新的版本是ｔｉｎｙｏｓ－２．ｘ，它是～个开源的项日，在网站上提供全套代码下载［１５１。伯克利研究者希望提供一个公共的研究平台，所有的应用代码都可以运行在ＴｉｎｙＯＳ这个操作系统上，大家都使用一种类Ｃ的语言，叫做ＮｅｓＣ编程，最后达到知识共享的目的。因此我们可以理解为＂ＨｎｙＯＳ是一个开源的简单的操作系统，在它上面用～种类似于Ｃ语言的ＮｅｓＣ语法编程，应用程序可以下载到硬件平台，也可以用ＴＯＳＳＬＭ这个软件来仿真检验开发的网络协议或者算法。Ｚｉｇｂｅｅ协议只是定义了一组规范，目的是为了给传感器网络和控制系统推出一个标准的解决方案，并没有具体是实现技术。而ＴｉｎｙＯＳ提供了一个研究技术的公共平台，在这个平台上有世界上许多研究者在进行他们的研究工作。在Ｔ＇ｍｙＯＳ可以运行自己开发的合适的传感器网络协议，而不必是Ｚｉｇｂｅｅ协议，同样Ｚｉｇｂｅｅ协议也不一定要运行在ＴｍｙＯＳ这个平台之上。

ＭＩＣＡｚ是配合ＴｉｎｙＯＳ研究无线传感器网络的硬件平一，－１１２４，２５，２６，２７］，是美国Ｃｒｏｓｓｂｏｗ公司的产品。主要采用的是Ｃｈｉｐｃｏｎ公司的２．４ＧＨＺ兼容８０２．１５．４标准的无线射频芯片，和ＡＴＭＥＬ公司的ＡＶＲ单片机ＡＴｍｅｇａｌ２８Ｌ。其资料可以从ｃｒｏｓｓｂｏｗ公司的网站１１６】以及１１５】下到。ＭＩＣＡ系列是国外广泛采用的研究无线传感器网络的硬件平台，许多论文著述中的实验结论都是在它上面运行得到的。目前ＴｉｎｙＯＳ提供支持的平台除ＭＩＣＡｚ之外还有Ｍｉｃａ２，ＴｅｌｏｓｒｅｖＢ／ＴＭｏｔｅＳｋｙ，ＩｎｔｅｌＭｏｔｅ２，ｅｙｅｓ。和ｔｉｎｙｎｏｄｅ。

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２．２ＭＵＴＥ系统概述

ＭＵＴＥ系统是～个无线传感器网络环境下高精度的室内移动目标定位系统。系统设计参考了【２８，２９］，系统的网络拓扑结构如图２．２所示。整个网络的结构是一种簇状型结构，每一簇覆盖一个区域，新覆盖区域以增加簇的方式通过一个簇头节点加入网络。簇与簇的连接不限于使用ＩＥＥＥＳ０２．１５．４网络，通过引入异构网甚至能够把传感器的信息传递到Ｉｎｔｅｍｅｔ上，因此监测中心可以不受空间的限制实现远程监测。由于引入异构网结构，可以大大的降低因为节点能力受限而带来的网络规模限制。因此，本定位系统具有良好的可扩展性。本系统的设计在室内以房间为单位分簇，每个房间的节点构成一个小型网络，由簇头节点相互进行连接构成更大的网络。簇头节点之间的连接可以直接使用传感器网络链路，也可以使用室内已有的有线链路，例如以太网，还可以使用ＷｉＦｉ无线局域网络。异构网不仅为无线传感器网络带来更大的带宽，更快的传输速度，而且可以突破距离的限制。

图２－２ＭＵＴＥ系统网络拓扑结构

如图２－３所示的是ＭＵＴＥ系统使用示意图。通信节点具有ＲＳＳＩ和通过辅助传感器感测移动节点的功能。在网络覆盖范围内的移动节点都将与周围通信节点产生信息和信号的联系，通过ＴＯＡ技术可以测量得到移动节点与通信节点的距离。

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图２－３ＭＵＴＥ系统使用示意图

本文系统中的节点使用方式如图２．３所示。信标节点作为主节点被放在天花板，移动机器人载着一个发射节点作为被定位的目标。根据需要在适当的地方还可以灵活的增加辅助节点，辅助节点与主节点都属于信标节点。信标节点为被动式工作。传感器节点的工作模式采用被动式，只有达到超声波传感器的触发条件，节点才工作。被动式工作比主动式工作更能节约传感器节点的能源，以及减少无线通讯的数据量。

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的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无线信号的干扰，所有无线网络模块使用的都是抗干扰的直序扩频通信方式，此外，每个模块都有接收信号强弱指示功能（ＲＳＳｌ）。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。

如图２－４所示，本定位系统利用每个节点的计算能力将信标节点与移动节点的距离分布式计算，将数据获取，数据传输，定位算法划分为３个独立的模块，

在下面的章节将按照这样的划分进行描述。

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图２．４系统定位计算原理图

最初的无线信号和超声波信号被信标节点采集到后，信标节点会根据定时值计算出距离，然后通过网络将数据传递给定位算法模块，同时传递的数据中还包括信标节点的位置信息。定位算法模块在具有商处理能力的计算机上运行，这样做可以采用一些复杂的计算方法，减少与硬件的耦合，使开发的软件代码和工具通用性、可重用性更好，并且能够直观的显示过程结果。

２．３ＭＵＴＥ系统的结构和接口

ＭＵＴＥ系统的一个最明显的特点就是：在布置的时候，信标节点作为传感器信号的接受者，而移动节点作为传感器信号的提供者。超声波发射传感器阵列应用在移动节点上，移动节点是被定位的对象。信标节点的超声波传感器是被动感应的接收器。之所以这样设计，是考虑到节点的资源受限问题，ＭＵＴＥ系统采用的无线传感器网络具有如下的特点：

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入式使用和布置。

２）低功耗。在大多数情况下网络将一次性布置，无人职守。因此对节点有严格的能源要求。

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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。

４）通信能力受限。受前面几点的要求影响，节点的发射功率和通讯范围都会受到限制。

基于如上的传感器节点组成的网络，节点的节能就是一个直接影响到系统性能的重要参数。ＭＩＴ的Ｃｒｉｃｋｅｔ系统由节点来做不停广播的信标（ｂｅａ００ｎ）是非常耗能的，Ｃｒｉｃｋｅｔ系统的一个非常重要的假设就是不考虑信标（ｂｅａｃｏｎ）节点的功耗问题。

根据以上几点设计需求，将ＭＵＴＥ系统设计为三层结构，如图２．５所示，根据传感器数据的传递过程划分，可分为数据获取、数据传输、数据处理。

图２－５系统三层结构

超声波传感器阵列的设计和制作属于数据获取模块，基于传感器网络操作系统Ｔ＇ｍｙＯＳ的组件程序开发数据传输协议，然后经传感器网络传播的数据至Ｕ达监测中心或者移动机器人，由他们强大的处理能力计算后如有必要在前台直观显示。

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图２－６系统各层接口

系统接口如图２－６所示。超声波传感器模块作为数据获取模块具有一定程度的独立性，它独立开发并且具有对传感器的操作接口，通过函数调用可以定义传感器的工作规则，这样做的好处是可以根据传感器灵活配置。基于ＴｉｎｙＯＳ开发的传感器网络应用程序以组件的形式提供接口，调用组件的接口可以添加、修改或者实现通信算法组件程序。数据处理层主要以库的形式提供定位算法的封装，调用相关函数可以实现类似Ｍａｔｌａｂ函数的计算效果。数据处理一般在运算速度比较快的处理器上运行。最后一层是图形显示层，通过这一层的接口函

尹数调用可以以图形的方式观察计算过程以及定位效果。

２．４主要的电子元件、硬件工具和设备

本节根据系统各层模型简单介绍各层模块实现所需要的相关电子元件、硬件工具和设备。

数据获取层，这一层主要实现模块是超声波定位传感器阵列。其硬件设计与实现主要所用到：超声波传感器元件、ＤＣ．ＤＣ直流稳压芯片、ＡＶＲ单片机、ＩＳＰ程序下载线。

数据传输层，这一层的主要实现是ＭＩＣＡｚ节点，它是ｃｒｏｓｓｂｏｗ公司提供的传感器网络研究硬件实验平台。在网站上有相关的设计和介绍资料，其设

计实现主要用到：各神传感器元｛牛、ＣＣ２４２０无线射频芯片、ＡＶＲ单片机。使用

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ｍｉｂＳｌ０程序下载器可以将在计算机上生成的ｈｅｘ文件下载到ＭＩＣＡｚ节点．

●数据处理层，这一层主要在计算机上实现，主要为软件开发。

２．５主要的软件协议与开发工具

本节根据系统各层模型简单介绍各层模块实现所需要的相关软件协议与开发工具。

数据获取层，这一层主要实现模块是超声波定位传感器阵列。其软件设计与实现主要所用到：ＷｉｎＡＶＲ开源软件、ＳＴＫＳ００程序通信协议、ＡＶＲＳｔｕｄｉｏ集成化开发调试工具。

●数据传输层，这一层的主要实现是运行于ＭＩＣＡｚ节点上的ＴｉｎｙＯＳ嵌入式操作系统，它是由美国伯克利大学的研究成果，是传感器网络节点研究的软件平台。在官方网站上有相关的设计和介绍资料，其设计实现主要有：＂ＦｍｙＯＳ系统、ｎｅｓＣ语言、ｎｃｃ编译器。。

●数据处理层，这一层主要在计算机上实现，借助计算机强大的处理能力和丰富的软件开发工具辅助计算，主要用到Ｍａｔｌａｂ、ＶｉｓｕａｌＳｔｕｄｉｏｃ带。２．６本章小结

本章首先对ＭＵＴＥ室内定位系统的相关支撑技术作了介绍，包括无线传感器网络的由来、ＩＥＥＥＳ０２．１５．４标准、Ｚｉｇｂｅｅ技术的特点与Ｚｉｇｂｅｅ联盟、面向传感器网络操作系统ＴｍｙＯＳ及其硬件实验平台ＭＩＣＡｚ等。其中概括性的叙述了各种技术的功能和作用。

其次，描述了ＭＵＴＥ室内定位系统的体系结构和无线数据传输网络平台的各个功能模块，包括网络拓扑结构的特点和功能、系统应用方式、定位方法、节点的功能定义、系统设计层次、接口等。

最后，对系统中的电子元件、辅助设备、软硬件开发工具、以及软件协议进行了介绍。

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第３章无线传感器网络环境下定位超声波传感器作为系统的数据获取部分，超声波传感器阵列处于系统的底层，主要功能是完成数据的收集，并且保证经过初步的过滤后传给无线节点的是正常范围内的测量距离值。

３．１超声波定位传感器设计面临的问题

室外定位，全球卫星定位系统（ｏｒｓ）已经非常有名。ＧＰＳ基于ＴＯＡ（Ｔｉｍｅｏｆａｎｉｖａｌ）原理，因为信号容易受到房屋的屏蔽，并不适合在室内使用。在室内，美国麻省理工大学（ＭｒＤ基于无线传感器网络开发的Ｃｒｉｃｋｅｔ系统引起了许多研究者的关注，它基于ＴＤＯＡ（Ｔｍａｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆａｒｒｉｖａｌ）根据测量距离计算位置的原理。ＭＵＴＥ系统的实现原理基于ＴＯＡ，但是引入了无线传感器网络的概念后与ＧＰＳ系统有所区别，使用了超声波传感器辅助测量距离可以获得更高的精度

【３０１。针对传感器节点能量受限的特点，在参考Ｃｒｉｃｋｅｔ系统基础上在结构上做了改进优化，更多的体现了对资源受限情况下无线传感器网络应用的理解。

无线传感器节点作为传感器网络的重要组成部分，应该具有一些特点。在ＭＵＴＥ系统中将传感器节点所需要具有的特点定义如下：微型化、低功耗、节点计算能力有限、通信距离受限、被动触发。

’根据以上几点设计原则，在实验室已有ＭＩＣＡｚ节点实验平台的基础上设计了低成本，高精度的室内超声波定位传感器节点，作为ＭＵＴＥ系统的硬件平台。如图３．１所示，Ｃｒｉｃｋｅｔ的设计将节点分为信标节点和接收节点，各载有２个超声波传感器。信标节点上的是发射传感器，接收节点上的是接收传感器。

图３－Ｉｃｒｉｃｋｅｔ的信标（ｂｅａｃｏｎ）与接收（１ｉｓｔｅｎｅｒ）

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作为对比，ＭＵＴＥ的传感器节点设计如图３．２所示，超声波定位传感器节点分为信标节点和移动节点。信标节点的作用正好与Ｃｒｉｃｋｅｔ的信标节点相反，本节点上装载的是超声波接收传感器。移动节点作为被定位的对象上面装载超声波发射传感器。这样设计使得ＭＵＴＥ系统符合上述对传感器节点的定义，更具体的问题在本节后面描述，包括：低功耗设计，信号延迟，定位精度，规模，信标节点与ｓｉｎｋ节点几个问题。

图３－２Ｍｕｔｅ的信标（ｂｅａｃｏｎｎｏｄｅ）与移动（ｍｏｂｉｌｅｎｏｄｅ）

信标节点使用方式如图３．３所示。在每个房间的天花扳上布置信标节点，有信标节点收集移动节点所释放的传感器信息，加以初步分析后传递给连接ｓｉｎｋ节点的计算机计算。

图３．３超声波定位信标节点使用示意图

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/oeu1.html