专利名称：一种基于频率差的无线传感器网络测距的方法
技术领域：
本发明涉及一种无线传感器网络测距的方法，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)是由大量靠无线和多跳方式通信的智能传感器节点构成，这些节点一般被密集布设在特定的没有固定基础设施的监控区域。由于传感器节点在布设时采取随机投放的方式，网络中大多数节点位置不能事先确定。但对于很多应用，没有位置信息的监测消息是毫无意义的。因此，在传感器网络中，传感器节点的精确定位是各种应用的前提，同时也是目标追踪、辅助路由等技术的重要基础。
根据定位过程中是否测量节点间的实际距离，现有的定位方法可分为基于测距的定位算法(Range-Based)和无需测距的定位算法(Range-Free)，前者需要测量相邻节点间的绝对距离或方位，并利用节点间的估计距离计算节点位置，后者无需实际测量，而是利用节点间的估计距离计算节点位置。
基于到达时间(TOA)和基于到达角度的算法是比较具有代表性的测距算法。测量到达未知节点时的角度或者时间进而计算出相应的距离。但是这些定位方法易受外界环境影响，并且对网络的时间同步有着严格的时间同步，需要额外硬件，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
为克服现有无线传感器网络测距技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种不受外界环境影响、适用于大规模传感器网络的基于频率差的无线传感器网络测距的方法。
本发明的基于频率差的无线传感器网络测距的方法，首先定义信标节点和待测节点两种节点，信标节点是已知自己的位置信息并能够发送既定调频函数调频波的节点，信标节点之间时间要求同步；待测节点是位置信息未知、需要定位的节点，在待测节点处能够解调出调频波的调制信号，信标节点和待测节点间不要求时钟同步；具体包括以下步骤 (1)基站通知第一传感器信标节点发送命令让调频发射机S1工作，发射基站指定的调频函数的调频波； (2)待测节点S记录信号到达时间，解调出调制信号后，求出调制信号到达时的值f1； (3)第二传感器信标节点在调频发射机S1开始工作延迟时间T后发送命令让调频发射机S2工作，发射同步骤(1)中相同的调频函数的调频波； (4)待测节点S记录信号到达时间，解调出调制信号后，求出调制信号到达时的值f2； (5)第三传感器信标节点在调频发射机S2开始工作延迟时间T后发送命令让调频发射机S3工作，发射同步骤(1)中相同的调频信号的调频波； (6)待测节点S记录信号到达时间，解调出调制信号后，求出调制信号到达时的值f3； (7)基站通知上述三个传感器信标节点重复上述过程三次，分别求出三次记录的f1、f2或f3的平均值作为f1、f2或f3的最终值； (8)联立上述f1、f2、f3即可解出信标节点到待测节点的距离，进而用三边法完成定位。
所述传感器信标节点由传感器节点、GPS定位模块和调频发射机模块组成，传感器节点和GPS定位模块通过数据线相连接，传感器节点和调频发射机模块通过数据线相连接，调频发射机模块位于传感器信标节点上，用于发射调频波信号。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；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。
所述传感器待测节点由传感器节点和调频接收机模块组成，传感器节点和调频接收机模块通过数据线相连接，调频接收机模块位于传感器待测节点上，用于接收调频波信号。
本发明计算方法简单，计算精度高，使得方法鲁棒性大大提高，不要求传感器网络有时间同步，消除了加性噪声对方法的影响，对信标节点的密度和布置没有特殊要求，对传感器网络节点的硬件要求低，能量消耗小，且容易实现，适用于无线传感器网路。



图1为本发明完成一次定位时的原理示意图。
图2为无线传感器网络的结构示意图。
图3为传感器信标节点的结构示意图。
图4为传感器待测节点的结构示意图。
其中，1、传感器节点，2、调频发射机模块，3、GPS定位模块，4，调频接收机模块，S1、S2、S3为调频发射机，S0为调频接收机，L1、L2、L3分别为调频发射机S1、S2、S3到调频接收机S0的距离，M为传感器信标节点，S为传感器待测节点。

具体实施例方式 图2给出了无线传感器网络的结构，包括传感器信标节点M和传感器待测节点S。所述传感器信标节点的结构如图3所示，由传感器节点1、GPS定位模块3和调频发射机模块2组成，传感器节点1和GPS定位模块3通过数据线相连接，传感器节点1和调频发射机模块2通过数据线相连接；传感器节点1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；GPS定位模块3用于定位信标节点的位置坐标，为现有通用产品；调频发射机模块2位于传感器信标节点上，用于发射调频波信号。所述传感器待测节点的结构如图4所示，由传感器节点和调频接收机模块4组成，传感器节点和调频接收机模块4通过数据线相连接，调频接收机模块4位于传感器待测节点上，用于接收调频波信号。传感器信标节点和传感器待测节点通过无线通信相连接。传感器信标节点的数目应大于等于三个(大于三个可任取三个用作具体方法的实施)，传感器待测节点的数目没有要求。信标节点和待测节点的位置都没有要求。
如图1所示，本发明基于频率差的无线传感器网络测距的方法具体包括以下步骤 (1)基站通知第一传感器信标节点发送命令让调频发射机S1工作，发射基站指定的调频函数的调频波； (2)待测节点S记录信号到达时间，解调出调制信号后，求出调制信号到达时的值f1； (3)第二传感器信标节点在调频发射机S1开始工作延迟时间T后发送命令让调频发射机S2工作，发射同步骤(1)中相同的调频函数的调频波； (4)待测节点S记录信号到达时间，解调出调制信号后，求出调制信号到达时的值f2； (5)第三传感器信标节点在调频发射机S2开始工作延迟时间T后发送命令让调频发射机S3工作，发射同步骤(1)中相同的调频信号的调频波； (6)待测节点S记录信号到达时间，解调出调制信号后，求出调制信号到达时的值f3； (7)基站通知上述三个信标节点重复上述过程三次，分别求出三次记录的f1、f2或f3的平均值作为f1、f2或f3的最终值； (8)联立上述f1、f2、f3即可解出信标节点到待测节点的距离，进而用三边法完成定位。
在测距过程中，为了防止不同信标节点发送的调频波在接受节点处发生互调，让信标节点按照一定的时间顺序发送调频波。节点M1、M2、M3为信标节点，S为待测节点。
不失一般性，选取任一信标节点M1，其第一次发送的调频波表达式为
其中Vcm为调频波幅度，wc为载波频率，

为初相位，kf为调频指数，vΩ(τ)为调频函数，且 vΩ(τ)＝kΩτ， 待测节点和信标节点间时钟不同步，则两者间存在一个时间差，不失一般性假设为S节点比信标节点的时钟快Tc。假设在t1时刻，调频波传播到了未知节点S处，在S0处解调出调制信号并将t1带入表达式求出频率值 f1＝kfvΩ(t1)＝kfkΩt1， 其中，t1＝l1/c+Tc，l1为信标节点M1到未知节点S的距离，c为光速。
第二个阶段类似于第一个阶段，让信标节点M2在信标节点M1发送调频波一定时间记为T后发送相同的调频波。

同样在接收端S0处解调出调制信号，并将信号到达时刻t2带入调制信号求得频率值 f2＝kfvΩ(t2)＝kfkΩt2， 其中t2＝l2/c+Tc+T，l2为信标节点M2到节点S的距离，c为光速。
第三个阶段由信标节点M3在信标节点M2发送调频波后延迟时间T后发送调频波其表达式为
类比上阶段，在接收端S0处解调出调制信号，并将信号到达时刻t3带入调制信号求得频率值 f3＝kfvΩ(t3)＝kfkΩt3 其中t3＝l3/c+Tc+2T，l3为信标节点M3到节点S的距离，c为光速。
联立上述式可得 l1-l2＝c(f1-f2+kfkΩT) l1-l3＝c(f1-f3+2kfkΩT) 将各点的坐标带入上述两式可得 式中xi和yi分别为各节点的横纵坐标。
联立上两式就可得出待测节点的坐标，即完成了对待测节点的定位。其中的特殊情况是上述式子解出两个解来，这种情况下需要选择另外的信标节点进行重新的计算，但是出现这种情况的概率是微乎其微的。
本发明的方法具有以下特点 1.不要求传感器网络有时间同步，并且消除了加性噪声对方法的影响，并且对信标节点的密度和布置没有特殊要求。
2.对传感器网络节点的硬件要求低，能量消耗小，且容易实现，适用于无线传感器网路。
3.计算方法简单，计算精度高。
4.采用了多次测量求均值的方法，使得方法鲁棒性大大提高。
权利要求
1.一种基于频率差的无线传感器网络测距的方法，首先定义信标节点和待测节点两种节点，信标节点是已知自己的位置信息并能够发送既定调频函数调频波的节点，信标节点之间时间要求同步；待测节点是位置信息未知、需要定位的节点，在待测节点处能够解调出调频波的调制信号；其特征是具体包括以下步骤
(1)基站通知第一传感器信标节点发送命令让调频发射机S1工作，发射基站指定的调频函数的调频波；
(2)待测节点S记录信号到达时间，解调出调制信号后，求出调制信号到达时的值f1；
(3)第二传感器信标节点在调频发射机S1开始工作延迟时间T后发送命令让调频发射机S2工作，发射同步骤(1)中相同的调频函数的调频波；
(4)待测节点S记录信号到达时间，解调出调制信号后，求出调制信号到达时的值f2；
(5)第三传感器信标节点在调频发射机S2开始工作延迟时间T后发送命令让调频发射机S3工作，发射同步骤(1)中相同的调频信号的调频波；
(6)待测节点S记录信号到达时间，解调出调制信号后，求出调制信号到达时的值f3；
(7)基站通知上述三个传感器信标节点重复上述过程三次，分别求出三次记录的f1、f2或f3的平均值作为f1、f2或f3的最终值；
(8)联立上述f1、f2、f3即可解出信标节点到待测节点的距离，进而用三边法完成定位。
2.如权利要求1所述的基于频率差的无线传感器网络测距的方法，其特征在于，所述传感器信标节点由传感器节点、GPS定位模块和调频发射机模块组成，传感器节点和GPS定位模块通过数据线相连接，传感器节点和调频发射机模块通过数据线相连接，调频发射机模块位于传感器信标节点上，用于发射调频波信号。
3.如权利要求1所述的基于频率差的无线传感器网络测距的方法，其特征在于，所述传感器待测节点由传感器节点和调频接收机模块组成，传感器节点和调频接收机模块通过数据线相连接，调频接收机模块位于传感器待测节点上，用于接收调频波信号。
全文摘要
本发明公开了一种基于频率差的无线传感器网络测距的方法，步骤为基站通知第一传感器信标节点发送命令让调频发射机S1工作，发射既定调频函数的调频波，待测节点记录信号到达时间，求出调制信号到达时的值f1；第二传感器信标节点在S1开始工作后让调频发射机S2工作，发射既定调频函数的调频波；待测节点记录信号到达时间，求出调制信号到达时的值f2；第三传感器信标节点3在S2开始工作后发送命令让调频发射机S3工作，发射既定调频函数的调频波，待测节点记录信号到达时间，求出调制信号到达时的值f3；求f1、f2和f3的平均值作为最终的值；联立上述f1，f2，f3即可解出锚节点到未知节点的距离。本发明不要求传感器网络有时间同步，消除了加性噪声对方法的影响，对信标节点的密度和布置没有特殊要求，对传感器网络节点的硬件要求低，能量消耗小，且容易实现，适用于无线传感器网路。
文档编号G01S13/12GK101799541SQ20101010187
公开日2010年8月11日 申请日期2010年1月27日 优先权日2010年1月27日
发明者陈涤, 王伟才, 张泓泉, 王洪柱 申请人:山东大学