无线传感器网络中的TOA测距方法研究.pdf

第 3期 2 0 1 2年 3月 工矿 自 动化 I n dus t r y a nd M i ne Au t o mat i o n NO ． 3 M a r ． 2 O l 2 ‘ l 1 一◆- ●, ll I i ●I r ●,l l● i实验研 究 ⋯ ◆◆ 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 2 0 3 --0 0 3 1 --0 4 DOI CNKI 3 2 1 6 2 7 ／ TP． 2 0 1 2 0 3 0 7 ． 1 6 5 2 ． 0 1 1 无线传感器网络中的 T O A 测距方法研究 刘世 森 ， 汤朝 明 ， 吴畏 中煤 科工 集 团重庆 研究 院 ， 重 庆4 0 0 0 3 7 摘要 介绍 了目前常用的无线传感 器网络测距方法， 对 TOA测距方法进行 了详 细的误差分析 ， 并提 出 采用 s D s T wR方法来降低 T OA方法测距误差的方案 。实验 结果表 明， s D S T wR方法能有效降低 晶 体振 荡器频 率漂 移所 带来 的测距 误 差 ， 提 高 T OA 测距 方 法 的测距精 度 。 关键 词 无 线传感 器 网络 ；测 距方 法 ；测距 精度 ；T OA；S DS T w R；频 率漂 移 中 图分类 号 TD 6 5 5 ． 3 文 献标 识码 A 网络 出版 时间 2 0 1 2 0 3 0 7 1 6 5 2 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 2 0 3 0 7 ． 1 6 5 2 ． 0 1 1 ． h t ml Re s e a r c h o f TOA Ra n g i ng M e t h o d i n W i r e l e s s S e n s o r Ne t wo r k I I U Shi ～ s e n， TANG Cha o m i ng， W U W e i Ch o n g q i n g Re s e a r c h I n s t i t u t e o f CCTEG． ，Ch o n g q i n g 4 0 0 0 3 7 ，Ch i n a Abs t r a c t The pa p e r i n t r od uc e d s e v e r al r a ng i ng m e t ho ds c ommon l y us e d i n wi r e l e s s s e ns o r n e t wo r k， di d e r r o r a na l y s i s of TOA r a n gi n g m e t ho d s pe c i f i c a l l y，a nd p r op o s e d a s c he me o f us i n g SDS - TW R m e t ho d t o r e d u c e r a n g i n g e r r o r o f TOA ．Th e e x p e r i me n t a l r e s u l t s h o we d t h a t S DS - TW R me t h o d c a n e f f e c t i v e l y r e du c e r a ng i ng e r r or c a us e d b y f r e q u e nc y d r i f t of c r y s t a l os c i l l a t o r a nd i mpr o ve r a n gi ng a c c ur a c y o f TOA ． Ke y wo r d s wi r e l e s s s e ns or ne t wor k，r a n gi n g me t ho d，r a n gi n g a c c u r a c y，TOA ，SDS - TW R，f r e q ue nc y dr i f t 0 引 言 在无线传感器 网路中， 节点的位置信息对传感 器 网络 应用 具 有 重 要 的 意义 l 1 ] 。一 般 而 言 ， 无 线 传 感 器 网络 的定位 技术 分 为基 于距 离 的定 位 和不基 于 距 离 的定位 。在 基 于 距 离 的定 位 技 术 中 ， 测 距 信 息 的准确度直接影响定位 的准确度 ， 而测距信息 的准 确度 与 距离测 量 方式 有直 接关 系l 2 ] 。本文 分 析 了 目 前无线传感器网络中常用 的几种测距方法的原理及 其适 用 范 围 ， 对 T 0A Ti me o f Ar r i v a l ， 到达 时 间 测距 方 法进行 了详 细 的误 差 分 析 ， 并 采 用 了对 称 双 边 双 路 测 量 S y mme t r i c a l D o u b l e S i d e d Two Wa y R a n g i n g ， S D S T wR 方法 来 降低 T OA 方 法 的测 距 误差 。 1 无线传 感器 网络 中 的测距 方法 常用 的无线 传感 器 网络测距 方法 有超声 波测 距 法 、 接 收 信 号 强 度 Re c e i v e d S i g n a l S t r e n g t h I n d i c a t o r ， R S S I 测 距 法 、 到 达 时 间 差 T i me Di f f e r e n c e o f Ar r i v a l ， TDoA测 距 法 和 到达 时 间 测 距法 等 。 1 ． 1 RS S I 测 显 巨法 RS S I 是最 常用 的测 距 方 法 。已知 发 送 节 点 的 发 送信 号强 度 ， 接 收节 点 接 收 到信 号 后 测量 其 信 号 强度， 并计算传播过程中的损耗 ， 使用已知的信号传 播衰减模 型[ 3 将传播损耗转换为两节点间的距离 。 信号传播衰减模型为 收稿 日期 2 0 l 1 ～1 2 2 7 基金项 目 中煤科工集团重庆研究院 2 0 1 1 年 自立项 目 c Q1 1 0 1 作者简介 刘世森 1 9 8 3 一 ， 男 ， 湖北麻城 人， 硕士研究 生， 研究方 向为测控技术与仪器仪表开发。E ma i l t i a n 8 9 3 5 0 4 5 1 2 6 ． c o rn 3 2 工矿 自动化 2 O l 2年 3月 P 一 P 。 一 1 0 nl g 1 0 式 中 d为接 收节点 与发 送节 点 之 间的距 离 ； d 。 为参 考节点 与发 送节 点之 间的距 离 ； P 、 P d 。 分 别表 示经过 距离 d、 d 。 后 的路 径损 耗 ； 为 同层 衰 减 指数 ， 表示路径长度和路径损耗之间的比例因子 。 由于发送节点具备通信能力 ， 因此 R S S I是一 种低 功率 、 低成 本 的 测距 技 术。在理 想 环 境 下， R S S I 表 现 出 良好 的测 距 特 性 ， 但 在 受 限 空 间 范 围 内， 它极易受到障碍物遮挡、 无线信号 的反射 、 温度 变化等因素 的影响， 因此该测距方法难 以应用到实 际 中 ， 通常 被视 为一种 粗糙 的测距 技术 。R S S I 测 距 误差为5 0 ， 只适用于对误差要求不高的场合 。 1 ． 2超 声波 测距 法 超声波测距是一种反射式测距法。测量节点发 射超声波并接收由障碍物反射的回波 ， 计算发射与 接 收超声波 的时间 间隔 △ ， 可推 导 出测 量节 点 到 障 碍物之间的距离为 c a t 2 c为超声波在介质中的传 播速 度 。超 声 波 测 距 法 测 量 精 度 很 高 ， 误 差 只 有 1 0 c m， 但超 声 波受多 径效应 和非 视距 传播 的影 响很 大 ， 同时该 方法 需要 投资额 外 的底层硬 件设 施 ， 成 本 较 高 。 1 ． 3 TDOA 测 显 巨法 T D OA 测距 法 是 指 发 送 节 点 同 时发 送 两 种 不 同的信号 ， 接 收节 点根 据 接 收 到 的两 种 信 号 的 时 间 差及其传播速度计算其与发送节点的距离 。由于射 频信号和超声波信号传播速度不同 ， 因此通常采用 这 两种信 号 。时 间差 △ ￡ 可表 示为 Atd 2 f1 f 2 式 中 C 、 c 。 分别 为超声 波信 号 和射 频信 号 在空 气 中 的传 播 速度 ； d为发 送 节 点 与 接 收 节点 之 间 的 距 离 。 在正常 的温度 和湿 度 条件 下， C ≈ 3 4 4 m／ s ， c 2 ≈3 1 0 m／ s ， 由于 C 2 c 1 ， 则 距 离 d可 近似 表 示 为 ] d C l At 3 TD OA测 距法 的测 距 精度 可 达厘 米 级 ， 但 受 限 于超声波传播距离和非视距对超声波信号传播的影 响 ， 该 方法在 复杂 环境 下精度 很低 。 2 T oA测 距原 理及误 差分 析 2 ． 1 TOA 测 距 原 理 T OA测 距原 理如 图 1 所 示 引。 [] ] t o t l 图 1 TOA 测 距 原 理 T OA测距法根据信号 的传播速度和时间来计 算节 点间 的距离 。假设 两 个 节 点时 间 同 步 ， 发送 节 点 A 在发送 信号 的 同时发送 一个 同步 消息 ， 告 知接 收节点 B信号发送时间为 t 。 ； 节点 B接收信号的同 时接收同步消息 ， 并记录接收信号的时间 t ， 则两节 点 间的距离 Lc t 一t 。 c 为信 号在介 质 中 的传 播 速度 。 2 ． 2 TOA误 差分析 在节 点 A和 节点 B同步条件 下 ， 假设 节点 B的 晶体振荡器输出并经倍频后的精确时钟脉冲频率为 _厂 ， 则其脉冲周期 T一1 ／ f； 设信号传输经过 N 个时 钟周期 ， 则节点 B测得的信号传输时间 t 为 t NT 一 4 】 该值是理想条件下 测得的信号传输 时间。然 而 ， 实际 晶体振 荡器受 温度 变化 、 制造 工艺等 因素 影 响， 输出的时钟脉冲存在频率偏移 ， 即实际时钟脉冲 频率 f 一f - 4 - A f， 其 中 A f是 随时 间变 化 的 随机量 ， 则 实际脉 冲周期 T 为 ． 1 一 若节点 B测得的信号到达时间真实值为 t ， 则 实 际时钟 周期 N 一 t f - t f A f 。在 实 际测 量 中， 假设 节点 B接收到节点 A发送 的无 线信号 时 ， 时钟 脉 冲频 率为标 准值 _厂 ， 则节 点 B实测 的信 号 传 输时 间 t 为 ， 一 N ， T 一 一 ￡ 1 6 1 】 由式 6 可知 ， 晶体振荡器的频率漂移使得节点 B测量的信号传输时间与实际信号传输时间之间存 在 误差 。 3基 于 S D S T WR方法 的测 距误差 消除 方法 本文采用 S D s T wR方法来降低晶体振荡器 频率漂 移 带 来 的 测 距 误 差 。S DS T W R 原 理 如 图 2所 示 。 该 方法包 括 两 次对 称 测 量 。第 一 次测 量 节 点 1 测量从发出数据包到接收确认包的时间 T ； 节点 2在接 收到 节 点 1的数 据 时开 始 计 时 ， 并 在 返 回应 答后停 止计 时 ， 设 节点 2的处 理延 时为 T ； 用 T 减 2 0 1 2年 第 3期 刘世 森等 无 线传 感器 网络 中的 T OA 测距 方 法研 究 3 3 去 丁 2 就是 数 据 包 往 返 的时 间 。第 二 次 测 量 由 节 点 2发 送 数 据 包 ， 节 点 1接 收 并 应 答 ， 设 节 点 2 、 节 点 1 测 得 的时 间分 别 为 T 。 、 T 4 ， 则数 据包 往 返 时 间 为 T。 一T 。 节 点 1 节 点 2 l’--一 数据 包 I ～一 一一 一．． ． 一一- l 应 答 I L 一 - -●_-一一-一● 数据包 包含 ●___一-_一● ● 应 答 -一一 _● 一 _-一 一-_ 一- 一 一一J 图 2 S DSTW R 原 理 设 信号 在 介 质 中 的传 播 速 度 为 C ， 则 两 节 点 之 间的 理论距 离 d为 c堕 7 由于 晶 体 振 荡 器 存 在 频 率 漂 移 ， 假 设 丁 、 T 、 、丁 4的测量 偏 差 分别 为 、 。 、 。 、 ， 则两 节 点之 间 的实 际距 离 d 为 ， ， T 1 一 2 T3 3 一 T4 4 口一 一 一 T1 -- T2 - I - T3 -- T4 c 8 一 4 c 一L J T 、 T 、 由节点 1的晶体振荡器测得 ， 因此 一 ，T 、 由节点 2的晶体振荡器 测得， 因此 一 。 ，则式 8 可化 简为 d ， 一f 二互士 二 9 4 从 式 9 可 看 出 ， S D S TwR方 法 消 除 了 晶体 振 荡 器频 率漂 移所 带来 的测 距误 差 。 4测 距 实验 4 ． 1 实验 准备 采 用英 国 J e n n i e公 司 的 J N5 1 4 8 一E K0 1 0开发 平 台完成 T O A 和 S D S T WR测 距 实验 。J N 5 1 4 8 一 E K0 1 0开发 平 台 中 的 高性 能 射 频 芯 片 收发 器 可 利 用 双 向通信 时 间来 测量 距离 ， 因此可 用于 传统 TOA 和采用 S DS T w R方法 的 TO A 测距 实 验 。 实验 环境 选取 某大 楼 的地下 车库 过道 ， 其特 征 空间狭长 ， 过道两 旁各有 4根 方柱 ， 中间没有遮挡 物 。车库过道平面示意图如图 3所示 。 4 ． 2 实验 描 述 在实验平 台中选择两个 节点 ， 分别作 为定 位节点 A、 信标节点 B 。节点 A通过 串 口和 P C机相连 ， 实 时 上传测量结果。分别采用传统 T O A测距法和采用 S D S TwR方法 的 T OA 测距 法进行 测距 实验 。 由 于走廊 的实际长度有限 ， 测距范围为 5 ～8 0 r n ， 每隔 5 I n进行 一 次测 试 。为 了减 小 测 试 误 差 ， 每 个 点 测 量 1 0次， 去除最大值和最小值后 ， 取平均值作为测 量距 离 。 定位节 点 信标节点 o O 图 3 车库过道平面示意图 4 ． 3 实验 结 果及 分析 实验 结果 如表 1 所 示 。 表 1 测距实验结果 在传统 TOA测距实验 中， 测 量 1 6 0次样本数 据 的平 均误 差 为 4 ． 5 8 IT I ， 最 大误 差 为 5 ． 8 m； 在 采 用 S D S TWR 方 法 的 TO A 测 距 实 验 中 ， 测 量 1 6 0次样本数据的平均误差为 1 ． 5 8 I n ， 最大误差为 2 ． 5 m。 传统 TO A和采用 S DS TWR方法的 T0 A 测 距结 果 与实 际距 离 的关 系 曲线 如 图 4所 示 ， 两 种 方法 测距误 差 百分 比 曲线 如 图 5所示 。 0 7 O 4 3 4 0 1 4 9 2 8 7 3 6 ＆ L c O 0 5 2 O O 8 3 O 5 0 O 4 2 0 。 ； 6 8 3 4 6 0 9 2 3 2 6 5 8 2 7 1 l 0；2 1 1 0 ；2 8 6 9 1 3 8 9 3 1 5 6 8 2 8 9 8 6 8 3 4 6 0 9 2 3 2 6 5 8 2 7 1 “ 盯 跎 8 6 9 1 3 8 9 3 1 5 6 8 2 8 9 8 _ L L H K 引 刚 刚 ∞ 们 ∞ 踮 ∞ ∞ 第 3 期 2 0 1 2 年 3月 工矿 自 动化 I n dus t r y a nd M i n e Aut o ma t i on NO ． 3 Ma r ． 2 O1 2 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 2 0 3 0 O 3 4 一O 4 DO I C NKI 3 2 1 6 2 7 ／ T P ． 2 0 1 2 0 3 0 7 ． 1 6 5 3 ． 0 1 2 基于时差法的超声空化强度测量方法 徐 斐 河海 大学计 算机 与信息 学 院 常州 ，江苏 常州 2 1 3 0 2 2 摘要 针 对 目前 超 声空化 强度测 量方 法存在 的测 量过 程 复杂 、 测 量设备 昂贵等 问题 ， 提 出了一种 基 于 时 差法的超声空化强度测量方法； 介绍 了该方法的测量原理 ， 根据该方法设计 了超 声空化强度测量装置， 并通 过 实验验证 了超声波在液体空化时和未空化时的传播时间差与输入 电功率在一定范围内成正比关系。 关键 词 超 声波 ； 超 声 空化 ；时差 法 ；空化 泡 中 图分 类号 T P 2 0 6 ． 1 文献 标识 码 A 网络 出版 时间 2 0 1 2 0 3 0 7 1 6 5 3 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ ww w． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 O 1 2 0 3 0 7 ． 1 6 5 3 ． 0 l 2 ． h t ml 收稿 日期 2 0 1 1 1 2 3 0 作者简 介 徐斐 1 9 9 1 一 ， 男 ， 江苏常卅 1 人 ， 本科在读， 主要研究方向为检测技术与 自动化装置。E ma i l 4 1 0 5 9 3 9 5 2 q q ． c o m 图 4 l 2 O 1 O 0 8 0 6 0 誉 o 蓐2 0 0 漂移所 带来 的测距 误差 。 5 结 语 介 绍 了基 于 TO A 原理 的测 距 技 术 ， 分 析 了 同 步条件下晶体振荡器频率漂移对 测距准确度的影 响 ， 提 出 了采 用 S DS T WR 方法来 降低 T OA方 法 测距误 差 的方 案 ， 并 通 过 实 验 验 证 了 S D S T wR 方法 能够提 高 T OA 方法 的测距精 度 。 实际 距离 参考文献 两 种方 法测 距结 果与实际距离 的关 系 5 1 0 l 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 6 0 6 5 7 0 7 5 8 0 实 际距离 ／ m 图 5两 种 方 法 测 距 误 差 百分 比 曲线 从 图 4可 以 看 出 ， 采 用 S D S TWR 方 法 的 T OA测距法测距结果 比传统 T0A测距法更接近 实际距离。从 图 5可以看出， 当距离超过 1 0 m后 ， 采用 S D S TWR方 法 的 T OA 测 距 法 误 差 趋 于平 稳 。实验数 据表 明 ， 采 用 S D S T WR 方法 的 T OA 测距法测量精度较高， 能有效降低晶体振荡器频率 方震 ， 赵湛 ， 郭鹏 ， 等． 基于 R S S I 测距分析 [ J ] ． 传感技 术学报 ， 2 0 0 7 ， 2 0 儿 2 5 2 6 2 5 3 0 ． 彭宇 ， 王丹． 无线传感器 网络定位技术综述 [ J ] ． 电子测 量与仪器学报 ， 2 0 1 1 ， 2 5 5 3 8 9 3 9 9 ． 俞建平． 基于无线 传感器 网络的定位 技术研究 与实现 E D ] ． 杭州 杭 州电子科技大学 ， 2 0 1 0 ． 赵海 ， 张宽 ， 朱剑 ， 等． 基 于 TD O A 的超声 波测距 误差 分析与 改 进 [ J ] ． 东 北 大 学 学 报 自然 科 学 版 ， 2 O 1 l 680 2 8 05 ． 王沁 ， 于锋 ， 李 刚． RT WR 一种 基 于时钟 频率 比的 T OA测距新方案[ J ] ． 小 型微 型计 算机 系统， 2 0 1 0 7 1 26 1 - 1 2 66 ． 包建军 ， 霍振龙 ， 徐炜 ， 等． 一种高精度井下人员无线定 位方法E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 0 9 1 0 1 8 2 1 ． 刘平 ， 李 国民． 一种 用于井下 人员定位 的 T OA定位 算 法研究[ J ] ． 西安科技 大学学报 ， 2 0 0 7 3 4 3 9 4 4 2 ． ] ] ] ] ] ] ]