[发明专利]基于无线传感器网络的超声波立体定位系统时间同步机制

说明书

一种基于无线传感器网络的超声波立体定位时间同步机制，属于无线立体定位技术领域。本发明基于无线传感器网络技术，利用目标节点和参考节点之间的四次握手通信，解决了无线超声波立体定位中的时间同步问题，使得全局网络节点保持相同的时间基准，对目标节点的定位准确性高、实时性强，克服了有线方式超声波立体定位系统的布线复杂以及无线方式中因为网络节点时钟不同步而导致的定位精度差等问题。本发明适用范围广，可扩展性强，可用于解决不同无线立体定位系统中的时间同步问题。

【技术领域】

本发明属于无线立体定位技术领域，特别涉及一种基于超声波定位和无线传感器网络的立体定位系统。

【背景技术】

超声波测距定位是一种非接触式测量技术，并以其测距精度高、指向性强、能量消耗低和对电磁场不敏感等特点在测距定位上得到普遍使用。有线超声波定位系统可由一个目标节点和若干个参考节点组成，在微机指令信号的作用下参考节点通过有线介质向目标节点发射电信号，目标节点在收到电信号后同时向参考节点发射超声波信号，从而根据指令信号与超声波到达的时间差计算出待测距离。最后利用三个或三个以上不在同一直线上的参考节点，通过相关计算法则确定出目标节点的位置。但此种定位方式也存在一定的局限性，有线介质的引入限制了系统的可扩展性，无法应用于不适合布线或布线成本较高的环境。

无线超声波定位技术具有免于布线、不受空间限制和可大规模扩展等优势。无线传感器网络是近年来的研究热点，在生活中各个领域均有广泛应用，用无线替代有线是立体定位技术发展的必然趋势。无线超声波定位系统中，超声波收发节点之间的时间同步是进行精确定位的关键所在。在有线方式下，一个微控制器利用定时器完全可以实现从发射控制到接收中断时间上的严格控制，但无线方式下，目标节点与多个参考节点各有其自身系统时钟，这些本地时钟并不精确同步，总是存在一定的时间误差，因而不能直接根据时间间隔来计算，必须对测量数据进行综合补偿，对时钟差异适当修正。时间同步问题成为基于无线传感器网络的超声波立体定位系统中一道必须突破的难关。

本发明将超声波精确定位的优势与无线传感器网络相结合，为立体定位技术提供一个协同定位的新思路，并提出一种简单可靠的时间同步机制，解决基于无线传感器网络的超声波立体定位系统中普遍存在的节点时钟不同步问题。

【发明内容】

本发明的目的是为了解决基于无线传感器网络的超声波立体定位系统中普遍存在的节点时钟不同步的问题，提出一种简单可靠的时间同步机制。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

目标节点1分别和参考节点2、3、4、5进行共四次握手通信，通过计算消除固有时间误差，统一全局时间基准，精确测距。并利用改进的质心法算法实现目标定位，定位精度可达1cm。

其硬件构成按功能不同可以分为目标节点1，参考节点2、3、4、5，遥控器节点6和基站节点7。其中目标节点1是待测节点，由射频模块、超声波模块、控制器模块、电机驱动模块和电源模块五部分组成，可以接受遥控器节点6的指令而做出左转、右转、前进、停止等动作。参考节点2、3、4、5的位置信息是已知的，目标节点1的位置信息将根据其和参考节点的距离计算得到。遥控器节点6负责发出遥控指令，指挥目标节点1做出相应的动作。参考节点2、3、4、5和遥控器节点6均由射频模块、超声波模块、控制器模块和电源模块四部分组成。基站节点7由射频模块、液晶显示模块、控制器模块、串口模块和电源模块五部分组成，负责收集网络节点信息和对整个网络进行控制。目标节点1，参考节点2、3、4、5，遥控器节点6采用无线自组织方式构成一个无线传感器网络，新的参考节点可以动态加入到网络中，无效的参考节点也可以及时退出网络，从而具有很强的可维护性和可扩展性。