[发明专利]基于无线传感网络和超声波的室内定位系统及定位方法

权利要求书

1.一种基于无线传感网络和超声波的室内定位系统，由无线传感网络节点相互配合构成，无线传感网络节点采用可充电的锂电池供电，包括微处理器、超声波接收器、超声波发射器、wifi模块以及RF模块，其特征在于：所述的微处理器通过SPI总线连接控制RF模块处理时间同步信号，其还通过串口通讯连接有用于传输数据的wifi模块，所述的超声波接收器接收到的信号经过滤波放大电路中的二阶多反馈带通滤波器滤出超声波频率以外的干扰后，传输给微处理器进行ADC采样，所述的微处理器通过DAC功能产生正弦信号经放大电路传输给超声波发生器，所述的微处理器频率为72Mhz，硬件上没有外扩RAM，片内RAM大小为32KB；所采用的滤波放大电路中采用FIR低通滤波器，带通边缘频率w_p取0.0628，阻带起始频率w_s取0.1571，所述的RF模块中断向量优先级配置为最高，接收时间同步信号后会马上传输给微处理器一个中断信号通知微处理器时间同步信号到达，进入中断服务程序，并立即开启ADC采样，ADC采样的数据通过DMA通道传给内存，当DMA传输完所有的采样数据，会产生一个DMA中断信号，在DMA中断服务程序中，完成数字锁相放大运算。

2.一种基于无线传感网络和超声波的室内定位方法，其特征在于：

A、首先进行时间同步管理，在固定区域内设置基于RF模块的时间同步节点，来管理区域内的由无线传感网络节点构成的锚节点和目标定位节点，当定位目标节点进入该区域内，开启该区域内的时间同步节点，时间同步节点也定时向区域内广播同步信号进行时间同步；

B、时间同步的状态下，定位目标节点开始发射超声波信号，区域内的锚节点同时开始采集超声波接收传感器的信号，采用数字锁相放大技术利用包络法检测超声波信号，

C、通过包络法检测超声波信号即可测得超声波的飞行时间t_tof由公式10、公式11可求出，式中，n_max是中最大值所对应的序号，n_x是通过最大值和上下相邻包络幅度值，通过抛物线插值法求得的系数因子；

D、测出超声波飞行时间以后，即可根据声音的传播速度计算出锚节点到目标节点的距离，(x_i,y_i,z_i)是第i个锚节点的3维坐标，则可以得到如下公式，其中k是锚节点的个数，(x,y,z)是定位目标的坐标，

公式中从第二个式子开始，左右两边分别减去第一个式子的两边，并整理为矩阵和向量的表达式如以下方程所示；

其中各个向量、矩阵如下所示：

对于公式12中的求解，采用线性最小二乘法，如下式所示：

3.根据权利要求2所述的基于无线传感网络和超声波的室内定位方法，其特征在于：采用数字锁相放大技术利用包络法检测超声波信号，在考虑到白噪声的影响下，超声波信号的表达式为如公式3，式中u(t)表示白噪声；

x_s(t)＝s(t)+u(t) (3)

对x_s(t)进行采样，得到公式(4)所示离散信号x(n)，式中T是采样周期，它满足奈奎斯特采样准则；

r_hx(m)定义为h(n)和x(n)的相关函数，如下式所示，式中M表示h(n)序列的总长度，r_hs(m)和r_hu(m)分别表示h(n)与s(nT)和u(nT)的互相关，s(nT)、u(nT)表示为s(n)、u(n)；

因为u(n)是随机序列的，h(n)是固定的序列，它们之间无相关性；

数字锁相放大首先将输入信号与一组正交的参考信号相乘，将需要检测的包络信号的频谱搬移到直流附近，如公式(6)和公式(7)所示，其中w_c＝4πf_cT；

当x_i(n)和x_q(n)经过数字低通窄带滤波器时，滤波器的单位冲击响应为h(n)，则滤波器的输出和如式(8)和(9)所示，其中M是滤波器的长度；

将公式(6)和(7)代入(8)和(9)，根据公式(5)，当M大于一定数的时候，公式(6)和(7)中的第三项将可以忽略，由于h(n)是低通滤波器，第二项也会被滤出，故而得到和

和经过一定的运算即可得到A(nT)的检测值序列就是待检测的包络序列；。