[發(fā)明專利]用于位移測(cè)量的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及測(cè)試方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310074665.2
• 申請(qǐng)日: 2013-03-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103115596A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-05-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊裔;鄧毓博;李彩虹;李廉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 蘭州大學(xué)
• 主分類號(hào): G01B21/02
• 分類號(hào): G01B21/02;H04W84/18
• 代理公司: 北京中恒高博知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11249
• 代理人: 劉洪京

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及傳感器領(lǐng)域，具體地，涉及一種用于位移測(cè)量的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及其測(cè)試方法。

背景技術(shù)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless?Sensor?Network，WSN）的出現(xiàn)，改變了人類與大自然的交互方法，開(kāi)啟了無(wú)線傳感器廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用空間。現(xiàn)存無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)主要集成溫度傳感器、濕度傳感器、氣體含量傳感器等一些常規(guī)傳感器，它們一般功能簡(jiǎn)單，只是單純采集環(huán)境中的簡(jiǎn)單信息，不具有采集和處理多元信息的功能。

目前，眾多節(jié)點(diǎn)定位算法可用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。這些算法的思路大致相同：首先，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中部署一定比例的特殊節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)裝備有?GPS?接收機(jī)或可以通過(guò)其它特定方式獲取自身的地理坐標(biāo)，稱為參考節(jié)點(diǎn)(Reference?Point)或錨節(jié)點(diǎn)；其它的節(jié)點(diǎn)稱為普通節(jié)點(diǎn)或未知節(jié)點(diǎn)(Unknown?Node)，這些節(jié)點(diǎn)測(cè)量與參考節(jié)點(diǎn)的距離、角度、相對(duì)位置關(guān)系或網(wǎng)絡(luò)連通性等信息，然后通過(guò)一定的計(jì)算，從而得出自身的坐標(biāo)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)定位算法通常可以分為距離測(cè)量、坐標(biāo)計(jì)算以及可選的循環(huán)求精三個(gè)階段。在上述過(guò)程中，普通節(jié)點(diǎn)通過(guò)測(cè)量與參考節(jié)點(diǎn)的距離或方位角度進(jìn)行定位的方法稱為基于測(cè)距(range-based)的定位算法；而不通過(guò)測(cè)量距離，僅依據(jù)節(jié)點(diǎn)間的相對(duì)位置關(guān)系或網(wǎng)絡(luò)連通性來(lái)進(jìn)行定位的方法稱為無(wú)需測(cè)距(range-free)的定位算法。

現(xiàn)存算法嚴(yán)重依賴于無(wú)線信號(hào)，眾所周知，無(wú)線電波受環(huán)境的影響很大，尤其是在惡劣環(huán)境中信號(hào)的穩(wěn)定性受到嚴(yán)重的考驗(yàn)，因此借用無(wú)線信號(hào)的節(jié)點(diǎn)定位算法一般精度都很低，大約在幾十米到幾百米。而現(xiàn)存利用無(wú)線信號(hào)計(jì)算位移的算法對(duì)小范圍位移的計(jì)算仍然束手無(wú)策，該發(fā)明可以填補(bǔ)這片空白。傳統(tǒng)的GPS系統(tǒng)雖然精度較高，但是存在嚴(yán)重的零點(diǎn)漂移現(xiàn)象。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于，針對(duì)上述問(wèn)題，提出一種用于位移測(cè)量的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及其測(cè)試方法，以實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量節(jié)點(diǎn)位移的優(yōu)點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種用于位移測(cè)量的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，包括處理器模塊、通信模塊、電源模塊和傳感器模塊，所述通信模塊傳和感器模塊均電連接在處理器模塊上，所述電源模塊分別為處理器模塊、通信模塊和傳感器模塊提供電源，所述傳感器模塊包括加速度傳感器、方向傳感器、地磁傳感器和GPS模塊。

進(jìn)一步的，所述電源模塊采用小型電池。

進(jìn)一步的，所述傳感器模塊和處理器模塊間串聯(lián)放大電路，所述放大電路：包括運(yùn)放器A1和運(yùn)放器A2，所述運(yùn)放器A1的反相輸入端串聯(lián)電阻R1，電阻R3和電容C2并聯(lián)在運(yùn)放器A1的輸出端和反相輸入端之間，所述運(yùn)放器A1的同相輸入端和地間串聯(lián)電阻R2，所述運(yùn)放器A2的反相輸入端串聯(lián)電阻R5，電阻R7和電容C3并聯(lián)在運(yùn)放器A2的輸出端和反相輸入端之間，所述運(yùn)放器A2的同相輸入端和地間串聯(lián)電阻R6，所述運(yùn)放器A1的輸出端和運(yùn)放器A2的反相輸入端之間串聯(lián)電阻R4。?

同時(shí)本發(fā)明的技術(shù)方案公開(kāi)一種根據(jù)用于位移測(cè)量的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的測(cè)試方法，包括以下步驟：

將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)放置在流體上，下文無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)稱為節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)上的速度傳感器采集節(jié)點(diǎn)自身運(yùn)動(dòng)的加速度，方向傳感器會(huì)采集節(jié)點(diǎn)的方向角度，利用節(jié)點(diǎn)的加速度數(shù)據(jù)和方向角度，通過(guò)積分運(yùn)算計(jì)算得到節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)位移，并通過(guò)位移自校準(zhǔn)方法、線位移校準(zhǔn)機(jī)制和角位移校準(zhǔn)機(jī)制對(duì)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)位移進(jìn)行校準(zhǔn)。

其中，所述流體為泥石流或流沙。

所述通過(guò)積分運(yùn)算計(jì)算得到節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)位移中的積分運(yùn)算具體如下：由加速度傳感器獲取線加速度值，分別是相對(duì)節(jié)點(diǎn)界面m、n、l三個(gè)方向的加速度數(shù)值記為：、????????????????????????????????????????????????、，由方向傳感器獲取節(jié)點(diǎn)姿態(tài)，可以得到節(jié)點(diǎn)界面x、y、z三個(gè)方向與地面空間坐標(biāo)系之間的夾角數(shù)值，分別記為、、，

將線加速度數(shù)值投影到地面空間坐標(biāo)系中分別計(jì)算，地面空間坐標(biāo)系中的加速度值記為、、，則：

位移計(jì)算：三個(gè)方向上的位移記為、、，

則位移計(jì)算如下：????????

上述計(jì)算公式中起始速度，?為傳感器采樣時(shí)間，為時(shí)間點(diǎn)的傳感器移動(dòng)速度。

采用是大約設(shè)置為采樣間隔60ms，這個(gè)時(shí)間間隔可由處理器獲取。

位移在計(jì)算的時(shí)候采用累加方式計(jì)算，即通過(guò)積分的方式得到長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)的位移數(shù)值，如公式所示：