基于无线传感器网络分布式枪声定位系统及方法与流程

本发明涉及枪声定位技术，具体涉及一种基于无线传感器网络分布式枪声定位系统及方法。

背景技术：

随着狙击步枪射程、精度、威力的提高，加上狙击手的训练有素，在现代战争中，狙击手的威胁日益增加。枪声定位系统的出现在一定程度上缓解了狙击手的威胁，大大提高了战场作战人员的安全系数。

目前的枪声定位系统从检测装置的配置地域而言，可以分为集中式探测和分布式探测。大部分探测系统都是基于集中式声测，在减少声音的多径效应和扩大探测区域方面具有较大的局限性。无线传感器网络技术的出现，为解决分布式枪声探测问题开辟了一条新的途径。无线传感器网络具有隐蔽性好、体积小、成本低、生存能力强等特性，在环境复杂的战场中能够准确的获取关键信息，并实时将战场信息传递给指挥中心。将该技术用于枪声定位系统具有较大的优势。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于无线传感器网络分布式枪声定位系统及方法，解决现今枪声定位系统单点检测口径小、检测精度低等问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于无线传感器网络分布式枪声定位系统，整个定位系统由多个传感器节点组成并采用双簇头分层拓扑结构，传感器节点之间通过无线方式进行数据传输，主簇头在获取节点检测信息的基础上完成数据融合并实现网络内部的信息共享，副簇头只在主簇头失效的情况下担负网络簇头的工作，否则只接受节点信息而不作应答；

所述传感器节点包括声信号传感模块、逻辑控制模块、gps定位模块、无线通信模块、显示模块和供电模块；声信号传感模块用于对枪声信号的采集、放大和滤波；逻辑控制模块用于节点的工作流程控制、数据采集和数据融合；gps定位模块用于为传感器节点提供当前的位置信息；无线通信模块用于节点之间的数据交换，实现网络内的信息共享；显示模块用于显示无线传感器网络的数据融合结果；供电模块为各模块提供稳定电源。

一种基于无线传感器网络分布式枪声定位方法，包括以下步骤：

1)在网络开启时，在所有节点中指定主副簇头，并由主簇头广播命令包开启所有节点同步采集工作；

2)节点检测到枪声信号后，完成定位工作，并采用deana传输机制向主副簇头发送检测结果；deana传输机制为每个节点分配独立的用于数据收发的传输时隙，传输时隙由控制时隙与数据传输时隙组成，控制时隙用来通知节点是否有数据需要收发，如果有数据需要收发，则在数据传输时隙内完成数据收发工作；如果没有，则跳过该时隙；

3)主簇头对接受到的节点检测信息进行数据融合并连续广播，从而唤醒所有节点来接受数据融合结果，副簇头只在主簇头失效的情况下担负网络簇头的工作，否则只接受节点信息而不作应答。

与现有技术相步，本发明的显著优点为:(1)本发明利用无线传感器网络的数据通信能力，实现多节点协同工作，并通过数据融合的方式提高系统的监测范围和检测精度；(2)本发明采用双簇头分层拓扑结构，一旦主簇头失效，副簇头可以及时接管整个网络的工作，有效的解决了簇头直接失效的问题，故而网络具有较强的容错能力和健壮性；(3)本发明采用deana传输机制来避免节点通信冲突问题，从而保障数据传输的实时性。

附图说明

图1为本发明基于无线传感器网络分布式枪声定位系统的网络结构示意图。

图2为本发明基于无线传感器网络分布式枪声定位系统节点的结构框架图。

图3为本发明基于无线传感器网络分布式枪声定位方法流程图。

图4为本发明基于无线传感器网络分布式枪声定位系统的deana传输机制的时间帧分配图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于无线传感器网络分布式枪声定位系统，整个定位系统由多个传感器节点组成并采用双簇头分层拓扑结构，传感器节点之间通过无线方式进行数据传输，主簇头在获取节点检测信息的基础上完成数据融合并实现网络内部的信息共享，副簇头只在主簇头失效的情况下担负起网络簇头的工作，否则只接受节点信息而不作应答。如图2所示，传感器节点主要完成声信号采集与分析、无线通信以及监测结果等工作，包括声信号传感模块、逻辑控制模块、gps定位模块、无线通信模块、显示模块和供电模块。

所述声信号传感模块用于对枪声信号的采集、放大和滤波；所述逻辑控制模块用于节点的工作流程控制、数据采集、数据融合和无线通信管理；所述gps定位模块用于为传感器节点提供当前的位置信息；所述无线通信模块用于节点之间的数据交换，从而实现网络内的信息共享；所述显示模块用于显示无线传感器网络的数据融合结果；所述供电模块为各模块提供稳定电源。

进一步的，所述声信号传感模块主要由麦克风阵列、放大电路、滤波电路组成。麦克风阵列作为敏感单元来感知空间中的声信号；由于麦克风阵列检测到的声信号较为微弱，需要经过放大电路进一步处理；实际采集到的声信号会携带环境干扰噪声，由滤波电路对声信号进行滤波，从复杂的干扰信号中提取出枪声信号，剔除噪声干扰。

进一步的，所述逻辑控制模块主要由a/d转换器、fpga处理器组成。a/d转换器将经过放大和滤波后的模拟电压信号转化为数字电平信号，发送给fpga进行处理。由fpga负责对信号的端点检测、几何定位及数据融合，并将定位结果通过无线通信模块发送出去。

进一步的，所述gps定位模块通过串口的方式与fpga处理器相连，为传感器节点提供经纬度位置信息。在检测到枪声信号后，传感器节点将当前位置信息加入到数据包中并发送给簇头。

进一步的，所述无线通信模块采用cc2630无线射频芯片，是新一代双arm核-32位cpu芯片，可以组成更大、更稳定的网络，且支持更大容量的数据包传输。

进一步的，所述显示模块采用oled液晶屏，分辨率为128*64，工作温度范围在-40℃-70℃，用于显示无线传感器网络的数据融合结果。

进一步的，所述供电模块包括2节18650型电池组，为各模块提供稳定电源。

如图3所示，本发明还提供一种基于无线传感器网络分布式枪声定位方法，其包括：

1)在网络开启时，由人为的在所有节点中指定主副簇头，并由主簇头广播命令包开启所有节点同步采集工作；

2)节点检测到枪声信号后，立即完成定位工作，并采用deana传输机制向主副簇头发送检测结果。如图4所示，deana传输机制为每个节点分配独立的用于数据收发的传输时隙，传输时隙由控制时隙与数据传输时隙组成，控制时隙用来通知节点是否有数据需要收发，如果有数据需要收发，则在数据传输时隙内完成数据收发工作；如果没有，则跳过该时隙，从而减少数据的碰撞，且更能降低功耗。

3)主簇头对接受到的节点检测信息进行数据融合并连续广播，从而唤醒所有节点来接受数据融合结果，副簇头只在主簇头失效的情况下担负起网络簇头的工作，否则只接受节点信息而不作应答。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种基于无线传感器网络分布式枪声定位系统及方法，该系统网络由多个传感器节点组成并采用双簇头分层拓扑结构；传感器节点主要完成声信号采集与分析、无线通信、数据融合及监测结果等工作，包括声信号传感模块、逻辑控制模块、GPS定位模块、无线通信模块、显示模块和供电模块；传感器节点之间通过无线方式进行数据传输，主簇头在获取节点检测信息的基础上完成数据融合并实现网络内部的信息共享，副簇头只在主簇头直接失效的情况下接管整个网络工作。本发明利用无线传感器网络的数据通信能力，实现多节点协同工作，并通过数据融合的方式提高系统的监测范围和定位精度。

技术研发人员：吴键;姜涛;李泽昀;赵胜
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：2019.05.06
技术公布日：2019.09.06