一种基于智能手机的传感器网络节点自定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及节点自定位方法，尤其设及一种基于智能手机的传感器网络节点自定 位方法。
【背景技术】
[0002] 在传感器网络的应用中，节点的位置信息在传感器网络应用的诸多领域扮演者十 分重要的角色，尤其是在GI^应用受限的室内外环境中。通过获取节点的位置信息，不仅可 W建立网络的拓扑结构，进而实现节点的协作，而且对于数据融合和网络管理来说也是至 关重要的。目前对于节点自定位的方法与研究很多，本发明是一种W通用智能手机代替定 制的硬件模块作为传感器节点，仅仅采用声信号，利用MDS算法实现的节点自定位方法，适 用于信标节点有限，而且硬件支持缺乏的情况下。
[0003] 传统的基于距离的自定位方法中，常用的方法主要是根据信标节点与未知节点之 间的距离或者DOA值irectionofArrival,波达方向角）采用S角形测量法或最大似然估 计等方法对未知节点的位置进行估计。在运些方法中，多采用超声波，无线等信号作为测量 信号，传感器节点也常常为专口定制的硬件模块，成本高，移植性不强。不足之处主要有W 下几个方面：（1)超声波和无线信号的应用需要额外的硬件支持，使得其便利性下降；（2) 无线信号传播速度快，对于到达时间测量的精度要求高；(3)需要不同硬件模块之间的时 钟同步，存在无线信号同步到声信号采集中间的时间延迟不确定性。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种W通用智能手机代替定制硬件 模块作为传感器网络节点的节点自定位方法。
[0005] 为了实现上述的目的，本发明采取如下技术方案：一种基于智能手机的传感器网 络节点自定位方法，包括W下步骤：
[0006] (1)将智能手机作为声阵列传感器网络的节点，对声阵列传感器网络进行系统部 署，组建无线局域网；
[0007] (2)选择声阵列传感器网络中的一部智能手机作为控制节点，在其他手机节点的 麦克风打开之后，控制它们依次发送和采样LFM，即多路感知协议过程；
[0008] (3)对采样获得的波形进行检波，抑制多径效应的影响，借助TPSN协议的思想，获 得不同手机节点中声信号的到达时间；
[0009] (4)根据各手机节点的声信号的到达时间获得不同节点间的距离，采用MDS的方 法，对未知节点的位置进行估计。
[0010] 进一步地，所述步骤（1)具体为：选择其中一部手机作为控制节点，通过热点共享 的方式，建立无线局域网，并将其他节点接入该局域网；当接入手机节点的个数超过上限 时，借助无线路由器建立无线局域网，此时，也可从传输数据的便利性出发，将PC接入该局 域网。
[0011] 进一步地，所述步骤（2)具体为：让作为控制节点的手机控制其他手机节点实现 多路感知协议，即在确保其他手机节点的麦克风打开之后，依次通过扬声器发出化-6曲Z 的LFM信号，同时，各手机节点的麦克风对其进行采样。
[0012] 进一步地，所述步骤（3)包括W下子步骤：
[0013] (3. 1)采用广义互相关的方法对各部手机采样获得的波形进行检波，从而得到调 频声信号的到达时间；
[0014] (3. 2)由于声信号在传播过程的多径效应，会影响对声信号到达时间的估计，为了 提高其估计精度，采用阔值法和时频分析相结合的方法来抑制或者规避多径效应产生的影 响，即：根据时频分析边缘拟合曲线提供的参考，在2曲Z左右相差5%的频率区间内寻找最 优峰对应的时间，即所求声信号到达时间；所述最优峰的选取具体为：选取互相关序列中 峰值是最大峰值0. 3倍的，且落在前述区间中的第一峰为最优峰。
[0015] 进一步地，所述步骤（4)包括W下子步骤：
[0016] (4. 1)首先根据从各部手机的采样信号中获得的声信号的达到时间计算出不同手 机节点间的距离信息；
[0017] (4.。根据不同手机节点间的距离信息，采用MDS的方法，对该传感器网络中的未 知节点的位置信息进行估计。
[0018] 本发明的有益效果是：能够在信标节点有限的情况下，仅仅采用声信号，W广义互 相关的方式对采样波形检波，再考虑到对多径效应的有效抑制，获得LFM的到达时间，进一 步获得不同节点间的距离信息，最后采用MDS算法定位未知节点。该方法无需手机节点间 的时钟同步，可通过采样点数对LFM到达时间进行估计，定位精度高，成本低，组网方便，前 景广泛。
【附图说明】
[0019] 图1是本发明中多路感知协议过程的时间轴；
[0020] 图2是本发明中两部手机为例的感知过程示意图；
[0021] 图3是本发明中采样信号加G油or窗的短时傅里叶变换灰度化处理之后的图像；
[0022] 图4是本发明中时频图像边缘拟合得到的直线；
[0023] 图5是本发明中互相关检波效果，（a)为FIR滤波后的信号，化）为互相关结果；
[0024] 图6是本发明中两部智能手机为例的距离估计结果；
[0025] 图7是本发明中未知节点的位置估计结果；
[00%] 图8是本发明中未知节点位置估计误差分析。
【具体实施方式】
[0027] 本发明在智能手机平台上，利用其内嵌的麦克风和扬声器，W多路感知的方式收 发化-6曲Z的线性调频声信号，之后，利用广义互相关对各手机节点的采样波形进行检波， 获得不同节点间的线性调频声信号达到时间，进一步，采用MDS定位算法，对未知节点的位 置信息进行高估计。该方法可W在有限信标节点下实现自定位，适用性强，且不需要专口的 定制硬件模块的支持，降低了成本。
[002引本发明基于智能手机的传感器网络节点自定位方法，包括W下步骤：
[0029] 1、将智能手机作为声阵列传感器网络的节点，对声阵列传感器网络进行系统部 署，组建无线局域网；
[0030] 基于声信号在智能手机平台上实现的传感器网络节点自定位方法包括一个控制 节点和若干个位置固定的信标节点W及未知节点，每个节点即一部智能手机。由于智能 手机内嵌麦克风和扬声器的性能所限，节点的感知半径最大可W达到50m，区域可W设置 为45mX45m，系统部署完成后，对其进行初始化。初始化的过程，即让其中一部手机为控制 节点，通过热点共享的方式，建立无线局域网，并将其他节点接入该局域网。考虑到用手机 来提供热点时，接入手机节点的各数上限为8个，可W借助无线路由器建立无线局域网，此 时，也可从传输数据的便利性出发，将PC接入该局域网，各手机节点的分布如图1所示。
[0031] 2、在完成步骤1之后，通过其中一部智能手机作为控制节点，在其他手机节点的 麦克风打开之后，控制它们依次发送和采样LFM，即多路感知协议过程。
[0032] 本发明采用选取的LFM信号长度仅有50ms(序列长度为2205)，不会造成太大的扰 民噪声，选择2曲Z-6曲Z的频段。下面WM部智能手机作为感知节点，一部智能手机作为控 制节点为例来阐述。感知过程服从W下具体协议，多路感知：由控制节点同时向M个感知节 点发出控制命令，使它们的麦克风处于打开状态；M个感知节点根据其连接到控制节点的 端口号，轮流通过扬声器发出LFM信号。监听目标的过程是在感知过程结束之后，M个感知 节点的麦克分依然处于打开状态，接收来自被动目标声源的声信号的过程。在运两个阶段 完成之后，由控制