WSNs中節(jié)點(diǎn)協(xié)同聲源定位協(xié)議研究

夏 娜， 唐樹青， 趙 娟

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 安全關(guān)鍵工業(yè)測控技術(shù)教育部工程研究中心，安徽 合肥230009）

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（Wireless Sensor Networks，簡稱WSNs）的快速發(fā)展為聲源定位提供了一種有效解決方案。利用無線傳感器節(jié)點(diǎn)對聲源進(jìn)行定位具有隱蔽性好、全天候、低成本、不受視線和能見度限制等優(yōu)點(diǎn)，因此該方案已成為現(xiàn)代軍事和民用安防中聲源定位的研究熱點(diǎn)［1－3］。由于實(shí)際環(huán)境中的聲源目標(biāo)往往是移動的或具有突發(fā)性，因此要求聲源定位方法能夠快速定位和跟蹤聲源事件，如何基于計(jì)算、通信和能量資源受限的傳感器節(jié)點(diǎn)完成高效實(shí)時(shí)的聲源定位是研究的難點(diǎn)和關(guān)鍵［4－6］。

目前，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的聲源定位方法多為相對精確定位方法，主要利用3種物理測量值，即接收聲音信號的能量強(qiáng)度、波達(dá)方向 （Direction of arrival，簡稱 DOA）和聲音信號到達(dá)時(shí)間差（Time difference of arrival，簡稱 TDOA）來計(jì)算聲源位置。文獻(xiàn)［7－8］提出了一種聲音傳播的能量衰減模型，利用極大似然法（MLE）實(shí)現(xiàn)聲源定位，并引入EM （Expectation－Maximization）算法減小MLE的計(jì)算量；文獻(xiàn)［9］提出了基于麥克風(fēng)陣列的近場二維MUSIC算法，估計(jì)聲源到達(dá)角度及其傳播距離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)聲源定位；文獻(xiàn)［10－11］利用廣義互相關(guān)法估計(jì)聲音信號到達(dá)多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差TDOAs，結(jié)合節(jié)點(diǎn)的位置信息計(jì)算聲源位置。上述方法需要傳感器節(jié)點(diǎn)較準(zhǔn)確地采集聲音信息，信息匯聚到中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集中式計(jì)算，且計(jì)算量較大，因此難以實(shí)現(xiàn)動態(tài)聲源實(shí)時(shí)定位。

本文在以上工作的基礎(chǔ)上，研究了一種多傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)同的聲源近似定位協(xié)議，完整分析了節(jié)點(diǎn)處理聲音和射頻信號的時(shí)間，以及對該聲源定位協(xié)議精度的影響，得到了聲源定位邊界性條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該協(xié)議在動態(tài)聲源定位中的有效性。

1 節(jié)點(diǎn)協(xié)同聲源定位協(xié)議

1.1 系統(tǒng)模型

聲源監(jiān)測區(qū)域如圖1所示，五角星A為聲源，灰色圓圈為傳感器節(jié)點(diǎn)，S1是離聲源最近的節(jié)點(diǎn)，S2是次近節(jié)點(diǎn)。

圖1 聲源區(qū)域

1.2 協(xié)議描述和分析

1.2.1 協(xié)議描述

協(xié)議基本思想：聲源A發(fā)出聲音信號，離聲源最近的節(jié)點(diǎn)S1最先接收到聲音信號并立刻廣播RF信號，RF以光速傳播，瞬間到達(dá)其他節(jié)點(diǎn)。若其他節(jié)點(diǎn)在接收到聲音信號之前接收到RF信號就進(jìn)入被屏蔽狀態(tài)，在一段時(shí)間內(nèi)忽略聲音信號。而S1最終自舉成為elected節(jié)點(diǎn)，其自身位置可以作為聲源的近似位置。節(jié)點(diǎn)協(xié)同聲源定位協(xié)議的流程如圖2所示，描述如下：

（1）初始時(shí)刻所有節(jié)點(diǎn)均處于射頻和聲音的監(jiān)聽狀態(tài)。

（2）如果節(jié)點(diǎn)先監(jiān)聽到聲音，則立刻從監(jiān)聽狀態(tài)轉(zhuǎn)換到射頻發(fā)射狀態(tài)，持續(xù)時(shí)間為Tα（Tα≥Δr2，Δr2是傳感器節(jié)點(diǎn)識別RF所需的時(shí)間）。發(fā)射完畢后立刻轉(zhuǎn)換為監(jiān)聽RF的狀態(tài)，持續(xù)時(shí)間為Tβ（Tβ≥Δr2），若沒有監(jiān)聽到 RF信號，則該節(jié)點(diǎn)自舉為elected節(jié)點(diǎn)，反之，則被屏蔽。無論是否成為elected，該節(jié)點(diǎn)都會建立一個(gè)長度為Tγ的定時(shí)器。

（3）如果節(jié)點(diǎn)在接收到聲音之前監(jiān)聽到RF，則直接進(jìn)入被屏蔽狀態(tài)，同樣建立一個(gè)長度為Tγ的定時(shí)器。在此段時(shí)間內(nèi)，節(jié)點(diǎn)對聲音信號不做任何處理。

（4）所有節(jié)點(diǎn)在定時(shí)Tγ時(shí)間之后均返回射頻和聲音的監(jiān)聽狀態(tài)。

圖2 節(jié)點(diǎn)協(xié)同聲源定位協(xié)議流程圖

1.2.2 協(xié)議分析

考慮傳感器節(jié)點(diǎn)對聲音和射頻信號的識別時(shí)間以及信號處理時(shí)間，對上述聲源定位協(xié)議進(jìn)行有效性分析。

假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)識別聲音信號所需的時(shí)間為Δs，電路推動RF信號發(fā)射所需的時(shí)間為Δr1，識別RF信號需要的時(shí)間為Δr2。設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)Sj到聲源A 的距離為dj（j＝1，2…），不妨設(shè)j越大節(jié)點(diǎn)Sj距離聲源越遠(yuǎn)。聲速為v。

情況1：如圖3a所示，d1／v＋Δs＋Δr1＋Δr2＜d2／v＋Δs。其中d1／v為聲音到達(dá)節(jié)點(diǎn)S1的時(shí)間，d1／v＋Δs表示S1識別出聲音信號的時(shí)間，d1／v＋Δs＋Δr1表示S1發(fā)射出RF信號的時(shí)間，d1／v＋Δs＋Δr1＋Δr2表示S2識別出RF信號的時(shí)間；與此同時(shí)，d2／v表示聲音到達(dá)節(jié)點(diǎn)S2的時(shí)間，d2／v＋Δs表示S2識別出聲音信號的時(shí)間。上述不等式表示節(jié)點(diǎn)S2在識別聲音信號之前已經(jīng)識別出S1發(fā)來的RF信號，因此被屏蔽。最終S1自舉成為elected節(jié)點(diǎn)。

情況2：如圖3b所示，d1／v＋Δs＋Δr1＋Δr2＞d2／v＋Δs，即節(jié)點(diǎn)S2在識別S1發(fā)射的RF信號之前已經(jīng)識別了聲音信號，開始發(fā)射RF信號，因此不會被屏蔽。此時(shí)，S2也自舉成為elected節(jié)點(diǎn)。

情況3：如圖3c所示，d1／v＋Δs＋Δr1＋Δr2＞d2／v＋Δs，且d1／v＋Δr2＜d2／v，則節(jié)點(diǎn)S2發(fā)射的RF信號會屏蔽S1節(jié)點(diǎn)。S2自舉成為elected節(jié)點(diǎn)。

圖3 節(jié)點(diǎn)S1、S2的狀態(tài)分析

根據(jù)以上分析得到該聲源定位協(xié)議的邊界性條件：

（1）當(dāng)d1／v＋Δs＋Δr1＋Δr2＜d2／v＋Δs時(shí)，即當(dāng)d2＞d1＋（Δr1＋Δr2）v時(shí)，S2被S1發(fā)出的 RF信號屏蔽。S1自舉成為elected節(jié)點(diǎn)。

（2）當(dāng)d1／v＋Δs＋Δr1＋Δr2＞d2／v＋Δs時(shí)，即當(dāng)d2＜d1＋（Δr1＋Δr2）v時(shí)，S2不會被S1發(fā)出的RF信號屏蔽。S2自舉成為elected節(jié)點(diǎn)。

（3）當(dāng)d1／v＋Δs＋Δr1＋Δr2＞d2／v＋Δs，且d1／v＋Δr2＜d2／v時(shí)，即當(dāng)d1＋Δr2v＜d2＜d1＋（Δr1＋Δr2）v時(shí)，S2發(fā)出的RF信號會屏蔽S1。S2自舉成為elected節(jié)點(diǎn)。

（4）當(dāng)d1＜d2＜d1＋Δr2v時(shí)，S1和S2均自舉成為elected節(jié)點(diǎn)。

令l1＝d1，l2＝d1＋Δr2v，l3＝d1＋（Δr1＋Δr2）v；如圖4所示，以聲源A為圓心，半徑為l1的圓形區(qū)域?yàn)镃1，半徑在l1與l2之間的圓環(huán)區(qū)域?yàn)镃2，半徑在l2與l3之間的圓環(huán)區(qū)域?yàn)镃3，C3以外的區(qū)域?yàn)镃4?？梢姡珻1內(nèi)不會有節(jié)點(diǎn)，因?yàn)镾1是離聲源最近的節(jié)點(diǎn)；若C2內(nèi)有節(jié)點(diǎn)，則它與S1同時(shí)自舉成elected節(jié)點(diǎn)；若C3內(nèi)有節(jié)點(diǎn)，則只有它自舉成elected節(jié)點(diǎn)；若C4內(nèi)有節(jié)點(diǎn)，則它被屏蔽。

圖4 節(jié)點(diǎn)協(xié)同聲源定位協(xié)議邊界性區(qū)域

1.2.3 定位解算

設(shè)elected節(jié)點(diǎn)數(shù)為m。若m＝1，則用該節(jié)點(diǎn)的位置近似作為聲源位置；若m≥2，則由這些節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)質(zhì)心作為聲源的估計(jì)位置。elected節(jié)點(diǎn)以CSMA的方式通報(bào)中心節(jié)點(diǎn)，由中心節(jié)點(diǎn)計(jì)算聲源的估計(jì)位置。由于Δr2v通常很小 （如Mica2節(jié)點(diǎn)的Δr2v＜0.2 m），距離S1在Δr2v范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)往往沒有，因此中心節(jié)點(diǎn)通常只會收到1個(gè)elected節(jié)點(diǎn)的通報(bào)信息，定位解算得以簡化。定義聲源的實(shí)際位置與聲源的估計(jì)位置的歐式距離e作為聲源定位協(xié)議定位精度的評價(jià)指標(biāo)。

2 協(xié)議測試

采用伯克利大學(xué)研制的Mica2節(jié)點(diǎn)對節(jié)點(diǎn)協(xié)同聲源定位協(xié)議進(jìn)行性能測試。聲音采集傳感器為DFR0034。點(diǎn)聲源為一單片機(jī)觸發(fā)的小型揚(yáng)聲器，發(fā)聲頻率為1Hz，聲速為340m／s，聲強(qiáng)大于50dB。測定的節(jié)點(diǎn)時(shí)間參數(shù)見表1所列。

表1 測定參數(shù) μs

2.1 靜態(tài)與動態(tài)聲源定位

在50m×60m的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，布置15個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，采用本文聲源定位協(xié)議對一靜態(tài)聲源進(jìn)行定位，其結(jié)果如圖5所示。

圖5 靜態(tài)聲源定位結(jié)果

在50m×60m的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，布置50個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行動態(tài)聲源定位，結(jié)果如圖6所示。

圖6 動態(tài)聲源定位結(jié)果

由圖5可見，S1、S2和S3自舉成elected節(jié)點(diǎn)，它們以CSMA的方式通報(bào)中心節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)通過質(zhì)心法計(jì)算出聲源的估計(jì)位置為（7.53，6.63），如圖中五角形所示；聲源的實(shí)際位置為（7.10，7.90），本次定位誤差為1.34m。為了充分驗(yàn)證協(xié)議的定位效果，在網(wǎng)絡(luò)布置相同的情況下調(diào)整聲源位置，進(jìn)行了6組定位實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)操作10次，統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見表2所列。由表2可見在各組實(shí)驗(yàn)中聲源定位的誤差均值為0.06～1.34m，可以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

由圖6可見，一點(diǎn)聲源沿實(shí)線穿越監(jiān)測區(qū)域，聲源發(fā)聲頻率為1Hz，聲音強(qiáng)度大于50dB，速度為0.5m／s。傳感器節(jié)點(diǎn)運(yùn)行本文聲源定位協(xié)議對該動態(tài)聲源進(jìn)行定位。圖6中黑色圓點(diǎn)為elected節(jié)點(diǎn)，虛線為動態(tài)聲源定位跟蹤結(jié)果。由此可見，節(jié)點(diǎn)協(xié)同聲源定位協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)聲源的實(shí)時(shí)定位，并具有較好的定位精度。

2.2 協(xié)議性能分析

將本文多傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)同的聲源近似定位協(xié)議與文獻(xiàn)［10－11］提出的相對精確定位方法進(jìn)行比較。后者利用廣義互相關(guān)法估計(jì)聲音信號到達(dá)多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差TDOAs，結(jié)合節(jié)點(diǎn)的位置信息，通過最小二乘法迭代計(jì)算出聲源位置。分析比較結(jié)果見表3所列。

由表3可見，本文研究的聲源近似定位協(xié)議通過節(jié)點(diǎn)間的協(xié)同，分布式地完成聲源定位。該方法對聲音信號采集要求不高，計(jì)算量小，實(shí)時(shí)性好，適用于動態(tài)聲源定位。

表3 性能比較

3 結(jié)束語

本文研究了一種多傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)同的聲源定位協(xié)議，結(jié)合傳感器節(jié)點(diǎn)對聲音和射頻信號的識別和處理時(shí)間，對上述聲源定位協(xié)議進(jìn)行了有效性分析，得到了相應(yīng)的邊界性條件。靜態(tài)和動態(tài)聲源定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該協(xié)議作為一種分布式可實(shí)現(xiàn)的聲源定位協(xié)議，具有較好的定位精度，同時(shí)計(jì)算量小，實(shí)時(shí)性好，適用于復(fù)雜場景中的動態(tài)聲源定位。按照目前的協(xié)議設(shè)計(jì)，節(jié)點(diǎn)在大部分時(shí)間里處于射頻和聲音的監(jiān)聽狀態(tài)，能耗較大，因此如何使節(jié)點(diǎn)盡可能地處于休眠狀態(tài)，從而提高協(xié)議的能量有效性是下一步工作。

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