【文章內(nèi)容簡介】 約 Stony Brook 大學(xué)針對社會老齡化的問題建立了名為 Health Tracker 2022 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) [17]，該系統(tǒng)采用 Crossbow 公司的 Mica2 和Mica2dot 系列節(jié)點，配備有脈搏、呼吸、溫度、血氧水平等多種類型傳感器，不僅可以監(jiān)測病人的生理信息，還可以在病人出現(xiàn)生命危險時及時通報其身體情況和位置信息。在建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測方面，南加州大學(xué)構(gòu)建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) NETSHM[18]，將Crossbow 公司的 MicaZ 系列節(jié)點部署于洛杉磯的 Four Seasons 大樓內(nèi)，不但可以監(jiān)測建筑物的健康狀況，而且能夠定位出建筑物受損傷的位置。盡管已經(jīng)有如此多應(yīng)用成功的例子，但是由于成本、能耗、通信、環(huán)境等諸多方面的因素制約，加上無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用密切相關(guān)的特點，目前仍有很多領(lǐng)域是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無法涉及和施展其潛能的。在目標(biāo)定位方面，有些戰(zhàn)場目標(biāo)移動迅速，但由于傳感器節(jié)點計算能力有限無法快速定位；環(huán)境監(jiān)測中節(jié)點受戶外環(huán)境影響很大，尤其在惡劣的環(huán)境下節(jié)點容易耗能和損壞，導(dǎo)致壽命減短和脫離網(wǎng)絡(luò)的情況時有發(fā)生；在交通監(jiān)測和建筑物監(jiān)測中，由于受噪音和障礙物影響導(dǎo)致目標(biāo)定位不精確等。不過隨著各項技術(shù)的不斷發(fā)展和諸多研究人員的深入研究，可以滿懷信心地期待無線傳感1 緒論 碩士論文4器網(wǎng)絡(luò)在未來的研究中克服這些困難，應(yīng)用到更多的領(lǐng)域，發(fā)揮更大的作用。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)聲音目標(biāo)定位技術(shù)目標(biāo)定位是利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多節(jié)點分布式協(xié)作的特點進(jìn)行工作的一個重要應(yīng)用，它是指利用網(wǎng)絡(luò)內(nèi)多個傳感器節(jié)點檢測的目標(biāo)信息估計出某一時刻該待定位目標(biāo)的位置。本論文主要討論聲音目標(biāo)的定位方法，聲音目標(biāo)定位相對于其它目標(biāo)定位來說有以下特點 [19]:（1）不受視線和能見度影響：聲音定位系統(tǒng)可以在夜間、陰天、霧天和雪天工作，具有全天候工作的特點。（2）隱蔽性好，保密性強：聲音定位系統(tǒng)不受電磁波干擾，也不易被無線電測向及定位，因而隱蔽性強。（3）普遍存在于常見目標(biāo)和常見監(jiān)測環(huán)境中：大多數(shù)目標(biāo)的出現(xiàn)都伴有不同頻率和幅值的聲音，聲音目標(biāo)定位在實際應(yīng)用中更具有代表性。（4）用于定位的聲音傳感器成本低廉，能耗小：常見的聲音傳感器有駐極體麥克風(fēng)、硅麥克風(fēng)等，其價格相對于其他傳感器要低很多，功耗也較小。根據(jù)對聲信號測量物理量的不同，聲音目標(biāo)定位方式分為以下三大類：（1）基于時差的定位 [20] (TDOA)：由于各傳感器節(jié)點到聲源的距離不同，聲音到達(dá)不同節(jié)點的絕對時間也不同，該方法通過準(zhǔn)確地測量出不同傳感器節(jié)點接收到信號的時間點之間的時間差來定位目標(biāo)，為了達(dá)到這個目的必須對所有傳感器節(jié)點進(jìn)行時間同步，由于受到多方面因素的影響和制約，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里做到節(jié)點間精確的時間同步是非常困難的，聲音傳播的速度為 340m/s，而兩節(jié)點間的距離一般在 10m 以內(nèi)，即聲音從一個節(jié)點傳到其相鄰的節(jié)點只需要約 ，考慮到噪音干擾和測量誤差，要區(qū)分如此微小的時間差是很困難的。（2）基于波達(dá)方向的定位 [21] (AOA)：該方法是通過聲音傳感器陣列測量信號到達(dá)時不同的方位角來對目標(biāo)進(jìn)行定位的，主要局限于窄帶信號如紅外線、磁信號等，能夠?qū)h(yuǎn)距離的目標(biāo)進(jìn)行定位，但是成本很高，算法復(fù)雜度很大，不適合低功耗低成本的傳感器節(jié)點。而且，只有在波陣面近似于平面時算法才具有可行性，然而在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位問題更接近于近距離定位問題，近距離定位問題里的平面波假設(shè)條件變成了目標(biāo)和傳感器節(jié)點之間的距離，這個距離會比無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間最大有效距離還要大，因此，如果用這種類型的定位算法來解決近距離的定位問題，將很難得到較好的結(jié)果。（3）基于接收信號能量強度的定位 [22] (RSSI)：由于聲音傳播過程比較有規(guī)律，采集到的信號比較穩(wěn)定和可靠，比起其他物理測量屬性，聲能可以以一個較低的速率來采樣，而且對目標(biāo)位置進(jìn)行估測時不需要頻繁更新就能夠保證一定的準(zhǔn)確性，這樣，碩士論文 基于聲音能量強度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位研究 5通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)不會消耗太多的能量，并且可以在共享無線信道的情況下減少對無線通信帶寬的要求，因此，RSSI 定位算法能夠較好地解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的聲音目標(biāo)定位問題。在基于聲音能量強度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位中，根據(jù)是否測量距離又可以分為不基于測距的定位方法和基于測距的定位方法 [2]，這兩種算法的區(qū)別就在于是否利用聲音能量強度來測量節(jié)點與目標(biāo)間的距離：（1）不基于測距的定位方法：包括最近點估計法、質(zhì)心定位估計法、近似三角形內(nèi)點測試法（APIT）等，它們都基于這樣一個前提：節(jié)點檢測聲音能量強度越大，目標(biāo)離節(jié)點越近。最近點估計法直接將離目標(biāo)最近的節(jié)點作為目標(biāo)位置 [23]，質(zhì)心定位估計法是將幾個離目標(biāo)最近的節(jié)點的位置坐標(biāo)平均值即多邊形的質(zhì)心作為目標(biāo)位置 [24]，近似三角形內(nèi)點測試法則是將多個包含目標(biāo)的三角形重疊區(qū)域的質(zhì)心作為目標(biāo)位置 [25]。不基于測距的定位算法雖然簡單，但是它要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)量和分布密度很大，一旦節(jié)點密度不符合要求，定位精度會急劇下降，這對于一般的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說不太現(xiàn)實，因為實際中節(jié)點大多是隨機布撒，節(jié)點的分布密度很難控制。（2）基于測距的定位方法：根據(jù)聲音的傳播規(guī)律，尋找一個關(guān)于聲音能量傳播的合理模型，此模型反映了節(jié)點檢測的聲音能量強度和其與目標(biāo)之間距離的關(guān)系，根據(jù)此模型可以通過多個節(jié)點的檢測值估計出目標(biāo)的位置，這種算法對節(jié)點的數(shù)量和分布密度要求相對較低，更適合于實際應(yīng)用，所以本論文研究的都是基于聲音能量強度且基于測距的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位問題。 論文主要內(nèi)容和章節(jié)安排本論文致力于探尋和研究基于聲音能量強度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位算法。這種算法應(yīng)該具有合理的定位模型，較高的定位精度，對背景噪音具有較強的抗干擾性，同時應(yīng)該盡量減小算法復(fù)雜度，從而有效地控制節(jié)點的能耗，延長節(jié)點的使用壽命。研究工作在以下幾個方面展開：（1）了解描述聲音的物理量，研究聲音的傳播規(guī)律，以聲音能量強度為數(shù)據(jù)來源，尋找一個合理的定位模型，將聲音能量同節(jié)點與目標(biāo)間的距離聯(lián)系起來；（2）基于聲音目標(biāo)定位模型提出基本的目標(biāo)定位估計算法，對各種基本目標(biāo)定位算法的定位精度、復(fù)雜度進(jìn)行理論上的分析和比較；（3）對基本目標(biāo)定位算法中產(chǎn)生誤差的原因進(jìn)行分析，針對誤差原因進(jìn)行算法改進(jìn)，從理論上分析改進(jìn)后算法的有效性，比較改進(jìn)前后算法的差異；（4）針對實際情況，進(jìn)一步減小算法復(fù)雜度，在不影響定位精度的前提下提出簡化定位算法的措施；（5）利用 MATLAB 軟件對提出的各種定位算法和改進(jìn)措施進(jìn)行仿真，驗證每種算1 緒論 碩士論文6法的有效性，比較不同算法的差異，最后綜合考慮得出一種最為可行有效的定位方法。論文各章節(jié)的內(nèi)容安排如下：第一章為緒論，敘述了課題研究的背景和意義，簡述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位在國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀和發(fā)展，并對本論文重點研究的聲音目標(biāo)定位技術(shù)作了概述。第二章為基于聲音能量強度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位方法，基于聲音傳播規(guī)律提出了聲音能量衰減模型，并基于此模型介紹了幾種常用的基本定位估計算法，包括極大似然估計定位算法、非線性最小二乘估計定位算法、線性最小二乘估計定位算法，并結(jié)合各算法優(yōu)點提出了聯(lián)合線性最小二乘估計定位算法，對這些算法進(jìn)行了理論分析和比較。第三章為基于聲音能量強度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位方法改進(jìn)，改進(jìn)分為兩部分，第一部分主要是對基本定位算法的加權(quán)改進(jìn)，第二部分主要是對加權(quán)定位算法的方程個數(shù)和節(jié)點個數(shù)進(jìn)一步削減，通過改進(jìn)進(jìn)一步改善了目標(biāo)定位效果，降低了算法的復(fù)雜度。第四章為基于聲音能量強度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位方法仿真，通過 MATLAB軟件對各種定位算法的效果進(jìn)行比較，驗證改進(jìn)措施的可行性和有效性。第五章為總結(jié)和展望，總結(jié)得出綜合效果最好的目標(biāo)定位方法，指出了研究中的不足之處，并對進(jìn)一步的研究和改進(jìn)提出了思路和展望。碩士論文 基于聲音能量強度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位研究 72 基于聲音能量強度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位方法 聲音的概念和傳播規(guī)律絕大部分聲音來源于物體的振動，聲波在傳播過程中，振動相位相同的質(zhì)點所構(gòu)成的曲面稱為波陣面。如果聲波的波陣面為一系列同心球面，這樣的聲波就是球面聲波，球形聲源產(chǎn)生的聲波是球面波，它是實際環(huán)境中最常見的一種聲波形式。如果脈動球形聲源的直徑遠(yuǎn)小于所輻射聲波的波長，此聲源則近似為點聲源。在自由空間中，點聲源輻射產(chǎn)生的聲波為各向均勻的球面波 [26]。描述聲波的最常見的基本物理量是聲壓、聲功率和聲強 [27]：（1）聲壓 ：它是介質(zhì)受擾動后產(chǎn)生的逾量壓強，單位是帕斯卡（ ） 。ep aP（2）聲功率 ：單位時間內(nèi)通過垂直于聲傳播方向面積的聲能量稱為聲功率，單W位為瓦特（W ） ，它和聲壓的關(guān)系如式（ ） 。 20epSWc??（）其中， 為聲壓，S 為垂直于聲傳播方向的面積， 為空氣的特性阻抗率一般ep 0取值為 400 。3/Nsm?（3）聲強 ：單位面積上的平均聲功率稱為聲強，單位為 ,它和聲壓的關(guān)系I 2/m如式（） 。 20epIc??（）其中， 為聲壓， 為空氣的特性阻抗率。ep0c?在聲學(xué)中普遍使用對數(shù)標(biāo)度來度量聲壓、聲強、聲功率等聲學(xué)參量，分別為聲壓級、聲強級和聲功率級 [2627]，單位用分貝 dB 表示，它們的定義如下：（1）聲壓級 ：聲壓級與聲壓的關(guān)系如式（） 。pL 02lgl94epeLp??（）其中 為聲壓值，參考聲壓 。聲壓值變化 10 倍相當(dāng)于聲壓級增加ep5021apP???20dB，一個聲音比另一個聲音大一倍時聲壓級增加 6dB。（2）聲強級 ：聲強級與聲強的關(guān)系如式（） 。IL2 基于聲音能量強度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位方法 碩士論文8 01lgl120IILI??（）其中 I 為聲強值，參考聲強 。一般可以近似認(rèn)為 。120/IWm??IpL?（3）聲功率級 ：聲功率級與聲功率的關(guān)系如式（） 。WL 01lgl120LW??（）其中 W 為聲功率值，參考聲功率 。可以證明，在自由場中有120?，S 為垂直于聲傳播方向的面積。10lgpIL???值得注意的是，對于能量級的物理量如聲功率級和聲強級對數(shù)前的系數(shù)都為 10，而聲壓級為 20。聲壓增加一倍，聲壓級和聲強級（聲功率級）增加 6dB；聲強（聲功率）增加一倍，聲壓級和聲強級（聲功率級）僅增加 3dB。對于一個確定的聲源，其聲功率級是不變的，而聲壓級、聲強級都隨著測點的不同而變化 [28]。點聲源發(fā)出的聲音在自由場的空氣中傳播，以聲源為中心呈球形狀向外擴散，聲源與測點的距離（半徑）增加 1 倍則球的表面積增加 4 倍，如果此時功率不變，那么單位面積的功率就只有原來的 1/4，即單位面積的功率與傳播距離的平方成反比，這就是基于聲音能量強度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位的理論基礎(chǔ)。測點到聲源的距離與聲壓級的關(guān)系如式（）： 120lgpcLd??（）其中 為測點聲壓級， 為 1 米處聲壓級，d 為測點到聲源的距離。從而可以知pcLpL道距離每增加一倍，聲壓級減少 6dB。聲壓的測量比較易于實現(xiàn)，而且通過聲壓的測量也可以間接求得其他聲學(xué)參量，所以實際中聲音傳感器大多都是檢測聲壓值，聲音傳感器的參數(shù)中會提供靈敏度參數(shù)，靈敏度是麥克風(fēng)在單位聲壓激勵下輸出的電壓值，其單位是 mV/Pa 或 V/Pa。靈敏度也經(jīng)常用分貝表示，靈敏度分貝值與靈敏度值的關(guān)系如式（）： mV/Pa0dB靈 敏 度 值靈 敏 度 分 貝 值 =2lg對 應(yīng) 的 靈 敏 度 值（）碩士論文 基于聲音能量強度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位研究