【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 約 Stony Brook 大學(xué)針對(duì)社會(huì)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(diǎn)，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(cè)病人的生理信息，還可以在病人出現(xiàn)生命危險(xiǎn)時(shí)及時(shí)通報(bào)其身體情況和位置信息。在建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)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(diǎn)部署于洛杉磯的 Four Seasons 大樓內(nèi)，不但可以監(jiān)測(cè)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(diǎn)，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(chǎng)目標(biāo)移動(dòng)迅速，但由于傳感器節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力有限無法快速定位；環(huán)境監(jiān)測(cè)中節(jié)點(diǎn)受戶外環(huán)境影響很大，尤其在惡劣的環(huán)境下節(jié)點(diǎn)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(shí)有發(fā)生；在交通監(jiān)測(cè)和建筑物監(jiān)測(cè)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(xiàng)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(diǎn)分布式協(xié)作的特點(diǎn)進(jìn)行工作的一個(gè)重要應(yīng)用，它是指利用網(wǎng)絡(luò)內(nèi)多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)的目標(biāo)信息估計(jì)出某一時(shí)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(duì)于其它目標(biāo)定位來說有以下特點(diǎn) [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(diǎn)。（2）隱蔽性好，保密性強(qiáng)：聲音定位系統(tǒng)不受電磁波干擾，也不易被無線電測(cè)向及定位，因而隱蔽性強(qiáng)。（3）普遍存在于常見目標(biāo)和常見監(jiān)測(cè)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(shí)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(jià)格相對(duì)于其他傳感器要低很多，功耗也較小。根據(jù)對(duì)聲信號(hào)測(cè)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(shí)差的定位 [20] (TDOA)：由于各傳感器節(jié)點(diǎn)到聲源的距離不同，聲音到達(dá)不同節(jié)點(diǎn)的絕對(duì)時(shí)間也不同，該方法通過準(zhǔn)確地測(cè)量出不同傳感器節(jié)點(diǎn)接收到信號(hào)的時(shí)間點(diǎn)之間的時(shí)間差來定位目標(biāo)，為了達(dá)到這個(gè)目的必須對(duì)所有傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)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(diǎn)間精確的時(shí)間同步是非常困難的，聲音傳播的速度為 340m/s，而兩節(jié)點(diǎn)間的距離一般在 10m 以內(nèi)，即聲音從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳到其相鄰的節(jié)點(diǎn)只需要約 ，考慮到噪音干擾和測(cè)量誤差，要區(qū)分如此微小的時(shí)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(cè)量信號(hào)到達(dá)時(shí)不同的方位角來對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位的，主要局限于窄帶信號(hào)如紅外線、磁信號(hào)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(diǎn)。而且，只有在波陣面近似于平面時(shí)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(diǎn)之間的距離，這個(gè)距離會(huì)比無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)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(hào)能量強(qiáng)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(hào)比較穩(wěn)定和可靠，比起其他物理測(cè)量屬性，聲能可以以一個(gè)較低的速率來采樣，而且對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行估測(cè)時(shí)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(qiáng)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(huì)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(duì)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(qiáng)度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位中，根據(jù)是否測(cè)量距離又可以分為不基于測(cè)距的定位方法和基于測(cè)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(qiáng)度來測(cè)量節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)間的距離：（1）不基于測(cè)距的定位方法：包括最近點(diǎn)估計(jì)法、質(zhì)心定位估計(jì)法、近似三角形內(nèi)點(diǎn)測(cè)試法（APIT）等，它們都基于這樣一個(gè)前提：節(jié)點(diǎn)檢測(cè)聲音能量強(qiáng)度越大，目標(biāo)離節(jié)點(diǎn)越近。最近點(diǎn)估計(jì)法直接將離目標(biāo)最近的節(jié)點(diǎn)作為目標(biāo)位置 [23]，質(zhì)心定位估計(jì)法是將幾個(gè)離目標(biāo)最近的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)測(cè)試法則是將多個(gè)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(cè)距的定位算法雖然簡(jiǎn)單，但是它要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量和分布密度很大，一旦節(jié)點(diǎn)密度不符合要求，定位精度會(huì)急劇下降，這對(duì)于一般的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說不太現(xiàn)實(shí)，因?yàn)閷?shí)際中節(jié)點(diǎn)大多是隨機(jī)布撒，節(jié)點(diǎn)的分布密度很難控制。（2）基于測(cè)距的定位方法：根據(jù)聲音的傳播規(guī)律，尋找一個(gè)關(guān)于聲音能量傳播的合理模型，此模型反映了節(jié)點(diǎn)檢測(cè)的聲音能量強(qiáng)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(gè)節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)值估計(jì)出目標(biāo)的位置，這種算法對(duì)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和分布密度要求相對(duì)較低，更適合于實(shí)際應(yīng)用，所以本論文研究的都是基于聲音能量強(qiáng)度且基于測(cè)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(qiáng)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(duì)背景噪音具有較強(qiáng)的抗干擾性，同時(shí)應(yīng)該盡量減小算法復(fù)雜度，從而有效地控制節(jié)點(diǎn)的能耗，延長節(jié)點(diǎn)的使用壽命。研究工作在以下幾個(gè)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(qiáng)度為數(shù)據(jù)來源，尋找一個(gè)合理的定位模型，將聲音能量同節(jié)點(diǎn)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(jì)算法，對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)實(shí)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(jiǎn)化定位算法的措施；（5）利用 MATLAB 軟件對(duì)提出的各種定位算法和改進(jìn)措施進(jìn)行仿真，驗(yàn)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(jiǎn)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(duì)本論文重點(diǎn)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(qiáng)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(jì)算法，包括極大似然估計(jì)定位算法、非線性最小二乘估計(jì)定位算法、線性最小二乘估計(jì)定位算法，并結(jié)合各算法優(yōu)點(diǎn)提出了聯(lián)合線性最小二乘估計(jì)定位算法，對(duì)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(qiáng)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(duì)基本定位算法的加權(quán)改進(jìn)，第二部分主要是對(duì)加權(quán)定位算法的方程個(gè)數(shù)和節(jié)點(diǎn)個(gè)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(qiáng)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(duì)各種定位算法的效果進(jìn)行比較，驗(yàn)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(duì)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(qiáng)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(qiáng)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(dòng)，聲波在傳播過程中，振動(dòng)相位相同的質(zhì)點(diǎn)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(shí)際環(huán)境中最常見的一種聲波形式。如果脈動(dòng)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(diǎn)聲源。在自由空間中，點(diǎn)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(qiáng) [27]：（1）聲壓 ：它是介質(zhì)受擾動(dòng)后產(chǎn)生的逾量壓強(qiáng)，單位是帕斯卡（ ） 。ep aP（2）聲功率 ：?jiǎn)挝粫r(shí)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(qiáng) ：?jiǎn)挝幻娣e上的平均聲功率稱為聲強(qiáng)，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(duì)數(shù)標(biāo)度來度量聲壓、聲強(qiáng)、聲功率等聲學(xué)參量，分別為聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)和聲功率級(jí) [2627]，單位用分貝 dB 表示，它們的定義如下：（1）聲壓級(jí) ：聲壓級(jí)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(jí)增加ep5021apP???20dB，一個(gè)聲音比另一個(gè)聲音大一倍時(shí)聲壓級(jí)增加 6dB。（2）聲強(qiáng)級(jí) ：聲強(qiáng)級(jí)與聲強(qiáng)的關(guān)系如式（） 。IL2 基于聲音能量強(qiáng)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(qiáng)值，參考聲強(qiáng) 。一般可以近似認(rèn)為 。120/IWm??IpL?（3）聲功率級(jí) ：聲功率級(jí)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 ?？梢宰C明，在自由場(chǎng)中有120?，S 為垂直于聲傳播方向的面積。10lgpIL???值得注意的是，對(duì)于能量級(jí)的物理量如聲功率級(jí)和聲強(qiáng)級(jí)對(duì)數(shù)前的系數(shù)都為 10，而聲壓級(jí)為 20。聲壓增加一倍，聲壓級(jí)和聲強(qiáng)級(jí)（聲功率級(jí)）增加 6dB；聲強(qiáng)（聲功率）增加一倍，聲壓級(jí)和聲強(qiáng)級(jí)（聲功率級(jí)）僅增加 3dB。對(duì)于一個(gè)確定的聲源，其聲功率級(jí)是不變的，而聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)都隨著測(cè)點(diǎn)的不同而變化 [28]。點(diǎn)聲源發(fā)出的聲音在自由場(chǎng)的空氣中傳播，以聲源為中心呈球形狀向外擴(kuò)散，聲源與測(cè)點(diǎn)的距離（半徑）增加 1 倍則球的表面積增加 4 倍，如果此時(shí)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(qiáng)度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位的理論基礎(chǔ)。測(cè)點(diǎn)到聲源的距離與聲壓級(jí)的關(guān)系如式（）： 120lgpcLd??（）其中 為測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)， 為 1 米處聲壓級(jí)，d 為測(cè)點(diǎn)到聲源的距離。從而可以知pcLpL道距離每增加一倍，聲壓級(jí)減少 6dB。聲壓的測(cè)量比較易于實(shí)現(xiàn)，而且通過聲壓的測(cè)量也可以間接求得其他聲學(xué)參量，所以實(shí)際中聲音傳感器大多都是檢測(cè)聲壓值，聲音傳感器的參數(shù)中會(huì)提供靈敏度參數(shù)，靈敏度是麥克風(fēng)在單位聲壓激勵(lì)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(duì) 應(yīng) 的 靈 敏 度 值（）碩士論文 基于聲音能量強(qiáng)度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位研究