CN105242257A - 一种基于网络级时钟同步的超声波测距方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于网络级时钟同步的超声波测距方法及***，能够减少网络流量、降低网络负载和节点功耗，提高整个网络的生存周期。所述方法包括：利用网络级别的时钟同步，当发送超声波的发送节点发送超声波时，接收所述超声波的接收节点开始计时；当接收节点接收到所述发送节点发送的超声波时，所述接收节点停止计时，并根据停止计时与开始计时之间的时间差来确定发送节点和接收节点之间的距离，也就是根据所述超声波的传输时间来确定发送节点和接收节点之间的距离。本发明适用于无线传感器网络定位技术领域。

Description

一种基于网络级时钟同步的超声波测距方法及***

技术领域

本发明涉及无线传感器网络定位技术领域，特别是指一种基于网络级时钟同步的超声波测距方法及***。

背景技术

无线传感器网络与传统的互联网不同，无线传感器网络具有自组织、资源受限、以数据为中心、与应用相关等特点，可以适应复杂多变的环境，有着广泛的应用前景。无线传感器网络由很多个节点组成，这些集成有传感器、微处理器单元、通信模块、电源模块的微小节点可以通过自组织的方式构成一个网络，每个节点把传感器采集到的数据，通过无线网络最终发送回控制中心，进行分析并采取相应的操作。

定位技术作为无线传感器网络的主要技术之一，在工业监测、医疗、入侵检测等方面被广泛应用。无线传感器网络的节点通常被随机分散在一定的区域内，或者被放置在较为复杂或危险的环境下，要想得到每个节点的位置信息是很困难甚至是不可能的，而这些节点采集到的数据往往会与其位置信息相关，因此定位技术在无线传感器网络中的应用很广泛。

一些室外定位***通常装有GPS定位模块，可以实现精准的定位，但是GPS模块功耗大、体积大，而无线传感器网络节点资源受限，因此需要通过其它手段来对节点进行定位。常用的定位方法有基于接收端信号强度(RSSI)、基于到达时间(TOA)、基于到达角度(AOA)、基于到达时间差(TDOA)等。

传统的超声测距方法属于TDOA方法，利用射频和超声到达的时间差来计算两个节点之间的距离，在每次测距过程中必须发送一包射频数据，当单位时间内测距次数增加时，会对网络负载造成一定压力，同时也会增加节点功耗，缩短网络的生存周期。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于网络级时钟同步的超声波测距方法及***，以解决现有技术所存在的传统超声测距方法网络负载压力大、节点功耗大、生存周期短的问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种基于网络级时钟同步的超声波测距方法，包括：

利用网络级别的时钟同步，当发送超声波的发送节点发送超声波时，接收所述超声波的接收节点开始计时；

当接收节点接收到所述超声波时，所述接收节点停止计时，并根据停止计时与开始计时之间的时间差确定发送节点和接收节点之间的距离。

可选地，所述利用网络级别的时钟同步，当发送超声波的发送节点发送超声波时，接收所述超声波的接收节点开始计时之前包括：

当各节点入网时钟同步后，在每个时隙的开始时刻判断当前时隙类型；

若所述时隙类型为测距时隙时，则根据预先设定的工作状态表，确定各节点的工作状态；

其中，所述工作状态包括：发送超声波、接收超声波和静默状态。

可选地，所述利用网络级别的时钟同步，当发送超声波的发送节点发送超声波时，接收所述超声波的接收节点开始计时包括：

当确定一节点A的工作状态为发送超声波时，则立即触发该节点A对应的超声模块向接收节点发送超声波脉冲信号，其中，该节点A称为发送节点；

当确定一节点B的工作状态为接收超声波时，则立即记录该节点B的当前时间T₁，该节点B为接收发送节点发来的超声波信号的接收节点。

可选地，所述当接收节点接收到所述超声波时，所述接收节点停止计时，并根据停止计时与开始计时之间的时间差确定发送节点和接收节点之间的距离包括：

若所述接收节点对应的超声模块在预设时间内没有收到所述发送节点发送的超声波信号，则所述接收节点不作任何操作，等待下一组测距时隙到来；

若所述接收节点对应的超声模块在预设时间内接收到所述发送节点发送的超声波信号，则记录所述接收节点接收到所述超声波的时间T₂，

根据T₂与T₁的时间差及超声波在空气中的传播速度，确定发送节点和接收节点之间的距离，本次测距过程结束，等待下一组测距时隙到来。

可选地，在本次测距过程中，处于静默状态的节点不执行操作，等待本组测距时隙结束。

可选地，所述超声测距方法为非反射式测距，所述发送节点发出超声波后，不需要反射，由所述接收节点直接接收所述发送节点发出的超声波信号；

所述时钟同步方式包括：绝对时隙数同步、数据包同步和确认包同步。

可选地，所述超声模块的探头为收发一体探头或收发分体探头。

本发明实施例还提供一种基于网络级时钟同步的超声波测距***，包括：

发送单元，用于利用网络级别的时钟同步，通过发送节点向接收节点发送超声波；

第一记录单元，用于在发送节点向所述接收节点发送超声波的同时，记录当前所述接收节点的时间T₁；

节点距离确定单元，用于当所述接收节点接收到所述超声波时，记录当前所述接收节点的时间T₂，并根据T₂和T₁的时间差确定发送节点和接收节点之间的距离。

可选地，所述***还包括：

时隙类型判断单元，用于当各节点入网时钟同步后，在每个时隙的开始时刻判断当前时隙类型；

工作状态确定单元，用于当所述时隙类型为测距时隙时，则根据预先设定的工作状态表，确定各节点的工作状态；

其中，所述工作状态包括：发送超声波、接收超声波和静默状态。

可选地，所述节点距离确定单元包括：

计时等待模块，用于当所述接收节点对应的超声模块在预设时间内没有收到所述发送节点发送的超声波信号时，则所述接收节点不作任何操作，等待下一组测距时隙到来；

第二记录模块，用于当所述接收节点对应的超声模块在预设时间内接收到所述发送节点发送的超声波信号时，则记录所述接收节点接收到所述超声波的时间T₂；

节点距离确定模块，用于根据T₂与T₁的时间差及超声波在空气中的传播速度，确定发送节点和接收节点之间的距离，本次测距过程结束，等待下一组测距时隙到来。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，通过利用网络级别的时钟同步，当发送超声波的发送节点发送超声波时，接收所述超声波的接收节点开始计时；当接收节点接收到所述发送节点发送的超声波时，所述接收节点停止计时，并根据停止计时与开始计时之间的时间差来确定发送节点和接收节点之间的距离。这样，利用网络级别的时钟同步技术，网络中所有节点的时间都是同步的，不需要在发送超声波的同时发送额外的射频数据包来获得发送节点和接收节点之间的同步，只需根据超声波在空气中的传输时间(停止计时与开始计时之间的时间差)来确定发送节点和接收节点之间的距离，从而能够减少网络流量、降低网络负载和节点功耗，提高整个网络的生存周期。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于网络级时钟同步的超声波测距方法的方法流程图；

图2为本发明实施例提供的两个节点的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的单个节点工作流程示意图；

图4为本发明实施例提供的基于网络级时钟同步的超声波测距方法的详细方法流程图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的传统超声测距方法网络负载压力大、节点功耗大、生存周期短的问题，提供一种基于网络级时钟同步的超声波测距方法及***。

实施例一

参看图1所示，本发明实施例提供的一种基于网络级时钟同步的超声波测距方法，包括：

S1：利用网络级别的时钟同步，当发送超声波的发送节点发送超声波时，接收所述超声波的接收节点开始计时；

S2：当接收节点接收到所述超声波时，所述接收节点停止计时，并根据停止计时与开始计时之间的时间差确定发送节点和接收节点之间的距离。

本发明实施例所述的基于网络级时钟同步的超声波测距方法，通过利用网络级别的时钟同步，当发送超声波的发送节点发送超声波时，接收所述超声波的接收节点开始计时；当接收节点接收到所述发送节点发送的超声波时，所述接收节点停止计时，并根据停止计时与开始计时之间的时间差来确定发送节点和接收节点之间的距离。这样，利用网络级别的时钟同步技术，网络中所有节点的时间都是同步的，不需要在发送超声波的同时发送额外的射频数据包来获得发送节点和接收节点之间的同步，只需根据超声波在空气中的传输时间(停止计时与开始计时之间的时间差)来确定发送节点和接收节点之间的距离，从而能够减少网络流量、降低网络负载和节点功耗，提高整个网络的生存周期。

本发明实施例中，所述网络可以采用时分多址(Timedivisionmultipleaccess，TDMA)(802.15.4E)组网方式，所述网络的时钟同步方式使用802.15.4E协议标准，该时钟同步方式包括：绝对时隙数同步、数据包同步和确认包同步。

本发明实施例中，网络中所有节点的时间都是同步的，也就是说，网络中的所有节点互相之间都可以进行测距，测距的实施需要两个节点单元，一个发送超声波的发送节点，另一个接收超声波的接收节点，下面以两个节点为例，进行说明。参看图2所示，节点1包括：微控制器、存储器、射频、电源等部分，具有数据计算、存储、无线通信等功能；超声模块2不仅能够发送超声波，还能接收超声波，它的探头可以为收发一体探头，也可以为收发分体探头，超声模块2的发送和接收功能由与所述超声模块2对应的所述节点1来进行控制。

在前述基于网络级时钟同步的超声波测距方法的具体实施方式中，可选地，所述利用网络级别的时钟同步，当发送超声波的发送节点发送超声波时，接收所述超声波的接收节点开始计时之前包括：

当各节点入网时钟同步后，在每个时隙的开始时刻判断当前时隙类型；

若所述时隙类型为测距时隙时，则根据预先设定的工作状态表，确定各节点的工作状态；

其中，所述工作状态包括：发送超声波、接收超声波和静默状态。

本发明实施例中，在发送超声波之前，各节点入网同步之后，时间被分割为周期性的超帧，每个超帧中都包含一组测距时隙，可以完成一次测距，每个超帧中是否进行测距，是根据预先设定的工作状态表来决定的，具体的工作过程包括：首先，在每个时隙的开始时刻检测当前时隙的类型，不同类型的时隙拥有不同的功能，若检测到当前的时隙类型为测距时隙时，立即去查询预先设定的工作状态表，确定各节点当前的工作状态，其中，所述工作状态包括：发送超声波、接收超声波、静默状态，参看图3所示。

本发明实施例中，所述工作状态表指示一组测距过程，节点之间的测距会根据工作状态表周期性的进行，另外，所述工作状态表可以根据需要人为或自动的进行更新，以适应新的条件和环境。

本发明实施例中，为了方便，将发送超声波的节点称为发送节点，接收超声波的节点称为接收节点。

在前述基于网络级时钟同步的超声波测距方法的具体实施方式中，可选地，所述利用网络级别的时钟同步，当发送超声波的发送节点发送超声波时，接收所述超声波的接收节点开始计时包括：

当确定一节点A的工作状态为发送超声波时，则立即触发该节点A对应的超声模块向接收节点发送超声波脉冲信号，其中，该节点A称为发送节点；

当确定一节点B的工作状态为接收超声波时，则立即记录该节点B的当前时间T₁，该节点B为接收发送节点发来的超声波信号的接收节点。

本发明实施例中，参看图3和图4所示，当检测到当前的时隙类型为测距时隙时，根据确定的各节点当前的工作状态去执行相应的操作，若查询到一节点A的工作状态为发送超声波时，则通过发送节点(发送超声波的节点A)立即触发对应的超声模块向接收节点发送超声波信号；若查询到一节点B的工作状态为接收超声波时，则立即记录该节点B的当前时间T₁，该节点B为接收发送节点发来的超声波信号的接收节点。

在前述基于网络级时钟同步的超声波测距方法的具体实施方式中，可选地，所述当接收节点接收到所述超声波时，所述接收节点停止计时，并根据停止计时与开始计时之间的时间差确定发送节点和接收节点之间的距离包括：

若所述接收节点对应的超声模块在预设时间内没有收到所述发送节点发送的超声波信号，则所述接收节点不作任何操作，等待下一组测距时隙到来；

若所述接收节点对应的超声模块在预设时间内接收到所述发送节点发送的超声波信号，则记录所述接收节点接收到所述超声波的时间T₂，

根据T₂与T₁的时间差及超声波在空气中的传播速度，确定发送节点和接收节点之间的距离，本次测距过程结束，等待下一组测距时隙到来。

本发明实施例中，参看图3和图4所示，记录接收节点的当前时间T₁后，等待接收发送节点发送的超声波，为了防止与下次测距混淆，本发明实施例中设有超时阈值，若超过预设时间，接收节点对应的超声模块未收到发送节点发送的超声波信号，则所述接收节点不作任何操作，停止接收超声，并认为距离为未知，等待下一组测距时隙到来；若在预设时间内，接收节点对应的超声模块接收到发送节点发送的超声波信号，则记录所述接收节点接收到发送节点发送的超声波信号的时间T₂，并停止接收超声。

本发明实施例中，T₂与T₁的时间差则是超声波在发送节点和接收节点之间的传播时间，再根据超声波在空气中的速度计算出发送节点和接收节点之间的距离，本次测距过程结束，等待下一组测距时隙到来。这样，利用网络级同步技术测量发送节点和接收节点之间的距离，在测距过程中不需要发送额外的射频数据包，可以减少网络流量，降低节点功耗，并使网络工作更长的时间，提高整个网络的生存周期，这对于一个资源受限的网络有着重大意义。

在前述基于网络级时钟同步的超声波测距方法的具体实施方式中，可选地，在本次测距过程中，处于静默状态的节点不执行操作，等待本组测距时隙结束。

本发明实施例中，若查询到一节点的工作状态为静默状态时，则本次测距过程什么都不做，等待本组测距时隙结束。

本发明实施例中，所述超声测距方法为非反射式测距，所述发送节点发出超声波后，不需要反射，由所述接收节点直接接收所述发送节点发出的超声波信号。

实施例二

本发明还提供一种基于网络级时钟同步的超声波测距***的具体实施方式，由于本发明提供的基于网络级时钟同步的超声波测距***与前述基于网络级时钟同步的超声波测距方法的具体实施方式相对应，该基于网络级时钟同步的超声波测距***可以通过执行上述方法具体实施方式中的流程步骤来实现本发明的目的，因此上述基于网络级时钟同步的超声波测距方法具体实施方式中的解释说明，也适用于本发明提供的基于网络级时钟同步的超声波测距***的具体实施方式，在本发明以下的具体实施方式中将不再赘述。

本发明实施例还提供一种基于网络级时钟同步的超声波测距***，包括：

发送单元，用于利用网络级别的时钟同步，通过发送节点向接收节点发送超声波；

第一记录单元，用于在发送节点向所述接收节点发送超声波的同时，记录当前所述接收节点的时间T₁；

节点距离确定单元，用于当所述接收节点接收到所述超声波时，记录当前所述接收节点的时间T₂，并根据T₂和T₁的时间差确定发送节点和接收节点之间的距离。

本发明实施例所述的基于网络级时钟同步的超声波测距***，利用网络级别的时钟同步，通过发送节点向接收节点发送超声波；并在发送节点向所述接收节点发送超声波的同时，记录当前所述接收节点的时间T₁；当所述接收节点接收到所述超声波时，记录当前所述接收节点的时间T₂，并根据T₂和T₁的时间差确定发送节点和接收节点之间的距离。这样，利用网络级别的时钟同步技术，网络中所有节点的时间都是同步的，不需要在发送超声波的同时发送额外的射频数据包来获得发送节点和接收节点之间的同步，只需根据超声波在空气中的传输时间(T₂和T₁的时间差)来确定发送节点和接收节点之间的距离，从而能够减少网络流量、降低网络负载和节点功耗，提高整个网络的生存周期。

在前述基于网络级时钟同步的超声波测距***的具体实施方式中，可选地，所述***还包括：

时隙类型判断单元，用于当各节点入网时钟同步后，在每个时隙的开始时刻判断当前时隙类型；

工作状态确定单元，用于当所述时隙类型为测距时隙时，则根据预先设定的工作状态表，确定各节点的工作状态；

其中，所述工作状态包括：发送超声波、接收超声波和静默状态。

在前述基于网络级时钟同步的超声波测距***的具体实施方式中，可选地，所述节点距离确定单元包括：

计时等待模块，用于当所述接收节点对应的超声模块在预设时间内没有收到所述发送节点发送的超声波信号时，则所述接收节点不作任何操作，等待下一组测距时隙到来；

第二记录模块，用于当所述接收节点对应的超声模块在预设时间内接收到所述发送节点发送的超声波信号时，则记录所述接收节点接收到所述超声波的时间T₂；

节点距离确定模块，用于根据T₂与T₁的时间差及超声波在空气中的传播速度，确定发送节点和接收节点之间的距离，本次测距过程结束，等待下一组测距时隙到来。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于网络级时钟同步的超声波测距方法，其特征在于，包括：

利用网络级别的时钟同步，当发送超声波的发送节点发送超声波时，接收所述超声波的接收节点开始计时；

当接收节点接收到所述超声波时，所述接收节点停止计时，并根据停止计时与开始计时之间的时间差确定发送节点和接收节点之间的距离。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用网络级别的时钟同步，当发送超声波的发送节点发送超声波时，接收所述超声波的接收节点开始计时之前包括：

当各节点入网时钟同步后，在每个时隙的开始时刻判断当前时隙类型；

若所述时隙类型为测距时隙时，则根据预先设定的工作状态表，确定各节点的工作状态；

其中，所述工作状态包括：发送超声波、接收超声波和静默状态。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述利用网络级别的时钟同步，当发送超声波的发送节点发送超声波时，接收所述超声波的接收节点开始计时包括：

当确定一节点A的工作状态为发送超声波时，则立即触发该节点A对应的超声模块向接收节点发送超声波脉冲信号，其中，该节点A称为发送节点；

当确定一节点B的工作状态为接收超声波时，则立即记录该节点B的当前时间T₁，该节点B为接收发送节点发来的超声波信号的接收节点。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述当接收节点接收到所述超声波时，所述接收节点停止计时，并根据停止计时与开始计时之间的时间差确定发送节点和接收节点之间的距离包括：

若所述接收节点对应的超声模块在预设时间内没有收到所述发送节点发送的超声波信号，则所述接收节点不作任何操作，等待下一组测距时隙到来；

若所述接收节点对应的超声模块在预设时间内接收到所述发送节点发送的超声波信号，则记录所述接收节点接收到所述超声波的时间T₂，

根据T₂与T₁的时间差及超声波在空气中的传播速度，确定发送节点和接收节点之间的距离，本次测距过程结束，等待下一组测距时隙到来。

5.根据权利要求2-4中任一项所述的方法，其特征在于，在本次测距过程中，处于静默状态的节点不执行操作，等待本组测距时隙结束。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超声测距方法为非反射式测距，所述发送节点发出超声波后，不需要反射，由所述接收节点直接接收所述发送节点发出的超声波信号；

所述时钟同步方式包括：绝对时隙数同步、数据包同步和确认包同步。

7.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述超声模块的探头为收发一体探头或收发分体探头。

8.一种基于网络级时钟同步的超声波测距***，其特征在于，包括：

发送单元，用于利用网络级别的时钟同步，通过发送节点向接收节点发送超声波；

第一记录单元，用于在发送节点向所述接收节点发送超声波的同时，记录当前所述接收节点的时间T₁；

节点距离确定单元，用于当所述接收节点接收到所述超声波时，记录当前所述接收节点的时间T₂，并根据T₂和T₁的时间差确定发送节点和接收节点之间的距离。

9.根据权利要求8所述的***，其特征在于，还包括：

时隙类型判断单元，用于当各节点入网时钟同步后，在每个时隙的开始时刻判断当前时隙类型；

工作状态确定单元，用于当所述时隙类型为测距时隙时，则根据预先设定的工作状态表，确定各节点的工作状态；

其中，所述工作状态包括：发送超声波、接收超声波和静默状态。

10.根据权利要求9所述的***，其特征在于，所述节点距离确定单元包括：

计时等待模块，用于当所述接收节点对应的超声模块在预设时间内没有收到所述发送节点发送的超声波信号时，则所述接收节点不作任何操作，等待下一组测距时隙到来；

第二记录模块，用于当所述接收节点对应的超声模块在预设时间内接收到所述发送节点发送的超声波信号时，则记录所述接收节点接收到所述超声波的时间T₂；

节点距离确定模块，用于根据T₂与T₁的时间差及超声波在空气中的传播速度，确定发送节点和接收节点之间的距离，本次测距过程结束，等待下一组测距时隙到来。