研究信号强度指示和距离之间映射关系的实验方法及装置

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术，具体是一种用于研究无线传感器网络中接收的无线电信号强度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）和距离之间映射关系的实验方法及装置。

背景技术

无线传感器网络( wireless sensor network，WSN)是21世纪极具发展前景的技术，随着物联网技术的发展，无线传感器网络已经成为当今生活中不可或缺的一部分。在无线传感器网络中，接收的信号强度指示（RSSI）是一个重要的参数。同时，基于RSSI的测距技术在无线传感器网络定位技术中较常采用，定位原理是利用无线电信号随距离增大而有规律地衰减的原理来测量节点间的距离。目前的RSSI测距一般是通过采集大量的实验数据得到RSSI值和距离之间的映射关系（或关系曲线）。但是，在实际的地表环境中无线信号由于受到诸如障碍物反射、阻挡等多种因素的干扰，RSSI 值随机变化较大，精度不高，给实验带来了不便。

目前对于RSSI值和距离之间映射关系的研究一般采用大尺度路径衰减模型来对实验结果进行反复分析，以此来提高精度。但是，如何在实验环境中使无线信号避免受到诸如障碍物反射、阻挡等因素的干扰，提高测量精度，已成为目前需要解决的问题。

发明内容

本发明是针对实际地表环境中无线信号由于受到诸如障碍物反射、阻挡等多种因素的干扰，RSSI 值精度不高的缺陷，提出一种用于研究RSSI和距离之间映射关系的实验方法及装置，自动完成测距和测量RSS1，精度高、操作方便。

为达到上述目的，本发明用于研究RSSI和距离之间映射关系的实验方法及装置采用的技术方案是：地面上具有一个箱体结构，箱体结构上部固定有工业机器人执行机构，工业机器人执行机构顶端固定有第一超声波收发器和接收节点；箱体结构内部固定有控制电路板，接收节点及第一超声波收发探头分别通过数据线和控制电路板相连；第一超声波收发器和接收节点的外部有飘在空中的风筝，风筝通过风筝线固定在箱体结构上，风筝面向地面的一侧上固定有发射节点，发射节点上有第二超声波收发探头；所述工业机器人执行机构转动微调使第一超声波收发探头的空间位置和第二超声波收发探头自动对准。

本发明用于研究RSSI和距离之间映射关系的实验方法采用的技术方案是包括以下步骤：

A、调整工业机器人执行机构，控制电路板控制第一超声波收发探头发送一束测试超声波信号，待第二超声波收发探头接收到信号后停止发送测试超声波，使第一超声波收发探头和风筝上的第二超声波收发探头对准。

B、控制电路板控制第一超声波收发探头发送一束超声波，并记录此时的时间T₁，第二超声波收发探头一旦接收到此超声波信号就返回一束超声波信号，控制电路板记录第一超声波收发探头接收到第二超声波收发探头返回的超声波信号时的时间T₂，计算出两者的距离d₁=                                                ，接收节点将接收到的信号强度指示值传给控制电路板。

C、改变风筝的高度以改变第一超声波收发探头和第二超声波收发探头之间的距离，待风筝在空中稳定之后，重复步骤A和B。

D、对多组信号强度指示值和其对应的距离进行数据拟合，分析出信号强度指示和距离之间映射关系。

本发明与已有方法和技术相比，具有如下优点：

1、本发明将无线节点通过风筝放置在空中，满足了无线信号的空间传播特性，能够有效避免了其在地面传播时受到受障碍物反射、阻挡等多种因素的干扰，从而提高RSSI的稳定性和测量精度，同时采用超声波测量发射结点和接收节点间的距离，便于RSSI和距离之间映射关系的研究。

2、本发明装置操作简单，实验时只需要将风筝放上天空固定好后就能够自动完成测距和测量RSS1，减少了人力的成本，且具有很强的实用性。

3、本发明在进行超声波测距时，接收节点方发送一束超声波信号，发射结点方接收后，再返回一束超声波信号，这种应答的方式可以有效保证了测量的精度。

4、本发明装置中的工业机器人执行机构部分有两个自由度，采用步进电机进行驱动，实现了超声波收发头的自动对准。

附图说明

图1是本发明研究信号强度指示和距离之间映射关系的实验装置的整体结构示意图。

图2是图1中工业机器人执行机构的立体放大图；

图3是图1中控制电路板12的原理框图；

图4是本发明实验装置的实验方法流程图。

附图中各部件的序号和名称：1-1：超声波收发探头，1-2：超声波收发探头，2：发射节点，3：风筝，4：风筝线，5：把手，6：超声波收发器支撑板，7：臂部，8：腰部，9：大臂步进电机，10：基座，11：控制线，12：控制电路板，13：行走架，14：接收节点，15：数据线，16：回转步进电机，17：箱体结构，18：销轴，19：圆柱形凹槽槽，20：卡槽，21：螺丝孔，22：RS485接口。

具体实施方式

参见图1，本发明用于研究信号强度指示和距离之间映射关系的实验装置的整体结构示意图，其包括一个地面上的箱体结构17，箱体结构17作为试验箱，在箱体结构17上部固定有工业机器人执行机构，工业机器人执行机构顶端固定有超声波收发器支撑板6，超声波收发器支撑板6上部固定超声波收发器1-1和接收节点14。箱体结构17内部固定有控制电路板12，其中，接收节点14通过数据线15和控制电路板12相连，超声波收发探头1-1通过数据线15和控制电路板12相连。在超声波收发器1-1和接收节点14的外部有飘在空中的风筝3，风筝3通过风筝线4固定在箱体结构17外部的把手5上，风筝3面向地面的一侧上固定有发射节点2，发射节点2上有超声波收发探头1-2。工业机器人执行机构具有2个转动自由度，功能是通过微调来确定超声波收发探头1-1的空间位置，使超声波收发探头1-1的空间位置和风筝3上超声波收发探头1-2自动对准。另外，为了实现箱体结构17上超声波收发探头1-1位置的宏观调整，在箱体结构17下端固定有带走轮的行走架13，行走架13可以地面上行走，可以人工推动装置进行位置的大调整。

参见图1及图2，图2为工业机器人执行机构图，工业机器人执行机构包括：臂部7、腰部8、大臂步进电机9、回转步进电机16、基座10。其中，基座10是整个机器臂的支撑部分，通过四个螺丝孔21水平安装在箱体结构17的上表面上，回转步进电机16垂直固定在基座10上表面，回转步进电机16的输出轴垂直于基座10。回转步进电机16的输出轴连接腰部8，是回转部件。腰部8的底部中心位置开有圆柱形凹槽19，在圆柱形凹槽19的侧翼各有一个卡槽20，对应的，回转步进电机16的输出轴上的对应位置也装有配合卡槽20的卡榫，即回转步进电机16的输出轴和腰部8之间通过卡槽20和卡榫配合连接，这样，回转步进电机16通过卡槽20和卡榫的配合连接带动腰部8进行回转运动。腰部8的顶部有一个弧形凹槽，大臂步进电机9水平安装在腰部8顶部的弧形凹槽一侧，大臂步进电机9的输出轴呈水平，大臂步进电机9的输出轴与回转步进电机16的输出轴在空间相互垂直。腰部8的顶部铰接臂部7，在腰部8顶部的弧形凹槽另一侧装有销轴18，该销轴18用于臂部7和腰部8的铰接处，构成铰链连接。臂部7的顶部固定超声波收发器支撑板6，超声波收发器支撑板6上部固定超声波收发器1-1和接收节点14。大臂步进电机9通过控制线11和控制电路板12相连，回转步进电机16通过控制线11和控制电路板12相连。

参见图3，是本发明使用的控制电路板12的原理框图。控制电路12包括电源模块、MCU控制处理单元、放大电路、检波电路、回转步进电机控制器、大臂步进电机控制器等。接收节点14通过数据线15和控制电路板12相连；超声波收发探头1-1通过数据线15和控制电路板12相连，其中，超声波收发探头1-1内部的超声波接收头依次通过放大电路、检波电路同控制电路板12的MCU相连，超声波收发探头1-1内部的超声波发射头通过检波电路同控制电路板12的MCU相连；大臂步进电机9通过控制线11和控制电路板12内部的大臂步进电机控制器相连；回转步进电机16通过控制线11和控制电路板12内部的回转步进电机控制器相连。MCU控制处理单元与各个电路连接，用于控制各个电路，对各个电路传送的信号进行处理。

图4为本发明装置进行一次实验的具体工作流程，再参见图1-3，本发明装置在实验时按以下步骤实施：

步骤1：在风筝3上安装好发射节点2后调整发射节点2一直处于无线信号发送状态，选择一个空旷的地点和合适的天气，待风筝3放上天空后，将风筝线4的一端固定在箱体结构17外部的把手5上。待风筝3固定好后，就进行箱体结构17上的超声波收发探头1-1和风筝3上的超声波收发探头1-2的对准，先是风筝3上超声波收发探头1-2持续发送一束测试超声波，而此时，MCU控制处理单元控制超声波收发探头1-1处于监听状态，之后人工推动箱体结构17进行位置的大调整，可以宏观上实现两个超声波收发探头1-1和超声波收发探头1-2的对准，然后MCU控制处理单元根据超声波接收头1-1接收到的测试超声波状态控制工业机器人执行机构空间运动来进行微调，最终完成定位和角度校准。具体为：当MCU控制处理单元没有监听到测试超声波信号，此时MCU控制处理单元发出一个电脉冲信号给回转步进电机控制器，当回转步进电机驱动器此信号后，它就驱动回转步进电机16带动腰部8回转，进而带动臂部7绕输出轴水平转动一个固定的角度，即为步距角，由此实现第一个自由度，假设回转步进电机16的步距角为θ，腰部8的底面园的半径为r，则此时腰部8转动的距离为，此时，回转驱动步进电机16停止不动，MCU控制处理单元连续发送多个脉冲波给大臂步进电机控制器，当大臂步进电机驱动器收到联系脉冲信号后，它就驱动大臂步进电机9绕输出轴方向持续转动，由此实现第二个自由度。一旦MCU控制处理单元监听到超声波信号就停止发送脉冲信号，否则，按照MCU控制处理单元如下方法控制回转步进电机16和大臂步进电机9：回转步进电机16每水平转动一个步距角，大臂步进电机9带动臂部7绕输出轴持续转动直至两边的极限位置。最终完成超声波收发探头1-1和超声波收发探头1-2的自动对准，防止了超声波信号的盲区。

步骤2，待超声波收发探头对准结束之后，此时MCU控制处理单元控制箱体结构17上部的超声波收发探头1-1发送一束超声波信号，待风筝3上的超声波收发探头1-2接收到此后立即停止发送测试超声波，表示超声波收发探头对准结束。接下来是超声波测距。首先，由MCU控制处理单元控制箱体结构17上的超声波收发探头1-1发送一束超声波，MCU控制处理单元记录此时的时间T₁，风筝3上的超声波收发探头1-2一旦接收到此超声波信号，就会返回一束超声波信号，箱体结构17上部的超声波收发探头1-1接收到风筝3上的超声波收发探头1-2返回的超声波信号，MCU控制处理单元记录此时的时间T₂，则T₂-T₁为超声波在两者之间往返的时间，设超声波在空气中的传播速度为V，那么两者的距离d₁可由MCU控制处理单元计算出为d₁=。

步骤3：完成测距之后，MCU控制处理单元将两者的距离d₁存入Flash，箱体结构17上接收节点14将接收到的RSSI值传给MCU控制处理单元，MCU控制处理单元将RSSI值和此值对应的距离d₁进行打包并存储起来。

步骤4：按照距离d₁、d₂、^.......、d_n改变风筝3的高度，改变风筝3的高度以改变第一超声波收发探头1-1和第二超声波收发探头1-2之间的距离，直到风筝3高度达到上限。待风筝3在空中稳定之后，重复步骤1，2，3。待实验结束之后，由上位机通过RS-485接口读取出MCU控制处理单元内存储的n组RSSI值和此值对应的距离d，之后上位机进行数据拟合，就可以分析出RSSI和距离之间映射关系。