（电路与系统专业论文）人体运动参数无线采集系统的研究与设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 基于传感器、图像处理的人机三维交互技术是国内外研究的热门领域，然而 目前大多数的研究是采用有线的方式传输人体运动感知数据，这给用户的使用带 来了不少麻烦。本课题提出了采用无线方式采集人体运动参数，而本论文所做的 工作就是系统前端的数据采集系统，目的是将传感器节点的运动感知数据汇集到 s i n k 节点。系统中共有三种节点：传感器节点、簇头节点、s i n k 节点，传感器 节点采集人体运动参数；簇头节点接收、处理并转发传感器节点数据；s i n k 节 点接收簇头节点转发的传感器节点数据并将数据转发给p c 机。对三种节点分别 进行软硬件设计之外，文中主要对系统通信协议的设计进行了详细的阐述，同时 对无线传感器网络重要支撑技术之一的时间同步机制进行了重点的研究与设计。 通信协议的设计应尽量降低网络能耗，而本系统中只需要考虑传感器节点的 能耗问题。同时，协议设计应尽量降低系统丢包率，丢包率将是衡量该协议好坏 的重要指标。系统组网及通信过程简单如下：一、节点初始化，s i n k 节点周期 性地发送信标信号；二、簇头节点根据s i n k 节点的信标信号加入网络，然后周 期性地发送簇头信标信号及转发传感器节点数据；三、传感器节点根据簇头信标 信号加入网络，然后周期性地采集数据并发送给簇头节点。实验结果表明，该通 信协议下，传感节点具有较小的能耗，系统具有较低的丢包率。 好的时间同步机制能提高通信协议的性能，根据本系统的特性，本文中提出 了一种基于虚拟时间戳的时间同步算法，算法原理如下：父节点周期性地发送信 标信号，发送两连续信标信号的时间差值等于父节点的周期。子节点接收该信号 并记录相应的接收时刻值，子节点的周期应该等于两连续信标信号接收时刻值的 差值，如果不相等，则对子节点的周期进行相应调整。实验结果表明，该时间同 步机制下，系统具有较好的同步性能。 关键词：人体运动参数；无线传感器网络；通信协议；信标信号；时间同步机制 浙江大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h r e e - d i m e n s i o n a lh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o nt e c h n o l o g yb a s e do ns e n s o r , i m a g ep r o c e s s i n gi sah o tr e s e a r c ha r e aa th o m ea n da b r o a d h o w e v e r , m o s tc u r r e n t r e s e a r c ha r eu s i n gw i r e dn e t w o r kt ot r a n s m i th u m a nm o t i o ns e n s i n gd a t a ，w h i c h b r i n g sal o to ft r o u b l e t h i sp r o j e c tr a i s e dam e t h o dt ot r a n s m i th u m a nm o t i o n p a r a m e t e r sb yw i r e l e s sn e t w o r k a n dt h ew o r ki nt h i sp a p e ri st od e s i g naw i r e l e s s d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，w h i c ha i m sa tt r a n s m i t t i n gt h es e n s o rd a t at os i n kn o d e t h e r ea r et h r e ek i n d so fn o d ei nt h i ss y s t e m ：s e n s o rn o d e ，c l u s t e rh e a d e ra n ds i n k n o d e s e n s o rn o d ec o l l e c t sh u m a nm o t i o np a r a m e t e r s c l u s t e rh e a d e rr e c e i v e s ， p r o c e s s e sa n dt r a n s m i t ss e n s o rd a t a s i n kn o d er e c e i v e ss e n s o rd a t aw h i c hi s t r a n s m i t t e db yc l u s t e rh e a d e ra n dt r a n s m i t st h ed a t at op cm a c h i n e b e s i d e sd e s i g n i n g t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h e s et h r e ek i n d so fn o d e s ，t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e s c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo ft h i ss y s t e m ，a n dt h et i m es y n c h r o n i z a t i o nm e c h a n i s m w h i c hi sa ni m p o r t a n ts u p p o r tt e c h n o l o g yf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k c o m m u n i c a t i o np r o t o c o ls h o u l db ed e s i g n e dt om i n i m i z et h en e t w o r ke n e r g y c o n s u m p t i o n ，a n dt h i ss y s t e mi so n l yn e e d e dt oc o n s i d e rt h ei s s u eo fs e n s o rn o d e p o w e rc o n s u m p t i o n a tt h es a m et i m e ，t h ep r o t o c o ls h o u l db ed e s i g n e dt om i n i m i z e t h es y s t e mp a c k e tl o s sr a t e ，p a c k e tl o s sr a t ei sa ni m p o r t a n tm e a s u r e m e n to ft h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 n e t w o r k i n ga n dc o m m u n i c a t i o np r o c e s si s s i m p l ya s f o l l o w s ：f i r s t ，t h en o d e sa r ei n i t i a l i z e d ，s i n kn o d ep e r i o d i c a l l ys e n d sb e a c o n i n g s i g n a l s s e c o n d ，c l u s t e rh e a d e rj o i n st h en e t w o r ka c c o r d i n gt os i n kn o d e sb e a c o n i n g s i g n a l ，a n dt h e np e r i o d i c a l l ys e n d sb e a c o n i n gs i g n a l s ，r e c e i v e sa n dt r a n s m i t ss e n s o r d a t a t h i r d ，s e n s o rn o d ej o i n st h en e t w o r ka c c o r d i n gt oc l u s t e rh e a d e r sb e a c o n i n g s i g n a l ，a n dt h e np e r i o d i c a l l yc o l l e c t sd a t aa n ds e n d st h e mt oc l u s t e rh e a d e r t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tu n d e rt h i sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，t h es e n s o rn o d e h a sas m a l le n e r g yc o n s u m p t i o na n dt h es y s t e mh a s - al o wp a c k e tl o s sr a t e g o o dt i m es y n c h r o n i z a t i o nm e c h a n i s mc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f c o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h i ss y s t e m ，t h i sp a p e r i i i 浙江大学硕士学位论文 p r o p o s e sa t i m es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mb a s e do nv i r t u a lt i m e s t a m p t h ea l g o r i t h m w o r k sa sf o l l o w s ：t h ep a r e n tn o d ep e r i o d i c a l l ys e n d sb e a c o n i n gs i g n a l ，a n dt h ep a r e n t n o d ec y c l ei se q u a lt ot h et i m ed i f f e r e n c eo fs e n d i n gt w oc o n s e c u t i v eb e a c o n i n g s i g n a l s c h i l dn o d er e c e i v e st h eb e a c o n i n gs i g n a la n dr e c o r d st h ec o r r e s p o n d i n gt i m e t h ec y c l eo fc h i l dn o d es h o u l db ee q u a lt ot h et i m ed i f f e r e n c eo ft w oc o n s e c u t i v e b e a c o n i n gs i g n a lr e c e p t i o nt i m e i fi ti s n te q u a l ，t h e nt h ec h i l dn o d es h o u l da d j u s ti t s c y c l e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mh a sag o o ds y n c h r o n i z a t i o n p e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：h u m a nm o t i o np a r a m e t e r ；w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ；c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l ；b e a c o n i n gs i g n a l ；t i m es y n c h r o n i z a t i o nm e c h a n i s m i v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位敝储张务垆鳓期：年岁月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝塑太堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆太堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 缈 签字嗍：羽衅乡月夕日 导师签名： 台乏 签字日期：易p 年罗月夕日 浙江大学硕士学位论文 致谢 时光飞逝，转眼间两年半的研究生涯已接近尾声。 在此，我首先要特别感谢我的导师金文光老师。金老师工作踏实、治学严谨、 经验丰富、学识渊博，在平时的工作中经常身体力行并对学生进行孜孜不倦的教 导，在学习和生活上进行悉心的关心和照顾。本论文从拟题到定稿，都是在金老 师的严格要求和悉心指导下完成的。每一个项目的顺利进行都有金老师的一份汗 水，金老师求是、求实的工作作风使我获益匪浅。 感谢师兄胡锴亮，师姐张慧芳，在我刚开始做项目显得一头雾水的时候，是 你们给了很多指导和帮助。 感谢同学唐少华，在程序及板图碰到问题时，你给了我很多帮助。 感谢师弟周冬鑫，本项目的顺利完成有你的一份功劳，跟你一起做项目的过 程中使我学到了很多。 最后，我要深深地感谢的父母，感谢你们对我辛勤的培育，感谢你们对我无 私的关爱，你们永远是我工作、学习、生活中的最大动力。 谨以此文献给所有帮助过我的人们。 潘新春 2 0 10 年1 月于求是园 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究的目的和意义 多通道人机交互是目前人机交互技术的研究热点，其中人体关键节点的运动 参数获取是人机交互技术中重要的研究内容。然而目前大多数的研究是采用有线 的方式传输人体运动感知数据，这给用户的使用带来了不少麻烦，本课题中提出 采用无线方式采集人体运动参数。 传统的数据采集系统是以有线的形式连接采集端和控制端，数据分析处理多 数在工控机及p c 机上实现，存在布线复杂、开发周期长等问题。近年来随着传 感器技术、嵌入式计算、微机电系统( m e m s ) 、网络及无线通信、分布式信息处 理等技术的飞速发展，出现了一种全新的信息获取和处理模式一一无线传感器网 络。无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w s n ) 【l 】是由大量的同时具 有数据采集、无线通信、信息处理及协同工作等功能的无线传感器节点自组织构 成的网络。作为“普适计算【2 1 ”思想衍生的产物，w s n 涉及传感器技术、微电子 制造技术、嵌入式计算技术、计算机网络技术、软件编程技术、无线通信技术及 分布式信息处理技术等，是多学科高度交叉、前沿、新兴的一个热点研究领域。 它是继因特网之后将对人类2 1 世纪生产生活方式产生巨大影响力的i t 热点技术 之一。在美国技术评论杂志2 0 0 3 年评出的对人类未来生产生活产生深远影 响的十大新兴技术中，无线传感器网络技术名列第一1 3 1 。未来的人们将通过遍布 四周的无线传感器网络实现物理世界、计算机世界、以及人类社会三元世界的联 通，从而极大地扩展无线传感器网络的功能和人类认识世界的能力 4 1 。w s n 具有 广阔的应用前景，结合具体的应用系统，对w s n 路由技术及关键支撑技术的研究 具有重大的理论和实践意义。 人体运动参数在人机交互中具有重要的应用价值，如实现各种手势操作的识 别和三维虚拟动作的再现。此类人机交互系统的研制将使得新一代三维交互系统 在普及过程中更为迅速，让更多的用户参与到相互的交流过程中，从而为实现各 种复杂协同工作的人机交互提供有力的平台，在诸如电子化教育、体育运动辅助 训练、大型博物馆展览、数字娱乐、机器人控制以及残障人群的计算机使用等相 关领域具有广泛的应用前景。 本论文对人体运动参数的无线采集系统作了详细的讨论，并重点阐述了w s n 浙江大学硕：仁学位论文 通信协议的研究与设计、时间同步机制的研究与设计等。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 人体运动参数在人机交互中用于虚拟人动作控制，虚拟人运动控制方法在虚 拟现实、虚拟人运动合成、计算机动画、机器人运动控制、远程人机交互、聋人 手语自动生成等领域都具有十分重要的理论研究意义与应用价值【5 1 。目前，应用 虚拟现实技术与设备，以真实的人体运动控制虚拟人运动，是一种常用的虚拟人 运动控制方法。这种方法一般有两大类，一类是基于计算机视觉的方法l6 | ，另一 类则是基于传感器的方法【7 】【引。基于传感器的方法中，需要合理地配置传感器数 目，既要减少传感器数目，以便减少传感器对人体运动的影响，并合理降低设备 费用，同时叉要减少计算过程中的不确定性，增强纠错能力。 无线传感器网络能够广泛应用于军事、环境检测、医疗健康、智能家居、城 市交通、空间检索、安全检测、复杂机械监控等领域，因此得到各国政府、军方、 跨国公司和科研机构的广泛关注和高度重视。美国国防部和各军事部门在c 4 i s r 的基础上提出了c 4 k i s r 计划，把传感器网络作为一个重要研究领域，设立了一系 列的军事传感器网络研究项目。美国著名高校如哈佛大学、麻省理工学院、康奈 尔大学、加州大学洛杉矶分校等先后展开了传感器网络各方面的研究工作，主要 研究项目包括n e s t 9 1 、s e n s o r w e b s 9 1 、s e n s o r l t 10 1 、w i n s 1 1 1 、s m a r td u s t 【1 2 1 、 h o u r l a s s 1 3 】等，几乎涵盖了w s n 从信号处理到网络协议各方面的内容。美国英特 尔公司、美国微软公司等信息工业界巨头也开始了传感器网络方面的研究工作， 纷纷设立或启动相应的行动计划。日本、英国、意大利、韩国、巴西等国家也对 传感器网络表现出了极大的兴趣，纷纷展开了该领域的相应工作。2 0 0 6 年初发布 的( ( 国家中长期科学与技术发展规划纲要为信息技术确定了三个前沿方向，其 中智能感知技术和自组织网络技术与w s n 的研究直接相关，足见对w s n 研究工作的 重视程度。 w s n 的研究内容主要包括4 个部分：网络通信协议、核心支撑技术、自组织管 理、开发与应用 9 1 。一、w s n 的通信协议包括物理层、数据链路层、网络层和传 输层4 个层次，它们之间相互配合运行，将若干个独立的传感器节点形成一个多 跳的动态的无线数据收集网络。二、核心支撑技术主要包括拓扑控制、时间同步、 节点定位、网内信息处理、网络安全等，w s n 依靠这些核心支撑技术构成了一个 2 浙江大学硕士学位论文 具体的面向特定应用的网络系统。w s n 里的核心支撑技术利用网络通信协议提供 的服务，通过应用服务接1 2 1 屏蔽底层网络的细节，使终端用户能够方便地对无线 传感器网络进行操作。三、w s n 的自组织管理技术主要包括节点管理、数据管理、 资源与任务管理、初始化与系统维护管理等。多变的网络状况及外在环境要求w s n 具有自组织的能力，能够自发组网运行、自行配置维护、适时转发监测数据等。 自组织管理技术利用网络通信协议提供的服务，通过网络管理接口屏蔽底层网络 的细节，使终端用户能够方便地对无线传感器网络进行管理配置。四、w s n 的开 发与应用环节所涉及的内容包括仿真平台、硬件开发、软件开发、操作系统、环 境监测应用、目标追踪应用等。 w s n 不同于传统数据网络的特点，它需要达到以下要求：低能耗、低成本、 实时、安全、抗干扰、节点之间相互协作等。无线传感器网络的发展趋势主要有 以下几方面：灵活、自适应的网络协议体系研究；跨层设计；z i g b e e 标准规范； 与其他网络的融合。 1 3 论文研究内容及章节安排 本文主要研究无线数据采集系统的网络通信协议，并设计了适合本系统运行 的协议一一分簇算法。同时，论文对w s n 的重要支撑技术之一时间同步算法进行 了研究与设计，并提出了适合本系统运行的时间同步算法一- - v t s p 算法。全文 共分为6 章。 第1 章：绪论。介绍了课题研究的目的和意义、国内外研究现状及发展趋势、 论文研究内容及各章节的安排等。 第2 章：数据采集系统的软硬件实现。介绍系统框架设计、主要元器件的性 能参数、各节点的软硬件设计等。 第3 章：无线传感器网络时间同步算法的研究与设计。介绍了w s n 时间同步 算法的研究内容、研究现状，详细介绍了本论文中所提出的基于虚拟时间戳的 w s n 时间同步算法一- - v t s p 算法，并对该算法的性能进行了测试与分析。 第4 章：无线传感器网络路由协议的研究与设计。介绍了w s n 路由算法的研 究内容、研究现状，详细介绍了应用于本系统中的基于分簇的网络通信协议。 第5 章：实验测试结果与分析。对系统中的传感器节点进行了能耗测试，对 整个系统的通信质量进行了测试，测试结果表明该系统具有较好的可靠性与稳定 浙江人学硕i ：学位论文 性。 第6 章：总结与展望。总结了本文的工作内容，同时对未来的工作作了展望。 4 浙江大学硕士学位论文 2 数据采集系统的软硬件实现 2 1 系统框架设计 系统整体结构设计如图2 1 所示。传感器节点佩戴于人体重要的关节部位， 采集运动感知数据，将数据作简单处理后，发送给簇头节点；簇头节点采用d s p 处理器，具有较强的数据处理能力，它接收传感数据并对数据作处理，然后转发 给s i n k 节点；s i n k 节点通过u s b 接口与主机相连，它接收到数据后即将数据转 发给p c 机；p c 机端提取运动感知数据，根据这些数据对人体的动作进行重建。 该系统运行于小型场景中，各传感器节点采用锂电池供电，需要考虑能耗的问题， 而簇头节点和s i n k 节点可以使用持续电源供电，无需考虑能耗问题。 图2 1系统模型框图 2 2 主要元器件介绍 ( 1 ) 3 轴加速度传感器m m a 7 2 6 0 q t b t m a 7 2 6 0 q t t l 4 1 低成本微型电容式加速度传感器采用了信号调理、单极低通滤 波器和温度补偿技术，并且有4 个量程可供用户选择。该器件带有低通滤波并已 做零g 补偿。本产品还提供休眠模式，因而是电池充电的手持设备产品的理想之 进。 浙江大学硕士学位论文 特性 工作电压：2 2 v - 3 6 v 工作温度：- 2 0 8 5 摄氏度 可选灵敏度( 1 5 9 2 9 4 9 6 9 ) 高灵敏度( 8 0 0 m v g 萄1 5 9 ) 低功耗：工作5 0 0 u a ；休眠模式3 u a 6 m m 6 m m 1 4 5 m m 的无引线四方扁平( q f n ) 封装 快速开启 b t m a 7 2 6 0 q t 的主要工作参数如表2 1 所示。 表2 1m m a 7 2 6 0 q t 工作参数 t a b l e 2 1m m a 7 2 6 0 q to p e r a t i n gc h a r a c t e r is t i c s 工作参数参数符最小值典型值最大值 单位 口 了 工作范围 电压 v d d 2 23 33 6v 电流i d d 5 0 08 0 0u a 休眠模式电流i d d 3 01 0u a 工作温度范围t a 2 0+ 8 5度 加速度范围：x 轴，y 轴， z 轴 g - s e l e c t l & 2 ：0 0g f s 1 5 g g - s e l e c t l & 2 ：1 0g f s 2 o g g - s e l e c t l & 2 ：0 1 踟s 4 0 g g - s e l e c t l & 2 ：1 1g f s 6 o g 输出信号 0 9 ( t a = 2 5 度，v d d = 3 3 v ) v o f f 1 4 8 51 6 51 8 1 5v 0 9 偏移( g s e l e c t = 1 5 9 ) v o f p r 2 0 m e , 度 灵敏度 ( t a = 2 5 。c ，v d d = 3 3 v ) 1 5 9s 1 5 9 7 4 08 0 08 6 0 m v g 2 9 s 2 9 5 5 56 0 06 4 5 m v g 4 9 s 4 9 2 7 7 53 0 03 2 2 5 m v | 兽 6 9s 6 9 1 8 52 0 0 2 1 5 m v g 灵敏度偏移 s r 0 0 3 度 带宽响应 x y f - 3 d b 3 5 0h z z f - 3 d b 1 5 0 h z 6 浙江大学硕士学位论文 控制时间 上电反应时间t r e s p o n s e 1 02 0m s 使能反应时间t e n a b l e o 52 0m s 传感参量共振频率 x y f g c e l l 6 ok h z z f c c e l l 3 4k h z 内部采样频率f c l k 1 1k h z ( 2 ) 磁通传感器s e n - r 6 5 、s e n - z 6 5 磁通传感器s e n r 6 5 15 1 、s e n z 6 5 1 5 1 具有低成本、低功耗、体积小、性能好 等优点。结合p n i 专用集成芯片可以测量3 轴的磁通量，测量范围软件可调，温 度影响与零点漂移可以忽略。 特性 低功耗： 10 0 u a 3 v d c 工作温度：单独工作为- 4 0 8 5 摄氏度；与p n ia s i c 工作为一2 0 7 0 摄氏 度 宽量程：+ - 11 高斯 高灵敏度：1 5 0 微高斯；高精度：0 6 体积小：s e n r 6 5 ：6 0 2 1 2 1 m m ；s e n z 6 5 ：3 0 3 0 5 0 5 m m 外围器件：p n ia s i c 加两个匹配电阻 线性度：1 ，无需标定 结合p n ia s i c 的连续采样情况如表2 2 所示，其中电压为3 v 。 表2 23 v ，8 h z 下结合p n ia s i c 的连续采样情况 t a b l e 2 2c o n ti n u o u ss a m p li n g3 va t8 h zw it hp n ia s i c 周期选择 比率 单位计数值灵敏度( u t )工作电流采样时间 ( 计数值 ( m a )( m s ) u t ) o3 2o 5 231 9 1 20 0 1 7o 3 6 6 1 6 4 1 0 4 70 9 5 60 0 2 9o 73 1 21 2 82 0 9 40 4 7 80 0 531 4 6 3 2 5 6 4 1 8 8o 23 90 10 22 8 5 45 1 28 3 7 50 1 2 00 2 0 05 6 5 5 1 0 2 4 1 6 7 50 0 6 0o 3 9 61 1 7 7 浙江大学硕士学位论文 l 6 | 2 0 4 8 3 3 50 0 3 0o 7 8 823 4 l l 7 4 0 9 6 6 7o 0 1 51 5 6 94 6 8 l ( 3 ) 3 轴磁通传感驱动和控制器p n i - 1 1 0 9 6 p n i 一1 1 0 9 6 1 6 堤在p n i 公司的磁通传感器的基础上研制出的一种低磁测量应 用专用集成电路。p n i - 1 1 0 9 6 可以控制和测量3 个分立的磁通传感器，每个传感 器可独立地进行测量，而且有独立的组配测量方案。p n i 一1 1 0 9 6 具备高判断模式 和测试振荡电路、计数电路的输出显示。p n i - 1 10 9 6 覆盖了整个电路的测量， 其中包括模拟和数字方块。每个传感器都会在其相应平行的磁场内进行实际的感 应系数变化。为了进行测量，传感器必须连接到l r 振荡电路上。由p n i 公司研 制的双极微测量方案可以在固定温度下独立完成磁场测量。它同时具有把测量范 围变换到0 中心和正负值的优点。 特性 工作电压：2 2 5 o v 工作温度：- 2 0 7 0 摄氏度 低功耗： 5 0 0 u a 3 v d c ； l u a ，空闲模式 高采样率：高达2 0 0 0 采样率s 宽的动力范围：9 6 d b ( 3 比特) 附加所需缩放比例 完备的3 轴磁感应驱动器，超低的冲模磁信号，全数字s p i 接口 其中控制寄存器的控制位p s 2 ：0 选择分割比率，用以控制被测量的精度，如表 2 3 所示。结合表2 2 ，可以选择相应的磁通测量精度。 表2 3 周期选择控制位p s 2 ：0 t a b l e 2 3p e r i o ds e l e c tp s 2 ：0 p s 2 p s lp s o 比率 ooo3 2 0o16 4 0l01 2 8 0l12 5 6 10o5 1 2 10l1 0 2 4 11o2 0 4 8 11l4 0 9 6 3 浙江大学硕上学位论文 ( 4 ) 射频芯片m c l 3 2 0 1 飞思卡尔m c l 3 2 0 1 1 7 1 是一种短距离，低功耗，2 4g h z 工业、科学、医疗( i s m ) 频段的无线收发器。m c l3 2 0 1 包含了一个完整的8 0 2 15 4 物理层( p h y ) 调制解 调器，符合8 0 2 1 5 4 无线标准，支持点对点、星状和网状网络。m c i3 2 0 1 包括 8 0 2 15 4 物理层m a c 层，便于h c s 0 8 系列m c u 的使用。当与适当的微控制器相 结合，m c i3 2 0 1 为短程数据链路和网络提供了一个具有成本效益的解决方案。其 采用四线串行外设接口( s p i ) 与m c u 进行通信，同时有一个中断请求输出脚用于 配合m c u 的工作。该软件和处理器还可以扩展到一系列的应用，从简单的点到点 系统到完整的z i g b e e 网络。该收发器包括一个低噪声放大器、l m w 额定输出功 率、有内部压控振荡器的功率放大器、集成的发送接收开关、电源校正器、全 扩频编码和解码。该器件采用正交相移键控( o - q p s k ) 调制方式。s p i 端口和中断 请求输出脚用于发送接收数据的传输和控制。 特性 工作电压：2 o v 一3 4 v 工作温度：- 4 0 8 5 摄氏度 三种低功耗模式 2 7 v ：关闭模式 一，) 弓+ f 。 ( 3 4 ) 式中t 为一个常量。，一川表示子节点的虚拟时间戳相对父节点虚拟时间 戳的差值。 根据( 3 2 ) 式，结合( 3 4 ) 式，父节点接收到子节点，和子节点，的时间间隔 为： a t i j = ，j ( 巧一弓) + 0 ( 弓一乃) + ( ，一) f ( 3 5 ) ，f 即为子节点，与子节点之间对应时隙的时间间隔。由( 3 5 ) 式可知，对 于固定的，和值，若z 乃弓，则随着时间的推移，即随着f ，m 的不断变化， ，是不断变化的，这必然满足不了固定的时隙分配。所以以下给出的算法中， 首先对各节点的周期进行了调整，使各节点之间的周期达到最小的偏差值。 3 2 2时钟周期调整机制 ( 3 5 ) 式中各节点的周期很难达到一致，是由于节点晶振特性的差异，即使 各节点之间的时钟频率和计数周期设为同一值，也不能保证各节点的周期相等， 所以v t s p 算法中首先对节点的周期进行调整，使节点之间的周期偏差达到一个 最小值。 不失一般性，以子节点，为例，它周期性地接收父节点的信标信号，并记录 接收到信标信号时的本地时刻值，该值对应于其瞬时计数值为： m m t 。，m 1 2 。其对应的绝对时刻值为： f t = n t l + 彳哪+ f nn l = q ，1 ，2 怕d 浙江大学硕士学位论文 其中乃= m f l n ， f i l l 表示子节点，初始周期对应的绝对时刻。 因为父节点是周期性地发送信标信号，即它在各个周期中的固定时刻值f 疗 发送，所以可知信标信号发送的绝对时刻值为： t f = n f t rj r 下f s + t l fn f = o ，1 ，2 怕1 1 由( 3 6 ) 式可知，子节点连续接收+ 1 个信标信号所需时间为： a t t = n 7 ：+ 一乃o ( 3 8 ) 同理，由( 3 7 ) 式可知，父节点发送+ 1 个信标信号所需时间为： a t f = n 弓 ( 3 9 ) 由于无线传感器网络是小范围之内的网络，可以假定子节点接收到各信标节 点的延时相等，其实这样的假定也是合理的，不妨设产生的距离误差为1 0 0 m ， 则延时误差为0 3 3 u s ，这对传感器节点的晶振来说已是一个较高的精度。所以 我们可以得出( 3 8 ) 式= ( 3 9 ) 式，即 n ( t i 一乃) = 一o ( 丝一堕) ：堕一堕 、ff 。ff m ，：m + 华= m + 埘 ( 3 10 ) j l n i 式中埘= 鼍产为计数偏移量。 由( 3 1 0 ) 式可知，只要将子节点的计数周期值调整偏移量埘就可以达到与 父节点相同的周期值。各个子节点经过以上操作后，都具有与父节点相同的周期 值，即 乃= t ( 3 11 ) 根据( 3 5 ) 式，结合( 3 11 ) 式，可以得到如下关系： 弓= ( ，一) 。a r ( 3 1 2 ) 对于固定的，和值，瓦是一个固定值，即对于固定的两个子节点，父节点 接收到它们的数据包时对应的时间间隔始终是固定的，这就保证了各子节点能够 始终独占自己的时隙，不产生相互之间的干扰。这里，值的设置是方便的，只要 浙江大学硕士学位论文 是能够代表子节点唯一性的值都适用，比如代表节点网络中序列号的网络编号。 然而，由于各节点之间存在时间漂移，他们之间的周期不可能完全相等，下 面提出的一种刷新机制，将针对如何减小漂移作用带来的影响作出讨论。 3 2 3 刷新机制 由于各节点之间的晶振漂移，以上算法只能使各子节点之间的时钟周期达到 最小的偏差值，但不能保证各节点的时钟周期完全相等，所以( 3 1 1 ) 不是严格正 确的，严格的表示方法应该为： z l ( 3 13 ) 所以( 3 1 2 ) 式只是在理想情况下得到的结论，我们可以将( 3 1 2 ) 式定义为理 想情况下两节点之间的时隙间隔值。当在非理想情况下，两节点之间的时隙间隔 又回到( 3 5 ) 式。 经过时钟周期调整后，各个子节点可以软件设置接收到信标信号时的本地时 刻值，如设置为f 。，则各子节点对应的绝对时间为： f ，= ，乃+ 乃+ ， ，= 0 ，1 ，2 ( 3 1 4 ) ( 3 1 4 ) 式的操作是重新设置虚拟时间戳。在( 3 1 2 ) 式的约束条件下，( 3 1 4 ) 式表明各子节点之间完全达到了时间同步，而在( 3 1 3 ) 式的约束条件下表明各子 节点之间只达到近似同步。 下面介绍一种刷新机制，可以减小各节点之间的时间漂移带来的影响。刷新 机制如下：子节点，经过一定时间的数据通信后，重新进行时间调整，其调整的 基准是接收到父节点信标信号的时刻值，如( 3 1 4 ) 式所示。经过一次调整后，其 对应的虚拟时间戳重新从0 开始计数，即m = o ，1 ，2 。换一种说法就是，当子 节点，的虚拟时间戳达到某一个值后，重新将虚拟时间戳设为0 ，即始终满足如 下关系：，m 。，m 。可以软件设置，其大小部分决定了因漂移而产生的时 间偏差的大小。设经过时钟周期调整后满足如下关系：l0 一乃i 已。根据( 3 5 ) 式，可以定义子节点，产生的时隙偏移如下： 4 = m l ( 7 ；一0 ) l ( 3 1 5 ) ( 3 1 5 ) 式满足巧m 。a r m 。，4 ：i a 。下面给出该刷新机制可行性与稳 浙江大学硕：t 学位论文 定性的判据： 4 a r ( 3 1 6 ) 在( 3 16 ) 式的判据下，( 3 5 ) 式一( 3 12 ) 式的绝对值为： i ，f j 一i ：! ，i - i ，。( 巧一弓) + ( 弓一乃) i 2 _ m 。a t m 缸 j ；： ( 3 1 7 ) 所以只要始终能够满足( 3 1 6 ) 式，则在该刷新机制下，时隙的偏移相对于理 想时隙的大小是很小的，也就是说相邻时隙之间产生的错位很小，相邻节点之间 的通信不会产生太大的干扰。 这里稍作总结，时钟周期调整是为了减小各子节点之间的时钟周期偏差值， 刷新机制是为了控制虚拟时间戳的阈值，在这两个约束条件下，各子节点能够拥 有稳定的通信时隙。 3 3 实验数据的测试与分析 根据以上算法，我们设计了一个小系统，来检验v t s p 算法的可行性。该系 统由1 个父节点和5 个子节点组成，相当于无线传感器网络中的一个簇。节点周 期为而1 s ，采用时钟频率为2 5 0k 胞的计数器设置周期，计数范围为o 8 3 3 2 。 系统的工作步骤如下： ( 1 ) 建立网络，这里为单层网络，即只有1 个父节点和5 个子节点。每个子 节点被分配一个网络编号( n e t i d ) ，该值被用为确定算法中的，值； ( 2 ) 进行时钟周期调整，每个子节点达到与父节点近似的时钟周期； ( 3 ) 进行时隙分配，时隙大小设定为5 3 0 ( 单位1 2 5 0 m s ) ，不同n e t i n 的子 节点被分配到不同的时隙中； ( 4 ) 子节点周期性地发送固定长度的数据包，数据包的长度为2 0 个字节，父 节点接收数据； ( 5 ) 各子节点每隔一定的通信时间，进行一次刷新操作。 我们对该系统进行了测试，下面是一些具体的测试数据。 3 3 1 时隙分配情况 5 个子节点被分配的n e t i f ) 后，对应的，值分别为1 5 。经过时钟周期调整 后，时隙分配情况如图3 1 所示。 型塑些墅l 图3 1 时隙分配情况 f i g 3 1s t a t u so ft i m es l o ta l l o c a t i o n 图3 1 中，横坐标表示虚拟时问戳以纵坐标表示时隙，各曲线表示的是父 节点在各周期中接收到子结点固定长度数据时对应的本地时刻值，这间接表明了 时隙分配情况。由图3 1 可以看出，接收到，= 1 子节点数据的时刻在1 15 0 左右， 接收到，= 2 子节点数据的时刻在1 6 9 0 左右两相邻节点的数据接收时刻差 约为5 3 0 , 即时隙大小。随着时间的推移，时隙偏移会越来越大，各节点的偏移 斜率都不一样。偏移斜率是由父节点和子节点之间的周期差值决定的，周期差值 越大 偏移斜率绝对值越大；周期差值越小，偏移斜率绝对值越小；当周期差值 为。时，偏移斜率为零，在图3 1 中所示应该为一条横线，实际当中往往是不可 能达到的进行时钟周期调整的目的是使父节点和子节点之问的周期差值尽量 小，这样会使节点的周期偏移速度尽量慢。我们看到节点的偏移斜率有正的，也。 有负的，斜率不一样的两条直线在空间总会有一个交点，在本系统中表现为随着 时间的推移两相邻节点之间的有效时隙会越来越小，当有效时隙不足以发送一个 完整的数据包时，两个节点之问就产生了产生了干扰，导致丢包。 浙江大学硕士学位论文 3 3 2时隙偏移 随着数据通信的进行，时隙偏移量会逐渐积累，时间偏移情况如图3 2 所示。 y 1 0 0 7 5 2 5 图3 2时隙偏移情况 由图3 2 中可知，相同时间下各节点的时隙偏移量不同，即各节点的偏移斜 率不相同。在15 0 0 个周期下，= 1 子节点对应的时隙偏移量约为7 5 ，= 2 子 节点子节点对应的时隙偏移量约为9 0 另有效时隙大小为，最大时隙偏 移量为4 。，则有效时隙大小可表示为： 1 ：e f c a r 一2 4 。 由上式可知，增大时隙大小或者减小时隙偏移，都可以增大有效时隙的大小。 在时隙一定的情况下，时隙偏移成为决定性的因素。时隙偏移由偏移斜率和时间 决定，相同时间下，偏移斜率越大的节点时隙偏移量越大；相同节点，时间越长 时隙偏移量越大。 进行刷新操作的目的是防止时隙偏移的积累，而将时隙偏移量控制在一定的 浙江大学硕士学位论文 范围之内。图3 3 所示为，= 1 子节点在不同刷新周期下的时隙偏移情况。 图3 3z = 1 子节点在不同刷新周期下的时隙偏移情况 由图3 3 可知，刷新周期为2 0 0 时，时隙偏移量约为2 0 ；刷新周期为5 0 0 时，时隙偏移约为3 5 ；刷新周期为1 0 0 0 时，时隙偏移约为5 0 ；刷新周期为15 0 0 时，时隙偏移约为7 5 。刷新周期越长，时隙偏移量越大。以上几种刷新周期下， 基本都满足历 a r 。在实际应用系统中，可根据具体时隙大小和偏移斜率确定 刷新周期的大小。 3 3 3 算