一种双向收发一体化超声测距方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及无线传感器网络定位技术领域，特别是指一种双向收发一体化超声测距方法及系统。
【背景技术】
[0002]无线传感器网络作为一种新近的信息获取和处理技术，无线传感器网络可以在广泛的应用领域内实现复杂的大规模监测和追踪任务，而网络自身定位是大多数应用的基础。
[0003]对于大多数应用，不知道传感器位置而感知的数据是没有意义的。传感器节点必须明确自身位置才能详细说明“在什么位置或区域发生了特定事件”，实现对外部目标的定位和追踪。另一方面，了解传感器节点位置信息还可以提高路由效率，为网络提供命名空间，向部署者报告网络的覆盖质量，实现网络的负载均衡以及网络拓扑的自配置。而人工部署和为所有网络节点安装GPS接收器都会受到成本、功耗、扩展性等问题的限制，甚至在某些场合可能根本无法实现，因此必须采用一定的机制与算法实现无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)的自身定位。
[0004]比较普遍的是基于测距技术的定位，其中，常用的方法包括: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。
[0005]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。且由于发送射频包的时延不仅和网络传输模型有关，还和网络使用的协议和网络节点之间的跳数有关，不能近似忽略发送射频包的时延。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的技术问题是提供一种双向收发一体化超声测距方法及系统，以解决现有技术所存在的传统超声测距方法中频繁发送射频信号导致的网络负载压力大、节点功耗大、生存周期短和时延长的问题。
[0007]为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种双向收发一体化超声测距方法，包括:
[0008]将网络中各节点的时钟进行同步；
[0009]处于发送超声波状态的节点向四周360°发送超声波信号，处于接收超声波状态的节点开始计时并接收所述超声波信号，其中，处于发送超声波状态的节点称为发送节点，处于接收超声波状态的节点称为接收节点；
[0010]根据超声波信号的传播速度与环境温度的关系，对超声波信号在空气中的传播速度进行温度自适应补偿；
[0011]当接收节点接收到所述超声波信号时，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及温度自适应补偿后的超声波信号的传播速度，确定发送节点和接收节点之间的距离。
[0012]进一步地，所述处于发送超声波状态的节点向四周360°发送超声波信号，处于接收超声波状态的节点开始计时并接收所述超声波信号之前包括:
[0013]在各节点入网时钟同步后，发送超声波信号之前，将时间分割为周期性的超帧，每个超帧包含一组测距时隙，每组测距时隙用于完成一组测距；
[0014]在每组测距时隙的开始时刻判断当前时隙类型；
[0015]若当前的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；
[0016]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，节点之间的测距是根据工作状态表周期性的进行。
[0017]进一步地，一个发送节点发送的超声波信号，可以由多个接收节点进行接收；
[0018]所述处于发送超声波状态的节点向四周360°发送超声波信号，处于接收超声波状态的节点开始计时并接收所述超声波信号包括:
[0019]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对应的多个超声模块同时向四周360°地发送超声波信号，其中，该节点A称为发送节点；
[0020]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Ti，并通过节点B对应的多个超声模块接收发送节点发送所述超声波信号，该节点B为接收节点。
[0021]进一步地，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及温度自适应补偿后的超声波信号的传播速度，确定发送节点和接收节点之间的距离包括:
[0022]若所述接收节点对应的多个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；
[0023]若所述接收节点对应的多个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信号的时间T2;
[0024]根据超声波信号的传播速度与环境温度的关系，对超声波信号在空气中的传播速度进行温度自适应补偿；
[0025]根据!^与!^的时间差及温度自适应补偿后的超声波信号的传播速度，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。
[0026]进一步地，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。
[0027]进一步地，每个节点对应8个超声模块；
[0028]每个超声模块的探头为收发一体探头或收发分体探头；
[0029]发送节点发送的信号为经过脉冲宽度调制过的信号。
[0030]进一步地，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；
[0031]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。
[0032]本发明实施例还提供一种双向收发一体化超声测距系统，包括:至少2个节点；所述节点包括:处于发送超声波状态的节点、处于接收超声波状态的节点及处于静默状态的节点，每个节点包括:控制器、多个超声模块及为所述控制器、多个超声模块提供电源的电源模块，所述控制器包括:网络时钟同步模块、收发模块、计时模块、温度自适应补偿模块及节点距离确定模块；
[0033]其中，处于发送超声波状态的节点称为发送节点，处于接收超声波状态的节点称为接收节点；
[0034]所述网络时钟同步模块，用于将对应节点的时钟进行同步；
[0035]所述收发模块，用于向对应的多个超声模块发送信号或接收来自对应的多个超声模块的输出信号；
[0036]所述计时模块，用于若确定一节点的状态为接收超声波状态时，则该节点对应的计数器开始计时，当该节点接收到发送节点发送的超声波信号时，该节点对应的计数器停止计时；
[0037]所述温度自适应补偿模块，用于根据超声波信号的传播速度与环境温度的关系，对超声波信号在空气中的传播速度进行温度自适应补偿；
[0038]所述节点距离确定模块，用于根据停止计时与开始计时之间的时间差及温度自适应补偿后的超声波信号的传播速度，确定发送节点和接收节点之间的距离；
[0039]所述多个超声模块，用于向四周360°地发送或接收超声波信号。
[0040]进一步地，每个节点对应8个超声模块，每个超声模块的探头为收发一体探头或收发分体探头；
[0041]所述超声模块包括:发送电路、接收电路与所述发送电路、接收电路相连的探头；
[0042]所述发送电路，用于接收所述收发模块发送的信号，并对接收到信号进行差分反相、放大处理，同时通过驱动电路提高电流驱动，并通过并联反相器电路及电容去直流分量电路，再由探头将所述信号转换为超声波信号发送出去，其中，收发模块发送的信号为经过脉冲宽度调制的信号；
[0043]所述接收电路，用于将收发一体探头或收发分体探头接收到的信号经过一级放大、二级滤波、三级放大、四级阈值比较和模数转化电路转换后，提取目标信号，并将所述目标信号输出至所述计时模块，激励所述计时模块记录停止时刻；
[0044]其中，若超声模块的探头为收发一体探头，则采用阻抗匹配电路将所述发送电路与接收电路并到一路，共同连接至超声模块的收发一体探头。
[0045]进一步地，所述控制器还包括:节点工作状态确定模块；
[0046]所述节点工作状态确定模块，用于在各节点入网时钟同步后，发送超声波信号之前，将时间分割为周期性的超帧，每个超帧包含一组测距时隙，每组测距时隙用于完成一组测距，在每组测距时隙的开始时刻判断当前时隙类