基于Telosb无线节点平台的声源定位系统设计(2)
1.1.1 无线传感器网络的研究状况
1.1.2 无线传感器网络结构
就目前的无线网络发展为止，常见的无线网络可以分为两种：有基础设施的网络以及没有基础设施的网络，又称为无线自组网（Ad Hoc Network）。前一种网络需要固定的基站。常见的例如手机，需要运营商的基站来支持。相比有基础设施的网络，无线自组网的具有一些优势：它的网络节点是分布式的，也不存在专门的固定基站，因此它能够快速、灵活、方便地自动组网。无线传感器网络是由大量的静止或移动的传感器以多跳型的结构和自组织形式组成的无线网络，属于无线自组网。
无线传感器网络的体系结构如图1-1所示。一般无线传感器网络系统需要包括以下三种类型节点，分别为传感器节点、汇聚节点和管理节点。传感器节点如果采集监测到环境数据，就会以无线方式发送信息包。由于无线传感器节点的通讯距离有限，距离基站较远的节点需要通过附近节点的桥接将消息包发送至基站即汇聚节点。通常大范围的网络区域中，边缘节点需要通过多次跳跃传送汇聚节点才能收到信号。汇聚节点通过多种方式与PC端通讯，例如经由Internet外围网或者串口通讯等。
图1-1 传感器网络体系结构
现代传感器网络要求节点体积较小，便于布置。但与此同时带来的就是传感器节点的能源问题。通常传感器节点使用外置电池，电池容量有限。在一定的电量下，为了保证传感器节点的长期稳定工作，节点的能耗必然需要减小。因而传感器节点往往牺牲了自身的处理能力。并且传感器节点需要进行的不仅是数据处理，还必须将接受到的其它节点的信息进行转发等功能。
不同于子节点，汇聚节点最终接受以及发送数据。这就要求它在全网中具有较强的处理能力和通讯能力。因为它需要同时连接传感器网络与互联网等外部网络，不仅要发布管理节点的监测任务，还需要把收集到的数据转发到外部网络上。而管理节点直接连接用户，主要具备数据接收功能。用户在PC端对数据进行相应处理，实现监测、管理等预设功能。
1.2 声源定位技术概述
声音是一种重要的信息媒介，在自然界中十分普遍、常见。不同的事物具有不同的声音，人们往往能通过声音来确定事物的位置，通过音色来判断事物的种类。声音对于人类生活具有不可替代的作用。因而声源定位——有效地利用声音来确定目标的位置，也具有极大的研究意义。
根据目前的研究状况，以下为三种主要的声源定位原理：
1） 仿人双耳的声源定位原理。
人耳是一个十分复杂且敏感的器官。声音信号首先要经过耳廓的处理，然后进入人脑。左耳与右耳接收到的声音强度并不相同，人脑通过接收到的声音强度大致能够分别出声源的位置。这是仿双耳定位原理的基础，制造出类似人耳的模型，接收声信号来确定声源位置。
2） 基于到达时间差的声源定位原理。
幅度是声音的基本物理参数之一。人耳辨别声音主要利用的就是这一物理量。虽然左右耳接收到声音的时间不同，但由于在空气中声速为342m/s，较短距离内人耳并不能分出具体区别。不同于人耳，机器可以更精确地分辨声音到达的时间。基于到达时间差的声源定位方法就是通过不同传感器接收到声信号的时间差来确定声源位置。如图1-2。
对于不同位置的传感器，声信号到达的时间是不一样的，具有一定的时间差。并且声源必然位于以这两个传感器为焦点的双曲面上。双曲面的具体参数和声源与这两个传感器的距离——声速与时间的乘积有关。当然声源可能在双曲面的任意一点上。要想具体确定声源的准确位置，需要使用多对传感器。对于平面声源来说，两对传感器即三个传感器能够具体确定其位置。对于空间声源来说，三对传感器即四个传感器能够实现定位。