[发明专利]一种基于声音的物体落点定位方法

权利要求书

1.一种基于声音的物体落点定位方法，其特征在于，包括以下步骤；

(1)布设各信标节点，并建立相对位置坐标系，测量并记录各信标节点的坐标值；各节点通过nRF24L01搭建无线网络；所述各节点主要由麦克风、A/D芯片、nRF24L01无线模块、微处理器组成，其中汇聚节点作为同步节点；

(2)服务器记录步骤(1)中的节点坐标值以建立相对位置坐标系，并通过串行通信接口通过汇聚节点对各信标节点设置采样速率fs及信号处理段数N_s；服务器通过串行通信接口向汇聚节点发送系统运行指令；

(3)汇聚节点接到步骤(2)中服务器的系统运行指令后，通过步骤(1)中所搭建的无线网络，向无线网络广播同步命令；各信标节点在接收到同步命令后，响应此同步要求，将本地时钟计数器归零；汇聚节点每隔10分钟向无线网络广播一次同步指令；

(4)各信标节点在经过步骤(2)的时钟同步后，打开本地麦克风进行声音采集，并开启信号处理算法流程，对有所采集到的声音事件进行识别、到达时间(TOA)估计，并将节点ID、到达时间及时间戳进行封装成数据帧；

(5)各信标节点通过步骤(1)所搭建的无线网络，将步骤(3)中得到的节点ID、到达时间及时间戳信息发送至汇聚节点；汇聚节点通过串口通信接口将各节点的到达时间及时间戳转发给服务器；

(6)服务器接收步骤(5)中的各信标节点中有效事件的到达时间及时间戳信息，基于TDOA的定位算法，估计出事件在相对位置坐标系中的位置坐标，并将得到的估计位置信息显示在服务器端的上位机界面中；

所述无线网络由汇聚节点的nRF24L01无线模块建立；所述汇聚节点及信标节点在硬件构成上完全相同，由麦克风、A/D芯片、nRF24L01无线模块、微处理器及各支持电路构成；所述汇聚节点用于时钟同步及数据通信，响应服务器指令并分发服务器各项配置命令，接收无线网络内部的数据，并将其转述给服务器；所述信标节点用于响应汇聚节点的指令，并用麦克风进行声音采集，本地进行TOA估计，并将各处理结果通过nRF24L01无线网络上报；所述服务器用于控制系统运行，设定系统参数，并接收各节点的TOA估计值及时间戳，通过定位算法计算物体落点的位置后显示在上位机界面中；

所述基于nRF24L01的无线网络搭建，其协议具体过程为：所有nRF24L01模块均处在同一通信频道；汇聚节点上电后，向周围广播网络名称及本机物理地址；各信标节点检测到新网络存在后，记录网络名称，并在0～2s的区间内进行随机延时后，向汇聚节点发送应答，其内容为本机物理地址；汇聚节点重复此操作3次，以记录网内所有信标节点的物理地址，并分配网络地址，并将匹配后的物理地址、网络地址及应答次序数据包进行广播；各信标节点收到此广播后，对物理地址进行匹配后记录所分配的网络地址，并按照分配的次序向汇聚节点报告匹配结果；各信标节点在匹配失败后，在所分配的回答次序之外的安全时段内重新随机延时，向汇聚节点报告本机物理地址；汇聚节点将其作为新节点重新加入网络，直至所有的节点加入网络；汇聚节点周期性向网络广播网络名称，以告知新节点网络名称，同时汇聚节点具有节点失效自动退出功能；新节点会根据网络名称会自动请求加入网络；无线网络搭建完成。

2.根据权利要求1所述的一种基于声音的物体落点定位方法，其特征在于，所述步骤(2)中的信号采样速率fs在默认下为44100Hz，信号处理段数N_s用于决定信号处理片段的长度，一般以1024长度为一段，每次采集1024×N_s个点进行一次数据处理，加上上一个数据段末段的1024个数据，每次所处理的数据长度为1024×(N_s+1)。

3.根据权利要求1所述的一种基于声音的物体落点定位方法，其特征在于，所述步骤(4)具体过程为：信标节点同步完成后，当计数器函数返回值大于V_thd时，节点开启声音采集函数进行采集，并将数据存储至本地RAM中；每采集1024×N_s个采样点，调用一次信号处理算法，其具体流程包括：F.I.R滤波、基于短时能量检测及短时过零率的有效事件检测、基于能量阈值的时域TOA估计算法。

4.根据权利要求1所述的一种基于声音的物体落点定位方法，其特征在于，所述步骤(5)具体为：汇聚节点按照固定间隔周期性地向随机信标节点发送数据发送询问指令，当该信标节点有数据需要发送时，向汇聚节点回复数据发送请求；汇聚节点探知到网络内有效事件存在时，按照网络地址向网络内的信标节点依次发送数据传输许可，依次接收各信标节点的数据帧，并将该数据帧通过串口通信接口发送至服务器。