用音頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間距測量

利用音頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間距自主測量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。本系統(tǒng)包括dsPIC6014A微控制器、512 KB的SRAM，2.4 G波段的RF收發(fā)模塊、音頻收發(fā)模塊及電源管理模塊等。通過測量RF同步信號(hào)與音頻信號(hào)的時(shí)間差來測量節(jié)點(diǎn)間的間隔距離，節(jié)點(diǎn)利用多次測量數(shù)據(jù)累加平均及IIR數(shù)字濾波技術(shù)提高了測距信號(hào)的信噪比，用幅度檢測實(shí)現(xiàn)了測距信號(hào)的到達(dá)時(shí)刻判別。測試數(shù)據(jù)表明，該節(jié)點(diǎn)最遠(yuǎn)測距距離可達(dá)30 m，誤差小于3.5％。

節(jié)點(diǎn)間隔距離測量所利用的參量主要有：

接收信號(hào)強(qiáng)度(RSS)、信號(hào)時(shí)間差(TPOA)、角度量(AOA)／信號(hào)到達(dá)方向(DOA)。其中，對(duì)RSS和射頻加超聲波測距的研究較多。射頻信號(hào)的傳播衰減和眾多參數(shù)相關(guān)，如初始發(fā)射功功率、天線距離地面的高度、反射、載波頻率等等，不進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，誤差可能超過50％。射頻加超聲波定位采用的超聲波頻率為40kHz，存空氣中的衰減特性決定了測距距離一般不超過10 m，方向性強(qiáng)，適合室內(nèi)使用。聲波在空氣巾的衰減隨著頻率的降低而減少，在數(shù)kHz時(shí)，利用低成小的商業(yè)音頻收發(fā)技術(shù)就能實(shí)現(xiàn)數(shù)十米范圍內(nèi)的距離測量，是一種實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離高精度定位的有效技術(shù)。文獻(xiàn)[1，6]介紹了利用偽隨機(jī)碼+DSP相關(guān)處理實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的聲源定位精度，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。文獻(xiàn)[5]的工作與本論文研究工作相近，采用通用的Mica2節(jié)點(diǎn)平臺(tái)，用大功率聲發(fā)射器及模擬鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)了音頻測距信號(hào)檢測。

比較成熟并已經(jīng)商業(yè)化的節(jié)點(diǎn)是由美國加州大學(xué)伯克利分校研制的Mica系列和Telos節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)僅提供了一個(gè)基本硬件平臺(tái)，必須采用專用接口板才能實(shí)現(xiàn)其他功能的擴(kuò)展。本論文研究目的是探索一種可以在野外使用，具有遠(yuǎn)距離高精度自定位的節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)。設(shè)計(jì)一種全新的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。

2 節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于上述考慮，實(shí)現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。節(jié)點(diǎn)采用Microchip公司的dsPIC6014A單片機(jī)，它內(nèi)置了12位ADC和8 KB的RAM，16位的指令操作和I／O控制，支持C語言編程和部分DSP功能，時(shí)鐘、功耗控制靈活，能在3～5 V的電壓范圍工作，3.3V時(shí)的最高運(yùn)行速度20 MIPS。節(jié)點(diǎn)配置了一片512KB的SRAM。dsPIC6014A的一個(gè)16位端口被用作SRAM地址總線的低位，高3位由另外的3個(gè)I／O位控制，8個(gè)子存儲(chǔ)空間被用于保存采集到的音頻信號(hào)數(shù)據(jù)和進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理時(shí)的臨時(shí)數(shù)據(jù)。

射頻收發(fā)模塊采用nRF24L01，通過SPI接口和CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。音頻信號(hào)發(fā)生器采用市售標(biāo)準(zhǔn)的壓電蜂嗚器，經(jīng)過對(duì)自然界的噪聲頻譜測試及統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)多數(shù)的音頻信號(hào)頻率集中在20～3000 Hz，因此，蜂鳴器的中心頻率選擇為3000 Hz，聲壓大于90 dB。音頻接收傳感器為駐極體式麥克風(fēng)，兩級(jí)放大器增益約60 dB，為了提高抗干擾能力，節(jié)點(diǎn)中增加了一個(gè)中心頻率為3000 Hz的二階巴特沃斯帶通濾波器，電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。電路實(shí)測結(jié)果：中心頻率3000 Hz，-3 dB帶寬約為987 Hz。

節(jié)點(diǎn)采用1節(jié)3.7 V鋰離子可充電電池作為電源，在休眠期內(nèi)關(guān)閉一切不工作單元的電源供給以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。一個(gè)由RTC(實(shí)時(shí)時(shí)鐘)控制的電源管理單元進(jìn)行各級(jí)電源分配和管理。系統(tǒng)上電后，電源管理單元被置為有效狀態(tài)，CPU對(duì)RTC進(jìn)行喚醒時(shí)刻設(shè)置，工作完成后，CPU關(guān)閉電源管理單元輸出，此時(shí)只有RTC和電源管理單元在工作，功耗為12 μW，當(dāng)預(yù)定的喚醒時(shí)刻到來時(shí)，RTC輸出一個(gè)中斷信號(hào)，開啟電源，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入工作狀態(tài)，如此重復(fù)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)工作和休眠周期的控制。節(jié)點(diǎn)的獨(dú)特之處是通過利用RTC所具有的數(shù)分鐘到數(shù)天時(shí)間的定時(shí)中斷設(shè)置功能實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行與休眠周期靈活控制，實(shí)現(xiàn)了低功耗設(shè)計(jì)。

在室外利用音頻信號(hào)測距時(shí)，大氣溫度、風(fēng)速及風(fēng)向?qū)β曀儆幸欢ǖ挠绊?，?jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)風(fēng)速測量目前還存在較大的技術(shù)障礙，低風(fēng)速時(shí)溫度的影響是主要的，這里采用公式c=331.4+0.6T來補(bǔ)償聲速，式中T為大氣溫度(℃)。溫度傳感器為Maxim公司的DS1624，具有標(biāo)準(zhǔn)的I2C接口。

3 測距信號(hào)到達(dá)時(shí)刻算法

本文提出了一種基于數(shù)字整流處理的測距信號(hào)TOA估計(jì)方法，其基本原理是通過對(duì)測距信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，獲取具有較高信噪比的測距信號(hào)幅值變化信息，再通過幅度變化趨勢分析實(shí)現(xiàn)TOA的估計(jì)。它包括以下處理過程：

(1)測距信號(hào)的信噪比。測距信號(hào)可以表述為：f(t)=Av+Assin(ωst+φs)+N(t)，Av為信號(hào)采集后產(chǎn)生的直流分量，N(t)為隨機(jī)分布的噪聲。根據(jù)信號(hào)分析理論，提高信噪比可以采用數(shù)字濾波或者多次采樣累加后求平均值的方法。考慮到節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算能力及硬件結(jié)構(gòu)，采用4次采樣再求平均值的方法。

(2)去除直流分量。對(duì)f(t)求平均值A(chǔ)v，再進(jìn)行減法處理，濾除信號(hào)中的直流分量，使之成為交流信號(hào)j(t)，音頻測距信號(hào)是交流信號(hào)，濾除直流分量有利于后續(xù)處理過程中分離出較大的測距信號(hào)幅度。

(3)數(shù)字全波整流。經(jīng)過(2)處理后的信號(hào)是正負(fù)變換的雙極性信號(hào)，再進(jìn)行z(t)=| j(t) |處理，即數(shù)字全波整流，變換為正的單極性信號(hào)。

(4)低通濾波。利用二階IIR低通濾波器對(duì)z(t)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，得到一個(gè)與z(t)包絡(luò)線相似的信號(hào)b(t)。

(5)對(duì)b(t)進(jìn)行幅值變化趨勢分析。在測距信號(hào)開始出現(xiàn)的數(shù)據(jù)段，相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)的幅值差較大，而且是連續(xù)遞增的(通過試驗(yàn)可以確定連續(xù)遞增的最小數(shù)據(jù)個(gè)數(shù))，找出幅度連續(xù)增加的起始點(diǎn)n(i)，即為信號(hào)到達(dá)時(shí)刻點(diǎn)，如圖3所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)用的測距信號(hào)為單頻率正弦信號(hào)，頻率為3000 Hz，采樣頻率23.8 kHz，采樣長度為 4096點(diǎn)(12位ADC)。圖3是原始信號(hào)波形及數(shù)據(jù)處理過程中的數(shù)據(jù)波形。對(duì)于原始信號(hào)，直接利用信號(hào)的幅度或者頻率來判別測距信號(hào)的起始點(diǎn)存在很大誤差或者無法識(shí)別，而利用本文所述的方法可以獲得精度較高的信號(hào)起始點(diǎn)。在系統(tǒng)時(shí)鐘為10 MHz時(shí)，整個(gè)計(jì)算過程約耗時(shí)1.5 s，可以滿足靜態(tài)或者慢速移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的定位需求，在30 m處的測距最大誤差約3.5％。

5 結(jié) 論

實(shí)現(xiàn)了一種具有音頻定位功能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，它具有獨(dú)立的RTC+電源管理單元設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了低功耗休眠，可以實(shí)現(xiàn)30 m遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)間距測量。提出用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的測距信號(hào)TOA估計(jì)方法，可以獲得較高的到達(dá)時(shí)刻估計(jì)精度，為實(shí)現(xiàn)高精度的節(jié)點(diǎn)定位提供了一種有效的方法。該節(jié)點(diǎn)可用于構(gòu)建應(yīng)用于森林、農(nóng)田等遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)間距的無線網(wǎng)絡(luò)。