WSN節(jié)點超聲波測距技術(shù)研究

摘要：節(jié)點間測距是無線傳感器網(wǎng)絡中基于距離的定位算法的關(guān)鍵技術(shù)之一，為了降低節(jié)點成本，提高測距精度，提出了采用超聲波非反射式測距技術(shù)實現(xiàn)WSN節(jié)點的測距。采用實驗室自制的超聲波收發(fā)模塊與JN5148開發(fā)板作為硬件平臺，在實驗室與教學樓走廊進行了測距實驗。實驗結(jié)果表明，該測距系統(tǒng)可以達到較高的測距精度，能夠為無線傳感器網(wǎng)絡的定位提供可靠的距離信息。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；定位；超聲波測距；測距精度；JN5148

無線傳感器網(wǎng)絡(wireless sensor network，WSN)是指由大量低成本，具有感知、計算和無線通信能力的傳感器節(jié)點組成的網(wǎng)絡。它集成了無線通信技術(shù)、分布式計算技術(shù)、傳感器技術(shù)、集成電路技術(shù)以及微機電系統(tǒng)(Micro-electromech-anical Systems，MEMS)技術(shù)，是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)。在無線傳感器網(wǎng)絡中，位置信息對傳感器網(wǎng)絡的監(jiān)測活動至關(guān)重要，事件發(fā)生的位置或獲取信息的節(jié)點位置是傳感器節(jié)點監(jiān)測消息中所包含的重要信息，與感知地點沒有關(guān)聯(lián)的感知數(shù)據(jù)往往沒有意義。
現(xiàn)有的定位系統(tǒng)和算法可以根據(jù)是否測量節(jié)點間的相關(guān)信息分為兩類：基于距離的定位技術(shù)(Range-based)和距離無關(guān)的定位技術(shù)(Ran ge-free)。距離無關(guān)的定位技術(shù)的精度和收斂速度在一定程度上依賴于網(wǎng)絡平均每跳節(jié)點距離估計的精度，而且當無線傳感器網(wǎng)絡各向異性或拓撲結(jié)構(gòu)比較復雜時算法的性能將明顯變差；基于距離的定位技術(shù)的精度則相對較高，能夠為無線傳感器網(wǎng)絡應用提供更為準確的位置信息，目前已被廣泛采用。
節(jié)點間測距是基于距離的定位技術(shù)的第一階段，是無線傳感器網(wǎng)絡中基于距離的定位技術(shù)的基礎(chǔ)。測距一般利用電磁波學、光學、聲學等原理實現(xiàn)，如紅外測距、激光測距、超聲波測距等。紅外測距具有價格便宜、易制、安全等優(yōu)點，但精度低、距離近、方向性差；激光測距的優(yōu)點是精度高，但成本高、制作難度大，使用時需要注意人體安全，且光學系統(tǒng)需要保持干凈，否則影響測量；超聲波測距的優(yōu)點是比較耐污耐臟，不受光線、電磁波、煙霧和灰塵的影響，且指向性好。考慮到傳感器節(jié)點的體積、功耗、成本和部署環(huán)境，超聲波測距更適用于無線傳感器網(wǎng)絡。
文中通過研究超聲波測距技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，對回波測距與非反射法測距方法的優(yōu)缺點進行比較并分析影響超聲波測量距離和精度的主要因素。然后，采用非反射式測距方法，利用實驗室自制的超聲波收發(fā)模塊，在JN5148開發(fā)平臺下進行軟件設計和開發(fā)。最后進行了測距實驗和結(jié)果分析，驗證了該測距系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可行性。

1 相關(guān)研究
1．1 回波測距
回波測距的原理比較簡單：檢測超聲波由發(fā)射探頭經(jīng)空氣介質(zhì)傳播到達被檢測物(其他節(jié)點或障礙物)之后返回到接受探頭的這段時間△t，那么超聲波的傳播距離D=vux△t，其中vu為超聲波在空氣中的傳播速度，而最終的測量距離d=D／2。
回波法測距的過程如圖1所示，其中的超聲波收、發(fā)探頭位于同一個節(jié)點上，也可以采用收發(fā)一體探頭，市場上很多超聲波測距儀都是利用超聲波反射原理制成的。超聲波在空氣介質(zhì)中傳播的時候，隨著距離的增加，其能量會逐漸減弱，振幅也會隨之減小。因此，采用回波法測距需要有反射物，且無法避免信號反射時能量的損耗和波形失真，測量距離也會受到影響。

1．2 非反射式測距
超聲波非反射式測距過程如圖2所示：超聲波信號由發(fā)送節(jié)點發(fā)出，不經(jīng)反射直接由接收節(jié)點接收。這樣只需要測出超聲波從發(fā)送端開始發(fā)送到接收端接收的時間差△t，則發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點之間的距離d=vux△t，其中vu為超聲波在空氣中的傳播速度。

與回波測距相比，非反射式測距無需反射物，能夠避免多徑反射和信號反射時的能量損耗和波形失真，測量距離也會更遠。因此，無線傳感器網(wǎng)絡中利用超聲波信號作為信息載體進行測距時，更多的是采用非反射式測距。但非反射式測距方法要求收、發(fā)節(jié)點之間保持時間同步。時間同步精度將直接影響測距精度，Cricket系統(tǒng)和AHLos系統(tǒng)等都是基于時間同步這一假設的測距定位系統(tǒng)。
1．3 測距精度
超聲波信號容易受到環(huán)境參數(shù)、傳輸角度的影響而產(chǎn)生傳輸誤差，另外，節(jié)點在處理超聲波接收信號時所產(chǎn)生的檢測誤差同樣會影響測距精度。因此，影響超聲波測距精度的因素主要包括兩個方面：
1)環(huán)境因素
對超聲波信號產(chǎn)生影響的環(huán)境因素主要有溫度、濕度和大氣壓強，其中超聲波信號的傳輸速度相對于濕度和大氣壓強的變化不是很敏感，但對于環(huán)境溫度的變化卻非常敏感。實際情況下溫度每上升或者下降1℃，聲速將增加或者減小0．607 m／s，這對于測距精度要求較高的系統(tǒng)來說是不容忽視的誤差來源。
另外，傳播到空氣中的超聲波強度隨距離的變化成比例地減弱，這是因為衍射現(xiàn)象所導致的在球形表面上的擴散損失，也是因為介質(zhì)吸收能量產(chǎn)生的吸收損失。超聲波的頻率越高，衰減率就越高，波的傳播距離也就越短。
2)檢測誤差
在接收端，超聲波傳感器接收到超聲波信號以后首先對信號進行放大，然后采用閾值檢測法、時延估計法或譜線分析法等方法判斷超聲波信號已到達并記錄下超聲波傳播時間，最后通過超聲波的傳播時間估算距離。采用不同的檢測方法，需要不同的硬件支持，而且信號的放大及檢測過程都會給節(jié)點程序的處理帶來一定的延時。以閾值檢測法為例，當放大后的信號強度到達某個門限值時觸發(fā)中斷報告超聲波信號已經(jīng)到達，而且隨著測量距離的增大，由于超聲波信號的衰減而使接收信號強度減弱，從而導致檢測電路不能及時甚至不能判斷出超聲波信號的到達。另外，同步精度、信號之間的沖突也會帶來檢測誤差。

2 超聲波測距實驗
2．1 實驗準備
實驗時采用了實驗室自制的超聲波收發(fā)模塊與JN5148-EK010開發(fā)平臺完成測距實驗。實驗室自制的超聲波收發(fā)模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示，采用硬件結(jié)構(gòu)簡單的閾值檢測法實現(xiàn)超聲波的接收檢測。JN5148是NXP公司推出的第三代全面支持ZigBee PRO，具有更低功耗和更強處理能力，完全兼容2．4GHz IEEE802．15．4標準的無線SoC。芯片集成了32位RISC處理器，4～32 MHz主頻可調(diào)。

在發(fā)送端，利用JN5148的通用IO和定時器的PWM模式為超聲波發(fā)送模塊提供使能信號和脈沖驅(qū)動信號；在接收端，利用JN5148的通用IO、SPI總線和定時器的計時模式為超聲波接收模塊提供使能信號、放大電路的增益控制信號和信號接收終端。收發(fā)同步則利用JN5148的RF信號。測距系統(tǒng)的軟件設計基于ZigBee PRO協(xié)議，便于擴展成為一個完整的定位系統(tǒng)。
2．2 實驗描述
選擇兩個JN5148節(jié)點，發(fā)送節(jié)點為Coordinator節(jié)點，接收節(jié)點為Router節(jié)點。其中，Coordinator節(jié)點同時發(fā)送RF同步信號和40 kHz超聲波并作為移動節(jié)點用來改變兩節(jié)點之間的距離；Router節(jié)點接收到同步信號以后開始計時，檢測到超聲波信號以后停止計時并計算出距離。Router節(jié)點通過串口與PC機相連，通過PC機的串口調(diào)試助手就可以查看相關(guān)的調(diào)試信息和測距結(jié)果。
針對影響超聲波測距精度的環(huán)境因素，采用JN5148內(nèi)置的溫度傳感器對超聲波的傳播速度進行補償，即vu=331．5+0．607t(m／s)，vu為補償后的速度，t為環(huán)境溫度(℃)；對于軟件延時、同步精度等帶來的檢測誤差，則利用參量補償?shù)能浖绞絹磔^小誤差。根據(jù)實驗環(huán)境的不同，設計了室內(nèi)和走廊測距實驗。室內(nèi)實驗在實驗室進行，走廊實驗在教學樓的走廊進行，走廊寬約3 m，長約30 m。
2．3 實驗結(jié)果
為了減小測距誤差，以多次測量的平均值作為測距結(jié)果。實驗過程中，Coordinator節(jié)點每隔1 m移動一次，每個點測量60次。室內(nèi)5 m范圍的測量結(jié)果如圖4所示，樣本數(shù)據(jù)平均誤差為6 cm，最大誤差為10 cm。作為對比，將走廊5 m范圍的測量結(jié)果也在圖4上作了標示，樣本數(shù)據(jù)平均誤差為10 cm，最大誤差為13 cm。走廊10 m范圍內(nèi)的測量結(jié)果如圖5所示，樣本數(shù)據(jù)平均誤差為17 cm，最大誤差為46 cm。實驗結(jié)果表明，該超聲波測距系統(tǒng)的精度較高，能夠滿足WSN定位要求。

3 結(jié)論
論文介紹了超聲波測距技術(shù)原理和影響測距精度的主要因素。通過實驗證明，用射頻信號可以實現(xiàn)收發(fā)節(jié)點的同步，用溫度補償和軟件處理延遲的方法能有效減少誤差，提高測距精度。實驗結(jié)果表明，室內(nèi)測距的平均誤差為6 cm，走廊測距的平均誤差為13 cm，但隨著測量距離的增加，誤差也會增加，且不同的實驗環(huán)境會帶來不同的誤差。超聲波的傳輸速度和路徑受環(huán)境影響且用軟件方式處理延遲不能從根本上消除檢測誤差，因此在不同的環(huán)境下測量超聲波信號在節(jié)點間的傳輸時間會有不同的誤差。
總之，結(jié)果表明，超聲波非反射式測距精度較高，適用于基于距離的定位系統(tǒng)，在無線傳感器網(wǎng)絡中將得到廣泛應用。