用音頻信號實(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同步信號與音頻信號的時間差來測量節(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)提高了測距信號的信噪比，用幅度檢測實(shí)現(xiàn)了測距信號的到達(dá)時刻判別。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：

接收信號強(qiáng)度(RSS)、信號時間差(TPOA)、角度量(AOA)／信號到達(dá)方向(DOA)。其中，對RSS和射頻加超聲波測距的研究較多。射頻信號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，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，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，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)僅提供了一個基本硬件平臺，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

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，時鐘、功耗控制靈活，能在3～5 V的電壓范圍工作，3.3V時的最高運(yùn)行速度20 MIPS。節(jié)點(diǎn)配置了一片512KB的SRAM。dsPIC6014A的一個16位端口被用作SRAM地址總線的低位，高3位由另外的3個I／O位控制，8個子存儲空間被用于保存采集到的音頻信號數(shù)據(jù)和進(jìn)行數(shù)字信號處理時的臨時數(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。音頻信號發(fā)生器采用市售標(biāo)準(zhǔn)的壓電蜂嗚器，經(jīng)過對自然界的噪聲頻譜測試及統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)多數(shù)的音頻信號頻率集中在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。一個由RTC(實(shí)時時鐘)控制的電源管理單元進(jìn)行各級電源分配和管理。系統(tǒng)上電后，電源管理單元被置為有效狀態(tài)，CPU對RTC進(jìn)行喚醒時刻設(shè)置，工作完成后，CPU關(guān)閉電源管理單元輸出，此時只有RTC和電源管理單元在工作，功耗為12 μW，當(dāng)預(yù)定的喚醒時刻到來時，RTC輸出一個中斷信號，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)天時間的定時中斷設(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。

在室外利用音頻信號測距時，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 測距信號到達(dá)時刻算法

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

(1)測距信號的信噪比。測距信號可以表述為：f(t)=Av+Assin(ωst+φs)+N(t)，Av為信號采集后產(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f(t)求平均值A(chǔ)v，再進(jìn)行減法處理，濾除信號中的直流分量，使之成為交流信號j(t)，音頻測距信號是交流信號，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幅度。

(3)數(shù)字全波整流。經(jīng)過(2)處理后的信號是正負(fù)變換的雙極性信號，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。

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

(5)對b(t)進(jìn)行幅值變化趨勢分析。在測距信號開始出現(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)個數(shù))，找出幅度連續(xù)增加的起始點(diǎn)n(i)，即為信號到達(dá)時刻點(diǎn)，如圖3所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)用的測距信號為單頻率正弦信號，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是原始信號波形及數(shù)據(jù)處理過程中的數(shù)據(jù)波形。對于原始信號，直接利用信號的幅度或者頻率來判別測距信號的起始點(diǎn)存在很大誤差或者無法識別，而利用本文所述的方法可以獲得精度較高的信號起始點(diǎn)。在系統(tǒng)時鐘為10 MHz時，整個計算過程約耗時1.5 s，可以滿足靜態(tài)或者慢速移動節(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，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TOA估計方法，可以獲得較高的到達(dá)時刻估計精度，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)。