用音頻信號實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)間距測量

利用音頻信號實(shí)現節點(diǎn)間距自主測量的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)系統。本系統包括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(guò)測量RF同步信號與音頻信號的時(shí)間差來(lái)測量節點(diǎn)間的間隔距離，節點(diǎn)利用多次測量數據累加平均及IIR數字濾波技術(shù)提高了測距信號的信噪比，用幅度檢測實(shí)現了測距信號的到達時(shí)刻判別。測試數據表明，該節點(diǎn)最遠測距距離可達30 m，誤差小于3.5％。

節點(diǎn)間隔距離測量所利用的參量主要有：

接收信號強度(RSS)、信號時(shí)間差(TPOA)、角度量(AOA)／信號到達方向(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相關(guān)，如初始發(fā)射功功率、天線(xiàn)距離地面的高度、反射、載波頻率等等，不進(jìn)行校驗時(shí)，誤差可能超過(guò)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(guò)10 m，方向性強，適合室內使用。聲波在空氣巾的衰減隨著(zhù)頻率的降低而減少，在數kHz時(shí)，利用低成小的商業(yè)音頻收發(fā)技術(shù)就能實(shí)現數十米范圍內的距離測量，是一種實(shí)現遠距離高精度定位的有效技術(shù)。文獻[1，6]介紹了利用偽隨機碼+DSP相關(guān)處理實(shí)現厘米級的聲源定位精度，系統結構復雜。文獻[5]的工作與本論文研究工作相近，采用通用的Mica2節點(diǎn)平臺，用大功率聲發(fā)射器及模擬鎖相環(huán)實(shí)現了音頻測距信號檢測。

比較成熟并已經(jīng)商業(yè)化的節點(diǎn)是由美國加州大學(xué)伯克利分校研制的Mica系列和Telos節點(diǎn)。這些節點(diǎn)僅提供了一個(gè)基本硬件平臺，必須采用專(zhuān)用接口板才能實(shí)現其他功能的擴展。本論文研究目的是探索一種可以在野外使用，具有遠距離高精度自定位的節點(diǎn)硬件系統。設計一種全新的節點(diǎn)結構。

2 節點(diǎn)硬件系統設計

基于上述考慮，實(shí)現的節點(diǎn)結構如圖1所示。節點(diǎn)采用Microchip公司的dsPIC6014A單片機，它內置了12位ADC和8 KB的RAM，16位的指令操作和I／O控制，支持C語(yǔ)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)的最高運行速度20 MIPS。節點(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(xiàn)的低位，高3位由另外的3個(gè)I／O位控制，8個(gè)子存儲空間被用于保存采集到的音頻信號數據和進(jìn)行數字信號處理時(shí)的臨時(shí)數據。

射頻收發(fā)模塊采用nRF24L01，通過(guò)SPI接口和CPU進(jìn)行數據交換。音頻信號發(fā)生器采用市售標準的壓電蜂嗚器，經(jīng)過(guò)對自然界的噪聲頻譜測試及統計分析，發(fā)現多數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，電路結構如圖2所示。電路實(shí)測結果：中心頻率3000 Hz，-3 dB帶寬約為987 Hz。

節點(diǎn)采用1節3.7 V鋰離子可充電電池作為電源，在休眠期內關(guān)閉一切不工作單元的電源供給以實(shí)現節能。一個(gè)由RTC(實(shí)時(shí)時(shí)鐘)控制的電源管理單元進(jìn)行各級電源分配和管理。系統上電后，電源管理單元被置為有效狀態(tài)，CPU對RTC進(jìn)行喚醒時(shí)刻設置，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，當預定的喚醒時(shí)刻到來(lái)時(shí)，RTC輸出一個(gè)中斷信號，開(kāi)啟電源，節點(diǎn)進(jìn)入工作狀態(tài)，如此重復，實(shí)現了節點(diǎn)工作和休眠周期的控制。節點(diǎn)的獨特之處是通過(guò)利用RTC所具有的數分鐘到數天時(shí)間的定時(shí)中斷設置功能實(shí)現了節點(diǎn)的運行與休眠周期靈活控制，實(shí)現了低功耗設計。

在室外利用音頻信號測距時(shí)，大氣溫度、風(fēng)速及風(fēng)向對聲速有一定的影響，節點(diǎn)上實(shí)現風(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(lái)補償聲速，式中T為大氣溫度(℃)。溫度傳感器為Maxim公司的DS1624，具有標準的I2C接口。

3 測距信號到達時(shí)刻算法

本文提出了一種基于數字整流處理的測距信號TOA估計方法，其基本原理是通過(guò)對測距信號進(jìn)行數字信號處理，獲取具有較高信噪比的測距信號幅值變化信息，再通過(guò)幅度變化趨勢分析實(shí)現TOA的估計。它包括以下處理過(guò)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)為隨機分布的噪聲。根據信號分析理論，提高信噪比可以采用數字濾波或者多次采樣累加后求平均值的方法?？紤]到節點(diǎn)的運算能力及硬件結構，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Av，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處理過(guò)程中分離出較大的測距信號幅度。

(3)數字全波整流。經(jīng)過(guò)(2)處理后的信號是正負變換的雙極性信號，再進(jìn)行z(t)=| j(t) |處理，即數字全波整流，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)行數字濾波處理，得到一個(gè)與z(t)包絡(luò )線(xiàn)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(kāi)始出現的數據段，相鄰數據點(diǎn)的幅值差較大，而且是連續遞增的(通過(guò)試驗可以確定連續遞增的最小數據個(gè)數)，找出幅度連續增加的起始點(diǎn)n(i)，即為信號到達時(shí)刻點(diǎn)，如圖3所示。

4 試驗結果

試驗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(cháng)度為 4096點(diǎn)(12位ADC)。圖3是原始信號波形及數據處理過(guò)程中的數據波形。對于原始信號，直接利用信號的幅度或者頻率來(lái)判別測距信號的起始點(diǎn)存在很大誤差或者無(wú)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)。在系統時(shí)鐘為10 MHz時(shí)，整個(gè)計算過(guò)程約耗時(shí)1.5 s，可以滿(mǎn)足靜態(tài)或者慢速移動(dòng)節點(diǎn)的定位需求，在30 m處的測距最大誤差約3.5％。

5 結 論

實(shí)現了一種具有音頻定位功能的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，它具有獨立的RTC+電源管理單元設計，實(shí)現了低功耗休眠，可以實(shí)現30 m遠的節點(diǎn)間距測量。提出用單片機實(shí)現的測距信號TOA估計方法，可以獲得較高的到達時(shí)刻估計精度，為實(shí)現高精度的節點(diǎn)定位提供了一種有效的方法。該節點(diǎn)可用于構建應用于森林、農田等遠距離節點(diǎn)間距的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。