WSN節點(diǎn)超聲波測距技術(shù)研究

摘要：節點(diǎn)間測距是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中基于距離的定位算法的關(guān)鍵技術(shù)之一，為了降低節點(diǎn)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(shí)現WSN節點(diǎn)的測距。采用實(shí)驗室自制的超聲波收發(fā)模塊與JN5148開(kāi)發(fā)板作為硬件平臺，在實(shí)驗室與教學(xué)樓走廊進(jìn)行了測距實(shí)驗。實(shí)驗結果表明，該測距系統可以達到較高的測距精度，能夠為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的定位提供可靠的距離信息。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；定位；超聲波測距；測距精度；JN5148

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(wireless sensor network，WSN)是指由大量低成本，具有感知、計算和無(wú)線(xiàn)通信能力的傳感器節點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò )。它集成了無(wú)線(xiàn)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(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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，位置信息對傳感器網(wǎng)絡(luò )的監測活動(dòng)至關(guān)重要，事件發(fā)生的位置或獲取信息的節點(diǎn)位置是傳感器節點(diǎn)監測消息中所包含的重要信息，與感知地點(diǎn)沒(méi)有關(guān)聯(lián)的感知數據往往沒(méi)有意義。
現有的定位系統和算法可以根據是否測量節點(diǎn)間的相關(guān)信息分為兩類(lèi)：基于距離的定位技術(shù)(Range-based)和距離無(wú)關(guān)的定位技術(shù)(Ran ge-free)。距離無(wú)關(guān)的定位技術(shù)的精度和收斂速度在一定程度上依賴(lài)于網(wǎng)絡(luò )平均每跳節點(diǎn)距離估計的精度，而且當無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )各向異性或拓撲結構比較復雜時(shí)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用提供更為準確的位置信息，目前已被廣泛采用。
節點(diǎn)間測距是基于距離的定位技術(shù)的第一階段，是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中基于距離的定位技術(shù)的基礎。測距一般利用電磁波學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)等原理實(shí)現，如紅外測距、激光測距、超聲波測距等。紅外測距具有價(jià)格便宜、易制、安全等優(yōu)點(diǎn)，但精度低、距離近、方向性差；激光測距的優(yōu)點(diǎn)是精度高，但成本高、制作難度大，使用時(shí)需要注意人體安全，且光學(xué)系統需要保持干凈，否則影響測量；超聲波測距的優(yōu)點(diǎn)是比較耐污耐臟，不受光線(xiàn)、電磁波、煙霧和灰塵的影響，且指向性好?？紤]到傳感器節點(diǎn)的體積、功耗、成本和部署環(huán)境，超聲波測距更適用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。
文中通過(guò)研究超聲波測距技術(shù)的國內外發(fā)展現狀，對回波測距與非反射法測距方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)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(shí)驗室自制的超聲波收發(fā)模塊，在JN5148開(kāi)發(fā)平臺下進(jìn)行軟件設計和開(kāi)發(fā)。最后進(jìn)行了測距實(shí)驗和結果分析，驗證了該測距系統的穩定性和可行性。

1 相關(guān)研究
1．1 回波測距
回波測距的原理比較簡(jiǎn)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(其他節點(diǎn)或障礙物)之后返回到接受探頭的這段時(shí)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(guò)程如圖1所示，其中的超聲波收、發(fā)探頭位于同一個(gè)節點(diǎn)上，也可以采用收發(fā)一體探頭，市場(chǎng)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(shí)候，隨著(zhù)距離的增加，其能量會(huì )逐漸減弱，振幅也會(huì )隨之減小。因此，采用回波法測距需要有反射物，且無(wú)法避免信號反射時(shí)能量的損耗和波形失真，測量距離也會(huì )受到影響。

1．2 非反射式測距
超聲波非反射式測距過(guò)程如圖2所示：超聲波信號由發(fā)送節點(diǎn)發(fā)出，不經(jīng)反射直接由接收節點(diǎn)接收。這樣只需要測出超聲波從發(fā)送端開(kāi)始發(fā)送到接收端接收的時(shí)間差△t，則發(fā)送節點(diǎn)與接收節點(diǎn)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(wú)需反射物，能夠避免多徑反射和信號反射時(shí)的能量損耗和波形失真，測量距離也會(huì )更遠。因此，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中利用超聲波信號作為信息載體進(jìn)行測距時(shí)，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)節點(diǎn)之間保持時(shí)間同步。時(shí)間同步精度將直接影響測距精度，Cricket系統和AHLos系統等都是基于時(shí)間同步這一假設的測距定位系統。
1．3 測距精度
超聲波信號容易受到環(huán)境參數、傳輸角度的影響而產(chǎn)生傳輸誤差，另外，節點(diǎn)在處理超聲波接收信號時(shí)所產(chǎn)生的檢測誤差同樣會(huì )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(gè)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(shí)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來(lái)說(shuō)是不容忽視的誤差來(lái)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(jìn)行放大，然后采用閾值檢測法、時(shí)延估計法或譜線(xiàn)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(shí)間，最后通過(guò)超聲波的傳播時(shí)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(guò)程都會(huì )給節點(diǎn)程序的處理帶來(lái)一定的延時(shí)。以閾值檢測法為例，當放大后的信號強度到達某個(gè)門(mén)限值時(shí)觸發(fā)中斷報告超聲波信號已經(jīng)到達，而且隨著(zhù)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(shí)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(huì )帶來(lái)檢測誤差。

2 超聲波測距實(shí)驗
2．1 實(shí)驗準備
實(shí)驗時(shí)采用了實(shí)驗室自制的超聲波收發(fā)模塊與JN5148-EK010開(kāi)發(fā)平臺完成測距實(shí)驗。實(shí)驗室自制的超聲波收發(fā)模塊結構如圖3所示，采用硬件結構簡(jiǎn)單的閾值檢測法實(shí)現超聲波的接收檢測。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(wú)線(xiàn)SoC。芯片集成了32位RISC處理器，4～32 MHz主頻可調。

在發(fā)送端，利用JN5148的通用IO和定時(shí)器的PWM模式為超聲波發(fā)送模塊提供使能信號和脈沖驅動(dòng)信號；在接收端，利用JN5148的通用IO、SPI總線(xiàn)和定時(shí)器的計時(shí)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。測距系統的軟件設計基于ZigBee PRO協(xié)議，便于擴展成為一個(gè)完整的定位系統。
2．2 實(shí)驗描述
選擇兩個(gè)JN5148節點(diǎn)，發(fā)送節點(diǎn)為Coordinator節點(diǎn)，接收節點(diǎn)為Router節點(diǎn)。其中，Coordinator節點(diǎn)同時(shí)發(fā)送RF同步信號和40 kHz超聲波并作為移動(dòng)節點(diǎn)用來(lái)改變兩節點(diǎn)之間的距離；Router節點(diǎn)接收到同步信號以后開(kāi)始計時(shí)，檢測到超聲波信號以后停止計時(shí)并計算出距離。Router節點(diǎn)通過(guò)串口與PC機相連，通過(guò)PC機的串口調試助手就可以查看相關(guān)的調試信息和測距結果。
針對影響超聲波測距精度的環(huán)境因素，采用JN5148內置的溫度傳感器對超聲波的傳播速度進(jìn)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(shí)、同步精度等帶來(lái)的檢測誤差，則利用參量補償的軟件方式來(lái)較小誤差。根據實(shí)驗環(huán)境的不同，設計了室內和走廊測距實(shí)驗。室內實(shí)驗在實(shí)驗室進(jìn)行，走廊實(shí)驗在教學(xué)樓的走廊進(jìn)行，走廊寬約3 m，長(cháng)約30 m。
2．3 實(shí)驗結果
為了減小測距誤差，以多次測量的平均值作為測距結果。實(shí)驗過(guò)程中，Coordinator節點(diǎn)每隔1 m移動(dòng)一次，每個(gè)點(diǎn)測量60次。室內5 m范圍的測量結果如圖4所示，樣本數據平均誤差為6 cm，最大誤差為10 cm。作為對比，將走廊5 m范圍的測量結果也在圖4上作了標示，樣本數據平均誤差為10 cm，最大誤差為13 cm。走廊10 m范圍內的測量結果如圖5所示，樣本數據平均誤差為17 cm，最大誤差為46 cm。實(shí)驗結果表明，該超聲波測距系統的精度較高，能夠滿(mǎn)足WSN定位要求。

3 結論
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(guò)實(shí)驗證明，用射頻信號可以實(shí)現收發(fā)節點(diǎn)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(shí)驗結果表明，室內測距的平均誤差為6 cm，走廊測距的平均誤差為13 cm，但隨著(zhù)測量距離的增加，誤差也會(huì )增加，且不同的實(shí)驗環(huán)境會(huì )帶來(lái)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點(diǎn)間的傳輸時(shí)間會(huì )有不同的誤差。
總之，結果表明，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，在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中將得到廣泛應用。