基于AD8361無線傳感器網絡節點的測距電路設計

田潤瀾, 王劍平, 金福祿

(空軍航空大學航空電子工程系,吉林長春 130022)

0 引 言

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks,WSN)綜合了傳感技術、無線通信技術和分布式信息處理技術等,通過各類集成化的微型傳感器相互協作,實時、全方位地監測被測對象,感知的信息可由自組織的無線通信網絡以多跳中繼的方式傳送到監控中心。

應用無線傳感器網絡實現節點定位有多種定位方式,通常采用GPS進行節點定位。但在一些特定環境下,比如地下礦井等特殊領域[1],由于無法接收到GPS信號,所以一般改用網絡節點自定位技術[2]。

節點自定位技術通常應用無線發射器,以廣播方式廣播自身坐標信息,網絡中的其它節點依據這些信息和通信鏈路計算自身的坐標。根據定位算法使用的信息種類,可將節點定位算法分為兩類:測距算法和免測距算法。

免測距算法對于某些應用來說,它存在精度不高、浪費系統資源過多的缺點,故常采用測距算法。測距方法中應用較為廣泛的是RSSI(Received Signal Strength Index)算法。RSSI算法通過測量接收信號強度獲得測距信息,被廣泛用于商業化定位系統。文中通過應用AD8361芯片,進行無線傳感器網絡中的節點測距的電路設計,為采用RSSI算法實現節點定位提供測距數據支持。該定位技術具有成本低、占用系統硬件資源空間較少等優點[3]。

1 電路設計

無線網絡節點具有無線通信能力,利用自身攜帶的無線數傳模塊與周圍相鄰模塊在無線電信號覆蓋有效范圍內進行可靠的數據通信[4];節點能夠在移動后具有重新構筑通信鏈路的能力。一般的應用場合使用GPS進行節點定位[5],但在一些特殊的應用領域,由于環境限制無法接收GPS信號,而不具有定位能力。

文中提出應用節點間的測距原理,通過設計測距電路,實現相鄰節點間的測距。

1.1 測距原理

在無線傳感器網絡系統中,需要確定兩節點之間距離。對于任意一個節點,如果已知發射功率,相對應的接收節點處可接收信號,并對信號的強度進行測量,再應用理論或經驗的信號傳播模型,將傳播損耗轉化為距離。例如在自由空間,距發射機d處的天線接收到的信號強度由下面的公式給出[6]:

式中:Pr發射機功率;

Pr(d)

距離d處的接收功率;

Gt,Gr分別是發射天線和接收天線的增益;

由式(1)可知,在自由空間中,接收機功率隨發射機與接收機距離的平方衰減。這樣,通過測量接收信號的強度,再利用式(1)就能計算出任意對應的收發節點間的距離。

1.2 節點的結構設計

在無線網絡中,節點要實現通信需要控制模塊、通信模塊、傳感器組等。為了實現非GPS節點定位[7],還需要具有測距電路。其整體模塊結構如圖1所示。

圖1 網絡節點模塊組成

網絡節點模塊中的控制模塊、通信模塊和傳感器組與通常的網絡節點設計方法基本一致[8]。對于無線傳感器網絡的節點定位應用,用測距模塊與控制模塊的組合應用代替了GPS模塊的功能。

測距模塊系統由兩個子模塊組成,如圖2所示。

圖2 測距模塊框圖

1.2.1 功率測量模塊的設計

在無線傳感器網絡系統中,節點間的距離不斷變化,發射功率較低,故射頻輸入端的輸入信號動態范圍變化較大。因此,需要選用在較大的動態范圍內仍能保持良好的輸入輸出線性關系。同時,要求模塊能夠適應在不同溫度環境下保持穩定。針對這些特點和要求,選用相對價格低廉、功耗低的AD8361芯片。

AD8361的內部電容并聯在一個內部電阻上,該電阻的阻值隨輸入信號強弱變化而變化,變化范圍從弱信號的2 kΩ到強信號的500 Ω,能夠保證在輸入信號動態范圍較大的情況下仍能保持良好的線性輸出。其低通角頻率在3～12 MHz之間,因此,滿足本節點模塊中的240 MHz信號的使用。不同頻率下輸入與輸出的轉換關系如圖3所示。

圖3 測距電路輸入輸出轉換圖

功率測量模塊的電路設計如圖4所示。

電路中應用2.7～5.5 V范圍內的單電源供電,VPOS引腳外接兩個去耦電容。外部分流電阻結合交流耦合輸入可獲得將近50 Ω的總寬帶輸入阻抗。設計中耦合電容置于外部分流電阻和RFIN端之間。通過耦合電容和內部輸入電阻,可得到高通角頻率。3種不同的工作模式可由SREF和IREF引腳設定。

AD8361在內部參考模式和電源參考模式下,降低供電電壓也會引起動態范圍的減小,而頻率的變化幾乎不影響動態范圍,但在高頻時轉換增益稍有下降。

該電路具有高度的線性和溫度穩定性,測量準確度為14 dB范圍內誤差±0.25 dB;23 dB范圍內誤差±1 dB。該電路最典型的應用是發射功率控制和接收信號強度檢測(RSSIs)。它的頻響范圍為0.1～2.5 GHz;供電電壓范圍為2.7～5.5 V,4 mA;輸入范圍為30 dB。同時,該電路具有低功耗、體積小巧等特點,可嵌入到各種便攜設備中。

圖4 測距電路

1.2.2 測距信號放大模塊

由測距模塊電路輸出的測距信號比較微弱,在A/D轉換前應該進行充分放大。常規情況下,發射模塊的發射功率為10 mW,如果節點距離在10～300 m范圍內變化,放大器的增益需要達到50或100,才能夠實現正常的A/D轉換。

可選的測距信號放大器的類型很多,文中采用的是典型的差動放大器(電路見圖3)。采用差動輸入的三運放形式,電路由集成運放芯片TL084和外圍電阻、電容構成。其增益可通過滑動變阻器來調節。該放大電路有較高的抑制共模干擾能力。放大后的測距信號送主控板進行A/D變換,再進行進一步的處理。

2 實驗與結論

2.1 實驗數據

表1 節點距離測試(單位:m)

2.2 實驗數據分析

采用激光測距儀測得實際數據誤差很小,最大測量誤差為0.225%,最小測量誤差為0.1%,平均誤差為0.144%。誤差見表2。

表2 激光測距儀測得數據誤差

在本次研究中,這樣的誤差可以忽略,能夠滿足實際需要。所以,可以用激光測距儀測得數據為基準實際數據。

采用GPS定位測距測得數據誤差也較小,最大測量誤差為1.28%,最小測量誤差為1.15%,平均誤差為1.21%。誤差見表3。

表3 GPS定位測距測得數據誤差

可以看出,GPS定位測距的精度也較高。

采用節點定位測距測得數據誤差也小,最大測量誤差為2.9%,最小測量誤差為1.97%,平均誤差為2.44%。誤差見表3。

表4 節點定位測距測得數據誤差

可以看出,節點定位測距的測量精度有所降低。但在實際生產生活應用中已完全能夠滿足精度要求。比如,在煤礦井下特定的環境中,測距范圍在150 m以內,定位精度在誤差4.3 m以內,這已經能夠滿足煤井下作業的需要。

2.3 節點定位法測距對定位精度的影響因素

應用節點定位法測距,對定位精度可以產生的影響有如下幾個方面:

(1)發射模塊功率漂移影響。由于發射模塊的功率隨外部條件變化會產生漂移,使得測距精度產生誤差。

(2)電磁干擾的影響。由于系統采用的是信號強度測量法測距,而各種電子設備會輻射出電磁干擾,雖然可以采用無源帶通濾波器來進行干擾抑制,但仍不能保證將進入測距通道的干擾完全排除,因此也可產生誤差。

3 結 語

經過研究和試驗對比,文中設計的應用于某些特定環境的無線傳感器網絡非GPS定位系統,利用AD8361設計節點測距模塊,測量出的距離值可以滿足節點定位算法的需要,實現定位。本系統具有精度高、成本低、適用于GPS受限的特殊環境中,具有廣闊的應用前景和市場空間。

[1] 孫繼平,李繼生,雷淑英.煤礦井下無線通信傳輸信號最佳頻率選擇[J].遼寧工程技術大學學報,2005(6):378-380.

[2] Neal Patwari,Alfred O,Hero III,et al.Relative location estimation in wireless sensor networks[J].IEEE T ransactions on Signal Processing,2003,51(8):2137-2148.

[3] 孫學斌,王匯源,周 正.自組網中節點位置推測算法的研究[J].山東大學學報:工學版,2003,34(3):55-59.

[4] Meguerdichian S,Koushanfar F,Potkonjak M,et al.Coverage problems in wireless ad-hoc sensor networks[C].//Proc.of the IEEE INFOCOM.Anchorage:IEEE Computer and Communications Societies,2001(3):1380-1387.

[5] Niculescu D,Nath B.Ad hoc positioning system[C].//Conference Record of IEEE Global Telecommunications Conference,GLOBECOM'2001,Vol 5.San Antonio(TX,USA),2001.Piscataway(NJ,USA):IEEE,2001:2926-2931.

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[7] 徐 釗,王珠玲.煤礦井下傳感器網絡的研究[J].工礦自動化,2004,23(1):110-114.

[8] 張大蹤,楊 濤,魏東梅.無線傳感器網絡低功耗設計綜述[J].傳感器與微系統,2006(5):132-136.