WSN節(jié)點(diǎn)超聲波測(cè)距技術(shù)研究

黃 潔，王福豹，段渭軍

（西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710072）

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network，WSN）是指由大量低成本，具有感知、計(jì)算和無(wú)線通信能力的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)。它集成了無(wú)線通信技術(shù)、分布式計(jì)算技術(shù)、傳感器技術(shù)、集成電路技術(shù)以及微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-electromechanical Systems，MEMS）技術(shù)，是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)[1]。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，位置信息對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)活動(dòng)至關(guān)重要，事件發(fā)生的位置或獲取信息的節(jié)點(diǎn)位置是傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)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(shù)據(jù)往往沒(méi)有意義[2-3]。

現(xiàn)有的定位系統(tǒng)和算法可以根據(jù)是否測(cè)量節(jié)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)（Range-free）[4]。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于網(wǎng)絡(luò)平均每跳節(jié)點(diǎn)距離估計(jì)的精度，而且當(dāng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)各向異性或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較復(fù)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(duì)較高，能夠?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供更為準(zhǔn)確的位置信息，目前已被廣泛采用。

節(jié)點(diǎn)間測(cè)距是基于距離的定位技術(shù)的第一階段，是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于距離的定位技術(shù)的基礎(chǔ)[5]。測(cè)距一般利用電磁波學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)等原理實(shí)現(xiàn)，如紅外測(cè)距、激光測(cè)距、超聲波測(cè)距等。紅外測(cè)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(cè)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(tǒng)需要保持干凈，否則影響測(cè)量；超聲波測(cè)距的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)的體積、功耗、成本和部署環(huán)境，超聲波測(cè)距更適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

文中通過(guò)研究超聲波測(cè)距技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)回波測(cè)距與非反射法測(cè)距方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較并分析影響超聲波測(cè)量距離和精度的主要因素。然后，采用非反射式測(cè)距方法，利用實(shí)驗(yàn)室自制的超聲波收發(fā)模塊，在JN5148開(kāi)發(fā)平臺(tái)下進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。最后進(jìn)行了測(cè)距實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析，驗(yàn)證了該測(cè)距系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可行性。

1 相關(guān)研究

1.1 回波測(cè)距

回波測(cè)距的原理比較簡(jiǎn)單：檢測(cè)超聲波由發(fā)射探頭經(jīng)空氣介質(zhì)傳播到達(dá)被檢測(cè)物（其他節(jié)點(diǎn)或障礙物）之后返回到接受探頭的這段時(shí)間Δt，那么超聲波的傳播距離D=vu×Δt，其中vu為超聲波在空氣中的傳播速度，而最終的測(cè)量距離d=D/2。

圖1 回波測(cè)距示意圖Fig.1 Schematic diagram of echo ranging

回波法測(cè)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(jié)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(cè)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(cè)距需要有反射物，且無(wú)法避免信號(hào)反射時(shí)能量的損耗和波形失真，測(cè)量距離也會(huì)受到影響。

1.2 非反射式測(cè)距

超聲波非反射式測(cè)距過(guò)程如圖2所示：超聲波信號(hào)由發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)出，不經(jīng)反射直接由接收節(jié)點(diǎn)接收。這樣只需要測(cè)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Δt，則發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)之間的距離d=vu×Δt，其中vu為超聲波在空氣中的傳播速度。

圖2 非反射式測(cè)距示意圖Fig.2 Schematic diagram of non-reflective ranging

與回波測(cè)距相比，非反射式測(cè)距無(wú)需反射物，能夠避免多徑反射和信號(hào)反射時(shí)的能量損耗和波形失真，測(cè)量距離也會(huì)更遠(yuǎn)。因此，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中利用超聲波信號(hào)作為信息載體進(jìn)行測(cè)距時(shí)，更多的是采用非反射式測(cè)距。但非反射式測(cè)距方法要求收、發(fā)節(jié)點(diǎn)之間保持時(shí)間同步。時(shí)間同步精度將直接影響測(cè)距精度，Cricket系統(tǒng)[6]和AHLos系統(tǒng)[7]等都是基于時(shí)間同步這一假設(shè)的測(cè)距定位系統(tǒng)。

1.3 測(cè)距精度

超聲波信號(hào)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(diǎn)在處理超聲波接收信號(hào)時(shí)所產(chǎn)生的檢測(cè)誤差同樣會(huì)影響測(cè)距精度。因此，影響超聲波測(cè)距精度的因素主要包括兩個(gè)方面：

1）環(huán)境因素

對(duì)超聲波信號(hào)產(chǎn)生影響的環(huán)境因素主要有溫度、濕度和大氣壓強(qiáng)，其中超聲波信號(hào)的傳輸速度相對(duì)于濕度和大氣壓強(qiáng)的變化不是很敏感，但對(duì)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(duì)于測(cè)距精度要求較高的系統(tǒng)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(qiáng)度隨距離的變化成比例地減弱，這是因?yàn)檠苌洮F(xiàn)象所導(dǎo)致的在球形表面上的擴(kuò)散損失，也是因?yàn)榻橘|(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[8]。

2）檢測(cè)誤差

在接收端，超聲波傳感器接收到超聲波信號(hào)以后首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，然后采用閾值檢測(cè)法、時(shí)延估計(jì)法或譜線分析法等方法判斷超聲波信號(hào)已到達(dá)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(cè)方法，需要不同的硬件支持，而且信號(hào)的放大及檢測(cè)過(guò)程都會(huì)給節(jié)點(diǎn)程序的處理帶來(lái)一定的延時(shí)。以閾值檢測(cè)法為例，當(dāng)放大后的信號(hào)強(qiáng)度到達(dá)某個(gè)門(mén)限值時(shí)觸發(fā)中斷報(bào)告超聲波信號(hào)已經(jīng)到達(dá)，而且隨著測(cè)量距離的增大，由于超聲波信號(hào)的衰減而使接收信號(hào)強(qiáng)度減弱，從而導(dǎo)致檢測(cè)電路不能及時(shí)甚至不能判斷出超聲波信號(hào)的到達(dá)。另外，同步精度、信號(hào)之間的沖突也會(huì)帶來(lái)檢測(cè)誤差。

2 超聲波測(cè)距實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)時(shí)采用了實(shí)驗(yàn)室自制的超聲波收發(fā)模塊與JN5148－EK010開(kāi)發(fā)平臺(tái)完成測(cè)距實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)單的閾值檢測(cè)法實(shí)現(xiàn)超聲波的接收檢測(cè)。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(qiáng)處理能力，完全兼容2.4 GHz IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線SoC。芯片集成了32位RISC處理器，4～32 MHz主頻可調(diào)。

圖3 超聲波收發(fā)模塊結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure diagram of ultrasonic transceiver module

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(hào)和脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)；在接收端，利用JN5148的通用IO、SPI總線和定時(shí)器的計(jì)時(shí)模式為超聲波接收模塊提供使能信號(hào)、放大電路的增益控制信號(hào)和信號(hào)接收終端。收發(fā)同步則利用JN5148的RF信號(hào)。測(cè)距系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)基于ZigBee PRO協(xié)議，便于擴(kuò)展成為一個(gè)完整的定位系統(tǒng)。

2.2 實(shí)驗(yàn)描述

選擇兩個(gè)JN5148節(jié)點(diǎn)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)為Coordinator節(jié)點(diǎn)，接收節(jié)點(diǎn)為Router節(jié)點(diǎn)。其中，Coordinator節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送RF同步信號(hào)和40 kHz超聲波并作為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)用來(lái)改變兩節(jié)點(diǎn)之間的距離；Router節(jié)點(diǎn)接收到同步信號(hào)以后開(kāi)始計(jì)時(shí)，檢測(cè)到超聲波信號(hào)以后停止計(jì)時(shí)并計(jì)算出距離。Router節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口與PC機(jī)相連，通過(guò)PC機(jī)的串口調(diào)試助手就可以查看相關(guān)的調(diào)試信息和測(cè)距結(jié)果。

針對(duì)影響超聲波測(cè)距精度的環(huán)境因素，采用JN5148內(nèi)置的溫度傳感器對(duì)超聲波的傳播速度進(jìn)行補(bǔ)償，即vu=331.5+0.607t（m/s），vu為補(bǔ)償后的速度，t為環(huán)境溫度（℃）；對(duì)于軟件延時(shí)、同步精度等帶來(lái)的檢測(cè)誤差，則利用參量補(bǔ)償?shù)能浖绞絹?lái)較小誤差。根據(jù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的不同，設(shè)計(jì)了室內(nèi)和走廊測(cè)距實(shí)驗(yàn)。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，走廊實(shí)驗(yàn)在教學(xué)樓的走廊進(jìn)行，走廊寬約3 m，長(zhǎng)約30 m。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了減小測(cè)距誤差，以多次測(cè)量的平均值作為測(cè)距結(jié)果。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，Coordinator節(jié)點(diǎn)每隔1 m移動(dòng)一次，每個(gè)點(diǎn)測(cè)量60次。室內(nèi)5 m范圍的測(cè)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(duì)比，將走廊5 m范圍的測(cè)量結(jié)果也在圖4上作了標(biāo)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(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該超聲波測(cè)距系統(tǒng)的精度較高，能夠滿足WSN定位要求。

圖4 室內(nèi)測(cè)量結(jié)果Fig.4 Result of indoor

圖5 走廊測(cè)量結(jié)果Fig.5 Result of corridor ranging

3 結(jié) 論

論文介紹了超聲波測(cè)距技術(shù)原理和影響測(cè)距精度的主要因素。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，用射頻信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)收發(fā)節(jié)點(diǎn)的同步，用溫度補(bǔ)償和軟件處理延遲的方法能有效減少誤差，提高測(cè)距精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，室內(nèi)測(cè)距的平均誤差為6 cm，走廊測(cè)距的平均誤差為13 cm，但隨著測(cè)量距離的增加，誤差也會(huì)增加，且不同的實(shí)驗(yàn)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(cè)誤差，因此在不同的環(huán)境下測(cè)量超聲波信號(hào)在節(jié)點(diǎn)間的傳輸時(shí)間會(huì)有不同的誤差。

總之，結(jié)果表明，超聲波非反射式測(cè)距精度較高，適用于基于距離的定位系統(tǒng)，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中將得到廣泛應(yīng)用。

[1]任豐原，黃海寧，林闖.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J].軟件學(xué)報(bào)，2003，14（7）:1282-1291.REN Feng-yuan，HUANG Hai-ning，LIN Chuang.Wireless sensor networks[J].Journal of Software，2003，14（7）:1282-1291.

[2]沙超，王汝傳，孫力娟，等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一種信標(biāo)節(jié)點(diǎn)可遷移的協(xié)作定位方法[J].電子學(xué)報(bào)，2010，38（11）:2625-2629.SHA Chao，WANG Ru-chuan，SUN Li-juan，etal.A cooperating localization method based on beacon transfer in wireless sensor networks[J].Acta Electronica Sinica，2010，38（11）:2625-2629.

[3]唐良瑞，宮月，羅藝婷，等.一種基于Euclidean的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)三位定位算法[J].電子學(xué)報(bào)，2012，40（4）:821-825.TANG Liang-rui，GONG Yue，LUO Yi-ting，et al.A 3D position algorithm based on euclidean for wireless sensor networks[J].Acta Electronica Sinica，2012，40（4）:821-825.

[4]LI Bao-zhu，WANG Hui.A low complexity localization algorithm in wireless sensor network [C]//Proceedings of CICC-ITOE International Conference on Innovative Computing and Communication， USA：1EEE Press，2010:217-220.

[5]常華偉，王福豹，嚴(yán)國(guó)強(qiáng)，等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的TOF測(cè)距方法研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（1）:35-38.CHANG Hua-wei，WANG Fu-bao，YAN Guo-qiang，et al.TOF ranging method for wireless sensor networks[J].Modern Electronics Technique，2011，34（1）:35-38.

[6]Nissanka Bodhi Priyantha，The Cricket Indoor Location system[D].PhD Thesis， Massachusetts Institute of Technology，2005.

[7]Savvides A，Hart C，Strivastava M B.Dynamic Fine-Grained Localization in Ad-Hoc Networks of Sensors[C]//Proceedings of Mobile Computing and Networking （MobiCom）， Rome，Itaiy:ACM Press，2001:166-179.

[8]株式會(huì)社村田制作所.超聲波傳感器應(yīng)用指南[EB/OL].http://www.murata.com/cn/.