用音頻信號實現無線傳感器網絡節點間距測量

利用音頻信號實現節點間距自主測量的無線傳感器網絡節點系統。本系統包括dsPIC6014A微控制器、512 KB的SRAM，2.4 G波段的RF收發模塊、音頻收發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點間的間隔距離，節點利用多次測量數據累加平均及IIR數字濾波技術提高了測距信號的信噪比，用幅度檢測實現了測距信號的到達時刻判別。測試數據表明，該節點最遠測距距離可達30 m，誤差小于3.5％。

節點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，如初始發射功功率、天線距離地面的高度、反射、載波頻率等等，不進行校驗時，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，適合室內使用。聲波在空氣巾的衰減隨著頻率的降低而減少，在數kHz時，利用低成小的商業音頻收發技術就能實現數十米范圍內的距離測量，是一種實現遠距離高精度定位的有效技術。文獻[1，6]介紹了利用偽隨機碼+DSP相關處理實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節點平臺，用大功率聲發射器及模擬鎖相環實現了音頻測距信號檢測。

比較成熟并已經商業化的節點是由美國加州大學伯克利分校研制的Mica系列和Telos節點。這些節點僅提供了一個基本硬件平臺，必須采用專用接口板才能實現其他功能的擴展。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硬件系統。設計一種全新的節點結構。

2 節點硬件系統設計

基于上述考慮，實現的節點結構如圖1所示。節點采用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時的最高運行速度20 MIPS。節點配置了一片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據和進行數字信號處理時的臨時數據。

射頻收發模塊采用nRF24L01，通過SPI接口和CPU進行數據交換。音頻信號發生器采用市售標準的壓電蜂嗚器，經過對自然界的噪聲頻譜測試及統計分析，發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，兩級放大器增益約60 dB，為了提高抗干擾能力，節點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，電路結構如圖2所示。電路實測結果：中心頻率3000 Hz，-3 dB帶寬約為987 Hz。

節點采用1節3.7 V鋰離子可充電電池作為電源，在休眠期內關閉一切不工作單元的電源供給以實現節能。一個由RTC(實時時鐘)控制的電源管理單元進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，CPU對RTC進行喚醒時刻設置，工作完成后，CPU關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，當預定的喚醒時刻到來時，RTC輸出一個中斷信號，開啟電源，節點進入工作狀態，如此重復，實現了節點工作和休眠周期的控制。節點的獨特之處是通過利用RTC所具有的數分鐘到數天時間的定時中斷設置功能實現了節點的運行與休眠周期靈活控制，實現了低功耗設計。

在室外利用音頻信號測距時，大氣溫度、風速及風向對聲速有一定的影響，節點上實現風速測量目前還存在較大的技術障礙，低風速時溫度的影響是主要的，這里采用公式c=331.4+0.6T來補償聲速，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，其基本原理是通過對測距信號進行數字信號處理，獲取具有較高信噪比的測距信號幅值變化信息，再通過幅度變化趨勢分析實現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。考慮到節點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程中分離出較大的測距信號幅度。

(3)數字全波整流。經過(2)處理后的信號是正負變換的雙極性信號，再進行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)進行數字濾波處理，得到一個與z(t)包絡線相似的信號b(t)。

(5)對b(t)進行幅值變化趨勢分析。在測距信號開始出現的數據段，相鄰數據點的幅值差較大，而且是連續遞增的(通過試驗可以確定連續遞增的最小數據個數)，找出幅度連續增加的起始點n(i)，即為信號到達時刻點，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，采樣長度為 4096點(12位ADC)。圖3是原始信號波形及數據處理過程中的數據波形。對于原始信號，直接利用信號的幅度或者頻率來判別測距信號的起始點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。在系統時鐘為10 MHz時，整個計算過程約耗時1.5 s，可以滿足靜態或者慢速移動節點的定位需求，在30 m處的測距最大誤差約3.5％。

5 結 論

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