WSN節(jié)點超聲波測距技術(shù)研究

摘要：節(jié)點間測距是無線傳感器網(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(jié)點成本，提高測距精度，提出了采用超聲波非反射式測距技術(shù)實現(xiàn)WSN節(jié)點的測距。采用實驗室自制的超聲波收發(fā)模塊與JN5148開發(fā)板作為硬件平臺，在實驗室與教學(xué)樓走廊進(jìn)行了測距實驗。實驗結(jié)果表明，該測距系統(tǒng)可以達(dá)到較高的測距精度，能夠為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位提供可靠的距離信息。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；定位；超聲波測距；測距精度；JN5148

    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network，WSN)是指由大量低成本，具有感知、計算和無線通信能力的傳感器節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)。它集成了無線通信技術(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(jī)電系統(tǒng)(Micro-electromech-anical Systems，MEMS)技術(shù)，是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，位置信息對傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測活動至關(guān)重要，事件發(fā)生的位置或獲取信息的節(jié)點位置是傳感器節(jié)點監(jiān)測消息中所包含的重要信息，與感知地點沒有關(guān)聯(lián)的感知數(shù)據(jù)往往沒有意義。
    現(xiàn)有的定位系統(tǒng)和算法可以根據(jù)是否測量節(jié)點間的相關(guān)信息分為兩類：基于距離的定位技術(shù)(Range-based)和距離無關(guān)的定位技術(shù)(Ran ge-free)。距離無關(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)點距離估計的精度，而且當(dāng)無線傳感器網(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)點間測距是基于距離的定位技術(shù)的第一階段，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于距離的定位技術(shù)的基礎(chǔ)。測距一般利用電磁波學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)等原理實現(xiàn)，如紅外測距、激光測距、超聲波測距等。紅外測距具有價格便宜、易制、安全等優(yōu)點，但精度低、距離近、方向性差；激光測距的優(yōu)點是精度高，但成本高、制作難度大，使用時需要注意人體安全，且光學(xué)系統(tǒng)需要保持干凈，否則影響測量；超聲波測距的優(yōu)點是比較耐污耐臟，不受光線、電磁波、煙霧和灰塵的影響，且指向性好?？紤]到傳感器節(jié)點的體積、功耗、成本和部署環(huán)境，超聲波測距更適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
    文中通過研究超聲波測距技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，對回波測距與非反射法測距方法的優(yōu)缺點進(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，利用實驗室自制的超聲波收發(fā)模塊，在JN5148開發(fā)平臺下進(jìn)行軟件設(shè)計和開發(fā)。最后進(jìn)行了測距實驗和結(jié)果分析，驗證了該測距系統(tǒng)的穩(wěn)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單：檢測超聲波由發(fā)射探頭經(jīng)空氣介質(zhì)傳播到達(dá)被檢測物(其他節(jié)點或障礙物)之后返回到接受探頭的這段時間△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。
    回波法測距的過程如圖1所示，其中的超聲波收、發(fā)探頭位于同一個節(jié)點上，也可以采用收發(fā)一體探頭，市場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)中傳播的時候，隨著距離的增加，其能量會逐漸減弱，振幅也會隨之減小。因此，采用回波法測距需要有反射物，且無法避免信號反射時能量的損耗和波形失真，測量距離也會受到影響。

1．2 非反射式測距
    超聲波非反射式測距過程如圖2所示：超聲波信號由發(fā)送節(jié)點發(fā)出，不經(jīng)反射直接由接收節(jié)點接收。這樣只需要測出超聲波從發(fā)送端開始發(fā)送到接收端接收的時間差△t，則發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點之間的距離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，非反射式測距無需反射物，能夠避免多徑反射和信號反射時的能量損耗和波形失真，測量距離也會更遠(yuǎn)。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中利用超聲波信號作為信息載體進(jìn)行測距時，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(jié)點之間保持時間同步。時間同步精度將直接影響測距精度，Cricket系統(tǒng)和AHLos系統(tǒng)等都是基于時間同步這一假設(shè)的測距定位系統(tǒng)。
1．3 測距精度
    超聲波信號容易受到環(huán)境參數(shù)、傳輸角度的影響而產(chǎn)生傳輸誤差，另外，節(jié)點在處理超聲波接收信號時所產(chǎn)生的檢測誤差同樣會影響測距精度。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(qiáng)，其中超聲波信號的傳輸速度相對于濕度和大氣壓強(qiáng)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(tǒng)來說是不容忽視的誤差來源。
    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，這是因為衍射現(xiàn)象所導(dǎo)致的在球形表面上的擴(kuò)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、時延估計法或譜線分析法等方法判斷超聲波信號已到達(dá)并記錄下超聲波傳播時間，最后通過超聲波的傳播時間估算距離。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程都會給節(jié)點程序的處理帶來一定的延時。以閾值檢測法為例，當(dāng)放大后的信號強(qiáng)度到達(dá)某個門限值時觸發(fā)中斷報告超聲波信號已經(jīng)到達(dá)，而且隨著測量距離的增大，由于超聲波信號的衰減而使接收信號強(qiáng)度減弱，從而導(dǎo)致檢測電路不能及時甚至不能判斷出超聲波信號的到達(dá)。另外，同步精度、信號之間的沖突也會帶來檢測誤差。

2 超聲波測距實驗
2．1 實驗準(zhǔn)備
    實驗時采用了實驗室自制的超聲波收發(fā)模塊與JN5148-EK010開發(fā)平臺完成測距實驗。實驗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)簡單的閾值檢測法實現(xiàn)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(qiáng)處理能力，完全兼容2．4GHz IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的無線SoC。芯片集成了32位RISC處理器，4～32 MHz主頻可調(diào)。

    在發(fā)送端，利用JN5148的通用IO和定時器的PWM模式為超聲波發(fā)送模塊提供使能信號和脈沖驅(qū)動信號；在接收端，利用JN5148的通用IO、SPI總線和定時器的計時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(tǒng)的軟件設(shè)計基于ZigBee PRO協(xié)議，便于擴(kuò)展成為一個完整的定位系統(tǒng)。
2．2 實驗描述
    選擇兩個JN5148節(jié)點，發(fā)送節(jié)點為Coordinator節(jié)點，接收節(jié)點為Router節(jié)點。其中，Coordinator節(jié)點同時發(fā)送RF同步信號和40 kHz超聲波并作為移動節(jié)點用來改變兩節(jié)點之間的距離；Router節(jié)點接收到同步信號以后開始計時，檢測到超聲波信號以后停止計時并計算出距離。Router節(jié)點通過串口與PC機(jī)相連，通過PC機(jī)的串口調(diào)試助手就可以查看相關(guān)的調(diào)試信息和測距結(jié)果。
    針對影響超聲波測距精度的環(huán)境因素，采用JN5148內(nèi)置的溫度傳感器對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(℃)；對于軟件延時、同步精度等帶來的檢測誤差，則利用參量補(bǔ)償?shù)能浖绞絹磔^小誤差。根據(jù)實驗環(huán)境的不同，設(shè)計了室內(nèi)和走廊測距實驗。室內(nèi)實驗在實驗室進(jìn)行，走廊實驗在教學(xué)樓的走廊進(jìn)行，走廊寬約3 m，長約30 m。
2．3 實驗結(jié)果
    為了減小測距誤差，以多次測量的平均值作為測距結(jié)果。實驗過程中，Coordinator節(jié)點每隔1 m移動一次，每個點測量60次。室內(nèi)5 m范圍的測量結(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。作為對比，將走廊5 m范圍的測量結(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。實驗結(jié)果表明，該超聲波測距系統(tǒng)的精度較高，能夠滿足WSN定位要求。

3 結(jié)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。通過實驗證明，用射頻信號可以實現(xiàn)收發(fā)節(jié)點的同步，用溫度補(bǔ)償和軟件處理延遲的方法能有效減少誤差，提高測距精度。實驗結(jié)果表明，室內(nèi)測距的平均誤差為6 cm，走廊測距的平均誤差為13 cm，但隨著測量距離的增加，誤差也會增加，且不同的實驗環(huán)境會帶來不同的誤差。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(jié)點間的傳輸時間會有不同的誤差。
    總之，結(jié)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(tǒng)，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中將得到廣泛應(yīng)用。