無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Networks)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量傳感器節(jié)點通過無線通信以自組織方式形成的以信息獲取為目的的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[1]。WSN具有強大的信息獲取功能，可以極大地擴展人們感知客觀世界的區(qū)域，提高人們認(rèn)識客觀世界的能力，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)UWSN（Underwater Wireless Sensor Networks）是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在海洋等水下環(huán)境中的應(yīng)用特例[1]，它繼承了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的許多成熟技術(shù)，最大區(qū)別在于通信方式的不同，WSN主要使用無線通信方式，而UWSN主要采用水聲通信方式[2-4]。

    在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的某些應(yīng)用環(huán)境中可能會存在短距離無線通信頻率共存或強電磁干擾，從而導(dǎo)致無線通信的不穩(wěn)定甚至通信中斷。為解決以上問題，參考水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所使用的水聲通信技術(shù)，提出了一種可用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的短距離聲通信技術(shù)，在對相關(guān)理論進行研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種以ARM為主處理器、FPGA作為協(xié)處理器的具有短距離聲通信功能的傳感器節(jié)點，并進行了測試。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)原理
1.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    傳感器節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本組成單元，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由數(shù)量眾多的傳感器節(jié)點通過自組織方式組成的通信網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點通過所攜帶的某一種或多種傳感器來獲取外界特定的物理信息數(shù)據(jù)，所獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上傳給用戶節(jié)點。該設(shè)計增加了聲通信作為協(xié)通信方式，設(shè)計出一種新型的傳感器節(jié)點，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該傳感器節(jié)點將射頻無線通信方式作為主通信方式，當(dāng)遇到強電磁干擾不能正常通信時，可以使用聲通信作為協(xié)通信方式來進行通信。由該傳感器節(jié)點組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠很好地解決在某些特殊環(huán)境中的短距離無線通信“擁堵”或強電磁干擾所致的通信不穩(wěn)定甚至通信中斷問題。

1.2 傳感器節(jié)點的聲通信實現(xiàn)原理
    為在傳感器節(jié)點上實現(xiàn)短距離聲通信，聲通信模塊為設(shè)計的最重要部分。考慮到物理層的需要，設(shè)計聲通信模塊的原理框圖如圖2所示。該設(shè)計主要包括傳感器節(jié)點的處理器模塊（ARM）、協(xié)處理器模塊（FPGA）、放大模塊和換能器，通過這些模塊的協(xié)調(diào)工作來實現(xiàn)通過聲信號進行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。

    發(fā)送數(shù)據(jù)時，CPU首先開啟A/D模塊，并通知控制邏輯準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)，控制邏輯根據(jù)A/D模塊采集到的數(shù)據(jù)進行空閑信道評估，判斷信道是否空閑。如果信道空閑，則通知CPU可以發(fā)送數(shù)據(jù)，CPU將待發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送到發(fā)送數(shù)據(jù)FIFO中，并使能D/A模塊。控制邏輯對接收到的數(shù)據(jù)進行編幀及差分編碼等一系列處理后，將數(shù)據(jù)發(fā)送給聲信號調(diào)制單元進行DPSK調(diào)制，D/A模塊將調(diào)制好的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成模擬信號，經(jīng)發(fā)送放大電路放大后驅(qū)動電聲換能器發(fā)送聲信號。
    接收數(shù)據(jù)時，CPU先啟動控制邏輯和A/D模塊，控制邏輯根據(jù)A/D采集到的數(shù)據(jù)進行聲信道能量檢測，判斷聲信道中是否有其他節(jié)點在發(fā)送信號，若有則控制聲信號解調(diào)單元進行DPSK解調(diào)，經(jīng)過計算獲取最終數(shù)據(jù)，并通知CPU準(zhǔn)備接收解調(diào)數(shù)據(jù)。如果CPU不忙，則將數(shù)據(jù)發(fā)送到解調(diào)數(shù)據(jù)FIFO，CPU從FIFO中讀取接收到的數(shù)據(jù)。
2 硬件構(gòu)成
    傳感器節(jié)點中主要包括處理器模塊、無線通信模塊、換能器、放大模塊、傳感器模塊、存儲器模塊及供電模塊等。本文設(shè)計的短距離聲通信傳感器節(jié)點的重要部分為聲通信模塊，由處理器模塊、放大模塊及換能器組成。
2.1 處理器模塊
    聲通信傳感器節(jié)點的處理器包括主處理器ARM和協(xié)處理器FPGA。主處理器使用的是意法半導(dǎo)體(ST)公司推出的基于ARM Cortex-M3的系列中最高配置芯片STM32F103ZE，負責(zé)對傳感器節(jié)點工作流程的控制和對監(jiān)測數(shù)據(jù)的初步處理。該處理器片上集成了512 KB的Flash和64 KB的靜態(tài)SRAM，具有2個12位ADC可用來采集數(shù)據(jù)，具有實時性能優(yōu)異、功耗控制方便、外設(shè)豐富、易于開發(fā)等優(yōu)點[5-6]。協(xié)處理器采用可編程邏輯器件FPGA，主要用于聲通信的調(diào)制與解調(diào)，進行較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，如監(jiān)測數(shù)據(jù)的壓縮等。使用Altera公司CycloneⅡ系列中的EP2C35F484，該型號FPGA芯片具有豐富的邏輯資源，有較多的I/O端口和大容量的內(nèi)部RAM，能很好地滿足設(shè)計要求。
2.2 換能器
    電聲換能器是完成電-聲轉(zhuǎn)換和聲-電轉(zhuǎn)換的器件。壓電式換能器在電聲轉(zhuǎn)換效率、頻率特性、體積、造價等方面都有一定的優(yōu)勢。壓電換能器分為發(fā)射型換能器（蜂鳴器、揚聲器等）和接收型換能器（拾音器、微音器等）。該設(shè)計中傳聲換能器及發(fā)聲換能器均選用壓電式換能器來完成聲信號的發(fā)送和接收。
2.3 放大模塊
    聲通信的放大模塊包括聲信號輸出放大電路和聲信號接收放大電路。同時聲信號的采集過程中存在環(huán)境噪聲的干擾，需要在放大完成之后加上帶通濾波電路，以去掉環(huán)境噪聲，得到系統(tǒng)所需要的聲信號。
    由于壓電發(fā)聲換能器（壓電揚聲器）的驅(qū)動要求有高壓擺幅，而傳感器節(jié)點基本都采用電池供電，因此需要采用必要的升壓措施。設(shè)計中選擇了升壓型的D類放大器PAM8902。PAM8092還具有通過檢查INP的輸入信號大小來自動開啟或停止與信號放大相關(guān)電路的功能，可很好地節(jié)省電池能量。
    傳感器節(jié)點間進行聲通信的過程中，節(jié)點間的距離不定，換能器接收到的聲信號比較微弱，需要對換能器轉(zhuǎn)換得到的微弱電信號進行放大，以方便后期的數(shù)字信號處理和信號的解調(diào)。設(shè)計采用了兩級放大，放大倍數(shù)接近1 000倍，第一級放大器選用AD623，放大倍數(shù)設(shè)為10倍，第二級選用放大器LM324，放大倍數(shù)設(shè)為100倍，根據(jù)實際測試結(jié)果，可以對放大倍數(shù)做進一步的調(diào)整。
2.4 電源管理模塊
    鋰電池具有可重復(fù)充電、能量密度高、無記憶效應(yīng)、放電平緩等優(yōu)點，本設(shè)計使用3.7 V鋰離子電池供電。電源管理模塊是為了合理利用電能而設(shè)計的，根據(jù)傳感器節(jié)點的工作狀態(tài)，由處理器控制電源管理模塊開啟或關(guān)閉各個模塊的電源，實現(xiàn)對電能的管理。節(jié)點在設(shè)計時處理器平時采用低功耗模式，射頻模塊采用掉電模式，直到有數(shù)據(jù)處理或收發(fā)時激活各個模塊。
2.5 傳感器節(jié)點其他模塊
    除了以上模塊，傳感器節(jié)點的硬件構(gòu)成還包括無線通信模塊、傳感器模塊和存儲器模塊。
    節(jié)點中無線通信模塊使用了單片收發(fā)且功耗低的nRF24L01芯片，它在2.4～2.5 GHz的世界通用ISM頻段工作。該芯片還具有自動應(yīng)答和自動重發(fā)功能，能減少處理器的工作量[6]。
    傳感器模塊根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用目的而具體選擇。傳感器模塊將監(jiān)測對象的物理信息轉(zhuǎn)化為模擬電信號，經(jīng)過放大調(diào)理后進行A/D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號，由處理器處理或存儲到存儲器。
    處理器模塊內(nèi)部的存儲器空間有限，為滿足大量數(shù)據(jù)的存儲，設(shè)計了存儲器模塊，選用存儲空間為256 KB×16的SRAM芯片IS61LV51216。
3 軟件設(shè)計
    與聲通信相關(guān)的ARM程序（C程序）和FPGA中控制邏輯部分（VHDL程序）的工作流程都是根據(jù)傳感器節(jié)點的聲通信實現(xiàn)原理設(shè)計的。圖3為ARM程序的流程圖，圖4為FPGA控制邏輯部分的流程圖。

3.1 ARM程序設(shè)計
    ARM程序主要包括發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)兩部分，是根據(jù)聲通信的實現(xiàn)原理來設(shè)計的，具體的工作流程如圖3所示。在程序的設(shè)計過程中充分考慮了傳感器節(jié)點對電能的合理利用，僅在每次發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時通過給電源管理模塊發(fā)送開啟協(xié)處理器模塊和放大模塊電源控制信息來接通協(xié)處理器模塊和放大模塊電源，而在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)完成后又發(fā)送相關(guān)控制信息將這兩個模塊的電源關(guān)閉。
3.2 FPGA程序設(shè)計
    FPGA的VHDL程序設(shè)計包括了控制邏輯部分、聲信號調(diào)制部分、聲信號解調(diào)部分、發(fā)送數(shù)據(jù)FIFO和接收數(shù)據(jù)FIFO等。控制邏輯部分的設(shè)計是與聲通信相關(guān)的VHDL程序的核心控制部分，控制邏輯部分需要與ARM程序協(xié)調(diào)工作才能實現(xiàn)聲通信。控制邏輯部分的流程圖如圖4所示，主要分為發(fā)送和接收數(shù)據(jù)兩部分。通過接收ARM指令來實現(xiàn)接收數(shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)，包括準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)指令、發(fā)送數(shù)據(jù)指令和接收數(shù)據(jù)指令3條指令。發(fā)送數(shù)據(jù)時根據(jù)工作流程控制聲信號調(diào)制模塊工作進行數(shù)據(jù)流的調(diào)制，聲信號調(diào)制模塊再發(fā)送數(shù)據(jù)到ARM的D/A模塊；接收數(shù)據(jù)是聲信號解調(diào)模塊從ARM的A/D模塊讀取數(shù)據(jù)進行解調(diào)，再將解調(diào)的數(shù)據(jù)流送入控制邏輯。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果與應(yīng)用

    對設(shè)計好的傳感器節(jié)點進行兩節(jié)點間的聲通信測試。綜合考慮壓電換能器的頻率響應(yīng)特性及所處環(huán)境中空氣的聲信號特性，為達到較好的聲通信效果，DPSK信號設(shè)定載波頻率為2 940 Hz。
    使用Matlab軟件對兩節(jié)點發(fā)出的聲信號和接收的聲信號數(shù)據(jù)進行分析比較并計算出誤碼率。為了更好地
測試出聲通信的效果，測試在室內(nèi)和室外兩種不同環(huán)境中進行：(1)室內(nèi)環(huán)境：大小為9.5 m×7 m×3.2 m的辦公室，環(huán)境音量約50 dB；(2)室外環(huán)境：大小約為110 m×60 m的廣場，環(huán)境音量約40 dB。表1為在不同的通信距離下兩傳感器節(jié)點之間的通信誤碼率。
    從統(tǒng)計結(jié)果可以看出，在室外環(huán)境中聲通信的質(zhì)量要好于室內(nèi)環(huán)境，這是由于室外環(huán)境噪音干擾相對沒有室內(nèi)嚴(yán)重。該測試表明短距離內(nèi)該傳感器節(jié)點的聲通信具有較低的誤碼率，驗證了短距離聲通信在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的可行性。同時從表1可以看出，傳感器節(jié)點間聲通信的距離還比較短，為增大傳感器節(jié)點間聲通信的距離，必須進一步優(yōu)化節(jié)點硬件和軟件的設(shè)計。

    參考水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水聲通信技術(shù)，提出了可用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的短距離聲通信方案。設(shè)計了一種具有短距離聲通信功能的傳感器節(jié)點并對其進行聲通信測試。測試結(jié)果表明，短距離聲通信在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中具有一定的應(yīng)用前景。
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