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

應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)節(jié)點定位有多種定位方式,通常采用GPS進行節(jié)點定位。但在一些特定環(huán)境下,比如地下礦井等特殊領(lǐng)域[1],由于無法接收到GPS信號,所以一般改用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點自定位技術(shù)[2]。

節(jié)點自定位技術(shù)通常應(yīng)用無線發(fā)射器,以廣播方式廣播自身坐標信息,網(wǎng)絡(luò)中的其它節(jié)點依據(jù)這些信息和通信鏈路計算自身的坐標。根據(jù)定位算法使用的信息種類,可將節(jié)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(yīng)用來說,它存在精度不高、浪費系統(tǒng)資源過多的缺點,故常采用測距算法。測距方法中應(yīng)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(yè)化定位系統(tǒng)。文中通過應(yīng)用AD8361芯片,進行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點測距的電路設(shè)計,為采用RSSI算法實現(xiàn)節(jié)點定位提供測距數(shù)據(jù)支持。該定位技術(shù)具有成本低、占用系統(tǒng)硬件資源空間較少等優(yōu)點[3]。

1 電路設(shè)計

無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有無線通信能力,利用自身攜帶的無線數(shù)傳模塊與周圍相鄰模塊在無線電信號覆蓋有效范圍內(nèi)進行可靠的數(shù)據(jù)通信[4];節(jié)點能夠在移動后具有重新構(gòu)筑通信鏈路的能力。一般的應(yīng)用場合使用GPS進行節(jié)點定位[5],但在一些特殊的應(yīng)用領(lǐng)域,由于環(huán)境限制無法接收GPS信號,而不具有定位能力。

文中提出應(yīng)用節(jié)點間的測距原理,通過設(shè)計測距電路,實現(xiàn)相鄰節(jié)點間的測距。

1.1 測距原理

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中,需要確定兩節(jié)點之間距離。對于任意一個節(jié)點,如果已知發(fā)射功率,相對應(yīng)的接收節(jié)點處可接收信號,并對信號的強度進行測量,再應(yīng)用理論或經(jīng)驗的信號傳播模型,將傳播損耗轉(zhuǎn)化為距離。例如在自由空間,距發(fā)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(fā)射機功率;

Pr(d)

距離d處的接收功率;

Gt,Gr分別是發(fā)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(fā)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(yīng)的收發(fā)節(jié)點間的距離。

1.2 節(jié)點的結(jié)構(gòu)設(shè)計

在無線網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點要實現(xiàn)通信需要控制模塊、通信模塊、傳感器組等。為了實現(xiàn)非GPS節(jié)點定位[7],還需要具有測距電路。其整體模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊組成

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊中的控制模塊、通信模塊和傳感器組與通常的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計方法基本一致[8]。對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點定位應(yīng)用,用測距模塊與控制模塊的組合應(yīng)用代替了GPS模塊的功能。

測距模塊系統(tǒng)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(shè)計

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中,節(jié)點間的距離不斷變化,發(fā)射功率較低,故射頻輸入端的輸入信號動態(tài)范圍變化較大。因此,需要選用在較大的動態(tài)范圍內(nèi)仍能保持良好的輸入輸出線性關(guān)系。同時,要求模塊能夠適應(yīng)在不同溫度環(huán)境下保持穩(wěn)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(nèi)部電容并聯(lián)在一個內(nèi)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(tài)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(jié)點模塊中的240 MHz信號的使用。不同頻率下輸入與輸出的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖3所示。

圖3 測距電路輸入輸出轉(zhuǎn)換圖

功率測量模塊的電路設(shè)計如圖4所示。

電路中應(yīng)用2.7～5.5 V范圍內(nèi)的單電源供電,VPOS引腳外接兩個去耦電容。外部分流電阻結(jié)合交流耦合輸入可獲得將近50 Ω的總寬帶輸入阻抗。設(shè)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(nèi)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(shè)定。

AD8361在內(nèi)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(tài)范圍的減小,而頻率的變化幾乎不影響動態(tài)范圍,但在高頻時轉(zhuǎn)換增益稍有下降。

該電路具有高度的線性和溫度穩(wěn)定性,測量準確度為14 dB范圍內(nèi)誤差±0.25 dB;23 dB范圍內(nèi)誤差±1 dB。該電路最典型的應(yīng)用是發(fā)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(shè)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(zhuǎn)換前應(yīng)該進行充分放大。常規(guī)情況下,發(fā)射模塊的發(fā)射功率為10 mW,如果節(jié)點距離在10～300 m范圍內(nèi)變化,放大器的增益需要達到50或100,才能夠?qū)崿F(xiàn)正常的A/D轉(zhuǎn)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(gòu)成。其增益可通過滑動變阻器來調(diào)節(jié)。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(jié)論

2.1 實驗數(shù)據(jù)

表1 節(jié)點距離測試(單位:m)

2.2 實驗數(shù)據(jù)分析

采用激光測距儀測得實際數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)為基準實際數(shù)據(jù)。

采用GPS定位測距測得數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)誤差

可以看出,GPS定位測距的精度也較高。

采用節(jié)點定位測距測得數(shù)據(jù)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(jié)點定位測距測得數(shù)據(jù)誤差

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

2.3 節(jié)點定位法測距對定位精度的影響因素

應(yīng)用節(jié)點定位法測距,對定位精度可以產(chǎn)生的影響有如下幾個方面:

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

(2)電磁干擾的影響。由于系統(tǒng)采用的是信號強度測量法測距,而各種電子設(shè)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(chǎn)生誤差。

3 結(jié) 語

經(jīng)過研究和試驗對比,文中設(shè)計的應(yīng)用于某些特定環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)非GPS定位系統(tǒng),利用AD8361設(shè)計節(jié)點測距模塊,測量出的距離值可以滿足節(jié)點定位算法的需要,實現(xiàn)定位。本系統(tǒng)具有精度高、成本低、適用于GPS受限的特殊環(huán)境中,具有廣闊的應(yīng)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(shù)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(wǎng)中節(jié)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.

[6] 史 龍,王福釣,段渭軍,等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)Range-Free自身定位機制與算法[J].計算機工程與應(yīng)用,2004,40(23):127-13,151.

[7] 徐 釗,王珠玲.煤礦井下傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)低功耗設(shè)計綜述[J].傳感器與微系統(tǒng),2006(5):132-136.