吳劍鋒，李建清，王佚楠，于忠洲，毛志鵬

（東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210096）

0 引言

傳感器網(wǎng)絡(luò)通?？煞譃闊o(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs）和有線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)［1～3］?，F(xiàn)有的總線(xiàn)型有線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)如熱能抄表系統(tǒng)所采用的由歐盟開(kāi)發(fā)的MBUS總線(xiàn)系統(tǒng)，應(yīng)用于遠(yuǎn)程傳感傳輸?shù)腍ART總線(xiàn)系統(tǒng)和MAXIM（美信）公司開(kāi)發(fā)的單總線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)［4］等，具有超低功耗特點(diǎn)，可對(duì)幾百米范圍內(nèi)的幾百個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行低速遠(yuǎn)程通信和集中供電。單一傳感器節(jié)點(diǎn)只能收集處于其所處位置的傳感信息，而分布式的有線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)、WSNs可以獲取分布在一定區(qū)域內(nèi)的信息，結(jié)合各個(gè)信息所對(duì)應(yīng)的位置可以推導(dǎo)出未分布傳感器位置的信息，因此，獲得各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的位置信息對(duì)節(jié)點(diǎn)間通信、基于傳感器的測(cè)量和計(jì)算非常重要。定位技術(shù)可用于估計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)的位置、一定范圍內(nèi)的移動(dòng)目標(biāo)跟蹤和定位。前人較多的WSNs定位技術(shù)研究已可實(shí)現(xiàn)WSNs節(jié)點(diǎn)間相對(duì)位置的確定;目前有線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的研究較少［5］，相關(guān)測(cè)距技術(shù)的研究將使得有線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間相對(duì)位置被確定成為可能。

本文針對(duì)二線(xiàn)制總線(xiàn)型有線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，依據(jù)時(shí)域脈沖反射原理，對(duì)串聯(lián)在總線(xiàn)上的主機(jī)與多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)間距離進(jìn)行了測(cè)定，為有線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位提供了解決方法。

1 有線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成

二線(xiàn)制總線(xiàn)型有線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常由一個(gè)傳感主機(jī)和若干傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。為保證系統(tǒng)通信性能，通常要求通信主機(jī)和傳感器節(jié)點(diǎn)間按手拉手方式連接，傳感測(cè)距主機(jī)與若干傳感器節(jié)點(diǎn)順序分布于總線(xiàn)，如圖1所示。

圖1 總線(xiàn)型有線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)Fig 1 Bus wired sensor networks

1.1 傳感測(cè)距主機(jī)

傳感測(cè)距主機(jī)以現(xiàn)場(chǎng)門(mén)級(jí)可控陣列EP3C10系列FPGA芯片為核心，外圍包括發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路、高速比較器電路、信號(hào)調(diào)理電路、收發(fā)接口、通信接口和人機(jī)接口（圖2）。傳感測(cè)距主機(jī)通過(guò)通信接口可與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通信，通過(guò)人機(jī)接口可設(shè)定和調(diào)整相關(guān)控制參數(shù)，通過(guò)收發(fā)接口與雙絞通信總線(xiàn)相連。傳感測(cè)距主機(jī)的FPGA芯片外接50 MHz有源晶振，因測(cè)距精度與計(jì)數(shù)頻率直接相關(guān)，為保證測(cè)距精度，采用FPGA內(nèi)部鎖相環(huán)將50 MHz提高用于測(cè)距計(jì)數(shù)。因節(jié)點(diǎn)測(cè)距方法中的反射波為負(fù)電平波，需給高速比較器提供一個(gè)負(fù)參考電壓。

圖2 傳感測(cè)距主機(jī)Fig 2 Host with sensing and ranging function

1.2 傳感器節(jié)點(diǎn)

傳感器節(jié)點(diǎn)由主控制器模塊和電源模塊組成。傳感器節(jié)點(diǎn)如圖3（a）所示，主控制器模塊連接于二線(xiàn)制總線(xiàn)之間，能夠響應(yīng)主機(jī)測(cè)距命令，控制主控制器內(nèi)部電子開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟和閉合，使該傳感器節(jié)點(diǎn)處的總線(xiàn)短接阻抗失配，以配合主機(jī)的時(shí)域脈沖反射。

主控制器模塊由微處理器和可程控的電子開(kāi)關(guān)組成。微處理器用來(lái)接收和處理主機(jī)命令，如果接收到的命令是要求與本傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)，便立即做出相應(yīng)的應(yīng)答，響應(yīng)主機(jī)發(fā)送的命令。電子開(kāi)關(guān)是可程控的，可根據(jù)命令閉合開(kāi)關(guān)，并能在一段時(shí)間后恢復(fù)斷開(kāi)。

對(duì)于已經(jīng)成型的普通傳感器節(jié)點(diǎn)，其內(nèi)部不包括可程控的電子開(kāi)關(guān)模塊，可以通過(guò)增加可單獨(dú)控制的電子開(kāi)關(guān)模塊，如圖3（b）所示，只需改變相應(yīng)的軟件設(shè)置，也可實(shí)現(xiàn)所述的在線(xiàn)傳感測(cè)距方法。

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)Fig 3 Sensor node

2 傳感測(cè)距原理

根據(jù)傳輸線(xiàn)理論［6］，一條均勻、質(zhì)量完好的電纜在每個(gè)點(diǎn)處的特性阻抗是相等的，當(dāng)電磁波在處處阻抗特性匹配的無(wú)限長(zhǎng)傳輸電纜傳播時(shí)，電磁波會(huì)沿電纜一直傳輸下去，直到被電纜的特性阻抗完全吸收為止。在電磁波發(fā)射端不會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象，也不會(huì)有反射波出現(xiàn)。而當(dāng)傳輸線(xiàn)發(fā)生短路、斷路或其他原因故障導(dǎo)致傳輸線(xiàn)阻抗失配時(shí)，電磁波會(huì)在該阻抗失配點(diǎn)發(fā)生反射。那么，在傳感器節(jié)點(diǎn)與總線(xiàn)連接處，人為有序地控制的傳輸線(xiàn)阻抗失配點(diǎn)產(chǎn)生和移除，就可利用電纜時(shí)域脈沖反射原理［7］測(cè)定傳感器節(jié)點(diǎn)到傳感主機(jī)的距離。

傳感器節(jié)點(diǎn)響應(yīng)主機(jī)端的測(cè)距命令并控制其電子開(kāi)關(guān)電路短路，造成在電子開(kāi)關(guān)連接總線(xiàn)處產(chǎn)生短路阻抗不匹配，其特征阻抗趨于0。此時(shí)，傳感測(cè)距主機(jī)發(fā)一個(gè)高速脈沖，該脈沖沿總線(xiàn)電纜進(jìn)行傳輸。由于總線(xiàn)電纜短路阻抗失配，高速脈沖在該處發(fā)生反射如圖4（a），依據(jù)傳輸線(xiàn)理論反射信號(hào)電壓與發(fā)射信號(hào)電壓極性相反，幅度與失配系數(shù)相關(guān);反射信號(hào)電流與入射信號(hào)電流極性相同，幅度與失配系數(shù)相關(guān)［7］。該反射波沿原路返回，傳遞到測(cè)距主機(jī)接收電路被檢測(cè)。主機(jī)接收到的脈沖回波，先經(jīng)過(guò)高速比較器，然后將信號(hào)取反，再將取反后的信號(hào)與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行異或處理，異或后的信號(hào)如圖4（b）作為輸入D觸發(fā)器，D觸發(fā)器的輸出持續(xù)高電平作為高速計(jì)數(shù)器的使能信號(hào)如圖4（c），由高速計(jì)數(shù)器測(cè)得發(fā)射脈沖和返回脈沖的時(shí)間間隔如圖4（d），從而計(jì)算短路點(diǎn)位置，即計(jì)算出傳感器節(jié)點(diǎn)的位置。參考電磁波在不同介質(zhì)中的傳播速度v，傳感測(cè)距主機(jī)測(cè)得高速脈沖在該傳輸電纜往返時(shí)間t，利用式（1）計(jì)算出阻抗失配點(diǎn)到主機(jī)的距離進(jìn)而確定相應(yīng)傳感器節(jié)點(diǎn)的位置

圖4 短路回波信號(hào)示意圖Fig 4 Short-circuit diagram of the echo signal

3 主機(jī)測(cè)距實(shí)現(xiàn)時(shí)序

傳感測(cè)距主機(jī)和傳感器節(jié)點(diǎn)間采用串行碼流方式進(jìn)行低速數(shù)據(jù)通信，通信協(xié)議參照Dallas公司的單總線(xiàn)協(xié)議［4］，每條命令字節(jié)包括8位數(shù)據(jù)位。保持?jǐn)?shù)據(jù)線(xiàn)480～960 μs低電平表示命令開(kāi)始，保持?jǐn)?shù)據(jù)線(xiàn)60～120 μs的低電平表示邏輯0，保持?jǐn)?shù)據(jù)線(xiàn)1～3 μs的低電平加后續(xù)60 μs高電平表示邏輯1。

數(shù)據(jù)通信時(shí)主機(jī)保持總線(xiàn)弱上拉，主機(jī)向總線(xiàn)寫(xiě)完8位的ID值后發(fā)出8位數(shù)據(jù)命令和校驗(yàn)字節(jié)，傳感器節(jié)點(diǎn)將采樣到的8位ID值與該傳感器節(jié)點(diǎn)本身的ID值進(jìn)行比較，如果相同，則執(zhí)行后繼命令動(dòng)作，如果不同，則放棄此次通信等待主機(jī)再次發(fā)送初始化時(shí)序。主機(jī)發(fā)送完測(cè)距命令后進(jìn)入測(cè)距功能。傳感器節(jié)點(diǎn)接收到測(cè)距命令后將電子開(kāi)關(guān)短路并保持40 μs?？偩€(xiàn)在傳感器節(jié)點(diǎn)處相當(dāng)于短路。進(jìn)入測(cè)距功能，主機(jī)先保持總線(xiàn)弱上拉15 μs，而后移除弱上拉并強(qiáng)制保持總線(xiàn)低電平20 μs，其后向總線(xiàn)發(fā)送測(cè)距脈沖，并釋放總線(xiàn)，此時(shí)總線(xiàn)在主機(jī)接入點(diǎn)處等效為斷路。強(qiáng)制保持總線(xiàn)低電平可消除總線(xiàn)上噪聲，便于保證測(cè)量精度。傳感器節(jié)點(diǎn)在電子開(kāi)關(guān)短路時(shí)間到后將電子開(kāi)關(guān)斷開(kāi)釋放總線(xiàn)。

圖5是主機(jī)發(fā)送測(cè)距脈沖時(shí)序，虛線(xiàn)代表弱上拉將總線(xiàn)拉高，黑色粗實(shí)線(xiàn)表示總線(xiàn)低電平，細(xì)實(shí)線(xiàn)表示主機(jī)發(fā)送的測(cè)距脈沖。

圖5 主機(jī)發(fā)送測(cè)距脈沖時(shí)序Fig 5 Time sequence of ranging pulse sent by host

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證該方法的可行性，以雙絞線(xiàn)為總線(xiàn)連接測(cè)距主機(jī)與傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

主機(jī)FPGA芯片外接晶振50 MHz，受芯片性能限制，內(nèi)部鎖相環(huán)能最高倍頻工作在350 MHz，因此，F(xiàn)PGA內(nèi)部邏輯能進(jìn)行高速計(jì)數(shù)，每個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)間約為2.86 ns。

采用最長(zhǎng)為9.25 m的雙絞線(xiàn)進(jìn)行測(cè)試，每次剪短0.1 m，每隔1 m重新校正一次雙絞線(xiàn)長(zhǎng)度。假定電磁波在聚乙烯類(lèi)絕緣材質(zhì)電纜中的傳播速度為200×106m/s，采用傳輸線(xiàn)時(shí)域脈沖單次回波方法進(jìn)行測(cè)定主機(jī)到傳感器節(jié)點(diǎn)之間的距離，線(xiàn)性度實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

由圖6可見(jiàn)，該測(cè)距方法具有良好的線(xiàn)性度，測(cè)量誤差小于0.25 m。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，在很短的連線(xiàn)（＜0.85 m）時(shí)測(cè)量結(jié)果異常，這是該測(cè)距方法的盲區(qū)。

圖6 測(cè)距線(xiàn)性度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig 6 Experimental results of ranging linearity

對(duì)不同連線(xiàn)進(jìn)行了測(cè)距實(shí)驗(yàn)，大多數(shù)測(cè)試結(jié)果具有良好的重復(fù)性，但在測(cè)試臨界點(diǎn)計(jì)數(shù)值有較多的±1波動(dòng)，如圖7為8.85 m長(zhǎng)的雙絞線(xiàn)重復(fù)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這與空間噪聲和計(jì)數(shù)頻率都有關(guān)系。

圖7 8.85 m重復(fù)性測(cè)距實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig 7 Results of repeat ranging experiments on 8.85 m line

采用單次回波方法對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)距誤差小于0.25 m，如果要達(dá)到更高的有線(xiàn)測(cè)距精度，可考慮采用多次回波或更換能工作在更高頻率的測(cè)距主機(jī)FPGA芯片，相關(guān)功能有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

5 結(jié)束語(yǔ)

在有線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，本文采用主機(jī)端的FPGA產(chǎn)生高速測(cè)距脈沖信號(hào)，通過(guò)外圍電路驅(qū)動(dòng)后發(fā)射到二線(xiàn)制總線(xiàn)上，由被測(cè)距傳感器節(jié)點(diǎn)按照預(yù)定命令主動(dòng)設(shè)置傳輸線(xiàn)在連接點(diǎn)阻抗失配，高速測(cè)距脈沖信號(hào)在該處產(chǎn)生反射波反饋到總線(xiàn)上并被主機(jī)端通過(guò)高速比較器整形接收，通過(guò)測(cè)定發(fā)射脈沖和失配反射脈沖的時(shí)間差可實(shí)現(xiàn)總線(xiàn)主機(jī)到預(yù)定傳感器節(jié)點(diǎn)間距離的測(cè)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:以基于FPGA的測(cè)距主機(jī)與有線(xiàn)連接的傳感器節(jié)點(diǎn)的測(cè)距方法簡(jiǎn)單便捷，速度快，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。

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