邸麗霞， 張彥軍， 劉文怡

(1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的短距聲通信方法研究*

邸麗霞1,2， 張彥軍1,2， 劉文怡1,2

(1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)所處環(huán)境中，由于強(qiáng)電磁或短距無線通信頻率共存的原因，傳感器節(jié)點(diǎn)間的短距無線通信常常會(huì)受到干擾甚至中斷。針對(duì)這個(gè)問題，研究了一種短距聲通信方式，將信號(hào)調(diào)制于聲信號(hào)上，通過空氣中聲信號(hào)的傳播來完成節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信。設(shè)計(jì)了用于驗(yàn)證聲通信方法的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；介紹了微分相移鍵控(DPSK)調(diào)制與解調(diào)原理及相關(guān)Matlab程序流程、輸出與接收放大電路設(shè)計(jì)。進(jìn)行了聲通信實(shí)驗(yàn)，在室內(nèi)環(huán)境時(shí)，聲通信的最佳距離為2 m,室外環(huán)境時(shí)，聲通信的最佳距離為5 m,最佳波特率均為294 bps。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的聲通信方法是可行的。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 聲通信； 微分相移鍵控； 多徑效應(yīng)

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)是由部署在一定監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的眾多傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織的形式、通過無線通信方式處理、傳遞并獲取監(jiān)測(cè)對(duì)象信息的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

WSNs中，無線頻譜的傳輸頻段一般優(yōu)先選擇多數(shù)國家均無需申請(qǐng)的2.4 GHz，而隨著電子技術(shù)的發(fā)展，短距無線通信技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，在WSNs所處的應(yīng)用環(huán)境中，包括藍(lán)牙(Bluetooth)、無限局域網(wǎng)(Wi-Fi)、無繩電話、無線USB等許多短距無線通信技術(shù)都使用了2.4 GHz ISM頻段[1]，當(dāng)它們同時(shí)運(yùn)行時(shí)，會(huì)干擾甚至中斷WSNs的無線通信。同樣，一些強(qiáng)電磁環(huán)境(如使用中的微波爐周圍、變電站、有惡意電磁干擾的場(chǎng)合等)中，WSNs的短距無線通信也可能會(huì)受到干擾甚至被中斷。

因此，研究一種不占用無線信道帶寬、不受電磁干擾的通信方式用于處理上述干擾環(huán)境中的WSNs中是非常必要的。參考水下WSNs的水聲通信方式，本文將研究一種短距聲通信方式，將信號(hào)調(diào)制于聲波上，通過聲波的傳播實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通信[2]。

1 聲通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證短距聲通信方法應(yīng)用于WSNs的可行性，設(shè)計(jì)用于測(cè)試的試驗(yàn)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖見圖1所示。采用Matlab軟件完成聲信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)，調(diào)試方便；計(jì)算機(jī)聲卡用于輸出或采集聲信號(hào)，它是通過調(diào)用Matlab函數(shù)庫中的聲卡調(diào)用函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的；輸出放大電路用于放大計(jì)算機(jī)聲卡輸出的信號(hào)來驅(qū)動(dòng)換能器工作，接收放大電路則用于放大換能器傳來的微弱信號(hào)以供計(jì)算機(jī)聲卡進(jìn)行準(zhǔn)確采集；換能器采用壓電式換能器，用于完成電—聲與聲—電轉(zhuǎn)換[3]。

圖1 聲通信試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 Structure block diagram of acoustic communication test system

該系統(tǒng)的工作流程如下：系統(tǒng)啟動(dòng)后，一臺(tái)計(jì)算機(jī)的Matlab程序運(yùn)行聲卡調(diào)用函數(shù)，在計(jì)算機(jī)音頻輸出口輸出調(diào)制后的電信號(hào)，經(jīng)過放大電路后，驅(qū)動(dòng)換能器完成電/聲轉(zhuǎn)換，將聲信號(hào)傳送到空氣中；同時(shí)，另外一臺(tái)計(jì)算機(jī)將接收剛才的聲信號(hào)，通過換能器完成聲/電轉(zhuǎn)換，經(jīng)放大電路后，計(jì)算機(jī)的Matlab程序運(yùn)行聲卡調(diào)用函數(shù)，將采集到的電信號(hào)交由Matlab程序完成解調(diào)工作。

2 微分相移鍵控調(diào)制與解調(diào)原理

本系統(tǒng)參考水聲通信的方法，同時(shí)綜合考慮各種調(diào)制方法的通信距離、通信質(zhì)量、程序復(fù)雜度等，最終決定選用微分相移鍵控(DPSK)調(diào)制方法[4]。

DPSK信號(hào)表達(dá)式為

(1)

圖2 DPSK調(diào)制流程Fig 2 DPSK modulation process

圖3 DPSK解調(diào)流程Fig 3 DPSK demodulation process

解調(diào)時(shí)，DPSK信號(hào)經(jīng)帶通濾波后，在乘法器中完成差分“相干”檢測(cè)，輸出

(2)

低通濾波濾去2ω0成分，得到

(3)

最后經(jīng)抽樣判決器判別后得到解調(diào)的二元碼

(4)

3 Matlab程序設(shè)計(jì)

3.1 聲信號(hào)調(diào)制與發(fā)送程序

Matlab程序是本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心，在實(shí)驗(yàn)過程中，為了獲取良好的聲通信效果，依據(jù)所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)Matlab程序進(jìn)行了多次改進(jìn)。聲信號(hào)調(diào)制與發(fā)送的Matlab程序流程圖見圖4所示。

圖4 聲信號(hào)調(diào)制與發(fā)送流程圖Fig 4 Flow chart of acoustic signal modulation and sending

3.2 聲信號(hào)接收與解調(diào)程序

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，聲通信的通信信道為接近地面的空氣，聲信號(hào)在傳播過程中，一部分信號(hào)從發(fā)送端經(jīng)空氣直接到達(dá)接收端，而有一部分信號(hào)則因?yàn)榈孛婧湍承┱系K物的存在從發(fā)送端經(jīng)過不同的反射路徑才到達(dá)接收端，這就導(dǎo)致了接收到的聲信號(hào)中不僅有原始聲脈沖信號(hào)，還包含了混響聲脈沖信號(hào)，這就是多徑效應(yīng)[5]。

多徑效應(yīng)的存在會(huì)增加通信誤碼率，縮短通信距離，因此,必須采取措施有效消除多徑效應(yīng)對(duì)聲通信的影響。本系統(tǒng)采用定性估計(jì)方法，將2只傳感器節(jié)點(diǎn)放于實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境中，其中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送單一頻率的聲脈沖信號(hào)給另外一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，根據(jù)所接收的聲脈沖信號(hào)來分析多徑數(shù)目、多徑衰減、多徑時(shí)延等[6]。有了定性分析結(jié)果后，在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中就可以通過一定的算法來消除混響聲脈沖信號(hào)的干擾，提高通信質(zhì)量。聲信號(hào)接收與解調(diào)的Matlab程序流程圖見圖5所示。DPSK信號(hào)解調(diào)之前，先由聲卡采集信號(hào)完成多徑效應(yīng)的定性估算以得到修正算法，接著開始正式接收聲信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行修正以提高通信質(zhì)量。

圖5 聲信號(hào)接收與解調(diào)流程圖Fig 5 Flow chart of acoustic signal receiving and demodulation

4 放大電路設(shè)計(jì)

4.1 輸出放大電路設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)采用鋰離子電池(電壓為3.7 V)供電，不足以驅(qū)動(dòng)壓電發(fā)聲換能器工作，因此，需采取升壓措施。輸出放大電路如圖6所示，電路采用升壓式的D類放大器PAM8902，可將鋰離子電池的3.7 V電壓升為17.5 V來驅(qū)動(dòng)換能器，此外，可以通過PAM8902的INP引腳的信號(hào)大小來自動(dòng)停止或開啟信號(hào)放大相關(guān)工作，以節(jié)省電池能量[7]。

圖6 輸出放大電路Fig 6 Output amplifier circuit

4.2 接收放大電路設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)過程中，2臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的距離可能為幾米甚至幾十米，聲信號(hào)傳輸?shù)綁弘娛絺髀晸Q能器時(shí)已經(jīng)十分微弱，因此,必須采取措施對(duì)其進(jìn)行放大，以方便計(jì)算機(jī)聲卡對(duì)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確采集。接收放大電路如圖7所示，采用2級(jí)放大，第一級(jí)放大器采用AD623，放大倍數(shù)為10倍，第二級(jí)采用LM324，放大倍數(shù)為100倍，總體放大倍數(shù)接近1 000倍，足以將壓電式傳聲換能器接收到的微弱信號(hào)放大，使系統(tǒng)采集到良好的數(shù)字信號(hào)，方便后續(xù)處理。

圖7 接收放大電路Fig 7 Receiving amplifier circuit

5 聲通信實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)包含2種實(shí)驗(yàn)環(huán)境：室內(nèi)環(huán)境和室外環(huán)境。室內(nèi)環(huán)境為擺設(shè)著各類辦公用品和家具的辦公室，環(huán)境音量約為50 dB，面積大小為9.6 m×7 m×3.1 m；室外環(huán)境為空曠無明顯障礙物的廣場(chǎng)，環(huán)境音量約為40 dB，面積大小為110 m×65 m。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，計(jì)算機(jī)一端連續(xù)、循環(huán)地發(fā)送已經(jīng)調(diào)制好的聲信號(hào)，即二進(jìn)制編碼“110011110010100”，另一端的計(jì)算機(jī)進(jìn)行解調(diào)，一定時(shí)間(10 min)內(nèi)計(jì)算通信誤碼率。

為得到良好的聲通信效果，綜合考慮空氣中聲信號(hào)特性和壓電換能器的頻率響應(yīng)特性，設(shè)定DPSK信號(hào)載波頻率為2 940 Hz，當(dāng)發(fā)送波特率為294 bps時(shí)，發(fā)送DPSK信號(hào)波形和相應(yīng)的頻譜分析見圖8、圖9所示。

圖8 發(fā)送DPSK信號(hào)波形Fig 8 Sending DPSK signal waveform

圖9 發(fā)送DPSK信號(hào)頻譜分析Fig 9 Sending DPSK signal spectrum analysis

室內(nèi)環(huán)境中，發(fā)聲換能器與傳聲換能器相距5 m時(shí)，接收?qǐng)D8的DPSK信號(hào)，接收到的聲信號(hào)波形、濾波與修正后波形及其頻譜分析見圖10、圖11、圖12所示。

圖11 修正后的聲信號(hào)波形Fig 11 Revised acoustic signal waveform

圖12 修正后聲信號(hào)的頻譜分析Fig 12 Spectrum analysis of revised acoustic signal

5.1 室內(nèi)環(huán)境實(shí)驗(yàn)

令發(fā)送端發(fā)送聲信號(hào)的功率與波特率保持不變，改變發(fā)送端與接收端間的距離，測(cè)試通信誤碼率，結(jié)果見表1。

令發(fā)送端發(fā)送聲信號(hào)的功率保持不變，同時(shí)通信距離保持5 m不變，改變發(fā)送聲信號(hào)的波特率，測(cè)試通信誤碼率，結(jié)果見表2。

表1 不同距離時(shí)的通信誤碼率Tab 1 Communicated bit error rate of different distances

表2 不同波特率時(shí)的通信誤碼率Tab 2 Communicated bit error rate of different baud rate

5.2 室外環(huán)境實(shí)驗(yàn)

令發(fā)送端發(fā)送聲信號(hào)的功率和波特率保持不變，改變發(fā)送端與接收端間的距離，分別測(cè)試通信誤碼率，結(jié)果見表3。

令發(fā)送端發(fā)送聲信號(hào)的功率保持不變，同時(shí)通信距離保持7m不變，改變發(fā)送聲信號(hào)的波特率，分別測(cè)試通信誤碼率，結(jié)果見表4。

表3 不同距離時(shí)的通信誤碼率Tab 3 Communicated bit error rate of different distances

表4 不同波特率時(shí)的通信誤碼率Tab 4 Communicated bit error rate of different baud rate

由上面4個(gè)表可知，由于室內(nèi)噪聲干擾等比室外嚴(yán)重，因此，室外通信質(zhì)量比室內(nèi)好。2只傳感器間距離越大，誤碼率越高；波特率越大，誤碼率越高。

6 結(jié) 論

WSNs所在的應(yīng)用環(huán)境中有可能存在短距無線通信的“擁堵”和強(qiáng)電磁干擾導(dǎo)致的通信不穩(wěn)定甚至中斷問題，為解決這個(gè)問題，本文對(duì)一種短距聲通信技術(shù)進(jìn)行了理論研究和實(shí)驗(yàn)測(cè)試。設(shè)計(jì)了用于測(cè)試聲通信的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu);介紹了實(shí)驗(yàn)中DPSK調(diào)制與解調(diào)原理及其相關(guān)Matlab程序流程以及輸出與接收放大電路的設(shè)計(jì)。利用所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在室內(nèi)環(huán)境時(shí)，聲通信的最佳距離為2 m；室外環(huán)境時(shí)，聲通信的最佳距離為5 m,最佳波特率均為294 bps，驗(yàn)證了本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的聲通信方法的可行性。

[1] 任豐原，黃海寧，林 闖.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J].軟件學(xué)報(bào)，2003,14(2):1148-1157.

[2] 郭忠文,羅漢江,洪 鋒,等.水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展,2010,47(3):377-389.

[3] 趙克勤.常用電聲器件原理與應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,1990.

[4] 于 洋,相敬林,張效民.水下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010,28(2):207-210.

[5] 郭忠文,羅漢江,洪 鋒,等.水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展,2010,47(3):377-389.

[6] 孟令軍.基于音頻的WSN節(jié)點(diǎn)自定位技術(shù)研究[D].北京:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所,2010.

[7] 盧伍根.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].鄭州：解放軍信息工程大學(xué)，2007:16-27.

Research of short-range acoustic communication method for WSNs*

DI Li-xia1,2, ZHANG Yan-jun1,2, LIU Wen-yi1,2

(1.Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement,Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China; 2.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China)

In environment of wireless sensor networks,due to strong electromagnetic field or the coexistence of short-distance wireless communication frequencies，short-distance wireless communications among sensor nodes may be disturbed and even be interrupted.Aiming at this problem,study a kind of short-range acoustic communication mode which modulates transimitted signals on sound waves and completes data communication among nodes through the propagation of sound waves in air.Firstly,design test system structure which is used to validate acoustic communication method,then introduces DPSK modulation and demodulation principle，related Matlab program flow，output and receiving amplifier circuit design.Finally,the acoustic communication experiments is carried out,it shows that the best distance of acoustic communication is 2 m in indoor environment and the best distance of sound communication is 5 m.The best baud rate are all 294 bps.The experimental data verifies that the designed acoustic communication method by this system is feasible.

WSNs; acoustic communication; DPSK；multipath effect

?收到的聲信號(hào)波形 Fig 10

acoustic signal waveform

2013—09—11

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51075375)

TN 929

A

1000—9787(2014)04—0052—04

邸麗霞(1990-)，女，山西太原人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闇y(cè)試計(jì)量技術(shù)與儀器。