邸麗霞， 張彥軍， 劉文怡

(1.中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051；2.中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051)

無線傳感器網絡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 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051；2.中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051)

在無線傳感器網絡(WSNs)所處環(huán)境中，由于強電磁或短距無線通信頻率共存的原因，傳感器節(jié)點間的短距無線通信常常會受到干擾甚至中斷。針對這個問題，研究了一種短距聲通信方式，將信號調制于聲信號上，通過空氣中聲信號的傳播來完成節(jié)點之間的數據通信。設計了用于驗證聲通信方法的實驗系統結構；介紹了微分相移鍵控(DPSK)調制與解調原理及相關Matlab程序流程、輸出與接收放大電路設計。進行了聲通信實驗，在室內環(huán)境時，聲通信的最佳距離為2 m,室外環(huán)境時，聲通信的最佳距離為5 m,最佳波特率均為294 bps。實驗數據表明：本系統所設計的聲通信方法是可行的。

無線傳感器網絡； 聲通信； 微分相移鍵控； 多徑效應

0 引 言

無線傳感器網絡(WSNs)是由部署在一定監(jiān)測區(qū)域內的眾多傳感器節(jié)點以自組織的形式、通過無線通信方式處理、傳遞并獲取監(jiān)測對象信息的網絡系統。

WSNs中，無線頻譜的傳輸頻段一般優(yōu)先選擇多數國家均無需申請的2.4 GHz，而隨著電子技術的發(fā)展，短距無線通信技術的應用越來越廣泛，在WSNs所處的應用環(huán)境中，包括藍牙(Bluetooth)、無限局域網(Wi-Fi)、無繩電話、無線USB等許多短距無線通信技術都使用了2.4 GHz ISM頻段[1]，當它們同時運行時，會干擾甚至中斷WSNs的無線通信。同樣，一些強電磁環(huán)境(如使用中的微波爐周圍、變電站、有惡意電磁干擾的場合等)中，WSNs的短距無線通信也可能會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，將信號調制于聲波上，通過聲波的傳播實現傳感器節(jié)點間的數據通信[2]。

1 聲通信實驗系統結構設計

為驗證短距聲通信方法應用于WSNs的可行性，設計用于測試的試驗系統，其結構框圖見圖1所示。采用Matlab軟件完成聲信號的調制與解調，調試方便；計算機聲卡用于輸出或采集聲信號，它是通過調用Matlab函數庫中的聲卡調用函數來實現的；輸出放大電路用于放大計算機聲卡輸出的信號來驅動換能器工作，接收放大電路則用于放大換能器傳來的微弱信號以供計算機聲卡進行準確采集；換能器采用壓電式換能器，用于完成電—聲與聲—電轉換[3]。

圖1 聲通信試驗系統結構框圖Fig 1 Structure block diagram of acoustic communication test system

該系統的工作流程如下：系統啟動后，一臺計算機的Matlab程序運行聲卡調用函數，在計算機音頻輸出口輸出調制后的電信號，經過放大電路后，驅動換能器完成電/聲轉換，將聲信號傳送到空氣中；同時，另外一臺計算機將接收剛才的聲信號，通過換能器完成聲/電轉換，經放大電路后，計算機的Matlab程序運行聲卡調用函數，將采集到的電信號交由Matlab程序完成解調工作。

2 微分相移鍵控調制與解調原理

本系統參考水聲通信的方法，同時綜合考慮各種調制方法的通信距離、通信質量、程序復雜度等，最終決定選用微分相移鍵控(DPSK)調制方法[4]。

DPSK信號表達式為

(1)

圖2 DPSK調制流程Fig 2 DPSK modulation process

圖3 DPSK解調流程Fig 3 DPSK demodulation process

解調時，DPSK信號經帶通濾波后，在乘法器中完成差分“相干”檢測，輸出

(2)

低通濾波濾去2ω0成分，得到

(3)

最后經抽樣判決器判別后得到解調的二元碼

(4)

3 Matlab程序設計

3.1 聲信號調制與發(fā)送程序

Matlab程序是本實驗系統的核心，在實驗過程中，為了獲取良好的聲通信效果，依據所獲得的實驗數據，對Matlab程序進行了多次改進。聲信號調制與發(fā)送的Matlab程序流程圖見圖4所示。

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

3.2 聲信號接收與解調程序

本實驗系統中，聲通信的通信信道為接近地面的空氣，聲信號在傳播過程中，一部分信號從發(fā)送端經空氣直接到達接收端，而有一部分信號則因為地面和某些障礙物的存在從發(fā)送端經過不同的反射路徑才到達接收端，這就導致了接收到的聲信號中不僅有原始聲脈沖信號，還包含了混響聲脈沖信號，這就是多徑效應[5]。

多徑效應的存在會增加通信誤碼率，縮短通信距離，因此,必須采取措施有效消除多徑效應對聲通信的影響。本系統采用定性估計方法，將2只傳感器節(jié)點放于實際的應用環(huán)境中，其中，一個節(jié)點發(fā)送單一頻率的聲脈沖信號給另外一個傳感器節(jié)點，根據所接收的聲脈沖信號來分析多徑數目、多徑衰減、多徑時延等[6]。有了定性分析結果后，在實際的實驗中就可以通過一定的算法來消除混響聲脈沖信號的干擾，提高通信質量。聲信號接收與解調的Matlab程序流程圖見圖5所示。DPSK信號解調之前，先由聲卡采集信號完成多徑效應的定性估算以得到修正算法，接著開始正式接收聲信號，并對其進行修正以提高通信質量。

圖5 聲信號接收與解調流程圖Fig 5 Flow chart of acoustic signal receiving and demodulation

4 放大電路設計

4.1 輸出放大電路設計

傳感器節(jié)點采用鋰離子電池(電壓為3.7 V)供電，不足以驅動壓電發(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來驅動換能器，此外，可以通過PAM8902的INP引腳的信號大小來自動停止或開啟信號放大相關工作，以節(jié)省電池能量[7]。

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

4.2 接收放大電路設計

實驗過程中，2臺計算機之間的距離可能為幾米甚至幾十米，聲信號傳輸到壓電式傳聲換能器時已經十分微弱，因此,必須采取措施對其進行放大，以方便計算機聲卡對信號進行準確采集。接收放大電路如圖7所示，采用2級放大，第一級放大器采用AD623，放大倍數為10倍，第二級采用LM324，放大倍數為100倍，總體放大倍數接近1 000倍，足以將壓電式傳聲換能器接收到的微弱信號放大，使系統采集到良好的數字信號，方便后續(xù)處理。

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

5 聲通信實驗

本實驗包含2種實驗環(huán)境：室內環(huán)境和室外環(huán)境。室內環(huán)境為擺設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，環(huán)境音量約為40 dB，面積大小為110 m×65 m。

實驗時，計算機一端連續(xù)、循環(huán)地發(fā)送已經調制好的聲信號，即二進制編碼“110011110010100”，另一端的計算機進行解調，一定時間(10 min)內計算通信誤碼率。

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

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

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

室內環(huán)境中，發(fā)聲換能器與傳聲換能器相距5 m時，接收圖8的DPSK信號，接收到的聲信號波形、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 修正后的聲信號波形Fig 11 Revised acoustic signal waveform

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

5.1 室內環(huán)境實驗

令發(fā)送端發(fā)送聲信號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，測試通信誤碼率，結果見表1。

令發(fā)送端發(fā)送聲信號的功率保持不變，同時通信距離保持5 m不變，改變發(fā)送聲信號的波特率，測試通信誤碼率，結果見表2。

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

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

5.2 室外環(huán)境實驗

令發(fā)送端發(fā)送聲信號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，分別測試通信誤碼率，結果見表3。

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

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

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

由上面4個表可知，由于室內噪聲干擾等比室外嚴重，因此，室外通信質量比室內好。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 論

WSNs所在的應用環(huán)境中有可能存在短距無線通信的“擁堵”和強電磁干擾導致的通信不穩(wěn)定甚至中斷問題，為解決這個問題，本文對一種短距聲通信技術進行了理論研究和實驗測試。設計了用于測試聲通信的實驗系統結構;介紹了實驗中DPSK調制與解調原理及其相關Matlab程序流程以及輸出與接收放大電路的設計。利用所設計的實驗系統進行測試，獲取實驗數據，在室內環(huán)境時，聲通信的最佳距離為2 m；室外環(huán)境時，聲通信的最佳距離為5 m,最佳波特率均為294 bps，驗證了本系統所設計的聲通信方法的可行性。

[1] 任豐原，黃海寧，林 闖.無線傳感器網絡[J].軟件學報，2003,14(2):1148-1157.

[2] 郭忠文,羅漢江,洪 鋒,等.水下無線傳感器網絡的研究進展[J].計算機研究與發(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.水下傳感器網絡節(jié)點設計及實現[J].西北工業(yè)大學學報,2010,28(2):207-210.

[5] 郭忠文,羅漢江,洪 鋒,等.水下無線傳感器網絡的研究進展[J].計算機研究與發(fā)展,2010,47(3):377-389.

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

[7] 盧伍根.無線傳感器網絡節(jié)點硬件平臺的研究與實現[D].鄭州：解放軍信息工程大學，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

?收到的聲信號波形 Fig 10

acoustic signal waveform

2013—09—11

國家自然科學基金資助項目(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，主要研究方向為測試計量技術與儀器。