黃戰(zhàn)華，王吉虎

（天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，光電信息技術(shù)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072）

基于TOF的海潮高度在線測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

黃戰(zhàn)華*，王吉虎

（天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，光電信息技術(shù)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072）

為提高現(xiàn)有的潮汐及水位儀器（如浮子式、超聲波式、雷達(dá)式水位計(jì)）在線測(cè)量的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，減小儀器的體積、成本和功耗，設(shè)計(jì)了一種基于TOF（Time of Flight，即飛行時(shí)間法）三維成像測(cè)距并結(jié)合XBEE MESH技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)。傳感節(jié)點(diǎn)使用準(zhǔn)直的850 nm紅外LED發(fā)射光源，采用ARM+CPLD控制和提取EPC610 TOF成像芯片的有效測(cè)量數(shù)據(jù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)校正和計(jì)算，單個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)能實(shí)現(xiàn)1 m～7 m范圍內(nèi)誤差±1.25 cm，測(cè)量速率為500次/秒的高速測(cè)量，其尺寸只有2.5 cm×2.5 cm大小。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)部分采用Peer-to-Peer MESH自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用無(wú)線模塊主動(dòng)喚醒傳感器，同步和異步休眠相結(jié)合的控制形式大大降低了功耗。

在線測(cè)量；TOF三維成像；Peer-to-Peer MESH自組網(wǎng)；體積??；低功耗設(shè)計(jì)

EEACC:7320Zdoi:10.3969/j.issn.1004-1699.2015.09.011

潮位測(cè)量往往需要在海岸邊建立驗(yàn)潮井，而驗(yàn)潮井的底端通過(guò)輸水管道與海水相連，所以井內(nèi)水面相對(duì)海面要平穩(wěn)，故驗(yàn)潮儀器要安置于井口，通過(guò)接觸或非接觸的方式測(cè)量?jī)x器與水面間的距離，從而間接測(cè)出水面至測(cè)站基面的距離，即潮高。常用的潮位測(cè)量方式有水尺［1］、浮子式水位計(jì)、壓力式水位計(jì)、超聲波、雷達(dá)以及激光水位計(jì)。水尺測(cè)量精度低，浮子式測(cè)量需接觸水面，體積笨重，壓力式需將壓力計(jì)置于水底，超聲波和雷達(dá)易受雷電和環(huán)境影響，激光器能耗大，驅(qū)動(dòng)繁瑣，長(zhǎng)時(shí)間工作不穩(wěn)定［2］。

針對(duì)這一情況，本文采用準(zhǔn)直過(guò)的850 nm紅外LED做發(fā)射光源以提高信號(hào)源的穩(wěn)定性，接收探測(cè)器采用基于TOF技術(shù)［3～6］的高速三維成像芯片EPC610，使用ARM+CPLD結(jié)構(gòu)控制EPC610的數(shù)據(jù)采集過(guò)程和數(shù)據(jù)的后期校正計(jì)算，最終得到被測(cè)面的三維點(diǎn)云圖。結(jié)合XEBB MESH結(jié)構(gòu)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，將各個(gè)驗(yàn)潮站的潮汐信息傳輸至協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)并由協(xié)調(diào)器通過(guò)其他類型網(wǎng)絡(luò)如蜂窩網(wǎng)絡(luò)傳遞至中心管理室。

1　系統(tǒng)測(cè)量原理

測(cè)量節(jié)點(diǎn)采用TOF測(cè)距技術(shù)，測(cè)量原理如圖1所示。

圖1　飛行時(shí)間法測(cè)距的原理

TOF測(cè)距中光源一般采用LED，并且光源一般被調(diào)制到幾兆甚至幾十兆赫茲，假設(shè)被調(diào)制之后的發(fā)射光信號(hào)為理想的正弦波，描述為:

S（t）=A+cos（wt）（1）

信號(hào)經(jīng)被測(cè)物返回之后可描述為:

R（t）=B+kAcos（wt+Δφ）（2）

其中B為外部疊加的干擾噪聲造成的返回信號(hào)整體偏移量，A為發(fā)射信號(hào)振幅，而kA則為返回測(cè)量信號(hào)振幅，信號(hào)衰減系數(shù)為k。那么光脈沖飛行的時(shí)間Δt計(jì)算公式如下:

Δt=Δφ×Tm/（2π）=Δφ/（2πfm）（3）

其中，Tm是指調(diào)制光的周期，fm是指調(diào)制光的頻率。所以距離d計(jì)算公式［7～8］如下:

d=c×Δt/2（4）

光電傳感器一旦接收到返回測(cè)量信號(hào)就同步進(jìn)行解調(diào)，進(jìn)而可通過(guò)計(jì)算得到測(cè)量信號(hào)的各種參數(shù)，實(shí)際在TOF深度成像的信號(hào)處理過(guò)程中，一般采用四點(diǎn)測(cè)量法進(jìn)行解算［9～10］。選取每個(gè)測(cè)量周期0、π/2、π、3π/2四點(diǎn)處對(duì)返回測(cè)量信號(hào)進(jìn)行采樣，每個(gè)采樣點(diǎn)之間的間隔為四分之一的測(cè)量周期，即正交采樣。那么發(fā)射信號(hào)與返回信號(hào)之間的相位差Δφ，偏移量B和測(cè)量返回信號(hào)振幅kA就可以計(jì)算得知:

其中，Ci為每個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的互相關(guān)系數(shù)。

2　測(cè)量節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1測(cè)量節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖2所示，測(cè)量節(jié)點(diǎn)控制板采用ARM+CPLD結(jié)構(gòu)，CPLD負(fù)責(zé)發(fā)生與EPC610通信的10 MHz SPI總線，ARM端負(fù)責(zé)啟停CPLD與EPC610的數(shù)據(jù)傳輸，ARM同時(shí)控制電源管理芯片來(lái)啟動(dòng)和停止EPC610。EPC610使用恒電流電路驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)外部?jī)蓚€(gè)850 nm紅外LED的高頻調(diào)制。

圖2　測(cè)量節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

在一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)由微處理器讀取EPC610的四次原始采樣值，每個(gè)采樣有8×8=64個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)、一個(gè)行飽和像素?cái)?shù)目和兩個(gè)溫度值，四次采樣值經(jīng)過(guò)計(jì)算篩選出有效測(cè)量數(shù)據(jù)，然后對(duì)其進(jìn)行非均勻性校正得到最終探測(cè)目標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。一次完整的測(cè)量周期如圖3所示。

圖3　EPC610一次完整的測(cè)量周期

2.2EPC610的初始化過(guò)程

初始化過(guò)程包括兩部分，首先是啟動(dòng)EPC610 的bootloader，將ROM中的默認(rèn)配置表加載到EPC610的RAM中，然后修改EPC610對(duì)兩個(gè)紅外LED的時(shí)鐘分頻數(shù)，LED的調(diào)制頻率同時(shí)影響距離測(cè)量的分辨率和測(cè)距范圍，本系統(tǒng)配置將LED調(diào)制為20 MHz，此時(shí)距離測(cè)量分辨率為2.5 mm，最大測(cè)量范圍是7.5 m。

2.3有效數(shù)據(jù)的篩選

在一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)，EPC610采集并緩存了4次原始數(shù)據(jù)，每次采樣數(shù)據(jù)量為64×12 bit=96 bytes，然后進(jìn)入篩選算法判斷本次測(cè)量數(shù)據(jù)是否有效，若數(shù)據(jù)無(wú)效則調(diào)整積分時(shí)間進(jìn)入下一個(gè)測(cè)量周期。

①讀取每一行的飽和像元的數(shù)目和有效像元的數(shù)目，即MIN_VALID_PIX和MAX_SAT_PIX，在每次測(cè)量數(shù)據(jù)中，取作為閾值，進(jìn)入下一步的篩選。

②每個(gè)像素接收到的信號(hào)幅度即像素動(dòng)態(tài)范圍的篩選，針對(duì)每個(gè)像素，由四點(diǎn)測(cè)量法的原理可知，其信號(hào)幅度信號(hào)幅度越大，測(cè)量精度越高，像素越接近飽和。小于100說(shuō)明接收信號(hào)太弱或信號(hào)與背景噪聲相差不大，需增大積分時(shí)間，大于1 000表明探測(cè)器接近飽和，要降低積分時(shí)間。所以選取100～1 000作為動(dòng)態(tài)范圍篩選區(qū)間。

③像素信噪比篩選，對(duì)于每個(gè)像素，AMR=20log10（Edc/Eac），AMR＜60 dB，信噪比較高，可作為理想的輸出，否則，需放棄本測(cè)量周期的4組數(shù)據(jù)并適當(dāng)調(diào)整積分時(shí)間，進(jìn)入下一個(gè)測(cè)量周期。

經(jīng)過(guò)三步篩選的數(shù)據(jù)可認(rèn)定為本測(cè)量周期的4組數(shù)據(jù)有效，可進(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)校正。

2.4積分時(shí)間的調(diào)整

EPC610提供了從1.60 μs到52.6 ms的16檔積分時(shí)間可供調(diào)整，在有效數(shù)據(jù)的篩選流程中使用二分查找而非步進(jìn)查找方式調(diào)整積分時(shí)間。

2.5EPC610的非均勻性校正

在同一測(cè)量距離下，由四點(diǎn)測(cè)量法公式計(jì)算EPC610提取的有效數(shù)據(jù)得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)參差不齊，因此需要進(jìn)行非均勻性校正，由于輸入距離與輸出點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間存在近似線性關(guān)系，所以本文使用實(shí)時(shí)性良好的兩點(diǎn)線性校正法。分別取距離d1=2.9 m 和d2=0.5 m下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)做基準(zhǔn)，假定d1下64個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)為Xij（d1），d2下64個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)為Xij（d2），d1下64個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平均值為V1，d2下64個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平均值為V2，那么有:

校正因子和增量因子矩陣

Gij=（V2-V1）/［Xij（d2）-Xij（d1）］（10）

Oij=（V2×Xij（d1）-V1×Xij（d2）/［Xij（d2）-Xij（d1）］（11）

那么校正后的點(diǎn)云輸出。

Yij=Gij×Xij+Oij（12）

得到校正因子矩陣后，重復(fù)新一輪的測(cè)量，以距離2.6 m下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為例驗(yàn)證校正效果，如圖4所示，左圖是有效點(diǎn)云數(shù)據(jù)但未校正過(guò)，右圖是校正過(guò)后的。

圖4　非均勻性校正結(jié)果

3　無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

傳統(tǒng)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)比如ZigBee網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)需配置設(shè)備類型為協(xié)調(diào)器、路由器或者終端，終端節(jié)點(diǎn)可以異步周期性的休眠，而協(xié)調(diào)器和路由器應(yīng)處于一直上電狀態(tài)，協(xié)調(diào)器作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中心管理節(jié)點(diǎn)，其發(fā)送的消息和命令會(huì)緩存在終端節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)上，終端節(jié)點(diǎn)在喚醒時(shí)刻會(huì)輪詢父節(jié)點(diǎn)是否有消息到來(lái)，若沒(méi)有則進(jìn)入下一周期的休眠［11］。另外，層次性的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫沟脜f(xié)調(diào)器的工作量大，且整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的功耗較大，環(huán)境致使拓?fù)錀l件變化時(shí)適應(yīng)能力較差。

本系統(tǒng)使用DIGI公司支持Peer-to-Peer Mesh自組織技術(shù)的XBEE模塊，其工作在免費(fèi)的2.4 GHz，如圖5所示，采用完全對(duì)等的Mesh拓?fù)洌?2～14］結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)包括協(xié)調(diào)器都可以休眠，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以工作在同步休眠方式或者功耗更低的異步休眠方式。相對(duì)于層次網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，測(cè)量節(jié)點(diǎn)同時(shí)兼具路由和中繼的功能，這種自組織的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得協(xié)調(diào)器工作量大大減輕，適合在海岸嚴(yán)酷的作業(yè)環(huán)境下進(jìn)行自動(dòng)化的測(cè)量，在其他領(lǐng)域也有相應(yīng)的應(yīng)用［15～16］。

圖5　XBEE MESH拓?fù)?/p>

3.1節(jié)點(diǎn)工作過(guò)程

傳統(tǒng)的測(cè)量節(jié)點(diǎn)由微控制器來(lái)統(tǒng)籌傳感器和無(wú)線模塊的工作，然而在本系統(tǒng)中微控制器和EPC610的功耗較無(wú)線模塊要大許多，所以該系統(tǒng)中測(cè)量節(jié)點(diǎn)使用XBEE主動(dòng)喚醒微控制器的模式，要使用到XBEE模塊的Sleep-REQ睡眠請(qǐng)求標(biāo)志引腳。XBEE模塊被喚醒之后，Sleep-REQ被拉高，通知ARM端XEBB被喚醒，此時(shí)ARM由休眠轉(zhuǎn)入正常工作模式并通過(guò)USART與XEBB通信，ARM端打開(kāi)EPC610的電源開(kāi)始數(shù)據(jù)采集，并將一幀數(shù)據(jù)發(fā)送至XBEE，發(fā)送完成，ARM端切斷傳感器的電源并將ARM本身置為低功耗休眠模式，隨后Sleep-REQ 被XBEE模塊置低，模塊進(jìn)入休眠或者等待同步休眠幀的到來(lái)。這種方法相比傳統(tǒng)的微控制器做主機(jī)模式來(lái)控制傳感器和無(wú)線模塊的測(cè)量節(jié)點(diǎn)，微控制器和EPC610在不工作時(shí)處于完全休眠狀態(tài)從而降低系統(tǒng)功耗。

協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)與測(cè)量節(jié)點(diǎn)類似，只是不具有傳感測(cè)量功能，主要作用是作為網(wǎng)關(guān)將各節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)集中發(fā)送至蜂窩或其他網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)接受中心控制室傳送的啟動(dòng)采集命令并喚醒整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

3.2無(wú)線模塊的操作模式

Xbee模塊提供AT指令或API幀結(jié)構(gòu)兩種操作模式，AT指令方式簡(jiǎn)單但不靈活，而API幀結(jié)構(gòu)方式允許用戶自定義幀的封裝內(nèi)容，使用靈活，本文使用第二種方式，來(lái)自測(cè)量節(jié)點(diǎn)的幀大小被封裝為17個(gè)字節(jié)，幀的數(shù)據(jù)域自定義為測(cè)量節(jié)點(diǎn)的編號(hào)+傳輸數(shù)據(jù)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)編號(hào)標(biāo)識(shí)該數(shù)據(jù)幀來(lái)自哪一驗(yàn)潮站。

3.3休眠設(shè)置

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)一般采用電池做供電，因此必須采用節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器休眠的方式來(lái)節(jié)省功耗，XBEE模塊可以配置同步和異步休眠模式。處于異步休眠模式時(shí)，節(jié)點(diǎn)周期性的監(jiān)聽(tīng)是否有喚醒幀來(lái)到，沒(méi)有則進(jìn)入下一周期的休眠，如果有則喚醒該測(cè)量節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，異步模式下各節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間處在休眠狀態(tài)，因此系統(tǒng)功耗較低。而同步模式無(wú)需模塊喚醒過(guò)程，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸完成之后，等待協(xié)調(diào)器廣播的同步休眠命令，收到則轉(zhuǎn)入休眠模式，否則一直等待直到超時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)入休眠。為防止出現(xiàn)此種情況，本文使用同步和異步休眠結(jié)合的方式配置節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器。

所有節(jié)點(diǎn)包括協(xié)調(diào)器在不工作時(shí)均處于低功耗的異步休眠模式，中心控制室發(fā)送采集命令到協(xié)調(diào)器后，協(xié)調(diào)器被喚醒并全網(wǎng)廣播異步喚醒幀，各測(cè)量節(jié)點(diǎn)被喚醒后進(jìn)入同步工作模式，協(xié)調(diào)器開(kāi)始周期性的收到各測(cè)量節(jié)點(diǎn)的潮汐數(shù)據(jù)，直到采集停止，協(xié)調(diào)器停止廣播同步休眠幀并進(jìn)入低功耗的異步休眠模式，同時(shí)各測(cè)量節(jié)點(diǎn)因接收同步休眠幀超時(shí)同樣也進(jìn)入低功耗的異步休眠模式。整個(gè)過(guò)程如圖6所示，上面是協(xié)調(diào)器的流程，下面是各個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)的工作流程。

本系統(tǒng)設(shè)置異步休眠下的休眠時(shí)間和監(jiān)聽(tīng)時(shí)間比值為450，監(jiān)聽(tīng)時(shí)間為2 000 μs，那么異步休眠周期為2×（1+450）=902 ms，同步休眠間隔為600 s，即10 min采集一次。系統(tǒng)中有6個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)，1個(gè)協(xié)調(diào)器。無(wú)線射頻速率為250 kbit/s。

4　實(shí)驗(yàn)與分析

4.1節(jié)點(diǎn)測(cè)距實(shí)驗(yàn)

單個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)的實(shí)物圖如圖7所示，只有2.5 cm×2.5 cm，中間的EPC610僅有4 mm×4 mm大小。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，對(duì)每個(gè)測(cè)量周期的點(diǎn)云數(shù)據(jù)取平均作為該次測(cè)量的距離值。從23 cm到603 cm，每間隔10 cm作為一測(cè)量點(diǎn)，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)處進(jìn)行30個(gè)測(cè)量周期取平均得到該處的測(cè)距值，測(cè)量結(jié)果如圖8所示。

圖7　測(cè)量節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖

圖8　距離測(cè)量結(jié)果

可見(jiàn)，從1 m～7 m的測(cè)量范圍內(nèi)，絕對(duì)誤差均在±1.25 cm以內(nèi)。

4.2測(cè)距實(shí)時(shí)性分析

EPC610使用SPI總線與微控制器通信，頻率為10 MHz。假定EPC610使用的積分時(shí)間是51.2 μs，一個(gè)SPI幀即SPI Command需要（16 SPI bits+1 NSS pulse bit）·0.1 μs=1.7 μs，那么在系統(tǒng)流程的各個(gè)階段使用的時(shí)間如下:①EPC610初始化:8 rows×18 SPI Commands×1.7 μs=244.8 μs；②啟動(dòng)測(cè)量:2 SPI Commands×1.7 μs=3.4 μs；③讀取1次DCS采樣值的時(shí)間包括EPC610采集、響應(yīng)和通信時(shí)間:51.2 μs+ 175 μs+8 rows×18 SPI Commands×1.7 μs=471 μs，一個(gè)測(cè)量周期需要4次DCS，即4 μs×471 μs=1 884 μs。所以一個(gè)完整的數(shù)據(jù)提取周期需要2 132.2 μs，微處理器在與EPC610進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的同時(shí)在并行的進(jìn)行篩選校正等計(jì)算，故一次完整的測(cè)量周期需消耗接近2 132.2 μs，即1 s可以測(cè)量接近500次，可以做到實(shí)時(shí)測(cè)量。但是如此高速的測(cè)量會(huì)帶來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的擁塞，故調(diào)整ARM端的延時(shí)，使得測(cè)量數(shù)據(jù)輸出響應(yīng)時(shí)間，即測(cè)量初始化時(shí)間為1.5 s，以限制每個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)輸入網(wǎng)絡(luò)的流量。

4.3測(cè)量誤差分析

TOF采用的是解調(diào)相位的方式來(lái)計(jì)算往返時(shí)間，所以測(cè)量的精準(zhǔn)度不僅取決于CPU定時(shí)器的穩(wěn)定度，還取決于相移測(cè)量的精準(zhǔn)度。比如，LED調(diào)制脈沖與探測(cè)器之間同步信號(hào)發(fā)生10 ps的偏移，就相當(dāng)于增加1.5 mm的距離測(cè)量誤差。

被測(cè)對(duì)象對(duì)紅外LED光的反射率影響，為保證探測(cè)器接收到足夠的反射信號(hào)，本文采用了純白色的反射板浮于水面上。探測(cè)物體反射率越小，返回的信號(hào)幅度也越小，有效數(shù)據(jù)量越少，精準(zhǔn)度越低。

LED準(zhǔn)直帶來(lái)的誤差，LED發(fā)散角比較大，導(dǎo)致光斑能量不集中，反射回探測(cè)器的光信號(hào)能量弱，致使測(cè)距精度低。另外，LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)以及這部分在電路板上布線時(shí)的不合理將會(huì)導(dǎo)致LED被調(diào)制后的信號(hào)不完全是理想的正弦信號(hào)而導(dǎo)致測(cè)量誤差。

EPC610屬于半導(dǎo)體探測(cè)器，使用時(shí)溫度會(huì)對(duì)其產(chǎn)生溫度漂移誤差，系統(tǒng)使用時(shí)的溫度誤差來(lái)源有環(huán)境變化產(chǎn)生的溫度誤差以及大功率LED散熱性不好產(chǎn)生的誤差。對(duì)于環(huán)境誤差可以使用逐段進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ㄈサ?，?duì)于儀器自身的散熱性帶來(lái)的誤差可以在LED上加散熱片解決。EPC610在對(duì)其64個(gè)像素進(jìn)行閾值篩選時(shí)，選取的閾值區(qū)間也會(huì)影響測(cè)量精度，信號(hào)幅度區(qū)間太小會(huì)使信噪比太小直接產(chǎn)生測(cè)量誤差，在100～1 000的范圍內(nèi)可以很好的使用測(cè)量的距離，而50～100之間的范圍也可以被使用，但距離噪聲會(huì)非常明顯。EPC610在選取積分時(shí)間時(shí)，積分時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，回波信號(hào)太大致使像素飽和，太小又會(huì)導(dǎo)致信噪比太小，因此選取適當(dāng)?shù)姆e分時(shí)間也會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

4.4功耗估算

無(wú)線模塊的接收電流Ir=55 mA，發(fā)送電流It= 250 mA，休眠電流Is＜50 μA。由圖6的工作流程可知，系統(tǒng)功耗主要有以下4部分:①異步喚醒過(guò)程，時(shí)間為0.5～1個(gè)異步休眠周期，這里取一個(gè)異步休眠周期為902 ms，平均消耗電流為（Ir+It）/2=152.5 mA。②測(cè)量數(shù)據(jù)響應(yīng)過(guò)程1 500 ms，能耗包括兩部分，ARM和EPC610在此時(shí)間內(nèi)需要100 mA。由于XBEE被喚醒后仍然沒(méi)有有效數(shù)據(jù)到來(lái)，所以XBEE 在1 000 ms-902 ms=98 ms的時(shí)間內(nèi)，XBEE仍處于接收狀態(tài)，電流為Ir=55 mA。故在此1 500 ms消耗的平均電流為（1 500 ms×100 mA+98 ms×55 mA）/ 1 500 ms=103.59 mA。③無(wú)線傳輸部分，經(jīng)測(cè)試，一次有效地?cái)?shù)據(jù)傳輸需要平均時(shí)間為T≈6.108ms，那么最壞的總的傳輸時(shí)間為:節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)×T/（協(xié)調(diào)器個(gè)數(shù)×傳輸效率）=6×6.108 ms/0.5=73.296 ms，消耗的平均電流為（Ir+It）/2=152.5 mA。④同步休眠幀等待超時(shí)時(shí)間500 ms，消耗的平均電流為Ir=55 mA。

可以看出，一次完整的測(cè)量總共需要近3 s，消耗的平均電流為113 mA。如果采用5 000 mAh的移動(dòng)電源供電，采集的時(shí)間間隔為10 min，那么總共可以使用5 000 mAh/113 mA*3 600/3 s/24/6=368.7。

5　結(jié)論

本文分析了傳統(tǒng)潮汐測(cè)量裝置的缺陷，針對(duì)海岸作業(yè)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于紅外LED做發(fā)光光源的TOF測(cè)距裝置，包括LED光源的準(zhǔn)直和接收鏡頭的選型，紅外LED的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)以及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使用三層的篩選算法提取了有效地測(cè)量數(shù)據(jù)并進(jìn)行非均勻性校正，測(cè)距實(shí)時(shí)性和精度滿足項(xiàng)目需求。較傳統(tǒng)的中心狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本文使用自組織且對(duì)等的MESH網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有效地解決了因外部因素引起的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化或傳統(tǒng)中心節(jié)點(diǎn)失效導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)崩潰的問(wèn)題，低功耗方面，本文使用無(wú)線模塊主動(dòng)喚醒微控制器和傳感器的方式并結(jié)合同步和異步休眠方式減少了無(wú)謂的能耗，最后估計(jì)了系統(tǒng)的功耗和使用時(shí)長(zhǎng)。

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黃戰(zhàn)華（1965-），男，湖北省孝感人，博士，教授，1986年于華中科技大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，1989年、1992年于天津大學(xué)分別獲得碩士和博士學(xué)位，主要從事光電圖像處理與模式識(shí)別、光電子信息技術(shù)及多媒體計(jì)算機(jī)應(yīng)用與控制的研究，zhanhua@tju.cdu.cn；

王吉虎（1988-），男，山東省泰安人，碩士研究生，2011年于長(zhǎng)春理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事光電信息處理、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的研究，datang7878@126.com。

The Design of Tidal Level Measurement System Based on TOF*

HUANG Zhanhua*，WANG Jihu
（Key Laboratory of Opto-electronics Information Technology，Ministry of Education，College of Precision Instrument and Opto-Electronic Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

In order to improve the real-time performance and stabilityof the existing tide and water level measuring instrument，such as float type，ultrasonic，radar level gauge，reduce the size，the cost and power consumption of the instrument，this paper describes the design of a wireless sensor network system based on TOF（Time of Flight）three-dimensional imaging and XBEE MESH Technology.The sensor nodeuses 850 nm focused infrared LED as emission source，the ARM+CPLD architecture to control and extract the effective measurement data of EPC610 TOF imaging chip for real-time correction and calculation.A single measurement node can achieve an error of±1.25 cm at the range of 1 m～7 m，high-speed measurement rate at 500 times/sec and its size is only 2.5 cm× 2.5 cm.The wireless network uses Peer-to-Peer MESH self-organizing technology，using the wireless module to awaken the sensoractively and the combination of synchronous and asynchronous sleep mode，thus greatly reduced the power consumption.

online measurement；TOF 3D imaging；Peer-to-Peer MESH network；small in size；low power consumption design

TP277

A

1004-1699（2015）09-1328-07

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家863項(xiàng)目（2008AA04Z134）

2015-04-18修改日期:2015-06-24