用音頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間距測(cè)量

11引言利用音頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間距自主測(cè)量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。本系統(tǒng)包括dsPIC6014A微控制器、 512KB的SRAM,2.4G波段的RF收發(fā)模塊、音頻收發(fā)?！酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢?RF同步信號(hào)與音頻信號(hào)的時(shí)間差來測(cè)量節(jié)點(diǎn)間□□□□, □□□□□□□□□□□□□□□ IIR數(shù)字濾波技術(shù)提高了測(cè)距信號(hào)的信噪比，用幅度檢測(cè)實(shí)現(xiàn)了測(cè)距信號(hào)的到達(dá)時(shí)刻判別。 測(cè)試數(shù)據(jù)表明，該節(jié)□□□□□□□□ 30m,誤差小于 3.5口。節(jié)點(diǎn)間隔距離測(cè)量所利用的參量主要有：□□□□□（RSS）、信號(hào)時(shí)間差（TPOA）、角度量（AOA）口信號(hào)到達(dá)方向 （DOA）。其中，對(duì)RSS□□□□□□□□□□□□□□□ □□□□□□□□□□□□□□相關(guān),如初始發(fā)射功功率、天線距離地面的高度、反射、載波頻率等等,不進(jìn)行校驗(yàn)時(shí), 誤差可能超過 50％。射頻加超聲波定位采用的超聲波頻率為 40kHz,存□□□□□□□□□□□□□□□□□□□ 10m,方向性強(qiáng)，適合室內(nèi)使用?！酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢? 在數(shù)kHz時(shí)，□□□□□□□□□頻收發(fā)技術(shù)就能實(shí)現(xiàn)數(shù)十米范圍內(nèi)的距離測(cè)量, 是一種實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離高精度定位的□□□□□□ [1，6]介紹了利用偽隨機(jī)碼 +DSP□□□□□□□□□□□□□位精度,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。文獻(xiàn) [5]的工作與本論文研究工作相近,采用通用的Mica2□□□□，□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□ Mica系列和Telos節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)僅提供了一個(gè)基本硬件平臺(tái)，必須采用專用接口板才能實(shí)現(xiàn)其他功能的擴(kuò)展。 本論文研究目的是探索一種可以在野外使用, 具有遠(yuǎn)距離高精度自定位的節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)。設(shè)計(jì)一種全新的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。2節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于上述考慮,實(shí)現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖 1所示。節(jié)點(diǎn)采用 Microchip公司的dsPIC6014A□□□，□□□□ 12位ADC和8KB的RAM，16□□□□□□□ I。控制，支持 C□□□□□□□ DSP功能，時(shí)鐘、功耗控制靈活，能在 3口5V□□□□□□, 3.3V時(shí)的最高運(yùn)行速度 20MIPS。節(jié)點(diǎn)配置了一片 512KB的SRAM。dsPIC6014A的一個(gè)16位□□□□□SRAM□□□□□□□,高 3位由另外的3個(gè)I口O位控制，8□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□行數(shù)字信號(hào)處理時(shí)的臨時(shí)數(shù)據(jù)。□□□□□□□ nRF24L01,通過SPI接口和CPU□□□□□□□□□□□□TOC\o"1-5"\h\z生器采用市售標(biāo)準(zhǔn)的壓電蜂嗚器, 經(jīng)過對(duì)自然界的噪聲頻譜測(cè)試及統(tǒng)計(jì)分析, 發(fā)□□□□□□□□□□□□ 20口3000Hz,因此，□□□□□□□□□□□ 3000Hz,聲壓大于 90dB。音頻接收傳感器為駐極體式麥克風(fēng)，兩級(jí)放大器增益約 60dB,為了提高抗干擾能力，節(jié)點(diǎn)中增加了一個(gè)中心頻率為 3000Hz的二口巴特沃

斯帶通濾波器，電路結(jié)構(gòu)如圖3000Hz，-3dB帶寬約為987Hz。2所示。電路實(shí)測(cè)結(jié)果：中心頻率斯帶通濾波器，電路結(jié)構(gòu)如圖3000Hz，-3dB帶寬約為987Hz。2所示。電路實(shí)測(cè)結(jié)果：中心頻率咆源驊理唯元—各級(jí)電源輸出1.7V理電池實(shí)時(shí)勾鐘節(jié)點(diǎn)采用1節(jié)3.7V鋰離子可充電電池作為電源， □□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□ 一個(gè)由RTC(實(shí)時(shí)時(shí)鐘)□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□,□□□□□□□□□□□□□, CPU對(duì)RTC進(jìn)行□□□□□,□□□□□, CPU□□□□□□□□□□,□□□□ RTC和電源□□□□□□,□□□ 12pW,當(dāng)預(yù)定的喚醒時(shí)刻到來時(shí)， RTC□□□□□□信號(hào)，開啟電源，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入工作狀態(tài)，如此重復(fù)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)工作和休眠周期的控制。□□□□□□□□□□□□ RTC所具有的數(shù)分鐘到數(shù)天時(shí)間的定時(shí)中斷設(shè)置功能實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行與休眠周期靈活控制，實(shí)現(xiàn)了低功耗設(shè)計(jì)。在室外利用音頻信號(hào)測(cè)距時(shí)， 大氣溫度、 風(fēng)速及風(fēng)向?qū)β曀儆幸欢ǖ挠绊懀?節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)風(fēng)速測(cè)量目前還存在較大的技術(shù)障礙， 低風(fēng)速時(shí)溫度的影響是主要的， 這□□□□ c=331.4+0.6T□□□□□,□□ T為大氣溫度(口)。溫度傳感器為Maxim公司的 DS1624,具有標(biāo)準(zhǔn)的 I2C接口。測(cè)距信號(hào)到達(dá)時(shí)刻算法本文提出了一種基于數(shù)字整流處理的測(cè)距信號(hào) TOA估計(jì)方法， 其基本原理是通過對(duì)測(cè)距信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，獲取具有較高信噪比的測(cè)距信號(hào)幅值變化信息，□□□□□□□□□□□□□ TOA的估計(jì)。它包括以下處理過程：(1)測(cè)距信號(hào)的信噪比。 □□□□□□□□□： f(t)=Av+Assin(3st+Qs)+N(t),Av為信號(hào)采集后產(chǎn)生的直流分量， N(t)D□□□□□□□□□□□□□□□□，提高信噪比可以采用數(shù)字濾波或者多次采樣累加后求平均值的方法。 考慮到節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算能力及硬件結(jié)構(gòu)，采用 4次采樣再求平均值的方法。(2)去除直流分量。對(duì)f(t)求平均值A(chǔ)v,□□□□□□□, □□□□□□□□□□,□□□□□□□□ j(t),音頻測(cè)距信號(hào)是交流信號(hào)，濾除直流分量有利于后續(xù)處理過程中分離出較大的測(cè)距信號(hào)幅度。(3)數(shù)字全波整流。經(jīng)過(3)數(shù)字全波整流。經(jīng)過(2)處理后的信號(hào)是正負(fù)變換的雙極性信號(hào)，再進(jìn)行z(t)=|j(t)|處理，即數(shù)字全波整流，變換為正的單極性信號(hào)。⑷低通濾波。利用二階 IIR低通濾波器對(duì)z(t)=|j(t)|處理，即數(shù)字全波整流，變換為正的單極性信號(hào)。⑷低通濾波。利用二階 IIR低通濾波器對(duì)z(t)包口線相似的信號(hào) b(t)。z(t)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，得到一個(gè)與(5)對(duì)b(t)進(jìn)行幅值變化趨勢(shì)分析。在測(cè)距信號(hào)開始出現(xiàn)的數(shù)據(jù)段，相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)的幅值差較大，而且是連續(xù)遞增的 (通過試驗(yàn)可以確定連續(xù)遞增的最小數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)),□□□□□□□□□□□□ n(i),即為信號(hào)到達(dá)時(shí)刻點(diǎn)，如圖3所示。案樣點(diǎn)數(shù)(hi數(shù)據(jù)處理過程信號(hào)圖3原始信號(hào)和數(shù)據(jù)處理過程信號(hào)諛形試驗(yàn)結(jié)果□□□□□□□□□□□□□□□,□□□ 3000Hz,采樣頻率23.8kHz,樣長(zhǎng)度為4096點(diǎn)(12位ADC)。圖3是原始信號(hào)波形及數(shù)據(jù)處理過程中的數(shù)據(jù)波形。對(duì)于原始信號(hào), 直接利用信號(hào)的幅度或者頻率來判別測(cè)距信號(hào)的起始點(diǎn)存在很大誤差或者無法識(shí)別,而利用本文所述的方法可以獲得精度較高的信號(hào)起始□□□□□□□ 10MHz□,□□□□□□□□□ 1.5s,可以滿足靜態(tài)或者□□□□□□□□□□,在 30m處的測(cè)距最大誤差約 3.51。

實(shí)現(xiàn)了一種具