基于PSK聲通信的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計*

陳景霞， 李 柱， 張鵬偉

(1.陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021；2.中國科學(xué)院 合肥物質(zhì)研究院，安徽 合肥 230031)

基于PSK聲通信的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計*

陳景霞1， 李 柱2， 張鵬偉1

(1.陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021；2.中國科學(xué)院 合肥物質(zhì)研究院，安徽 合肥 230031)

可用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的聲信號通信方式，不占用無線電通信頻率帶寬，無射頻干擾，在諸如環(huán)境監(jiān)測、軍事偵測等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。研究了一種基于相移鍵控(PSK)調(diào)制聲通信的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點系統(tǒng)。節(jié)點系統(tǒng)采用ARM+FPGA的結(jié)構(gòu)，核心控制器為具有低功耗休眠模式的STM32型ARM芯片，F(xiàn)PGA用于進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存和部分?jǐn)?shù)據(jù)處理，采用PZT型揚聲器實現(xiàn)聲信號的收發(fā)。測試表明：節(jié)點系統(tǒng)可以在10 m范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)碼率300 bps，誤碼率小于10-3,系統(tǒng)最大功耗小于0.1 W，最低休眠功耗小于10 μW。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò); 相移鍵控； 聲通信； 低功耗

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者[1,2]。

相移鍵控(phase-shift keying,PSK)是目前擴(kuò)頻系統(tǒng)中大量使用的調(diào)制方式，也是和擴(kuò)頻技術(shù)結(jié)合最成熟的調(diào)制技術(shù)之一[3～5]。PSK調(diào)制技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸中，尤其是在中速和中高速的數(shù)傳機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用。PSK有很好的抗干擾性,在有衰落的信道中也能獲得很好的效果[6]，因此,PSK聲通信方式在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中將會有很好的應(yīng)用前景。

本文主要研究了PSK聲通信方式在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用,分別從傳感器節(jié)點硬件系統(tǒng)設(shè)計和PSK聲通信設(shè)計2個方面進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并對所設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明：PSK聲通信方式能夠滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)短距離的穩(wěn)定通信需求。

1 傳感器節(jié)點硬件系統(tǒng)設(shè)計

針對聲通信的特殊要求，對傳感器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了必要的改進(jìn)，節(jié)點設(shè)計如圖1所示。節(jié)點主要由處理器模塊、存儲器模塊、傳感器模塊、無線通信模塊及能量供應(yīng)模塊等組成[7～9]。與傳統(tǒng)傳感器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)不同之處在于無線通信模塊中采用的是壓電換能器(PZT)型揚聲器來實現(xiàn)無線通信的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收；處理器模塊節(jié)點系統(tǒng)采用ARM+FPGA的結(jié)構(gòu)，核心控制器為具有低功耗休眠模式的STM32型ARM芯片，F(xiàn)PGA用于數(shù)據(jù)緩存和部分?jǐn)?shù)據(jù)處理，這種結(jié)構(gòu)可以有效地提高系統(tǒng)設(shè)計的靈活性；而其他模塊的設(shè)計主要采用現(xiàn)有成熟技術(shù)。

圖1 節(jié)點硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Structure diagram of node hardware system

實際測試表明：所設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，最大功耗小于0.1 W，最低休眠功耗小于10 μW。節(jié)點中使用的PZT型揚聲器頻譜分析如圖2所示，因此,節(jié)點進(jìn)行聲通信時采用的載波頻率為3 kHz。

圖2 PZT型揚聲器頻譜分析Fig 2 PZT-type speaker spectrum analysis

2 傳感器節(jié)點聲通信設(shè)計

本文主要研究的內(nèi)容為PSK聲通信方式在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。PSK聲通信方式和射頻通信的信號調(diào)制與解調(diào)原理相同。PSK為數(shù)字調(diào)制方式[4]，此外，數(shù)字調(diào)制方式還包括幅移鍵控(ASK)調(diào)制、頻移鍵控(FSK)調(diào)制等。無線電通信是利用電磁波作為信息的載體，而聲通信則是利用聲波作為信息載體。信號的調(diào)制就是將待傳輸?shù)幕鶐盘柤虞d到高頻振蕩信號(高頻載波)上的過程， 本文中PSK采用的是相對調(diào)相(DPSK)，調(diào)制過程如圖3所示，解調(diào)過程如圖4所示。

圖3 DPSK調(diào)制原理框圖與仿真波形圖Fig 3 DPSK modulation principle block diagram and simulation waveforms diagram

圖4 DPSK解調(diào)原理框圖與仿真波形圖Fig 4 DPSK demodulation principle block diagram and simulation waveforms

文中采用的通信載波頻率為3 kHz，數(shù)據(jù)碼率300 bps，節(jié)點接收到的信號經(jīng)AD采集再濾波處理后的數(shù)據(jù)上傳到計算機(jī)，利用Matlab還原后的波形圖如圖5所示。

圖5 節(jié)點接收到的DPSK波形圖Fig 5 Diagram of DPSK waveform received by node

3 結(jié)果與討論

本文對所設(shè)計的無線傳感器節(jié)點進(jìn)行了DPSK聲通信測試，節(jié)點使用PZT型揚聲器作為聲通信發(fā)送和接收裝置。在多種環(huán)境中進(jìn)行的測試表明：聲通信方式能夠在短距離范圍內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的無線通信，通信具有較好的抗干擾能力。

當(dāng)通信距離為5 m，發(fā)送端信號不添加噪音時，通信誤碼率為0。保持通信距離不變的情況下，發(fā)送端發(fā)送不同信噪比信號，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示，表明在短距離通信中，PSK聲通信具有良好的抗干擾能力。

同時利用所設(shè)計的無線傳感器節(jié)點對DPSK聲通信的誤碼率與通信距離之間的關(guān)系進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如表2

表1 不同信噪比下的通信誤碼率Tab 1 Communication BER of different SNR

所示。結(jié)果表明:當(dāng)通信距離小于10 m時通信誤碼率為0.091 %，通信距離繼續(xù)增加到10.5 m時，通信誤碼率將大約0.1 %。為保證無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性，使用該通信方式時，通信距離應(yīng)控制在10 m范圍內(nèi)。

表2 不同距離下的通信誤碼率Tab 2 Communication BER of different distance

4 結(jié) 論

本文主要研究了DPSK聲通信方式在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，對傳感器節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)和節(jié)點間的聲通信原理進(jìn)行了闡述，同時利用所設(shè)計的傳感器節(jié)點進(jìn)行了DPSK聲通信測試實驗，根據(jù)測試數(shù)據(jù)可以看出：當(dāng)通信距離小于10 m時，DPSK聲通信方式能夠較好地滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

的要求。因此，PSK聲通信方式在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中將會有很好的應(yīng)用前景。

[1] 孫利民，李建中，陳 渝，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005:5.

[2] Shmulik Markovich-Golan,Sharon Gannot,Israel Cohen.Distributed multiple constraints generalized sidelobe canceler for fully connected wireless acoustic sensor networks[J].IEEE Transactions on Audio Speech and Language Processing,2013,21(2):343-356.

[3] 金 艷，姬紅兵.基于循環(huán)自相關(guān)的PSK信號碼速率估計的噪聲影響分析[J].電子與信息學(xué)報，2008,30(2):505-508.

[4] Jin Yong,Ohno Shuichi,Nakamoto Masayoshi.Blind detection of PSK signals[J].International Journal of Innovative Computing Information and Control,2012,8(3B):2329-2337.

[5] Martinez P.PSK31:A new radio teletype mode with a traditional philosophy.[2013—03—26]. http:∥aintel.bi.ehu.es/psk31.html.

[6] Moslem Noori,Masoud Ardakani.On symbol mapping for binary physical-layer network coding with PSK modulation[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2012,11(1):21-26.

[7] 孫曉雅，李永倩，李 天.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng)，2012,31(6):5-11.

[8] 徐 成，曾 祺，魏 峰.無線傳感網(wǎng)絡(luò)中通用傳感器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用，2007,43(8):103-105.

[9] 金仁成，王艷輝，王立鼎,等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件平臺設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2006,25(12):48-50.

WSNs node design based on PSK acoustic communication*

CHEN Jing-xia1, LI Zhu2, ZHANG Peng-wei2

(1.College of Electrical and Information Engineering,Shaanxi University of Science and Technology,Xi’an 710021,China; 2.Heifei Institute of Physical Science,Chinese Academy of Sciences,Hefei 230031,China)

Acoustic signal communication can be used for wireless sensor networks(WSNs)，which do not take up radio communication frequency bandwidth and no RF interference,it has a wide application prospect in areas such as environmental monitoring,military detection and other fields.Research a WSNs node system which based on PSK modulated acoustic communication.Node system uses ARM + FPGA structure，core controller is a STM32 ARM chip which has low power consumption sleep mode,FPGA is used for data caching and partial data processing,PZT-type speaker is used to achieve acoustic signal transceiver.Tests show that node system can carry out data communication within 10 m, data rate is 300 bps,bit error rate(BER)is less than 10-3,maximum power consumption of system is less than 0.1 W,lowest sleep power consumption is less than 10 μW.

wireless sensor networks(WSNs); PSK; acoustic communication; low power consumption

2013—09—02

國家重大科學(xué)研究計劃項目納米專項資助項目(2011CB933700);國家自然科學(xué)基金重點資助項目 (10635070);西安市創(chuàng)新支撐計劃資助項目(CXY1121(1))

O 212; TB 96

A

1000—9787(2014)04—0109—03

陳景霞(1979-)，女，新疆石河子人，碩士,講師，研究方向為數(shù)字圖像處理、模式識別。