基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的單兵鞋設(shè)計(jì)*

馬亞松, 韓 焱， 聶鵬飛

(中北大學(xué) 信息探測(cè)與處理山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的單兵鞋設(shè)計(jì)*

馬亞松, 韓 焱， 聶鵬飛

(中北大學(xué) 信息探測(cè)與處理山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)定位是傳感器定位方法中比較實(shí)用、可靠的一種技術(shù)。為滿足單兵作戰(zhàn)環(huán)境需要，傳感器定位技術(shù)只能采用無線、可靠、低功耗的技術(shù)。在基于WSNs背景下，將傳感器定位系統(tǒng)安裝鞋底，并通過定位系統(tǒng)自身感知、處理能力將周圍環(huán)境定位結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在單兵作戰(zhàn)頭盔上。無線傳輸方式可以將戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息實(shí)時(shí)返回到指揮中心，方便指揮員根據(jù)實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境做出正確判斷。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)； 單兵鞋； 低功耗； 戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境

0 引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)不再是人海、巨炮的時(shí)代，21世紀(jì)的戰(zhàn)爭(zhēng)是信息的戰(zhàn)爭(zhēng)，誰(shuí)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)信息感知能力的更強(qiáng)，誰(shuí)就更可能獲取戰(zhàn)爭(zhēng)的勝利。單兵偵查也從原先的簡(jiǎn)陋的武器裝備變成了集智能頭盔與可視指揮系統(tǒng)、液體防彈衣、生命維持系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、火控系統(tǒng)等一系列先進(jìn)武器裝備于一身的現(xiàn)代單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)[1]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[2～4](wireless sensor networks,WSNs)近期是一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域，其采用無線通信技術(shù)，由微小的傳感器組成，WSNs節(jié)點(diǎn)具備感知能力、信息處理能力和無線通信能力，應(yīng)用范圍從軍事偵查到環(huán)境監(jiān)測(cè)，從工業(yè)生產(chǎn)控制到個(gè)人人身定位救援。傳統(tǒng)的WSNs為了提高定位精度要求節(jié)點(diǎn)數(shù)目(包括參考節(jié)點(diǎn)未知節(jié)點(diǎn))比較多，但由于本設(shè)計(jì)目的是應(yīng)用于單個(gè)鞋底上，不可能部署太多的傳感器節(jié)點(diǎn)，在有限的節(jié)點(diǎn)、有限的電量、有限的硬件資源條件下，要求做到高精度、低功耗。

本文WSNs應(yīng)用于單兵鞋上，使之在復(fù)雜的野外條件下對(duì)單兵有偵查周圍環(huán)境的功能。傳感器安裝在鞋底，最終的周圍環(huán)境定位信息實(shí)時(shí)顯示在單兵頭盔上和返回指揮中心，提高了單兵作戰(zhàn)效率。

1 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)是對(duì)震源進(jìn)行定位[5]，節(jié)點(diǎn)采用三軸加速度傳感器(LIS344ALH)為傳感器模塊，STM32F103為處理器[6]，HX—M02 WiFi為無線通信模塊，USB為有線通信接口。為滿足單兵野外環(huán)境，還設(shè)置了適合腳底的壓電陶瓷充電模塊[7]。節(jié)點(diǎn)硬件框圖如圖1所示。

1.1 傳感器模塊

為了實(shí)現(xiàn)全方位信號(hào)探測(cè)，本設(shè)計(jì)采用的是4只三軸加速度傳感器(LIS344ALH)，1只HMC5883L三軸磁傳感器。LIS344ALH具有低量程、高靈敏度、窄頻帶、體積小和耗電低等特點(diǎn)，非常適合在鞋底上安裝。磁阻傳感器安裝于鞋中底，起到電子羅盤的作用，將傳感器陣列檢測(cè)到的敵軍目標(biāo)位置轉(zhuǎn)換為絕對(duì)坐標(biāo)系。在鞋底上布設(shè)5只傳感器，前腳掌布設(shè)4只加速度傳感器，呈菱形分布(前腳掌每個(gè)傳感器之間相距5 cm)，后腳掌布設(shè)一個(gè)磁傳感器，距前腳掌最后面的那只傳感器距離為12 cm，并對(duì)傳感器編號(hào)，如圖2所示。

圖1 節(jié)點(diǎn)硬件框圖

圖2 傳感器布設(shè)圖

1.2 處理器模塊

節(jié)點(diǎn)的處理器采用意法半導(dǎo)體公司STM32系列中的STM32F103RCT增強(qiáng)型芯片，其基于高性能、低成本、低功耗要求的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)ARM Cortex—M3內(nèi)核，該芯片工作頻率為72 MHz，18個(gè)12位的ADC(模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路)擁有高達(dá)1M的采樣速率(16個(gè)外部，2個(gè)內(nèi)部)，51個(gè)通用I/O端口，多個(gè)快速可嵌套中斷和3個(gè)低功耗模式。考慮到被測(cè)信號(hào)具有突變性，且頻率成分多，并且考慮到以后系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，要求有高的采樣率。節(jié)點(diǎn)要求低功耗，及具備睡眠和自動(dòng)喚醒功能。而STM32F103RCT具備采樣精度高、功耗低、外部接口多樣、運(yùn)算速度快等特點(diǎn)。

1.3 通信模塊

考慮到戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜、地域變化大等特點(diǎn)，要求無線傳輸具有遠(yuǎn)距離傳輸、高質(zhì)量的能力。WiFi通信模塊可以選擇兩種工作模式滿足要求。1)當(dāng)距離比較近時(shí)，可以采取AP(無線接入點(diǎn))模式，所有支持802.11標(biāo)準(zhǔn)的WiFi智能終端都可以連接到WiFi模塊上，也有利于士兵間信息傳遞、互補(bǔ)配合，對(duì)環(huán)境感知能力更強(qiáng)；2)當(dāng)距離比較遠(yuǎn)時(shí)可以采取STA(無線終端)模式，連接周圍環(huán)境的無線網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到長(zhǎng)距離中繼傳輸。HX—M02WIFI無線透?jìng)髂K，其是一種高性能的單面郵票孔式嵌入式WiFi模塊。厚度非常小，十分適合安裝在鞋底上。

1.4 鞋底節(jié)點(diǎn)安裝分布

加速度傳感器安裝于鞋前掌的鞋大底中，使加速度傳感器最大程度地接收從地面?zhèn)鱽淼牡卣饎?dòng)信號(hào)。如圖2所示。人體在走動(dòng)時(shí)，腳后跟會(huì)不停踩壓鞋后掌，所以,腳后掌是最好的發(fā)電位置。發(fā)電裝置安裝于鞋后掌的鞋中底中。

節(jié)點(diǎn)其余硬件，包括處理器模塊、通信模塊、記憶模塊安裝在鞋前掌與鞋后掌中間的鞋中底，人體走路時(shí)鞋前掌會(huì)發(fā)生彎曲形變，鞋后掌由于安裝了發(fā)電裝置會(huì)發(fā)生上下擠壓。硬件實(shí)物圖如圖3所示，整體大小為7.62 cm×5.67 cm。滿足鞋底安裝條件。

圖3 硬件電路板

2 定位算法

整個(gè)算法分為3個(gè)部分。1)信號(hào)特征提取[8];2)時(shí)延估計(jì);3)定位算法。

考慮到設(shè)計(jì)應(yīng)用背景，可能在環(huán)境十分嘈雜的戰(zhàn)場(chǎng)，有用信號(hào)可能在大噪聲背景下被完全淹沒。信號(hào)特征提取不能再簡(jiǎn)單地用傳統(tǒng)的濾波器去噪、小波去噪等。本設(shè)計(jì)采用了基于小波變換和獨(dú)立成分分析(ICA)的強(qiáng)背景噪聲震動(dòng)信號(hào)去噪方法[9]。首先采用小波變換對(duì)各個(gè)帶噪震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行預(yù)去噪處理，然后用ICA的方法對(duì)預(yù)去噪后的信號(hào)進(jìn)行分離，最后根據(jù)分離信號(hào)的特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行矢量歸一化和再去噪處理，最終得到各個(gè)信號(hào)的估計(jì)，其原理框圖如圖4。

圖4 基于小波變換和ICA的強(qiáng)背景噪聲震動(dòng)信號(hào)去噪

時(shí)延估計(jì)采用的是廣義互相關(guān)，通過選取不同加權(quán)函數(shù)，達(dá)到突出相關(guān)信號(hào)和抑制噪聲的目的。定位算法采用了到達(dá)時(shí)間差(time difference of arrival,TDOA)算法。

3 系統(tǒng)驗(yàn)證

3.1 帶寬距離測(cè)試

本測(cè)試主要測(cè)試無線傳輸模塊性能，將節(jié)點(diǎn)布置在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，選擇第2種工作模式，即STA模式，利用路由器開啟無線網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)的WiFi模塊自動(dòng)搜索連接到路由器，上位機(jī)連接到路由器，兩者通過路由器開啟的無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，測(cè)試示意如圖5。

圖5 測(cè)試原理圖

然后將本系統(tǒng)的上位機(jī)和傳感器節(jié)點(diǎn)間距在0～400 m的距離上反復(fù)進(jìn)行測(cè)試，得到帶寬和距離的曲線，如圖6所示。

圖6 不同距離下的傳輸速率

3.2 系統(tǒng)硬件測(cè)試

用戶通過上位機(jī)向節(jié)點(diǎn)發(fā)送采集開始信號(hào)，節(jié)點(diǎn)開始采集，使用鋼珠在不同高度自由落體4次，采集到震動(dòng)信號(hào)，上位機(jī)向節(jié)點(diǎn)發(fā)出停止采集信號(hào)，將以DAT存儲(chǔ)在存儲(chǔ)模塊中的信號(hào)數(shù)據(jù)通過無線AP發(fā)送回上位機(jī)。上位機(jī)顯示信號(hào)波形圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)硬件測(cè)試結(jié)果

將4只加速度傳感器的數(shù)據(jù)用Matlab進(jìn)行仿真分析，波形如圖8所示，可以看出時(shí)延明顯。

圖8 信號(hào)波形圖

3.3 定位算法驗(yàn)證

為了盡可能地模擬真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)嘈雜環(huán)境，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地為繁雜的馬路旁邊。實(shí)際測(cè)量時(shí)采取的震源位置與鞋底在同一平面，得到的距離、方位角與實(shí)際震源位置關(guān)系如表1所示。

從表1可以看出當(dāng)方向角為90°附近時(shí)，角度和距離的誤差都比較小。總體定位精度比較高，角度精度能達(dá)到2.04 %，距離精度能達(dá)到4.19 %。當(dāng)角度減小到30°或者增大到150°時(shí)，兩者的誤差都比較大。

表1 不同角度時(shí)的定位誤差

4 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)系統(tǒng)的無線模塊帶寬測(cè)試、整體硬件測(cè)試以及最后的定位算法驗(yàn)證可以看出，在鞋底上布置WSNs節(jié)點(diǎn)是可行的。在充分考慮布設(shè)條件只有一個(gè)鞋底大小后，硬件上做到了兼具性能和體積。算法上模擬戰(zhàn)時(shí)高噪聲環(huán)境采用基于小波變換和ICA的強(qiáng)背景噪聲震動(dòng)信號(hào)去噪方法提取信號(hào)特征，完成對(duì)震源的定位。

由于鞋底本身面積小，布設(shè)的傳感器陣列尺寸比較小，傳感器數(shù)量也比較少，所以時(shí)延估計(jì)誤差不理想，導(dǎo)致定位精度不高。為了進(jìn)一步提高定位精度，下一步應(yīng)該從如何在小面積的情況下合理高效布設(shè)傳感器陣列，定位算法最優(yōu)化等方面進(jìn)行研究。

[1] 曹曉光.“未來戰(zhàn)士”意大利陸軍未來單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)構(gòu)成解析[J].現(xiàn)代軍事,2010(5):58-59.

[2] 嚴(yán) 冬,王瑞濤,陳俊生.基于STM32的低功耗無線傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科技視界,2014(2):64-65.

[3] 曹廣華，王 玥，宋鴻遠(yuǎn).一種低能耗無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2016,35(2)：67-71.

[4] 常 偉，李建軍，李 釗.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的飛機(jī)燃油量測(cè)量改進(jìn)算法[J].無線電工程，2016,46(4)：63-66.

[5] 王文川,韓 焱.空間任意多元聲陣列無源定位研究[J].海洋技術(shù),2009(2):62-64.

[6] 孟 強(qiáng),徐 慧,萬(wàn)青苗.基于STM32的數(shù)據(jù)采集及顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2013(13):3183-3186.

[7] 齊洪東,楊 濤,岳高銘,等.微型壓電陶瓷振動(dòng)發(fā)電技術(shù)研究綜述[J].傳感器與微系統(tǒng),2007，26(5):1-4.

[8] 張 節(jié).語(yǔ)音信號(hào)的預(yù)處理和特征提取技術(shù)[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2009,22(5):6280-6282.

[9] 徐麗琴.典型ICA算法在盲源分離中的實(shí)現(xiàn)[J].科技信息,2010(26):519-520.

Individual shoes design based on WSNs node*

MA Ya-song, HAN Yan， NIE Peng-fei

(Key Laboratory of Information Detection and Processing of Shanxi Province,Taiyuan 030051,China)

Wireless sensor networks(WSNs)localization is a practical and reliable technology in sensor localization method.In order to meet the needs of individual combat environment,sensor localization technology can only use wireless,reliable,low power consumption technology.Based on the background of WSNs,sensor localization system is installed in sole,and the surrounding environment positioning result is real time displayed on individual combat helmet by perception,processing capacity of positioning system. Because it is wireless transmission,which greatly facilitates transmission of information,it can be returned to command center in real time,so it is convenient for the commanders to make correct judgments according to the real-time battlefield environment.

wireless sensor networks(WSNs); individual shoes; low power consumption; battlefield environment

10.13873/J.1000—9787(2017)04—0114—03

2016—06—21

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61471325); 高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(博導(dǎo)類)(20121420110006)

TP 274

A

1000—9787(2017)04—0114—03

馬亞松(1990-),男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)樾盘?hào)處理與定位算法，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，E—mail:mys_nuc@126.com。

韓 焱(1957-),男,教授,，博士生導(dǎo)師，享受政府特殊津貼的突出貢獻(xiàn)專家，主要從事信號(hào)與信息處理、精密儀器與機(jī)械、信息處理與重建等方面的研究工作。